Энергетический обмен

Энергетический обмен происходит в каждой живой клетке. Богатые энергией питательные вещества усваиваются и химически преобразуются, их потенциальная энергия превращается в тепловую, механическую и частично в электрическую. Энергия расходуется на температурный гомеостазис, выполнение какой-либо работы (мышечное сокращение, активный транспорт веществ и ионов через клеточные мембраны и др.), а также на синтез структурных элементов клетки и обеспечение ее функций, рост организма. В конечном итоге, механическая энергия превращается в тепловую, следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии окисления химических соединений.

Единицей измерения образовавшегося тепла является калория на единицу времени. В Международной системе (СИ) мерой энергообмена является джоуль (1 ккал = 4,19 кДж).

Методы исследования энергообмена

Прямая калориметрия основана на определении количества тепла, выделенного организмом, в герметизированных и теплоизолированных от внешней среды камерах – биокалориметрах. Тепло, выделяемое исследуемым организмом, определяют по нагреванию воды, протекающей по трубам в камере. По количеству протекающей воды и изменению ее температуры рассчитывают тепловые потери организма с учётом потерь тепла с выделенными мочой и калом. Биокалориметры громоздки, сложны по устройству, поэтому они применяются только в специальных научных целях.

Непрямая калориметрия.

Теплообразование в организме зависит от интенсивности обменных процессов. При любой реакции биохимического окисления веществ потребляется кислород и выделяется углекислый газ. Метод непрямой калориметрии основан на определении количества усвоенного организмом кислорода и выделенного углекислого газа, с последующими расчетами. Кислород используется для окисления белков, жиров и углеводов, но на окисление этих веществ требуется различное количество кислорода, теплопродукция при этом также различна. Количество тепла, освобождающегося после потребления организмом 1л кислорода, называется калориметрическим эквивалентом кислорода (КЭК).

Таблица № 1Потребление кислорода и высвобождение тепла при окислении различных веществ в организме.

Обратите внимание на тот факт, что на окисление 1г углеводов требуется меньше кислорода, чем на окисление 1г белков. Больше всего кислорода расходуется на окисление 1г жиров. Поскольку в организме одновременно могут окисляться белки, жиры и углеводы, значит, по количеству усвоенного им кислорода, невозможно определить, какие питательные вещества окислялись и сколько образовалось тепла.

Известно, что при окислении различных питательных веществ, клетки выделяют разное количество углекислого газа. Узнав объем выделенного углекислого газа и потребленного кислорода, можно определить, какие питательные вещества окислялись. Для этого вводится понятие дыхательного коэффициента (ДК).

Дыхательным коэффициентом называется отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода.

Рассмотрим, для примера, каким будет ДК при окислении глюкозы:

С 6 Н 12 О 2 + 6 О 2 = 6СО 2 + 6Н 2О, следовательно, ДК= 6СО 2/ 6О 2 равен 1.

Мы уже обращали Ваше внимание, что на окисление 1г белков и особенно жиров требуется больше кислорода(в молекулах белков и жиров кислорода содержится меньше). ДК при окислении белков -0,8. ДК при окислении жиров еще ниже - 0,7. При смешанном питании ДК обычно равен 0,85 – 0,89. Определенному дыхательному коэффициенту соответствует определенный калорический эквивалент кислорода. Таким образом, определив ДК и соответствующий ему калорический эквивалент кислорода, можно рассчитать общую теплопродукцию организма за час, сутки.

Основной обмен

Интенсивность обменных процессов в организме и соответствующая ей энергопродукция зависит от индивидуальных особенностей организма: пола, возраста, роста и массы тела, характера питания, физической активности, условий внешней среды. Для того, чтобы результаты определения интенсивности метаболизма и энергообразования были сопоставимы для разных индивидуумов, установлены стандартные условия, исключающие влияние на организм факторов, повышающих интенсивность окислительных процессов.

Интенсивность обменных процессов и энерготраты, определённые в стандартных условиях, называются основным обменом.Установлены четыре обязательных условия измерения интенсивности основного обмена:

1.Утром, в состоянии бодрствования.

2.Умственный, психоэмоциональный и физический покой (положение лёжа, мускулатура максимально расслаблена).

3.Натощак, через 12-16 часов после приёма пищи.

4.Комфортная температура окружающей среды (нет ощущения холода или жары).

Обсудим эти условия:

1. Интенсивность обменных процессов подвержена суточным колебаниям – утром она возрастает, ночью, во время сна - снижается. Во время сна также снижается тонус скелетных мышц.

2. При умственной работе (решение математических задач, написание контрольной работы) энерготраты повышаются всего на 2-3%. Но если умственный труд сопровождается психоэмоциональным напряжением и движением, интенсивность обменных процессов повышается на 11-19 % и более.

3. Потребление пищи и её переваривание повышает интенсивность обмена веществ. Увеличение начинается через час, достигает максимума через 3 часа и сохраняется несколько часов. Повышение обмена веществ, связанное с приёмом пищи, получило название «специфического динамического действия пищи». При потреблении белковой пищи основной обмен увеличивается на 30 % , при питании жирами и углеводами обмен у человека увеличивается на 15 %.

4. Если температура окружающей среды отклоняется от температуры комфорта, интенсивность обмена существенно возрастает при охлаждении организма и, в меньшей степени, при повышении температуры.

Величину основного обмена выражают количеством тепла - в килокалориях(ккал) или килоджоулях(кДж) на килограмм массы тела или на 1 м² поверхности тела за час или сутки.

Величина основного обмена, определённая даже при строгом соблюдении стандартных условий у здоровых испытуемых будет различной. Вариабельность зависит от четырёх факторов:

1.возраст, 2. пол, 3.масса тела, 4.рост.

У детей интенсивность обмена в пересчёте на килограмм массы тела значительно выше, чем у взрослых, и зависит, прежде всего, от возраста. Рост организма требует значительных затрат энергии. В возрасте 20-40 лет обмен сохраняется на одном уровне, у пожилых людей основной обмен снижается. У мужчин основной обмен, пересчитанный на 1 кг массы тела примерно на 10 % выше, чем у женщин. У теплокровных животных разных видов и у людей с различной массой тела интенсивность основного обмена, пересчитанная на 1 кг массы тела, колеблется в широких пределах. Величина основного обмена больше связана с размерами поверхности тела - Правило поверхности. Согласно этому правилу, с 1 м² поверхности тела рассеивается в окружающую среду одинаковое количество тепла. Для того чтобы определить поверхность тела человека, необходимо знать массу тела и его рост.

Таблица №2 Стандарты основного обмена в ккал/кДж

на 1 м² поверхности тела в час*

*Стандарты представляют среднестатистические результаты, полученные при обследовании большого числа людей.

Все энергозатраты, которые необходимы для процессов роста и всех видов деятельности человека, называются рабочей прибавкой. Основным потребителем энергии в организме являются мышцы. Степень энергетических затрат при мышечной нагрузке значительно превышает величину основного обмена. Затраты энергии тем больше, чем интенсивнее совершается мышечная работа. Степень энергетических затрат различной интенсивности определяется коэффициентом физической активности (КФА). КФА представляет собой отношение величины общих энергозатрат на все виды деятельности, специфическое динамическое действие пищи к величине основного обмена. Исходя из коэффициента физической нагрузки, всё взрослое мужское население разделено на 5 групп.

Таблица №3 Величина энергозатрат в зависимости от особенностей профессии

Для женскогонаселенияисключён особо тяжёлый физический труд (5-я группа). Следует отметить, что энергозатраты в одной профессиональной группе могут значительно различаться. Например, к первой группе можно отнести и студентов. Один из студентов много учит, всё время проводит преимущественно за компьютером и рабочим столом. Другой студент и учится, и занимается спортом, и ещё временами подрабатывает грузчиком. Энергозатраты у второго студента, естественно, будут выше, чем у первого, так как коэффициент физической активности его выше.

Ниже представлена таблица суточного расхода энергии у детей и подростков.

Таблица № 4 Суточный расход энергии у детей и подростков

Регуляция обмена веществ и энергии в организме находится под контролем нервной и эндокринной систем. Уровень энергетического обмена изменяется под действием коры большого мозга (условно-рефлекторное повышение интенсивности обмена у спортсменов в предстартовом состоянии) и гипоталамуса. Многочисленные ядра и центры гипоталамуса (терморегуляции, голода и насыщения, регуляции уровня глюкозы и т.д.) используют в качестве эфферентного звена вегетативную нервную систему и эндокринные железы. Многие гормоны (инсулин, половые гормоны, глюкокортикоиды и др.) влияют на уровень обмена веществ. Но более всего повышают интенсивность обмена адреналин (гормон мозгового вещества надпочечников) и гормоны щитовидной железы – тироксин и трийодтиронин. Последниемогут повысить величину основного обмена при гиперфункции щитовидной железы (гипертиреозе) на 15-20 %. При гипофункции - основной обмен снижается. В настоящее время определение концентрации гормонов щитовидной железы используется как диагностический тест нарушений основного обмена.

Питание

Питание - это процесс поступления, переваривания, всасывания и усвоения организмом пищевых веществ, необходимых для построения и обновления тканей, а также для восполнения энергетических затрат организма. Пища состоит из сложных соединений растительного или животного происхождения (белков, жиров и углеводов), из которых после их ферментативного гидролиза извлекаются нутриенты(питательные вещества): аминокислоты, жирные кислоты, моносахара и глицерин, а также витамины и минеральные соли.

Теории питания

Первая античная теория питания была создана Аристотелем и Галеном. Согласно этой теории, питание организма происходит за счет крови, которая непрерывно образуется в желудочно-кишечном тракте из пищевых веществ в результате неизвестного процесса, сходного с брожением. В печени кровь очищается и питает все части организма. Исходя из этой теории, все болезни нужно лечить кровопусканием, и кровопускание становится основным методом врачевания на несколько веков.

Вторая - теория сбалансированного питания сформировалась в конце XIX - начале XX вв.

Особая роль в развитии этой теории принадлежит И. П. Павлову, создавшему учение о физиологии пищеварительной системы (за эти исследования И. П. Павлов, первый среди русских ученых, был удостоен Нобелевской премии (1904 г)). Пищеварение рассматривалось в это время как процесс ферментативного разложения пищи на элементы, часть из которых включалась в состав организма (собственно питательные вещества), другая часть - балластные вещества - отбрасывалась как ненужная организму.

Теория сбалансированного питания рассматривает потребление пищи как способ поддержания постоянства молекулярного состава в организме, где энергетические и пластические расходы возмещаются новыми поступлениями пищи. При этом поток поступающих веществ должен быть хорошо сбалансирован с их расходом. Эта теория позволила установить набор жизненно необходимых пищевых веществ и определить количественные потребности организма в белках, жирах и углеводах, солях и витаминах.На основании этой теории питание можно приспособить к физиологическим особенностям организма (возраст, пол), к физическим нагрузкам, климатическим условиям и т.д. Были составлены рекомендации сбалансированного питания для детей и взрослых людей с учетом их трудовой деятельности. За время существования теории сбалансированного питания нормы потребления пищевых веществ неоднократно пересматривались.

С теорией сбалансированного питания было связано представление об идеальном питании: чем точнее учитывался расход и его восполнение, тем идеальнее считалось питание. Однако балансовый подход к проблеме питания привел к тому, что ценными и полезными стали считать только те компоненты пищи, которые усваиваются организмом - это нутриенты, а остальная часть пищи рассматривалась как балласт, от которого лучше избавиться. Однако, идея мономерного и безбалластного питания не выдержала испытания временем. Использование очищенных продуктов злаковых растений, снижение доли растительной пищи в рационе, увеличение потребления рафинированных продуктов питания явились факторами, способствовавшими развитию заболеваний. Возникли нарушения обмена веществ, которые стали одной из причин развития таких заболеваний как сахарный диабет, сердечно-сосудистые заболевания, атеросклероз. Эти заболевания являются результатом не только чрезмерного потребления жиров или углеводов, но и недостаточным содержанием растительной клетчатки в рационе.

В настоящее время считают, что сбалансированное полноценное питание характеризуется оптимальным соответствием количества и соотношением всех компонентов пищи физиологическим потребностям организма (А.А.Покровский).

Принимаемая пища с учетом ее усвояемости должна восполнять энергетические затраты (основной обмен, специфическое динамическое действие пищи, выполняемую работу). Калорическая ценность жиров – 9.3 ккал/г (37 кДж/г), белков и углеводов 4.1 ккал/г (17 кДж/г). Как источники энергии белки, жиры и углеводы взаимозаменяемы и в соответствии с их калорической ценностью (правило изодинамии), на непродолжительное время этим можно воспользоваться. Но каждое из них выполняет пластические функции. При продолжительной замене, например, белков на жиры и углеводы непременно нарушится обмен белков. В рационе должны быть сбалансированы белки, жиры и углеводы. Среднее соотношение их массы 1: 1.2: 4, энергетической ценности 15: 30: 55%. Такое соотношение удовлетворяет энергетические и пластические потребности организма, компенсирует расход беков, жиров и углеводов. Несбалансированность пищевых веществ приведёт к нарушению обмена веществ и соответствующим заболеваниям.

Переедание, избыточное потребление животных жиров или пищевого сахара и кондитерских изделий при сниженном расходе энергии вызовет ожирение и сопутствующие ему заболевания (артериальная гипертензия, атеросклероз, сахарный диабет, кариес). В суточном рационе должны быть сбалансированы продукты животного и растительного происхождения. Белки должны быть сбалансированы с учетом их полноценности, жиры – с учетом их насыщенности, углеводы должны содержать больше полисахаридов и мало простых сахаров. Важное значение имеет достаточное количество в пище витаминов, минеральных солей, соотносящееся с их расходом.

С точки зрения сбалансированного питания невозможно объяснить традиционные диеты разных популяций людей. Так, например, рациональная диета, составленная на основе теории сбалансированного питания и пригодная для европейцев, не может быть использована для питания северных народов, в рационе которых преобладают мясо, рыба и жиры. Однако такой рацион не приводит к нарушению метаболизма у этих народов. В то же время некоторые негритянские племена питаются исключительно растительной пищей, содержание белков в которой значительно ниже белкового минимума. Столь же различны у разных народов и физиологические потребности в минеральных солях.

Теория адекватного питаниявозникла в середине прошлого столетия (А.М.Уголев). Впервые питание рассматривается с позиций эволюции пищеварительной системы, так как основные процессы гидролиза пищи и транспорта питательных веществ имеют общие закономерности у разных видов животных.

Теория адекватного питания не отрицает, что питание возмещает пластические и энергетические расходы организма на основной обмен, внешнюю работу, рост, т.е. она не отрицает основных положений теории сбалансированного питания, напротив, считает их жизненно важными и выдвигает новые положения:

1. необходимыми компонентами пищи являются не только нутриенты, но и балластные вещества (пищевые волокна),

2. существует эндоэкология организма-хозяина, представленная микрофлорой кишечника, с которой организм хозяина поддерживает сложные симбионтные отношения,

3. баланс пищевых веществ в организме достигается в результате ферментативного расщепления структур пищи за счет полостного, пристеночного, мембранного и внутриклеточного пищеварения, а также за счет синтеза новых веществ, в том числе незаменимых, осуществляемого бактериальной флорой кишечника (вторичные нутриенты).

Адекватное питание - это не просто сбалансированное питание, а питание соответствующее: 1) характеру обмена веществ в организме и 2) сформированным в процессе эволюции особенностям пищеварительной системы.Из этого следует, что характер питания определяется эволюционными особенностями обмена веществ. Обмен веществ, в свою очередь, зависит от экологических факторов и, прежде всего, от температуры окружающей среды. Отсюда становится понятным рацион северных народов. Для поддержания температуры тела им требуется намного больше энергии, чем жителям средних и тем более южных широт, поэтому в их рационе преобладают белки и жиры при крайне низком содержании углеводов. В процессе эволюции этих народов сложился особый, белково-липидный вариант метаболизма, который не приводит к развитию обменных заболеваний. Это связано с тем, что с увеличением потребления жиров в организм поступает много жирорастворимых витаминов (А, Д, Е), которые являются антиоксидантами и снижают повреждающее воздействие избытка липидов и продуктов их перекисного окисления на мембраны клеток.

Химическая природа пищевых веществ должна соответствовать ферментативному спектру пищеварительной системы, а механические свойства пищи должны соответствовать способу питания.

Известно, что многие люди страдают непереносимостью (интолерантностью) молока. Это связано с тем, что лактоза (молочный сахар) не может гидролизоваться ферментом кишечника - лактазой из-за его дефицита. При лактазной недостаточности следует употреблять продукты с низким содержанием этого дисахарида - кефир, кислое молоко, сыр.

Автор теории адекватного питания рассматривает гидролизирующий пищевые вещества организм как надорганизм, имеющий свою эндоэкологию, образуемую микрофлорой кишечника и энтеральной средой.

Между организмом-хозяином и симбионтами существует тесная взаимосвязь и взаимообмен.

Пищевые волокна (балластные вещества) эволюционно являются важным компонентом пищи. Они представлены, в основном, полисахаридами растительного происхождения, но в них могут содержаться белки, жиры и микроэлементы. К пищевым волокнам относятся целлюлоза, гемицеллюлоза, пектин, лигнин, воск и др. Пищевые волокна стимулируют моторику кишечника, влияют на скорость всасывания питательных веществ, ионов, на обмен желчных кислот, холестерина; обладают способностью адсорбировать токсические вещества, влияют на среду обитания микрофлоры кишечника и являются для нее источником питания.

Введенные в рацион пищевые волокна оказывают профилактическое и лечебное воздействие на такие заболевания как геморрой, запоры, хронический панкреатит и др. Таким образом, кроме белков, жиров и углеводов в рацион обязательно должна включатся растительная клетчатка.

Наряду с теорией сбалансированного питания, появляются иные концепции питания, которые активно пропагандируются и на какое-то время становятся модными. Например, концепция раздельного питания рекомендует принимать пищевые вещества - белки, жиры, растительную пищу - отдельно друг от друга. Эта идея не имеет научного обоснования, т.к. известно, что смешанная пища усваивается лучше, различные компоненты пищи имеют свойства взаимно усиливать эффекты секреции, моторики и всасывания. В последнее время пропагандируется идея строгого вегетарианства в условиях Сибири. Географическое положение Сибири с резким континентальным климатом и продолжительной зимой требует увеличения количества белков и жиров в рационе хотя бы для поддержания температурного гомеостазиса. Любые рекомендации по изменению питания должны быть научно обоснованы и подкреплены продолжительной практикой.