Образование и расход энергии

Наиболее важную, центральную роль в энергетическом обмене занимает аденозинтрифосфорная кислота (АТФ). АТФ, образуясь из других макроэргических соединений, сама участвует в их синтезе.

Энергия, которая извлекается из органических веществ, унифицируется и накапливается в форме АТФ, количество которой в тканях организма поддерживается на высоком уровне. АТФ содержится в каждой клетке организма. Наибольшее количество ее обнаруживают в скелетных мышцах - 0,2-0,5%. Любая деятельность клетки всегда точно совпадает по времени с распадом АТФ.

При беге на короткую дистанцию (100 м) мышцы работают почти только за счет содержащейся в АТФ энергии. Разрушившиеся молекулы АТФ должны восстановиться, для того чтобы мышцы вновь могли сокращаться. Это происходит за счет энергии, которая освобождается при распаде углеводов и других веществ.

АТФ - единый и универсальный источник энергии для функциональной деятельности клеток и организма в целом. Энергия организма расходуется на осуществление основного обмена веществ, работу мышц и при специфическом действии пищи.

Методы измерения затрат энергии (прямая и непрямая калориметрия). Понятие о дыхательном коэффициенте

Прямая калориметрия основана на непосредственном определении тепла, высвобождающегося в процессе жизнедеятельности организма. Человека помещают в специальную калориметрическую камеру, в которой учитывают все количество тепла, отдаваемое телом человека. Тепло, выделяемое организмом, поглощается водой, протекающей по системе труб, проложенных между стенками камеры. Метод очень громоздок, применение его возможно в специальных научных учреждениях. Вследствие этого в практической медицине широко используют метод непрямой калориметрии. Сущность этого метода заключается в том, что сначала определяют объем легочной вентиляции, а затем - количество поглощенного кислорода и выделенной углекислоты. Отношение объема выделенной углекислоты к объему поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента. По величине дыхательного коэффициента можно судить о характере окисляемых веществ в организме.

При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1, так как для полного окисления 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды потребуется 6 молекул кислорода, при этом выделяется 6 молекул углекислого газа:

Дыхательный коэффициент при окислении белков равен 0,8, при окислении жиров - 0,7. В жирах и белках содержится мало внутримолекулярного кислорода, поэтому для их окисления необходимо больше кислорода: для окисления 1 г белков 0,97 л, 1 г жиров 2,03 л.

Определение расхода энергии по газообмену. Количество тепла, высвобождающееся в организме при потреблении 1 л кислорода, - калорический эквивалент кислорода - зависит от того, на окислении каких веществ используется кислород. Калорический эквивалент кислорода при окислении углеводов равен 21,13 кДж (5,05 ккал), белков - 20,1 кДж (4,8 ккал), жиров - 19,62 кДж (4,686 ккал). Существует зависимость между дыхательным коэффициентом и количеством энергии, которая образуется при поглощении 1 л кислорода (табл. 6).

Таблица 6. Участие жиров и углеводов в обмене веществ и калорический эквивалент при различной величине дыхательного коэффициента

Основной обмен и значение его измерения для клиники

Основной обмен - это минимальное количество энергии, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя при исключении всех внутренних и внешних влиянии, которые могли бы повысить уровень обменных процессов. Основной обмен веществ определяют утром натощак (через 12-14 ч после последнего приема пищи) в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в комфортных температурных условиях окружающей среды (18-20°С). Выражают основной обмен количеством энергии, выделенной организмом (кДж или ккал).

В состоянии полного физического и психического покоя организм расходует энергию на: 1) постоянно совершающиеся химические процессы; 2) механическую работу, выполняемую отдельными органами (сердце, дыхательные мышцы, кровеносные сосуды, кишечник и др.); 3) не прекращающуюся деятельность железисто-секреторного аппарата.

Основной обмен веществ зависит от возраста, роста, массы тела, пола. Самый интенсивный основной обмен веществ в расчете на 1 кг массы тела отмечается у детей. У новорожденных он составляет 209-222 кДж/кг (50-53 ккал/кг) в сутки, у детей 1-го года жизни - 176 кДж/кг (42 ккал/кг). С увеличением массы тела усиливается основной обмен веществ. Средняя величина основного обмена веществ у здорового человека равна приблизительно 4,2 кДж (1 ккал) в 1 ч на 1 кг массы тела.

По расходу энергии в состоянии покоя ткани организма неоднородны. Более активно расходуют энергию внутренние органы, менее активно - мышечная ткань. По мере увеличения мышечной ткани по отношению к массе внутренних органов расход энергии снижается.

Интенсивность основного обмена веществ в жировой ткани в 3 раза ниже, чем в остальной клеточной массе организма. Худые люди производят больше тепла на 1 кг массы тела, чем полные. Если рассчитать энерговыделения на 1 м² поверхности тела, то эта разница почти исчезает, так как, согласно правилу Рубнера, основной обмен веществ приблизительно пропорционален поверхности тела для разных видов животных и человека.

У женщин основной обмен веществ ниже, чем у мужчин. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела. Отмечены сезонные колебания величины основного обмена веществ - повышение его весной и снижение зимой. На величину основного обмена веществ влияет предшествующая мышечная работа. Мышечная деятельность вызывает повышение обмена веществ пропорционально тяжести выполняемой работы.

К значительным изменениям основного обмена приводят нарушения функций органов и систем организма. При повышенной функции щитовидной железы, малярии, брюшном тифе, туберкулезе, сопровождающихся лихорадкой, основной обмен веществ усиливается.

Расход энергии при работе

Расход энергии человеком зависит от состояния организма и мышечной деятельности. При мышечной работе значительно увеличиваются энергетические затраты организма. Это увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее работа (табл. 7).

Таблица 7. Расход энергии в покое и при физической нагрузке

По сравнению со сном при медленной ходьбе расход энергии увеличивается в 3 раза, а при беге на короткие дистанции во время соревнований - более чем в 40 раз.

При кратковременных нагрузках энергия расходуется за счет окисления углеводов. При длительных мышечных нагрузках в организме сгорают преимущественно жиры. У тренированных спортсменов энергия мышечных сокращений обеспечивается исключительно за счет сгорания жиров. Во время продолжительной тяжелой работы окисление жиров дает около 80% всей необходимой энергии. У человека, занимающегося физическим трудом, энергетические затраты возрастают пропорционально интенсивности труда. По энергетическим затратам все профессии могут быть разделены на несколько групп. Каждая группа характеризуется определенным суточным расходом энергии (табл. 8).

Таблица 8. Суточный расход энергии взрослого человека в зависимости от пола, возраста и рода его деятельности