Методы определения энергозатрат человека. Дыхательный коэффициент.

Как любая термодинамическая система, организм человека подчиняется законам термодинамики:

1-й закон: общая энергия системы и окружающей среды постоянна, и в ходе химических реакций и физических процессов энергия может переходить из одной формы в другую. То есть, 1-й закон термодинамики представляет собой закон сохранения энергии.

2-й закон: все самовольные процессы пытаются проходить в направлении роста энтропии системы и окружающей среды. Энтропия - мера неупорядоченности системы, степень деструкции и рассеянности энергии. То есть, 2-й закон ограничивает возможны самопроизвольные превращения энергии в системе.

В соответствии со вторым законом термодинамики все самопроизвольные процессы в организме проходят в направлении повышения энтропии, т.е. уменьшение степени упорядоченности структур, которые составляют организм. Но организм человека, как и любой другой организм характеризуется высокой степенью упорядоченности структур. Поддержание такой упорядоченности структур возможно только благодаря постоянному обмену энергией с внешней средой.

Поступление энергии в организм человека проходит в виде энергии химических связей пищевых продуктов (жиров, белков и углеводов).

Преобразование энергии в организме человека заключается в ее:

высвобождении;

аккумуляции;

использовании.

Выделение энергии из организма человека проходит в виде тепла (по условию, что человека не выполняет внешней механической работы, поскольку при ее выполнении часть энергии выделяется из организма в виде тепла, а часть уходит на выполнение работы).

Преобразование энергии в организме человека:

1. Высвобождение энергии.

2. Аккумуляция энергии.

3. Использование энергии.

Выделение энергии из организма человека происходит в виде тепла (при условии, что человек не выполняет никакой внешней механической работы - тогда часть энергии выделяется в виде тепла, а часть уходит на выполнение работы).

Преобразование энергии в организме человека.

Высвобождение энергии питательных веществ происходит при разрушении их химических связей. В организме человека основную роль в процессах высвобождения енергии играют процессы аэробного окислительного фосфорилирования. Пара электронов, высвобождающихся при окислении субстратов цикла Кребса, при окислении жирных кислот передаются на ансамбль ферментов, называется дыхательным цепью. При транспорте электронов по дыхательной цепи уменьшается их свободная энергия. При этом:

- Часть энергии превращается в тепло (первичное) и выделяется из организма; эта часть составляет 50-60% от всей энергии окисления;

- Остальные энергии идет на синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата.

Степень сопряжения окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи характеризует отношение Фн/О2, максимальная величина которого теоретически может достигать 3 - при расходе одного атома кислорода максимально может образоваться 3 молекулы АТФ и потратиться 3 атома неорганического фосфора. Степень сопряжения окисления и фосфорилирования может изменяться под влиянием гормонов (катехоламинов, тироксина), при активизации симпатического отдела вегетативной нервной системы. Они разделяют окисления и фосфорилирования в дыхательной цепи большая часть энергии превращается в первичное тепло и меньше ее идет на синтез АТФ. Если енарговитраты организма при этом не изменились (для поддержания жизнедеятельности и выполнения работы требуется столько же энергии, как и к разделению окисления и фосфорилирования), интенсивность аэробного окисления будет расти (для синтеза такого же количества АТФ нужно окисниты больше питательных веществ).

Аккумуляция энергии происходит в виде энергии макроэргических связей АТФ, ГТФ, ЦТФ, КФ.

Использование энергии. Независимо от условий существования организма можно выделить 3 направления, по которым происходит использование энергии макроэргических соединений:

- Процессы самовосстановления; КПД этих процессов составляет 25-35% (без учета КПД синтеза АТФ, который составляет около 50%), остальные энергии макроэргов превращается на вторичное тепло и выделяется из организма.

- Работа механизмов активного транспорта против градиента концентраций - натрий-калиевая помпа наружной клеточной мембраны, кальциевая помпа СПР, всасывания в кишечнике, реабсорбция и секреция в почечных канальцах. КПД - около 20%.

- Механическая работа скелетных и гладких мышц.

Следовательно, при отсутствии выполнения внешней работы, вся ернергия, что используется организмом, превращается в тепло и выделяется из организма. Процессы биосинтеза веществ сопряжены с процессами их распада, идущие с высвобождением энергии в виде тепла; ионные насосы создают градиенты концентрации, по которым в дальнейшем ионы движутся пассивно, что сопровождается выделением энергии в виде тепла, работа сердца идет на преодоление сопротивления сосудов выделение энергии в виде тепла.

Поэтому, выделение тепла из организма проходит в виде тепла (первичного и вторичного).

Методы определения энергозатрат:

1. Прямая калориметрия. Исследование проводят с помощью специальных устройств - калориметров, которые не допускают потери тепла в окружающую среду (а именно в этом и заключается техническая сложность метода). Прибор имеет двойные стенки, между которыми по системе сосудов движется жидкость. Организм, который находится в калориметре, выделяет тепло жидкость в трубах нагревается. Расчет энергозатрат проводят по формуле:

, Где

Q - теплопотери организма;

m - масса жидкости в трубах;

с - удельная теплоемкость жидкости;

t1 - t2 - разность температуры жидкости за время исследования.

Оценка энергозатрат за выделением тепла из организма возможна, потому что вся энергия, которая используется организмом, превращается в тепло и выделяется из организма в виде тепла (если не выполняется внешняя механическая работа).

2. Непрямая калориметрия. Энергозатраты организма рассчитывают по его газообменом (с использованием кислорода и выделением углекислого газа). Правильность такого подхода доказана, потому что энергия питательных веществ освобождается в организме человека, главным образом, в ходе процессов аэробного окислительного фосфорилирования, именно на эти процессы уходит поглощен организмом О2, именно в ходе этих процессов образуется СО2, выделяемого из организма).

Определение энергозатрат методом непрямой калориметрии включает следующие этапы:

а) определение поглощения О2 и выделения СО2 организмом за определенное время. Чаще всего расчеты проводят, исходя из разницы состава атмосферного (вдыхаемого) и выдыхаемого воздуха (в%) и величины ХОД. Для этого необходимо собрать выдыхаемый воздух в замкнутую емкость и определить его газовый состав; определяют также ХОД;

б) расчет дыхательного коэффициента (ДК):

, Где

VО2 - объем О2, который был поглощен организмом за определенное время;

Vсо2 - объем СО2, который был выделен организмом за то же время.

Величина ДК в обычных условиях изменяется от 0,7 до 1,0 и зависит от вида питательных веществ, которые окисляются в организме. При окислении углеводов ДК = 1,0; белков - 0,8; жиров - 0,7. при смешанном окислении питательных веществ ДК чаще всего колеблется в пределах от 0,8 до 0,85.

в) определение по таблицам калорическая коэффициента кислорода (ККО2). Его определяют исходя из величины ДК. ККО2 указывает, какое количество энергии высвобождается в организме при употреблении им 1л О2 при данном ДК. Таким образом, размерность ККО2 - ккал / л О2.

г) расчет энергозатрат за определенное время проводят, исходя из:

объема кислорода, который организм использовал за это время (VО2)

ККО2.

Расчеты проводят по формуле:

.

Энергетическая ценность различных питательных веществ различна; в расчете на 1 г вещества она составляет:

жиры = 9,3 ккал (39кДж)

белки = 4,1 ккал (17кДж)

углеводы = 4,1 ккал (17кДж).

То есть, энергетическая ценность жиров больше, чем в 2 раза превышает энергетическую ценность углеводов и белков.

На окисление 1г жира используется более чем в 2 раза больше О-, чем на окисление 1г углеводов. Поэтому величина ККО2 изменяется при окислении различных веществ на незначительное количество (от 4,69 ккал / л при ДК = 0,7 до 5,05 ккал / л при ДК = 1,0). Поэтому, при определении энергозатрат методом непрямой калориметрии нередко ограничиваются определением поглощением О2 (технически это гораздо проще, чем определение выделения СО2; поглощение О2 можно определить, например, по спирограмму) и среднего по величине ДК (0,82 - 0,85).

Необходимо помнить, что ГК не всегда зависит от вида окисленных в организме веществ:

- Он повышается (может быть больше 1,0) при произвольной гипервентиляции из организма выделяется СО2 крови;

- ДК становится больше за 1,0 непосредственно после физической нагрузки, вследствие того, что из мышц в кровь выделяются недоокисленные продукты метаболизма и вытесняют СО2 с бикарбонатов, зато позже ДК резко снижается и может стать меньше 0,7 (0,6 - 0,5) вследствие восстановления щелочного резерва крови (бикарбонатов).