2 курс / Нормальная физиология / Обмен энергии и терморегуляция

Обмен энергии

В процессе жизнедеятельности организм непрерывно расходует энергию: на синтез различных соединений, на совершение мышечной работы, на осуществление дыхания, пищеварения, кровообращения, на поддержание температуры тела, на преодоление осмотических сил во время секреторных и выделительных процессов, на поддержание мембранных потенциалов и т. д.

Все превращения веществ связаны с энергетическими превращениями. В процессе обмена веществ сложные органические вещества с большим содержанием энергии превращаются в результате окислительных процессов в менее сложные вещества, при этом происходит освобождение энергии, которая переходит из одного вида в другой. В конечном итоге все виды энергии переходят в тепловую. Так как общее количество энергии в конечном счете не зависит от промежуточных стадий ее превращения, то общие энергетические затраты организма можно точно определить по количеству тепла, выделенного организмом во внешнюю среду. Следовательно, освобождающаяся в организме энергия может быть определена и выражена в единицах тепла - калориях, а методы определения количества образовавшейся энергии в организме называются калориметрическими. В качестве основной единицы энергии принят джоуль (Дж): 1 ккал равна 4,19 кДж.

Существует два вида калориметрии: прямая и непрямая (косвенная).

Прямая калориметрия - метод определения энергетических затрат организма по количеству выделенного им тепла. Прямая калориметрия проводится в специальных камерах - калориметрах, которые улавливают тепло, отдаваемое организмом. Метод прямой калориметрии является очень точным, но в виду сложности оборудования и трудоемкости самого процесса определения тепла в настоящее время применяется редко. Более широкое распространение получил метод непрямой калориметрии.

Непрямая калориметрия подразделяется на несколько видов.

1. Непрямая калориметрия, основанная на учете теплотворной способности питательных веществ. Теплотворная способность или калорическая ценность питательных веществ определяется путем сжигания 1 г вещества в специальном калориметре ("бомба" Бертло) путем пропускания электрического тока. Сам калориметр погружен в воду и о количестве выделившегося тепла судят по изменению температуры воды. Калорическая ценность 1 г белка равна 4,1 ккал (17,17 кДж), 1 г жира - 9,3 ккал (38,96 кДж), 1 г углеводов - 4,1 ккал (17,17 кДж).

Так как тепловой эффект химического процесса не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием химической системы, то закономерности, полученные в "бомбе" Бертло, можно перенести на живой организм, где эти вещества не горят, а медленно окисляются.

Жиры и углеводы горят в калориметре и окисляются в организме до одних и тех же конечных продуктов - углекислого газа и воды, поэтому количество тепла, выделяемого в калориметре и в живом организме будет одинаковым. При окислении белков в организме образуются креатинин, мочевина, мочевая кислота, которые дальше не окисляются и выводятся из организма. В калориметрической "бомбе" эти вещества сгорают до углекислого газа, воды и аммиака и выделяют еще некоторое количестве тепла. Поэтому для белков введено понятие физической и физиологической калорической ценности. Физиологическая калорическаяценность 1 г белка (4,1 ккал) меньше физической (5,6 ккал).

Таким образом, зная количество принятых питательных веществ и их калорическую ценность можно рассчитать количество энергии, выделившейся в организме.

2. Непрямая калориметрия, основанная на данных газового анализа. При изучении калорической ценности питательных веществ было установлено, что поглощению определенного количества кислорода и выделению определенного количества углекислого газа за один и тот же промежуток времени соответствует определенное количество выделенного тепла. Такая зависимость позволяет использовать для определения количества тепла, освобождающегося в организме, данные газового анализа: количество поглощенного кислорода и количество выделенного за этот же промежуток времени углекислого газа.

По соотношению между количеством выделенного углекислого газа и количеством потребленного в данный период времени кислорода можно судить о том, какие вещества преимущественно окисляются. Соотношение между количеством углекислого газа, выделившегося в процессе окисления, и количеством кислорода, пошедшего на окисление, называется дыхательным коэффициентом (ДК). ДК при окислении белков равен 0,8, при окислении жиров - 0,7, а при окислении углеводов - 1,0.

Экспериментальными исследованиями установлено, что каждому значению ДК соответствует определенный калорический эквивалент кислорода, т. е. количество тепла, которое освобождается при полномокислении какого-либо вещества до углекислого газа и воды на каждый литр поглощенного при этом кислорода. Калорический эквивалент кислорода при окислении белков равен 4,8 ккал (20,1 кДж), жиров - 4,7 ккал (19,619 кДж), углеводов - 5,05 ккал (21,2 кДж).

Непрямая калориметрия с использованием данных газового анализа подразделяется на три метода.

1. Метод непрямой калориметрии с использованием данных неполного газового анализа. Он основан на определения только количества поглощенного кислорода, умножив которое на средний калорический эквивалент кислорода (4,85 ккал), можно определить количество образовавшегося тепла.

2. Метод непрямой калориметрии с использованием данных полного газового анализа, т. е. определение количества поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, с последующим расчетом ДК. По таблицам определяют тот калорический эквивалент кислорода, который соответствует найденному ДК.

3. Метод непрямой калориметрии с использованием данных полного газового анализа и с учетом количества распавшегося белка. Так как в состав молекулы белка входит азот, который выделяется с калом, мочой, потом, то можно определить количество выделившегося азота, а, следовательно, и количество распавшегося белка, зная, что 1 г азота содержится в 6,25 г белка.

Интенсивность обменных процессов зависит от многих факторов. Поэтому для сравнения энергетических затрат у разных людей и у одного и того же человека в разное время была введена условная стандартная величина - основной обмен. Основной обмен - это минимальные для бодрствующего организма затраты энергии, определенные в строгих стандартных условиях:

- в положении лежа, при полном мышечном и эмоциональном покое (т. к. мышечное и эмоциональное напряжение значительно повышают энерготраты);

- натощак, т.е. спустя 14-16 часов после последнего приема пищи (чтобы исключить специфическое-динамическое действие пищи);

- при температуре комфорта - 18-20 градусов тепла (температура выше или ниже этих цифр может значительно изменить - увеличить или уменьшить - энерготраты);

- при исключении в течение трех суток перед исследованием приема белковой пищи.

На основании многочисленных экспериментальных исследований основного обмена у здоровых людей разного пола, веса тела, роста и возраста статистическим путем были составлены таблицы, по которым можно рассчитать величину основного обмена, которая должна быть у данного человека в соответствии с его полом, возрастом, весом тела и ростом. Затем у этого же человека одним из методов калориметрии определяют величину истинного основного обмена и сравнивают эти величины.

Величина основного обмена зависит от многих факторов, но особенно сильно она изменяется при некоторых эндокринных заболеваниях. Например, резкое повышение величины основного обмена наблюдается при гиперфункции щитовидной железы, а при гипофункции этой железы, он понижен. К снижению величины основного обмена приводит недостаточность функции гипофиза и половых желез.

Величина основного обмена в среднем составляет 1 ккал в 1 ч на 1 кг массы тела. У мужчин в сутки основной обмен равен 1700 ккал, у женщин - на 10% ниже.

Суточный расход энергии у здорового человека значительно превышает величину основного обмена и складывается из следующих компонентов:

- основного обмена;

- рабочей прибавки, т. е. энергозатрат, связанных с движением и с выполнением той или иной работы;

- специфического-динамического действия пищи - увеличения интенсивности обмена веществ и энергозатрат, связанных с приемом пищи, процессами пищеварения и всасывания.

Так прием белковой пищи увеличивает обмен на 30-40%, а при питании жирами и углеводами обмен увеличивается на 4-15%.

Совокупность компонентов суточного расхода энергии составляет рабочий обмен.

Нормальная жизнедеятельность организма может, осуществляться только в том случае, если происходит адекватное приспособление процессов обмена веществ и энергии к изменяющимся условиям. Такое приспособление организма обеспечивается процессами саморегуляции.

Основы рационального питания

Исходным материалом для обновления и создания живой ткани и источником энергии является пища. Поэтому питание человека должно быть рациональным. Оно должно точно соответствовать потребностям организма в пластических веществах и энергии, минеральных солях, витаминах и воде, обеспечивать нормальную жизнедеятельность организма, хорошее самочувствие, высокую работоспособность, высокую сопротивляемость инфекциям, правильный рост и развитие детского организма.

Чтобы питание было рациональным при составлении пищевого рациона (т. е. количества и состава продуктов питания, необходимых человеку в сутки), необходимо следовать ряду принципов.

1. Калорийность пищевого рациона должна покрывать энергетические затраты организма, которые определяются видом трудовой деятельности. Все взрослое население в зависимости от выполняемой работы делится на 5 групп, каждой из которых соответствует определенное количество расходуемой энергии в сутки.

- I группа - работники умственного труда - 2800-3000 ккал;

- II группа - работники механизированного труда и сферы обслуживания - 3000-3500 ккал;

- III группа - работники умеренно тяжелого труда, связанного со значительными физическими усилиями - 3500-4000 ккал;

- IV группа - работники тяжелого, немеханизированного труда - 4000-4500 ккал;

- V группа - работники очень тяжелого физического труда - 4500-5000 ккал.

2. Учитывается калорическая ценность питательных веществ.

3. Возможность использовать закон изодинамии питательных веществ, т. е. взаимозаменяемости белков, жиров и углеводов. Исходя из энергетической ценности питательных веществ, они могут заменять друг друга. Например, 1 г жира, высвобождающий при окислении 9,3 ккал, можно заменить 2,3 г белка или углеводов. Однако, следует помнить, что такая замена возможна только на короткое время, т. к. питательные вещества выполняют не только энергетическую, но и пластическую функцию, т. е. они необходимы для построения новых клеток.

4. В пищевом рационе должно содержаться оптимальное для данной группы работников количество белков, жиров и углеводов. Например, для работников 1 группы в суточном рационе должно быть 80- 120 г белка, 80-100 г жира, 400-600 г углеводов. Особое значение имеет содержание белков в суточном рационе. О достаточности или недостаточности белкового рациона позволяет судить так называемый азотистый баланс: соответствие количества азота вводимого с пищей, количеству азота, выводимого из организма. В норме должно иметь место азотистое равновесие - состояние, при котором количество азота, вводимого в организм, равно его количеству, выводимому из организма. Если белковый рацион недостаточен, то возникает состояние получившее название отрицательный азотистый баланс - в организм азота вводится меньше, чем выводится с продуктами распада. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при голодании, при тяжелых инфекционных заболеваниях, в старческом возрасте, при распаде опухолей и т. д. Положительный азотистый баланс - состояние, когда азота в организм вводится больше, чем выводится из организма, т. е. идет ретенция (задержка) азота в организме. Положительный азотистый баланс наблюдается: в период роста организма, при беременности, после длительного голодания, после тяжелых инфекционных болезней, в период роста опухолей.

5. В пищевом рационе количество белков, жиров и углеводов должно содержаться в соотношении 1:1:4.

6. Пищевой рацион должен полностью удовлетворять потребность организма в витаминах, минеральных солях и воде.

7. Пища обязательно должна содержать полноценные и неполноценные белки.

8. Рекомендуется включать в пищевой рацион одну треть суточной нормы белков и жиров животного происхождения.

9. Необходимо учитывать степень усвоения различных питательных веществ.

10. При составлении суточного рациона питания следует учитывать объем пищи, т. к. от объема пищи зависит чувство насыщения.

11. Лучшее усвоение питательных веществ обеспечивается правильным режимом питания.

12. Необходимо учитывать правильное распределение суточной калорийности рациона по отдельным приемам пищи.

13. Продукты, богатые белком (мясо, рыба, бобовые), рекомендуется употреблять в дневные часы, вечером - молочно-растительные блюда.

14. При составлении пищевого рациона необходимо помнить, что вкус пищи, ее внешний вид, запах, обстановка приема пищи имеют большое значение для условно-рефлекторного отделения желудочного сока, который И. П. Павлов назвал "запальным" или "аппетитным" соком, функция последнего заключается в подготовке органов пищеварения к приему пищи и ее немедленной переработке.

Яндекс.Пробки

Терморегуляция

Температура тела многих животных изменяется в зависимости от температуры окружающей среды. Такие животные называются пойкилотермными, т. е. животными с непостоянной температурой тела. Их активность существенно зависит от температуры окружающей среды, т. к. последняя определяет скорость биохимических реакций, протекающих в организме (их скорость возрастает в 2-3 раза при повышении температуры на каждые 10 градусов).

Температура тела человека и высших животных поддерживается на постоянном уровне, несмотря на значительные колебания температуры окружающей среды. Такие животные с постоянной температурой тела называются гомойотермными. Гомойотермные организмы, имея постоянную температуру тела, ведут активный образ жизни при значительных колебаниях температуры внешней среды. Некоторые гомойотермные животные могут на время выключать терморегуляцию и становиться пойкилотермными.

Изотермия — постоянство температуры тела — имеет для организма большое значение, т. к. она, во-первых, обеспечивает независимость обменных процессов в тканях и органах от колебаний температуры окружающей среды; во-вторых, обеспечивает температурные условия для оптимальной активности ферментов.

Температура отдельных участков тела человека различна, что связано с неодинаковыми условиями теплопродукции и отдачи тепла. В состоянии покоя и умеренной физической нагрузки наибольшая теплопродукция и наименьшая теплоотдача происходит во внутренних органах, поэтому их температура высокая (самая высокая в печени—37,8-38 °С). От внутренних органов тепло переносится кровью к поверхности тела, где теплопродукция небольшая, но высокая теплоотдача, поэтому температура кожных покровов не высокая. Наиболее низкая температура кожи у человека отмечается в области кистей и стоп, значительно выше она в подмышечной впадине, где она обычно измеряется (температуру можно измерять в полости рта, в паховой складке, в прямой кишке). В нормальных условиях у здорового человека температура в подмышечной впадине равна 36,5-36,9 °С. В течение суток температура тела человека колеблется: минимальная в 3-4 часа, максимальная — в 16-18 часов.

Способность гомойотермных животных поддерживать температуру тела на постоянном уровне обеспечивается двумя взаимосвязанными процессами —теплообразованием и теплоотдачей, равенство которых обеспечивает изотермию организма.

Процессы, связанные с образованием тепла в организме, объединяют понятием химическая терморегуляция, а процессы, обеспечивающие отдачу тепла — физическая терморегуляция.

Химическая терморегуляция. Химическая терморегуляция обеспечивает определенный уровень теплопродукции, необходимый для нормального осуществления ферментативных процессов в тканях. Образование тепла в организме происходит вследствие непрерывно совершающихся экзотермических реакций, которые протекают во всех органах и тканях, но с различной интенсивностью. Наиболее интенсивное образование тепла происходит в мышцах. Если даже человек лежит неподвижно, но с напряженной мускулатурой, то теплообразование повышается на 10%. Незначительная двигательная активность приводит к повышению теплообразования на 50-80%, а тяжелая мышечная работа — на 400-500%.

В условиях холода теплообразование в мышцах резко возрастает. Это обусловлено тем, что охлаждение поверхности тела приводит к рефлекторному беспорядочному сокращению мышц — мышечной дрожи.

В процессах теплообразования, кроме мышц, значительную роль играют печень и почки. При охлаждении тела теплопродукция в печени возрастает.

Физическая терморегуляция. Физическая терморегуляция осуществляется путем изменения отдачи тепла организмом.

Теплоотдача осуществляется следующими путями:

• излучением (радиацией);

• проведением (кондукцией);

• конвекцией;

• испарением.

Теплоизлучение (радиация) обеспечивает отдачу тепла организмом окружающей его среде при помощи инфракрасного излучения с поверхности тела. Путем радиации организм отдает большую часть тепла. В состоянии покоя и в условиях температурного комфорта за счет радиации выделяется более 60% тепла, образующегося в организме.

Теплопроведение происходит при контакте с предметами, температура которых ниже температуры тела. Путем теплопроведения организмом теряется около 3% тепла.

Конвекция обеспечивает отдачу тепла прилегающему к телу воздуху или жидкости. В процессе конвекции тепло уносится от поверхности коки потоком воздуха или жидкости. Путем конвекции организмом отдается около 15% тепла.

Отдача тепла организмом осуществляется также путем испарения воды с поверхности кожи и со слизистых оболочек дыхательным путей в процессе дыхания. Испарение воды с поверхности тела происходит при выделении пота. Даже в условиях температурного комфорта и при отсутствии видимого потоотделения через кожу испаряется до 0,5 л воды в сутки. Испарение 1 л пота у человека может понизить температуру тела на 10°С. Путем испарения из организма удаляется около 20% тепла. При температуре окружающей среды, равной или выше температуры тела человека, когда другие способы отдачи тепла резко уменьшаются, испарение воды становится главным способом отдачи тепла. Отдача тепла испарением уменьшается при увеличении влажности воздуха и полностью прекращается при 100% относительной влажности.

Регуляция постоянства температуры тела. Температура тела является константой организма, определяющей постоянство скорости биохимических реакций—одного из важнейших условий жизнедеятельности организма. Поддержание постоянства температуры тела осуществляется по принципу саморегуляции, путем формирования функциональной системы терморегуляции. Системообразующим фактором (константой) этой функциональной системы является температура крови в правом предсердии (37" С). Рефлекторные изменения процессов терморегуляции происходят при раздражении тепловых и холодовых рецепторов, расположенных в кожных покровах, в слизистых оболочках дыхательных путей, во внутренних органах, в сосудах, в различных отделах ЦНС (гипоталамусе, ретикулярной формации, продолговатом и спинном мозге, двигательной коре и др.). Особенно большое количество центральных терморецепторов, которые реагируют на изменение температуры крови, находится в гипоталамусе.

В гипоталамусе расположены группы ядер, составляющих центр терморегуляции, состоящий, в свою очередь, из центра теплообразования и центра теплоотдачи. Центр теплообразования расположен в каудальной части гипоталамуса. При разрушении этого участка мозга у животного нарушаются механизмы теплообразования и такое животное становится неспособным поддерживать температуру тела при понижении температуры окружающей среды, и развивается гипотермия. Центр теплоотдачи расположен в переднем гипоталамусе (между передней комиссурой и зрительным перекрестом). При разрушении этой области животное также теряет способность поддерживать изотермию, при этом способность переносить низкие температуры у него сохраняется.

Кроме гипоталамуса на процессы терморегуляции оказывают влияние и другие структуры ЦНС: центры спинного мозга, полосатое тело, ретикулярная формация ствола мозга, кора больших полушарий головного мозга. Из этих структур гипоталамус, ретикулярная формация и осцилляторные центры спинного мозга играют ведущую роль в рефлекторной регуляции температуры тела. Например, при снижении температуры окружающей среды возбуждение от холодовых рецепторов поступает по афферентным нервам в центры теплопродукции гипоталамуса и осцилляторные центры спинного мозга. Отсюда возбуждение идет по двигательным нервам к мышцам, увеличивая их тонус, а затем вызывает мышечную дрожь, что приводит к значительному увеличению теплообразования. По вегетативным нервам возбуждение поступает к сосудам (особенно кожных покровов) и вызывает уменьшение их просвета. В результате этого поверхностные слои кожи получают меньше теплой крови и, следовательно, отдают меньше тепла.

В терморегуляции принимают участие и гуморальные факторы, прежде всего, гормоны щитовидной железы (тироксин и др.) и надпочечников (адреналин и др.). При снижении температуры внешней среды количество тироксина и адреналина в крови возрастает. Эти гормоны вместе с симпатическими нервными влияниями усиливают окислительные процессы, увеличивая тем самым количество тепла, образующегося в организме. Адреналин, кроме того, суживает периферические сосуды, что приводит к дальнейшему снижению теплоотдачи.

Таким образом, при снижении температуры окружающей среды включаются нервно-гуморальные механизмы, которые приводят к значительному усилению теплообразования и уменьшению теплоотдачи, в результате чего температура тела в этих условиях остается постоянной.

При повышении температуры окружающей среды, рассмотренные выше процессы, имеют противоположный характер.

Если человек длительное время находится в условиях значительно высокой или низкой температуры окружающей среды, то регуляторные механизмы, с помощью которых в обычных условиях поддерживается изотермия, могут оказаться недостаточными. Если не применить поведенческие способы регуляции температуры, направленные на охлаждение или согревание организма, то может наступить перегревание — гипертермия — или переохлаждение — гипотермия.

Гипертермия — состояние, при котором температура тела повышается выше 37 °С. Она возникает при продолжительном действии высокой температуры окружающей среды, особенно при высокой влажности воздуха. Резкая гипертермия, при которой температура тела достигает 40-41 °С сопровождается тяжелым общим состоянием организма и носит название теплового удара.

Гипертермия может наступить под влиянием некоторых эндогенных факторов, усиливающих процессы теплообразования (тироксин, жирные кислоты и др.), а также под влиянием микроорганизмов, так как гипоталамические центры терморегуляции обладают высокой чувствительностью к бактериальным токсинам.