Введение
Все реакции и процессы, которые происходят в нашем организме называются - метаболизм или обмен веществ.
Что бы все обменные процессы в нашем организме происходили нормально, организм должен получать достаточное количество калорий, из которых и берется та самая энергия для всех реакций и обменов.
Даже когда мы спим, наш метаболизм продолжает работать и обмен веществ не прекращается. Метаболизм в состоянии покоя называется - основной обмен веществ, он показывает, сколько калорий Вы тратите в спокойном состоянии. Наш метаболизм зависит от многих факторов, таких как: физическая активность, пол, возраст, процентное соотношение жировой массы и мышечной и т.д.
Обмен веществ в организме
Обмен веществ в организме – один из основных условий здоровья нормальной жизнедеятельности человека. Дело в том, что организм человека не может существовать без питательных веществ, кислорода, воды, минеральных солей, витаминов. Они нужны для образования и обновления клеток, для образования энергии, благодаря которым происходит обеспечение жизненных процессов.
В клетках организма происходит синтез белков, жиров, углеводов, расщепление сложных органических соединений, а также выделение продуктов распада – углекислого газа, воды, мочевины и т.д.
Одним словом, обмен веществ в организме – это совокупность биохимических процессов синтеза, расщепления и выделения веществ.
Обмен веществ в организме – совокупность процессов
Обмен веществ в организме – это единство процессов ассимиляции и диссимиляции. Ассимиляция – синтез сложных органических молекул.
Диссимиляция – расщепление сложных органических молекул. При диссимиляции происходит выделение энергии, а при ассимиляции, наоборот, происходит накопление энергии.
Единственный строительный материал и источник энергии организма – это органические вещества пищи, которую ежедневно должен потреблять человек. Нарушение энергетического баланса и образовательной способностью клеток приводят к расстройству обмена веществ в организме.
Питание и обмен веществ в организме
Употребление высококалорийной пищи позволяет восполнять в организме вещества и энергию, расходуемые в процессе жизнедеятельности.
Суточные затраты зависят от половой принадлежности, возраста, характера и интенсивности работы, а также общего состояния здоровья организма. Соответственно, люди, чья работа связана с умственным и физическим трудом должны ежедневно употреблять продукты с высокой энергетической ценностью, т.е. пищу, богатую белками, углеводами. У людей, занимающихся физическим трудом, ускоряется белковый обмен. У тех же, кто предпочитает умственный труд, обмен веществ в организме ускоряется при употреблении углеводов.
Нормальный обмен веществ в организме – залог здоровья
Обмен веществ в организме зависит от состояния ЖКТ. При нарушении микрофлоры кишечника, полезные вещества – витамины, минералы, аминокислоты, жиры, белки и углеводы не всасываются и не усваиваются организмом. Даже при высококалорийном питании организм не будет получать нужное количество веществ, и ему нечего будет синтезировать и расщеплять. В результате нарушится энергообмен, процесс формирования новых клеток.
Пробиотик «Бифидум – Жидкий концентрат бифидобактерий» БАГ полностью восстанавливает микрофлору кишечника благодаря свойствам активных бактерий, их количеству и составу среды, в которой они находятся – витамины, 20 аминокислот.
Сами бифидобактерии, попадая в организм, не только создают биопленку, но и выделяют биологически активные вещества, которые способствуют усвоению железа, кальция, других витаминов. Препарат улучшает обмен веществ в организме. Бифидобактерии улучшают липидный обмен (снижает холестерин), улучшают белковый, углеводный и жировой обменные процессы. В результате у человека нормализуется сон, давление, гемоглобин, улучшается или снижается аппетит (в зависимости от нормализации обменных процессов в организме). После употребления препарата человек становится энергичным и бодрым.
Обмен энергией в организме
Материальной основой жизни являются белки. В состав клеток и тканей тела человека входит множество различных белковых веществ. В процессе жизнедеятельности организма они претерпевают сложнейшие изменения, беспрерывно распадаются на составные части и вновь воссоздаются, синтезируются.
На восстановление составных частей клеток, тканей и органов требуются не только исходные материалы - аминокислоты, углеводы и т. д., но и значительное количество энергии. Любое движение, происходящее в живом организме, как бы оно ни проявлялось - всегда требует затраты энергии.
А сколько энергии нужно для выполнения работы, которая идет внутри живого организма! Днем и ночью, например, сокращается и расслабляется сердце. Оно прогоняет по кровеносным сосудам кровь, несущую клеткам и тканям питательные вещества и кислород. Выделение пищеварительных соков, процессы всасывания также требуют затраты энергии. Ведь в течение суток, например, в желудке человека вырабатывается и выделяется более литра желудочного сока, а в кишечник поступает около литра сока поджелудочной железы и столько же кишечного сока и желчи.
Удивительнейшей «работоспособностью» обладает такой орган, как наши почки. За 24 часа здесь фильтруется более 170 литров жидкости - «первичной мочи», из которых почти 169 литров всасывается обратно в кровь. В результате этого сложного процесса фильтрации и обратного всасывания образуется и выделяется всего один - полтора литра мочи, которая содержит конечные продукты обмена веществ.
Таким образом, все физиологические процессы требуют расхода энергии, а следовательно, бесперебойного ее притока. Откуда же черпает организм энергетические ресурсы?
Первичным источником энергии являются продукты питания: белки, жиры и углеводы – наша пища. Она подвергается в организме очень сложной химической обработке, в желудке и кишечнике белки расщепляются на аминокислоты, сложные углеводы (например, крахмал, гликоген) распадаются на более простые, главным образом глюкозу, а из жиров образуются глицерин, жирные кислоты и т. д. Вновь образовавшиеся вещества всасываются в кровь. В процессе расщепления сложных веществ, входящих в состав продуктов питания, выделяется энергия, но в столь незначительном количестве, что оно ни в коей мере не может удовлетворять потребности организма.
Что служит основным источником энергии в нашем организме
Давайте проследим за дальнейшей судьбой веществ, поступивших в кровь. Благодаря чрезвычайно разветвленной сети кровеносных сосудов и капилляров они вместе с кровью попадают во все участки организма. Эти вещества в кровеносном русле постепенно смешиваются с теми, которые образовались в результате распада белков, жиров и углеводов, входящих в состав самих органов и тканей. Вместе они составляют «фонд» разнообразных химических соединений. Очень важно, что из этого «фонда» организм может выбрать все необходимое ему для построения новых клеток, для восстановления разрушенных структур органов, для образования различных пищеварительных соков, «секрета» желез и, наконец, для образования легко « сгорающего» материала, окисление которого обеспечивает необходимые энергетические ресурсы.
Можно ли более точно назвать вещества, образование которых в органах и тканях является подготовкой « горючего»?
ЕДИНАЯ «СЕМЬЯ» КИСЛОТ
Такими веществами являются относительно несложные по структуре органические кислоты. К их числу относится уксусная кислота в особой активной форме, пировиноградная, занимающая центральное место в окислительных процессах, затем янтарная, яблочная, щавелевоуксусная, кетоглутаровая и наконец лимонная.
Все перечисленные органические кислоты составляют как бы «единую» семью, члены которой при окислении последовательно переходили из одной формы в другую. В биологической химии существует специальное название этих окислительно- восстановительных реакций: лимоннокислый цикл.
Интересно отметить, что лимоннокислый цикл - характерная особенность большинства клеток и тканей человека, а также высокоорганизованных животных. Строго определенная последовательность окислительно- восстановительных реакций, происходящих в лимоннокислом цикле, вырабатывалась на протяжении миллионов лет в длительном процессе эволюции, приспособления живого организма к изменяющимся условиям внешней среды.
Последовательность химических превращений в лимонно - кислом цикле обеспечивают белки - ферменты. Они обладают чрезвычайно высокой активностью и поэтому могут ускорять и направлять химические реакции, обеспечивая переход от одного звена лимоннокислого цикла к другому.
Слов нет, все химические превращения лимоннокислого цикла достаточно сложны, и чтобы понять, откуда и как организм берет запасы энергии, необходимо хотя бы схематично рассказать об этих превращениях.
Как же они происходят? Начнем со щавелевоуксусной кислоты. Она - единственная из «семьи» кислот, которая вступает в цель окислительных реакций и выходит из них без изменений. Пировиноградная кислота, образующаяся, например, при распаде глюкозы, превращается в углекислоту и активную форму уксусной кислоты. Последняя, соединяясь со щавелевоуксусной кислотой, образует лимонную, которая затем превращается в кетоглутаровую и угольную. Кетоглутаровая кислота через янтарную и яблочную переходит в щавелевоуксусную и угольную кислоту. Далее все реакции вновь повторяются.
B результате множества строго последовательных химических реакций полностью исчезает пировиноградная кислота. Она окисляется до конечных продуктов - углекислого газа и воды.
Углекислый газ из клеток органов и тканей, где протекало окисление пировиноградной кислоты, переходит в венозную кровь, затем в легочные альвеолы и удаляется из организма вместе с выдыхаемым воздухом.
Вторым, очень важным моментом, связанным, с окислением пировиноградной кислоты, является повторное (пятикратное) отщепление водорода. Здесь следует сказать о наиболее характерной особенности окислительных процессов, происходящих в организме человека, а также животных. Она как раз и заключается в том, что водород не сразу вступает в реакцию с кислородом, доставляемым кровью к клеткам органов и тканей.
В живом организме имеются специальные переносчики водорода. Они как бы принимают его на себя и постепенно, от одного переносчика к другому, переносят водород к кислороду. Благодаря этому энергия образования воды выделяется также постепенно, порциями. А ведь известно, что при соединении водорода с кислородом вода образуется со взрывом - взрывом гремучего газа. Например, было определено, что при образовании 18 граммов воды (ее молекулярный вес-18) освобождается 55 больших калорий. В живом организме энергия образования воды распределяется между многими промежуточными реакциями. Те же 55 больших калорий, конечно, также освобождаются при образовании 18 граммов воды, однако относительно небольшими порциями, которые не могут нанести какой бы то ни было ущерб организму.
Из всех этих расчетов и рассуждений следует один очень важный вывод: наиболее значительнее количество энергии в организме человека, а также высокоорганизованных животных освобождается не при расщеплении белков, жиров м углеводов, входящих в состав пищи в пищеварительном тракте, а в процессе окисления пировиноградной кислоты или других органических веществ при переносе водорода к кислороду, завершающимся образованием воды.
ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ В ОРГАНИЗМЕ
Каким же образом освобождающаяся при окислении энергия используется организмом? Приблизительно половина энергии рассеивается в виде тепла. Оно крайне необходимо для поддержания постоянной температуры тела. Остальная часть энергии накапливается в виде богатых энергией фосфорных соединений.
К числу таких соединений относится довольно большое количество веществ, в структуру которых входят непрочно связанные остатки фосфорной кислоты. Под влиянием различных ферментов они легко отщепляются, причем разрыв связей сопровождается освобождением большого количества свободной энергии, которая способна перейти а любой другой вид энергии - в механическую, электрическую, химическую, тепловую и т. д.
Когда человек здоров, в составе его мозга, мышц, внутренних органов содержится достаточное количество богатых энергией фосфорных соединений. Расщепление этих веществ позволяет производить нам мышечную работу, обеспечивает энергию передачи возбуждения по нервным волокнам, дает энергию м для других, весьма различных проявлений жизни.
Возможность образования в живом организме богатых энергией фосфорных соединений за счет энергии окисления была впервые доказана в 1930 году. Это одно из самых замечательных открытий в области биохимической энергетики.
Описание
Все реакции и процессы, которые происходят в нашем организме называются - метаболизм или обмен веществ.
Что бы все обменные процессы в нашем организме происходили нормально, организм должен получать достаточное количество калорий, из которых и берется та самая энергия для всех реакций и обменов.
Задумывались ли вы когда-нибудь над тем, какую огромную работу выполняют многочисленные клетки, органы и ткани нашего организма в процессе жизнедеятельности? Специалисты подсчитали, что энергии, необходимой, к примеру, для обеспечения деятельности сердца, печени, почек и мышц в одни лишь сутки хватило бы, чтоб вскипятить более 10 ведер воды!
Откуда же организм берет эту энергию?
Ее источником служит животная и растительная пища, содержащая белки, жиры, углеводы, минеральные соли и витамины.
Запасы энергии организм черпает при превращении органических веществ пищи: главным образом углеводов, частично жиров и в меньшей степени белков.
Процесс превращения энергии, заключенной в пище, в собственную энергию клеток
многоступенчат и сложен. Попробуем проследить основные его этапы. Под действием пищеварительных ферментов белки, жиры и углеводы превращаются в желудке и кишечнике в более простые вещества-мономеры. Белки распадаются на аминокислоты, жиры-на глицерин и жирные кислоты, углеводы-на моносахара.
Мономеры всасываются в кровь и лимфу. Из них в клетках (большую роль в этом процессе играют клетки печени) строятся индивидуальные, неповторимые по структуре белки, жиры и углеводы нашего организма. В процессе жизнедеятельности клетки они разрушаются, и тем быстрее, чем интенсивнее клетка работает. Процесс разрушения происходит в своеобразных энергетических станциях, которыми природа снабдила каждую клетку организма,-митохондриях. Это особые внутриклеточные образования, напоминающие внешне сосуд с жидкостью, полость которого разделена неполными перегородками. В одной клетке может быть от нескольких митохондрий до многих сотен. Именно здесь под воздействием ферментов и кислорода наши собственные органические вещества разлагаются до своих конечных продуктов-углекислого газа, воды и азотистых соединений. Таким образом организм «добывает» энергию, «сжигая» составляющие его клетки углеводы, жиры и белки.
Выделяющуюся энергию подхватывает особое вещество- аденозиндифосфорная кислота (АДФ),- превращаясь при этом в аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). АДФ и АТФ-универсальные переносчики и аккумуляторы энергии. Они могут удерживать энергию про запас, отдавая ее, когда это необходимо, для осуществления тех или иных жизненных процессов
Работают энергетические станции клетки весьма продуктивно: до 67 процентов образующейся энергии используется для выполнения различной работы: механической-при мышечной деятельности, электрической-при передаче нервных импульсов, химической-при образовании молекул в процессе роста и многих других. Сравните: кпд самых совершенных механизмов, созданных людьми, не превышает 40 процентов! В организме же даже те 33 процента энергии, которые рассеиваются в виде тепла, нельзя считать потерянными-ведь это тепло участвует в поддержании температуры нашего тела.
Но самое удивительное, что часть энергии идет на восстановление самих клеток, разрушающихся в процессе непрерывной деятельности. И чем больше приходится клетке трудиться, тем мощнее ее энергосистема, а значит, и способность самообновления.
Восстановление клеточной структуры-одно из уникальных свойств живого организма. Опыты показывают, что у человека половина всех тканевых белков распадается и строится заново в течение каждых восьмидесяти дней. Это средняя цифра. Некоторые белки замещаются гораздо быстрее, другие медленнее. Белки печени и сыворотки крови, к примеру, обновляются очень быстро-каждые 10 дней наполовину. У некоторых ферментов печени этот период составляет всего 2-4 часа. Белки мышц замещаются значительно медленнее, обновляясь каждые 180 дней.
С одной стороны, клетка непрерывно «сама себя сжигает». Этот процесс называется катаболизмом (от греческого katabole-сбрасывание вниз). Он сопровождается разрушением протоплазмы и выделением энергии. С другой стороны, клетка столь же непрерывно «сама себя строит». Место разрушенных сложных соединений протоплазмы занимают другие, такие же сложные и богатые энергией. Значит, анаболизм (от греческого anabole-подъем)-так называется процесс строительства-ведет к восстановлению протоплазмы и накоплению энергии.
Обе эти стороны обмена веществ должны быть уравновешены. Это значит, сколько веществ и энергии расходуется в результате различных процессов жизнедеятельности, столько же их и восстанавливается.
т. е. кузнецова
кандидат медицинских наук
Прямая и непрямая калориметрия. и энергии, по существу, единый процесс. В итоге сложных превращений, совершающихся в организме, образуется тепло.
Определить количество освобождающейся в организме энергии можно методами прямой и непрямой калориметрии.
Рис. 103. Схема калориметра.
Продуцируемое организмом человека тепло измеряется с помощью термометров 1 и2 по нагреванию воды, протекающей по трубам в камере 4. Количество протекающей воды измеряют в баке 3. Через окно 5 подают пищу и удаляют экскременты. Посредством насоса 6 воздух извлекают из камеры и прогоняют через баки с серной кислотой (7 и 9) для поглощения воды и с натронной известью (8) для поглощения углекислого газа. подают в камеру из баллона 10 через газовые часы 11. Давление воздуха в камере поддерживают на постоянном уровне посредством сосуда с резиновой мембраной (12)
Прямую калориметрию производят с помощью специальных аппаратов - калориметрических камер (рис. 103).
Вкамере стенки не проводят тепло. По потолку камеры проходит система трубок с водой. Человека на определенное время помещают в такую камеру. Тепло, выделяемое организмом, нагревает воду в системе трубок. Измеряют температуру поступающей и вытекающей из камеры воды; определяют разность температур и количество протекшей воды. Это дает возможность прямо получить данные о количестве энергии, выделенной организмом в единицу времени.
Показатели, полученные методом прямой калориметрии, точные. Но метод этот весьма сложен, громоздок, а главное - не дает возможности измерять энергетические затраты организма при любых видах деятельности человека (езда на велосипеде^ работа у доменной печи и др.).
Проще производить расчеты расхода энергии методом непря мой калориметрии. Источником энергии в организме служат окислительные процессы, при которых потребляется и образуется углекислый газ. Чем больше организм освобождает, энергии, тем интенсивнее в нем идут окислительные процессы. Следовательно, тем больше организм потребляет кислорода и выделяет углекислого газа. Поэтому об энергетических процессах в организме можно судить не только по количеству энергии, отдаваемой в окружающую среду, как это делают при прямой калориметрии, но и по количеству поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, т. е. по величине газообмена.
Для определения количества поглощенного кислорода и выделившегося углекислого газа пользуются различными приспособлениями. В производственных и учебных условиях для этой цели используют маски. Маска через систему клапанов соединена с мешком из воздухонепроницаемой ткани (рис. 104), укрепляемым на теле испытуемого. Клапаны дают возможность свободно вдыхать атмосферный воздух, а выдыхаемый воздух направляется в мешок. Выдохнутый воздух из мешка пропускают через газовые часы для определения его объема, а затем химическим путем определяют в нем процентное содержание кислорода и углекислоты.
Поглощаемый организмом идет на окисление белков, жиров и углеводов. Для окисления 1 г белка, жира или углеводов требуется разное количество кислорода, а следовательно, при этом освобождается и разное количество энергии (табл. 19).
Таблица 19
Образование энергии при окислении веществ в организме
| , окисляющиеся в организме | При окислении 1 г питательных веществ | Количество освобождающейся
энергии (в Дж) |
||
| потребляется кислорода (в л) | выделяется углекислого газа (в л) | при потреблении 1 л кислорода | при выделении
1
л
углекислого газа |
|
| Белки
Жиры |
0,970
2,030 0,830 |
0,829
1,431 0,829 |
18,6
19,8 21,1 |
23,8
27,8 21,1 |
Из таблицы видно, что потребление 1 л кислорода и выделение 1 л углекислого газа сопровождается образованием определенного количества энергии. Однако при этом необходимо знать, какие вещества-белки, жиры или - окислялись в организме. Для этого определяют величину дыхательного коэффициента.
Рис. 104.
Дыхательным коэффициентом называют отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему поглощен ного кислорода. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов. Окисление углеводов (глюкозы, например) можно выразить формулой
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 О
Из уравнения видно, что при окислении глюкозы числа молекул образовавшегося углекислого газа и поглощенного кислорода равны. Следовательно, дыхательный коэффициент при оки слении углеводов равен единице (6СО 2: 6О 2 = 1)
В молекуле жира мало внутримолекулярного кислорода, поэтому на окисление ее требуется больше кислорода. Дыхательный коэффициент в этом случае меньше 1 (0,7). При окислении белков дыхательный коэффициент равен 0,8. При смешанной пище, которую обычно употребляет человек, дыхательный коэффициент составляет 0,85-0,9.
При окислении белков, жиров и углеводов (при потребления 1 л кислорода) освобождается разное количество энергии. Следовательно, при разном дыхательном коэффициенте количество освобождающейся энергии при поглощении 1 л кислорода будет различным.
Эта зависимость видна из таблицы 20.
Таблица 20
Зависимость количества энергии, освобождаемой при окислении, от величины дыхательного коэффициента
Зная величину газообмена, можно вычислить расход энергии в организме. Поступают при этом так.
По количеству потребленного кислорода и выделившегося углекислого газа определяют дыхательный коэффициент. Затем по таблицам устанавливают количество энергии, образующейся при поглощении 1 л кислорода (или при выделении 1 л углекислого газа) при данном дыхательном коэффициенте. Полученную величину умножают на количество литров поглощенного кислорода. Таким образом определяют количество энергии, выделенной человеком за определенное время.
Метод назван непрямой калориметрией потому, что мы о количестве энергии; выделенной организмом, судим по количеству поглощенного кислорода (или выделившегося углекислого газа) в единицу времени.
Основной обмен. Даже в условиях полного покоя человек расходует некоторое количество энергии. В организме непрерывно тратится энергия на физиологические процессы, которые не останавливаются ни на минуту.
Минимальный для организма уровень обмена веществ и энергетических затрат называют основным обменом. Основной обмен определяют у человека в состоянии мышечного покоя - лежа, натощак, т. е. через 12-16 ч после еды, при температуре окружающей среды 18-20°С (температура комфорта). У человека среднего возраста основной обмен составляет 4187 Дж на 1 кг массы в 1 ч. В среднем это 7 140000-7560000 Дж в сутки. Для каждого человека величина основного обмена относительно постоянна.
Основной обмен у детей интенсивнее, чем у взрослых, так как на единицу массы у них приходится относительно большая поверхность тела, чем у взрослого человека. Значительно преобладают также процессы ассимиляции над процессами диссимиляции.
Энергетические затраты на рост тем больше, чем моложе ребенок. Так, расход энергии, связанный с ростом, в возрасте трех месяцев составляет 36%, в возрасте шести месяцев-26%, девяти месяцев-21% общей калорийности пищи.
Колебания основного обмена и большая его интенсивность в младшем возрасте ясно выражены при расчете как на единицу массы, так и на единицу поверхности (табл. 21).
Таблица 21
Изменение основного обмена у детей
| Возраст | Величина основного обмена (в Дж) | |||
| на 1 кг | массы | на 1 м 2 поверхности | ||
| мальчики | девочки | мальчики | девочки | |
| 8 | 240660 | 200 340 | 6 190 800 | 5 106 400 |
| 9 | 220080 | 189000 | 5 821 200 | 5019000 |
| 10 | 201 600 | 180600 | 5 392 800 | 4 893 000 |
| 11 | 202020 | 186060 | 5 586 000 | 4 118 800 |
| 12 | 173 640 | 169 260 | 5103000 | 4 946 800 |
| 13 14 | 163800 | 151 200 | 4 851 000 | 4 557 000 |
| 166480 | 142 800 | 4 909 800 | 4510 000 | |
| 15 | 151 200 | 132 300 | 4 799 000 | 4 477 200 |
| 16 | 140280 | 115 500 | 4 897 000 | 4 054 200 |
| 17 | 129 360 | 113 400 | 4 968 600 | 3 864 000 |
| 18 | 118 020 | 106260 | 4 835 200 | 3 604 400 |
Основной обмен на 1 кг массы у взрослого человека составляет 96600 Дж. Таким образом, у детей 8 -10 лет основной обмен в 2-2,5 раза выше, чем у взрослых.
Величина основного обмена у девочек несколько ниже, чем у мальчиков. Это различие начинает проявляться уже во второй половине первого года жизни.
Выполняемая работа у мальчиков влечет более высокий расход энергии, чем у девочек.
Определение величины основного обмена часто имеет диагностическое значение. Повышается основной обмен при избыточной функции щитовидной железы и некоторых других заболеваниях. При недостаточности функции щитовидной железы, гипофиза, половых желез основной обмен снижается.
Расход энергии при мышечной деятельности
Чем тяжелее мышечная работа, тем больше энергии тратит человек. У школьников подготовка к уроку, урок в школе требуют энергий на 20-50% выше, чем энергия основного обмена.
При лабораторных занятиях, ручном труде, несложной гимнастике, играх средней подвижности затраты энергии на 75- 125% превышают величины основного обмена.
При ходьбе затраты энергии на 150-170% превышают основной обмен. При беге, подъеме по лестнице затраты энергии в 3-4 раза превышают основной обмен.
Тренировка организма значительно сокращает расход энергии на выполняемую работу. Это связано с уменьшением числа мышц, принимающих участие в работе, а также с изменениями дыхания и кровообращения.
При механизации труда в сельском хозяйстве и промышленности, внедрении машинной техники снижаются затраты энергии работающими людьми. При умственном труде энергетические затраты ниже, чем при физическом.
Обмен веществ и энергии - это взаимосвязанные процессы, разделение которых связано лишь с удобством изучения. Ни один из этих процессов в отдельности не существует. При окислении энергия химических связей, содержащаяся в питательных веществах, освобождается и используется организмом. За счет перехода одних видов энергии в другие и поддерживаются все жизненные функции организма. При этом общее количество энергии не изменяется. Соотношение между количеством энергии, поступающей с пищей, и величиной энергетических затрат называется энергетическим балансом.
Сказанное можно проиллюстрировать на примере деятельности сердца. Сердце совершает огромную работу. Каждый час оно выбрасывает в аорту около 300 л крови. Эта работа совершается за счет сокращения сердечной мышцы, в которой при этом протекают интенсивные окислительные процессы. Благодаря освобождающейся энергии обеспечивается механическое сокращение мышц, и в конечном счете вся энергия переходит в тепловую, которая рассеивается в организме и отдается им в окружающее пространство. Аналогичные процессы идут в каждом органе человеческого тела. И в каждом случае в конечном итоге химическая, электрическая, механическая и другие виды энергии трансформируются в тепловую и рассеиваются во внешнюю среду. Количество энергии, расходуемое на выполнение физической работы, определяют как коэффициент полезного действия (кпд). Его средняя величина - 20-25%, у спортсменов КПД выше. Установлено, что 1 г белка при окислении выделяет 4,1 ккал, 1 г жира - 9,3, air углеводов - 4,1 ккал. Зная содержание белков, жиров и углеводов в пищевых продуктах (табл. 1), можно установить их калорийность, или энергетическую стоимость.
Мышечная деятельность, активный двигательный режим, физические упражнения и спорт связаны со значительным расходом энергии. В некоторых случаях он может достигать 5 000 ккал, а в дни интенсивных и объемных тренировок у спортсменов и того более. Такое увеличение энергозатрат необходимо учитывать при составлении пищевого рациона. Когда в пище присутствует большое количество белка, значительно удлиняется процесс ее переваривания (от двух до четырех часов). За один раз целесообразно принимать до 70 г белка, так как излишки его начинают преобразовываться в жир. А представители некоторых видов спорта (например, гимнасты, бодибилдеры и др.) всячески избегают накопления лишнего жира и предпочитают энергию получать из растительной пищи (например, фруктовая пища связана с образованием быстрых углеводов).
Питательные вещества можно замещать, учитывая их калоричес-кую ценность. Действительно, с энергетической точки зрения 1 г углевода эквивалентен (изодинамичен) 1 г белка, так как у них одинаковый калорический коэффициент (4,1 ккал), а 1 г белка или углевода эквивалентен 0,44 г жира (калорический коэффициент жира 9,3 ккал). Отсюда следует, что человек, суточный расход энергии которого 3 000 ккал, может полностью удовлетворить энергетические нужды организма, потребляя в сутки 732 г углеводов. Но для организма важна не только общая калорийность пищи. Если человек достаточно долго потребляет только жиры или белки, или углеводы, в его организме возникают глубокие изменения в обмене веществ. При этом нарушаются пластические процессы в протоплазме клеток, наблюдается сдвиг азотистого равновесия, образуются и накапливаются токсические продукты.
Таблица 1. Состав наиболее важных пищевых продуктов (в % сырого вещества)
| Название продукта | Вода | Белок | Жир | Углеводы | Клетчатка |
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| Говядина средняя жирная | 75,52 | 20,59 | 5,35 | ||
| Свинина | 58,74 | 18,38 | 21,40 | - | - |
| Мясо курицы | 47,40 | 14,51 | 37,34 | - | - |
| Яйцо куриное | 72,83 | 19,84 | 5,10 | - | |
| Желток куриного яйца | 73,67 | 12,55 | 12,11 | - | - |
| Белок куриного яйца | 51,03 | 16,12 | 31,39 | ||
| Печенка | 85,50 | 12,87 | 0,25 | ||
| Вобла сушеная | 71,60 | 19,38 | 4,65 | - | - |
| Икра зернистая | 19,80 | 41,30 | 14,12 | - | - |
| Кари | 53,16 | 25,99 | 16,31 | - | - |
| Осетр | 77,29 | 20,41 | 1,47 | - | - |
| Сельдь соленая | 73,30 | 17,87 | 3,52 | - | - |
| Молоко коровье | 57,84 | 18,43 | 14,48 | - | - |
| Масло сливочное | 87,27 | 3,39 | 3,68 | 4,94 | - |
| Творог | 12,01 | 1,07 | 86,57 | 0,60 | |
| Сыр | 80,60 | 14,58 | 0,59 | 1,16 | |
| Манная крупа | 36,31 | 26,21 | 29,58 | 3,39 | |
| Гречневая крупа | 13,05 | 9,43 | 0,94 | 75,92 | 0,21 |
| Рис | 13,67 | 10,67 | 1,85 | 67,85 | 1,71 |
| Ржаной хлеб | 13,17 | 8,13 | 1,29 | 75,50 | 0,88 |
| Пшеничный хлеб | 43,58 | 7,84 | 0,73 | 43,70 | 1,55 |
| Горох | 34,69 | 10,68 | 0,32 | 52,41 | 0,26 |
| Орехи грецкие | 11,28 | 25,78 | 3,78 | 52,99 | 3,69 |
| Картофель | 7,18 | 16,74 | 58,47 | 12,99 | 2,93 |
| Морковь | 76,13 | 2,14 | 0,22 | 19,56 | 05,99 |
| Капуста свежая | 86,77 | 1,18 | 0,29 | 9,06 | 1,67 |
| Огурцы | 90,11 | 1,83 | 0,18 | 5,05 | 1,65 |
| Яблоки | 95,36 | 1,09 | 0,11 | 2,21 | 0,78 |
| Виноград | 84,37 | 0,40 | - | 12,13 | 1,98 |
| Изюм | 79,12 | 1,01 | - | 15,21 | - |
| Мед | 24,46 | 2,52 | 0,59 | 69,66 | ~ |
| Белые грибы | 18,96 | 1,42 | - | 79,89 | - |
Для нормальной жизнедеятельности организм должен получать оптимальное количество полноценных белков, жиров, углеводов, минеральных солей и витаминов, которые содержатся в различных пищевых продуктах. Качество пищевых продуктов определяется их физиологической ценностью. Наиболее ценными пищевыми продуктами являются молоко, масло, творог, яйца, мясо, рыба, зерновые, фрукты, овощи, сахар.
Люди разных профессий затрачивают при своей деятельности разное количество энергии. Например, занимающийся интеллектуальным трудом в день тратит менее 3000 больших калорий. Человек, занимающийся тяжелым физическим трудом, за день затрачивает в 2 раза больше энергии (табл. 2).
Таблица 2.
Энергетический расход (ккал/сут) для лиц различных категорий труда
Многочисленные исследования показали, что мужчине среднего возраста, занимающемуся и умственным, и физическим трудом в течение 8-10 ч, необходимо потреблять в день 118 г белков, 56 г жиров, 500 г углеводов. В пересчете это составляет около 3 000 ккал. Для детей, людей пожилого возраста, для лиц занимающихся тяжелым физическим трудом, требуются индивидуальные, научно обоснованные нормы питания. Пищевой рацион составляется с учетом пола, возраста человека и характера его деятельности. Большое значение имеет режим питания. В зависимости от возраста, рода работы и других критериев устанавливается 3-6-разовое питание в сутки с определенным процентным содержанием пищи на каждый прием.
Таким образом, чтобы сохранять энергетический баланс, поддерживать нормальную массу тела, обеспечивать высокую работоспособность и профилактику различного рода патологических явлений в организме, необходимо при полноценном питании увеличить расход энергии за счет повышения двигательной активности, что существенно стимулирует обменные процессы.
Важнейшая физиологическая «константа» организма - то минимальное количество энергии, которое человек расходует в состоянии полного покоя. Эта константа называется основным обменом. Нервная система, сердце, дыхательная мускулатура, почки, печень и другие органы непрерывно функционируют и потребляют определенное количество энергии. Сумма этих затрат энергии и составляет величину основного обмена.
Основной обмен человека определяют при соблюдении следующих условий: при полном физическом и психическом покое; в положении лежа; в утренние часы; натощак, т.е. через 14ч после последнего приема пищи; при температуре комфорта (20°С). Нарушение любого из этих условий приводит к отклонению обмена веществ в сторону повышения. За 1 ч минимальные энергетические затраты организма взрослого человека составляют в среднем 1 ккал на 1 кг массы тела.
Основной обмен является индивидуальной константой и зависит от пола, возраста, массы и роста человека. У здорового человека он может держаться на постоянном уровне в течение ряда лет. В детском возрасте величина основного обмена значительно выше, чем в пожилом. Деятельное состояние вызывает заметную интенсификацию обмена веществ. Обмен веществ при этих условиях называется рабочим обменом. Если основной обмен взрослого человека равен 1700- 1800 ккал, то рабочий обмен в 2-3 раза выше. Таким образом, основной обмен является исходным фоновым уровнем потребления энергии. Резкое изменение основного обмена может быть важным диагностическим признаком переутомления, перенапряжения и недовосстановления или заболевания.
Энергия поступает в виде молекул белков, жиров и углеводов пищи, где происходит ее превращение. Вся энергия переходит в тепло, которое затем выделяется в окружающую среду. Тепло - конечный результат превращения энергии, а также мера энергии в организме. Освобождение энергии в нем происходит в результате окисления веществ в процессе диссимиляции. Освобождающаяся энергия переходит в доступную для организма форму - химическую энергию макроэргических связей молекулы АТФ. Везде, где совершается работа, происходит гидролиз связей молекулы АТФ. Энергетических затрат требуют процессы обновления и перестройки тканей; энергия расходуется при функционировании органов; при всех видах сокращения мышц, при мышечной работе; энергия затрачивается в процессах синтеза органических соединений, в том числе ферментов. Энергетические потребности тканей покрываются, главным образом, за счет расщепления молекулы глюкозы - гликолиза. Гликолиз - это многоступенчатый ферментативный процесс, в ходе которого суммарно выделяется 56 ккал. Однако энергия в процессе гликолиза выделяется не одномоментно, а в виде квантов, каждый из которых составляет примерно около 7.5 ккал, что и способствует ее заключению в макроэргические связи молекулы АТФ.
Определение величины прихода и расхода энергии
Для определения величины прихода энергии в организм необходимо знать, во-первых, химический состав пищи, т.е. сколько граммов белков, жиров и углеводов содержится в пищевых средствах и, во-вторых, теплоту сгорания веществ. Теплота сгорания - это количество тепла, которое выделяется при окислении 1 грамма вещества. При окислении 1 г жира в организме выделяется 9,3 ккал; 1 г углеводов - 4,1 ккал тепла и 1 г белка - 4,1 ккал. Если пища, например, содержит 400 г углеводов, то человек может получить 1600 ккал. Но углеводы должны пройти долгий путь превращений, прежде чем эта энергия станет достоянием клеток. Организм все время нуждается в энергии, и процессы диссимиляции идут беспрерывно. В нем постоянно окисляются собственные вещества, и выделяется энергия.
Расход энергии в организме определяется двумя путями. Во-первых, это так называемая прямая калориметрия, когда в специальных условиях определяют тепло, которое организм выделяет в окружающую среду. Во-вторых, это непрямая калориметрия. Расход энергии рассчитывается на основе вычленения газообмена: определяют количество кислорода, потребленное организмом за определенное время и количество углекислого газа, выделенное за это время. Поскольку выделение энергии происходит в результате окисления веществ до конечных продуктов - углекислот газа, воды и аммиака, то между количеством потребленного кислорода, выделенной энергией и углекислым газом существует определенная взаимосвязь. Зная показания газообмена и калорический коэффициент кислорода, можно рассчитать расход энергии организма. Калорический коэффициент кислорода - это количество тепла, выделяющееся при потреблении организмом 1 литра кислорода. Если окислению подвергаются углеводы, то при поглощении 1 л кислорода высвобождается 5,05 ккал энергии, если жиры и белки - соответственно 4,7 и 4,8 ккал. Каждому из этих веществ соответствует определенная величина дыхательного коэффициента, т.е. величина отношения объема углекислого газа, выделенного за данный промежуток времени, к объему кислорода, поглощенного организмом за этот интервал времени. При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1, жиров - 0,7, белков - 0,8. Поскольку расщепление различных пищевых веществ в организме происходит одновременно, величина дыхательного коэффициента может варьироваться. Ее среднее значение у человека в норме находится в пределах 0,83-0,87. Зная величину дыхательного коэффициента, можно с помощью специальных таблиц определить количество освобождающейся энергии в калориях. По величине дыхательного коэффициента можно судить и об интенсивности протекания процессов обмена веществ в целом.
Основной обмен
В клинической практике для сравнения интенсивности обмена веществ и энергии у разных людей и выявления его отклонений от нормы определяют величину «основного» обмена, т.е. минимальное количество энергии, расходуемой только на поддержание функции нервной системы, деятельности сердца, дыхательной мускулатуры, почек и печени в состоянии полного покоя. Основной обмен определяют в особых условиях - в утренние часы натощак в положении лежа при полном физическом и психическом покое, не ранее 12-15 часов после последнего приема пищи, при температуре 18-20 °С. Основной обмен - важнейшая физиологическая константа организма. Величина основного обмена составляет примерно 1100-1700 ккал в сутки, а в расчете на 1 квадратный метр поверхности тела он составляет около 900 ккал в сутки. Нарушение любого из этих условий изменяет величину основного обмена обычно в сторону его увеличения. Индивидуальные физиологические различия величины основного обмена у разных людей определяются весом, возрастом, ростом и полом - это факторы, которые определяют величину основного обмена. Основной обмен характеризует исходный уровень потребления энергии, но его нельзя рассматривать как «минимальный», так как величина основного обмена при бодрствовании несколько выше, чем в условиях сна.
Принцип измерения основного обмена
На основании многочисленных определений основного обмена у людей составлены таблицы нормальных величин этого показателя в зависимости от возраста, пола и общей поверхности тела. В этих таблицах величины основного обмена приводятся в килокалориях (ккал) на 1 м 2 поверхности тела за 1 час. Большое влияние на основной обмен оказывают изменения гормональной системы организма, особенно щитовидной железы : при ее гиперфункции основной обмен может превышать нормальный уровень на 80%, при гипофункции основной обмен может быть ниже нормы на 40%. Выпадение функции передней доли гипофиза или коры надпочечников влечет за собой снижение основного обмена. Возбуждение симпатической нервной системы , усиленное образование или введение адреналина извне увеличивают основной обмен.
Расход энергии при работе
Увеличение расхода энергии при работе называют рабочей прибавкой. Расход энергии будет тем больше, чем интенсивнее и тяжелее производимая работа. Умственный труд не сопровождается повышением энергетических затрат. Так, например, решение в уме трудных математических задач приводит к увеличению расхода энергии всего на несколько процентов. Поэтому энергетические траты в сутки у лиц умственного труда меньше, чем у лиц, занимающихся физическим трудом.
