Лекции для студентов

Физиология человека (часть 6)

ОБМЕН ЭНЕРГИИ

Все живое на Земле получает тепловую энергию от Солнца, на котором постоянно протекают ядерные реакции с выделением колоссального количества тепла. Для своей жизнедеятельности живые существа используют энергию, которая образуется в результате обмена веществ — распада белков, жиров и углеводов. По производству количества энергии человек представляет собой микросолнце, в котором образуется гораздо больше энергии. Ученые подсчитали, что в перерасчете на 1 грамм собственной массы человек образует в 10000 раз больше энергии, чем 1 грамм Солнца.

В результате обмена веществ в организме человека постоянно поглощается и расходуется энергия. Достаточно сказать, что на образование одной нуклеотидной связи при сборке нуклеиновой кислоты тратится около 5000 кал. Таким образом, для жизнедеятельности организма затрачивается колоссальное количество энергии, такое же количество ее должно и образовываться, т. е. между образованием и потреблением энергии должен быть баланс в виде устойчивого равновесия. Источником этой энергии являются жиры и углеводы, а также частично белки. В результате обменных реакций в организме образуется несколько видов энергии: химическая, электрическая, механическая (работа мышц), тепловая и прочие. Важно знать, что в конечном итоге, все виды энергии превращаются в тепло, а последнее не используется организмом для своих нужд. Учитывая это важное обстоятельство, ученые для изучения энергетических затрат организма предложили определять расход энергии по количеству тепла, которое отдается организмом в окружающую среду.

Однако, следует помнить, что исследованиями Митчела и Скулачева было показано, что образующаяся в организме энергия вначале превращается в энергию электрических связей. Причем в митохондриях имеются специальные белки, которые выполняют роль генераторов электрической энергии. По мере необходимости энергия молекул будет переходить в другие формы энергии.

Возникает вопрос: “Для чего будущему врачу необходимо знать энергетические затраты?”. Энергетические затраты организма необходимо знать для того, чтобы, во-первых, составлять пищевые рационы для здорового человека с учетом его трудовой деятельности и др. Во-вторых, изучение энергетического обмена используется в диагностических целях.

Для изучения энергетических трат организма используются два метода: непрямой и прямой калориметрии.Метод прямой калориметрии связан с определением количества тепла, которое непосредственно выделяется организмом, для чего используются калориметрические камеры. Последняя представляет собой сооружение, состоящее из 2-х камер, одна из стенок которого состоит из цинка для исключения потери тепла (рис. 6.13.). По внутренней поверхности камеры проходят трубы, по которым протекает вода. Зная температуру воды, протекающей и вытекающей из камеры, а также количество ее, проходящей в единицу времени через камеру можно найти (определить) отделяемое организмом тепло. Метод прямой калориметрии очень точен, но громоздкий и требует значительных материальных затрат.

Метод непрямой калориметрии основан на изучении газообмена, т. е. потреблении кислорода и выделении углекислого газа организмом в единицу времени. Обоснование этого метода заключается в том, что все вещества сгорают в кислороде, при этом на единицу его потребления выделяется строго определенное количество тепла. Потребление кислорода сопровождается выделением эквивалентного количества углекислого газа. Отсюда, зная количество потребленного кислорода, можно рассчитать энергетические затраты организма. Для этой цели необходимо знать:

1) Калорический эквивалент газа, под которым следует понимать количество тепловой энергии, которое выделяется при потреблении одного литра кислорода и сгорании жиров, белков и углеводов. Так, при сгорании одного литра кислорода и потреблении жиров выделяется 4,7 ккал., белков — 4,6 ккал, углеводов — 5,05 ккал. Все трудности при определении энергетических затрат организма заключаются в том, что мы не знаем, какие вещества сгорают.

2) Для того, чтобы узнать величину калорического эквивалента газа необходимо определить дыхательный коэффициент, который представляет собой отношение выделенного количества углекислого газа к количеству потребленного кислорода. Если сгорают углеводы, то дыхательный коэффициент (ДК) составляет 1,0; жиры — 0,7; белки — 0,8. Различная величина ДК для разных питательных веществ связана с различным количеством кислорода, входящего в молекулы белков, жиров и углеводов. Известно, что для окисления вещества используется не только кислород внешней среды, но и тот, который содержится в окисляемом веществе. Отсюда, чем больше эндогенного кислорода, тем меньше его потребляется из окружающей среды и тем больше будет ДК. Попробуем окислить молекулу глюкозы: С6 Н12 О6+ 6О2 = 6СО2 + 6Н2 О. ДК составит 1,0. Окислим жирную кислоту (капроновая кислота): С6 Н12 О2+ 8О2 = 6СО2 + 6Н2О. ДК составит 0,7.

3) Количество потребленного кислорода. Для определения количества потребленного кислорода используется несколько методов: камера Шатерникова, спирограф и метод Дугласа-Холдена. Последний применяется чаще всего. Для определения потребляемого организмом кислорода методом Дугласа-Холдена необходимо иметь следующие принадлежности и приборы: мешок Дугласа (рис. 6.14.), газовые часы и газоанализатор Холдена. Газовые часы необходимы для определения количества воздуха, проходящего за одну минуту через легкие; мешок Дугласа — для забора воздуха; газоанализатор — для определения количества кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе. Попробуем сделать расчеты. Допустим, что в выдыхаемом воздухе содержится 16% кислорода, 4% углекислого газа, легочная вентиляция составляет за одну минуту 7 литров воздуха. На этих данных можно определить количество потребляемого кислорода: 21% кислорода (содержание в атмосферном воздухе) — 16% кислорода (содержание в выдыхаемом воздухе). Отсюда, каждые 100 мл воздуха, проходя через легкие, отдают 5 мл кислорода за одну минуту. За одну минуту легочная вентиляция составляет 7 литров воздуха. Если из 100 мл воздуха извлекается 5 мл кислорода, то из 7000 мл воздуха извлекается х мл кислорода. Следовательно, количество потребляемого кислорода за одну минуту кислорода составляет 350 мл (0,35 литра). Далее, для того, чтобы знать, какие вещества сгорают, необходимо определить ДК, для чего следует определить количество углекислого газа, которое выделяется организмом. В выдыхаемом воздухе содержится 4% углекислого газа (содержание газа в атмосферном воздухе не учитывается вследствие малого его количества — 0,03%). Каждые 100 мл воздуха, проходящего через легкие, получают 4 мл углекислого газа. А легочная минутная вентиляция составляет 7000 мл. Следовательно, 100 — 4 мл ; 7000 — Х мл. Количество выделяемого углекислого газа составит: 28000/100=280 мл (0,28 л). Рассчитываем дыхательный коэффициент: ДК=Vсо2/Vо2=280/350=0,9. Далее находим по таблице калорический эквивалент кислорода для ДК 0,90. Калорический эквивалент равен 4,9 ккал. Можно рассчитать суточный расход энергии (0,35 мл О2* 4,9 * 60 мин * 24 часа).

Однако следует помнить, что ДК не всегда правильно отражает энергетические траты организма. Например, по окончании мышечной работы его нельзя использовать в качестве показателя, отражающего, какие вещества преимущественно сгорают — жиры, белки или углеводы. Изучение изменения ДК при мышечной работе показывает, что во время мышечной нагрузки ДК постепенно приближается к единице, по ее окончании — он становится больше единицы, затем спустя определенное время резко уменьшается. Значительное увеличение ДК по окончании работы связано с тем, что из мышц в кровь выделяется большое количество молочной кислоты, которая связывает натрий бикарбонатов. Освобождающийся в результате этой реакции углекислый газ выделяется организмом, поэтому увеличивается и ДК. По истечении определенного времени имеет место обратная реакция: молочная кислота окисляется, а освободившийся натрий связывает углекислый газ, образуя бикарбонаты. Выделение углекислого газа из организма уменьшается и ДК резко падает .

Весь общий обмен (суточный) расход энергии можно поделить на три части: 1) Основной обмен; 2) Специфическое динамическое действие пищи; 3) Рабочий обмен. Остановимся на этих обменах.

Основной обмен - обмен покоя — минимальный обмен, необходимый для поддержания жизненных процессов. Для здорового взрослого человека он составляет 1300 — 1600 ккал/сут. Основной обмен определяется при выполнении следующих условий: 1) Натощак, т. е. спустя 12-14 часов после последнего приема пищи, 2) При нормальной температуре тела (36-37 0С), 3) В состоянии полного мышечного и умственного покоя, 4) При температуре окружающей среды 18-20 0С и атмосферном давлении 760 мм рт ст.