Занятие 1. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ. Контрольные вопросы
1. Обмен веществ как основа жизнедеятельности организма. Методы измерения обмена веществ.
2. Основной обмен и факторы его определяющие. Закон Рубнера.
3. Пластическая и энергетическая роль питательных веществ. Витамины. Микроэлементы.
4. Обмен белков, жиров, углеводов.
5. Типы терморегуляции и их характеристика.
6. Физические основы теплообмена.
7. Механизмы терморегуляции: температурная компенсация, терморегуляторное поведение, автономная терморегуляция.
8. Функциональная система регуляции температуры тела и ее особенности.
Расход энергии (энергетические траты) организма разделить на основной обмен и рабочий (добавочный) обмен.
Основному обмену соответствует минимальный расход энергии, обеспечивающий гомеостазис организма в стандартных условиях. Измеряется он у бодрствующего человека, утром, в условиях полного эмоционального и физического покоя, при температуре комфорта, натощак, в горизонтальном положении тела.
Энергия основного обмена расходуется на синтез клеточных структур, поддержание постоянной температуры тела, деятельности внутренних органов, тонуса скелетных мышц и сокращения дыхательных мышц.
Интенсивность основного обмена зависит от возраста, пола, длины и массы тела. Наиболее высокий основной обмен, отнесенный к 1 кг массы тела, характерен для детей в возрасте 6 мес, затем он постепенно падает и после периода полового созревания приближается к уровню взрослых. После 40 лет основной обмен человека начинает постепенно снижаться.
Половина всего энергорасхода основного обмена приходится на печень и скелетные мышцы. У лиц женского пола в связи с меньшим относительным количеством в организме мышечной ткани основной обмен ниже, чем у лиц мужского пола. Мужские половые гормоны повышают основной обмен на 10— 15 %, женские половые гормоны таким действием не обладают.
Примерным стандартом основного обмена взрослого человека может быть величина 4,2 кДж (1 ккал) на 1 кг массы тела в 1 ч. При массе тела, равной 70 кг, основной обмен мужчины составляет в сутки 7100 кДж, или 1700 ккал.
Рабочий обмен — это совокупность основного обмена и энергетических трат организма, обеспечивающих его жизнедеятельность в условиях терморегуляторной, эмоциональной, пищевой и рабочей нагрузок.
Терморегуляторное повышение интенсивности обмена веществ и энергии развивается в условиях охлаждения и у человека может достигать 300 %.
Эмоциональное возбуждение сопровождается увеличением расхода энергии у взрослого человека обычно на 40 – 90 % от уровня основного обмена и связано главным образом с вовлечением мышечных реакций — фазных и тонических. Прослушивание радиопередач, вызывающих эмоциональные реакции, может повысить расход энергии на 50 %, у детей при крике затраты энергии могут повышаться втрое.
Во время сна уровень метаболизма на 10— 15 % ниже, чем в условиях бодрствования, что обусловлено расслаблением мышц, а также снижением активности симпатической нервной системы, снижением выработки гормонов надпочечников и щитовидной железы, увеличивающих катаболизм.
Специфическое динамическое действие пищи представляет собой повышение расхода энергии, связанное с превращением пищевых веществ в организме, главным образом после их всасывания из пищеварительного тракта. При потреблении смешанной пищи обмен повышается на 5—10 %; углеводная и жирная пища увеличивает его незначительно — примерно на 4 %. Пища, богатая белком, может повышать расход энергии на 30 %, эффект обычно длится 12— 18 ч. Это обусловлено тем, что метаболические преобразования в организме белков сложны и требуют больших затрат энергии по сравнению с таковыми жиров и углеводов. Возможно, поэтому углеводы и жиры при их избыточном приеме увеличивают массу тела, а белки таким действием не обладают.
Рабочий обмен превышает основной обмен, главным образом за счет функций скелетных мышц. При их интенсивном сокращении расход энергии в мышце может возрасти в 100 раз, общий расход энергии при участии в такой реакции более 1/3 скелетных мышц за несколько секунд может повыситься в 50 раз.
Параметры энергетического обмена могут быть вычислены или прямо измерены.
Приход энергии определяют сжиганием навески пищевых веществ (физическая калориметрия) или расчетом содержания в пищевых продуктах белков, жиров, углеводов.
Физическая калориметрия проводится при сжигании веществ в калориметре («калориметрической бомбе») Бертло. По нагреванию воды, находящейся между стенками калориметра, определяют количество тепла, выделенного при сжигании вещества. Согласно закону Гесса, суммарный тепловой эффект химической реакции зависит от исходных и конечных ее продуктов и не зависит от промежуточных этапов реакции. Поэтому количество тепла, выделяемого при сжигании вещества вне организма и при его биологическом окислении, должно быть одинаковым.
Определение прихода энергии по калорийности принимаемых пищевых веществ. Теплота окисления 1 г вещества в организме, или калорический коэффициент питательных веществ, для углеводов и жиров равна их физической калорийности. Для углеводов этот показатель равен 4,1 ккал, или 17,17 кДж, для жиров — 9,3 ккал, или 38,94 кДж. Часть химической энергии белков теряется вместе с конечными продуктами обмена (мочевиной, мочевой кислотой, креатинином), обладающими теплотворной способностью. Поэтому физическая калорийность 1 г белков (5,60— 5,92 ккал) больше физиологической, которая равна 4,1 ккал, или 17,17 кДж.
После определения с помощью таблиц содержания в принятой пище (в граммах) белков (Б), жиров (Ж) и углеводов (У) рассчитывают (в килокалориях) содержащуюся в них химическую энергию (Q): Q = 4,1 х Б + 9,3 х Ж + 4,1 х У. Полученный результат следует оценивать с поправкой на усвоение, в среднем составляющей 90 %.
Определение расхода энергии (интенсивность метаболизма). Существуют прямой и непрямой способы определения расхода энергии, которые рассматриваются как разновидности физиологической калориметрии.
Прямая калориметрия была впервые разработана А.Лавуазье и в 1780 г. применена для непрерывного измерения биокалориметром тепла, выделяемого животным организмом. Прибор представлял собой герметизированную и теплоизолированную камеру, в которую подавался кислород; углекислый газ и водяные пары постоянно поглощались. Тепло, выделяемое находящимся в камере животным, нагревало воду, циркулировавшую по трубкам. В зависимости от степени нагревания воды и ее массы проводилась оценка количества тепла, выделяемого организмом в единицу времени.
Непрямая калориметрия. Наиболее простой вариант основан на определении количества потребляемого организмом кислорода (неполный газовый анализ). В ряде случаев для оценки интенсивности метаболизма определяют объем выделяющегося углекислого газа и объем потребленного организмом кислорода (полный газовый анализ).
Зная количество потребленного кислорода и выделившегося углекислого газа, легко рассчитать расход энергии, поскольку показателем характера окисляемых в организме веществ является дыхательный коэффициент (ДК).
Дыхательный коэффициент — отношение объема выделенного СО2 к объему потребленного кислорода (ДК == Vco2/Vo2,). Величина ДК зависит от вида окисляемых веществ. При окислении глюкозы он равен 1,0, жиров — 0,7, белков — 0,81. Эти различия объясняются тем, что в молекулах белков и жиров кислорода содержится меньше и для их сгорания требуется больше кислорода. По этой же причине при повышении в пищевом рационе доли углеводов и их переходе в жиры ДК становится больше 1,0 и потребление кислорода снижается, поскольку часть кислорода глюкозы не используется для синтеза жиров. При обычном (смешанном) питании ДК приближается к 0,82. При голодании в связи со снижением метаболизма глюкозы увеличивается окисление жиров и белков и дыхательный коэффициент может снижаться до 0,7.
Количественное соотношение принимаемых с пищей белков, жиров и углеводов определяет, естественно, не только величину дыхательного коэффициента, но и калорический эквивалент кислорода.
Калорический эквивалент кислорода — количество энергии, вырабатываемой организмом при потреблении 1 л кислорода.
Регуляция обмена веществ находится под контролем гормонов и нервных центров.
Физиологические принципы адекватного питания:
1. Пища должна обеспечивать достаточное поступление в организм энергии с учетом возраста, пола, физиологического состояния и вида труда.
2. Пища должна содержать оптимальное количество и соотношение различных компонентов для процессов синтеза в организме (пластическая роль питательных веществ).
3. Пищевой рацион должен быть адекватно распределен в течение суток.
По способности поддерживать постоянную температуру тела животные делятся на пойкилотермных, гомойотермных и гетеротермных.
Пойкилотермные организмы (от греч. poikilos — изменчивый) не способны поддерживать температуру тела на постоянном уровне, так как они вырабатывают мало тепла и имеют несовершенные механизмы его сохранения.
Гомойотермные организмы (от греч. homeo — подобный, одинаковый), к которым относится и человек, вырабатывают много тепла и отличаются относительным постоянством температуры тела, незначительно изменяющейся в течение суток.
Гетеротермные организмы (от греч. heteros — другой) отличаются тем, что колебания температуры их тела превышают границы, свойственные гомойотермным животным. Это характерно для ранних этапов онтогенеза, зимней спячки некоторых гомойотермных животных, а также для млекопитающих и птиц с очень малыми размерами тела.
Температурный фактор определяет скорость протекания ферментативных процессов, всасывания, проведения возбуждения и мышечного сокращения.
Известно, что в поверхностных и глубоких участках тела человека температура различна. Внутренние области тела, составляющие примерно 50 % его массы, названы «ядром». Сюда относят мозг, сердце, печень и другие внутренние органы. Температура «ядра» варьируют незначительно, составляя величину порядка 36,7—37°С. Вместе с тем в разных участках «ядра» показатели температуры могут несколько.
|