Энергетический обмен

Энергетический обмен связан с обменом энергии, в результате которого богатые энергией питательные вещества усваиваются и химически преобразуются в организме, а конечные продукты обмена веществ с более низким содержанием энергии выделяются из организма.

Находящаяся в белках, жирах и углеводах пищи потенциальная химическая энергия в процессе обмена веществ превращается в тепловую, механическую и электрическую. Высвобождающаяся при этом энергия используется организмом для различных целей, так например, на поддержание температуры тела и выполнение работы, на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития детского организма, а также для обеспечения специфических форм клеточной активности, в частности, как сокращение мышечных клеток.

Преобладающим результатом энергетических процессов в организме является теплообразование, поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, измеряется в килокалориях (ккал) на единицу времени; в Международной системе единиц (СИ) в качестве основной единицы энергии принят джоуль (Дж): 1 ккал = 4,19 кДж.

Для измерения количества выделяемой теплоты в организме используются прямая калориметрия, непрямая калориметрия.

Прямая калориметрия.Данный метод основан на непосредственном учете тепловых потерь организма. Калориметрия впервые была осуществлена еще в 1870 г. Лавуазье.

Калориметр представляет собой герметизированную и хорошо теплоизолированную от внешней среды камеру, в которой по трубкам циркулирует вода. Тепло, выделяемое находящимся в камере человеком или животным, нагревает циркулирующую воду. По количеству протекающей воды и изменению ее температуры рассчитывают количество выделенного организмом тепла.

Непрямая калориметрия.Непрямое измерение интенсивности обменных процессов основано на измерении количества потребленного кислорода и выделенного углекислого газа организмом. Однако, поскольку способности организма к накоплению углекислого газа весьма велики, то нет уверенности в том, что количество выдыхаемого СО₂ достаточно точно соответствует тому количеству СО₂, которое вырабатывается в организме в то же самое время. Способность организма к накоплению кислорода незначительна, поэтому количество О₂, поглощенного легкими, является хорошей мерой, того его количества, которое было использовано тканями организма.

Кислород, поглощенный организмом, используется для окисления белков, жиров и углеводов. Так при окислении в организме 1 г белка освобождается 17,16 кДж, 1 г жира — 38,84 кДж и 1 г углевода — 17,16 кДж. Это калорические коэффициенты пищевых веществ, или количество теплоты, которое образуется при окислении их в организме. При потреблении организмом 1 л кислорода освобождается разное количество тепла в зависимости от того, на окисление каких веществ кислород используется. Количество тепла, освобождающегося после потребления организмом 1л кислорода называется энергетическим эквивалентом (калорическим эквивалентом).

Зная количество потребленного организмом кислорода и какие вещества (белки, жиры или углеводы) организмом окислились, можно вычислить энергетические затраты. Так, например, окисление глюкозы можно выразить следующей формулой:

С6Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂+ бН₂О.

При окислении глюкозы количество молекул образовавшегося углекислого газа и количество поглощенного кислорода равны. Для того чтобы выяснить, какие вещества окисляются в организме, определяют дыхательный коэффициент; этот показатель определяют следующим образом:

При окислении глюкозы дыхательный коэффициент равен единице. Значение ДК при окислении жиров характеризуется более низкими величинами и равен 07, в связи с тем, что в жирных кислотах на один атом углерода приходится меньше атомов кислорода, чем в углеводах. В случае окисления чисто белковой пищи ДК оказывается равным 0,81 (табл. 35).

Табл. 35. Значение дыхательных коэффициентов (ДК) и энергетических эквивалентов при окислении различных пищевых веществ

Дыхательный коэффициент незначительно изменяется при длительной мышечной работе малой и средней интенсивности. При кратковременной, очень интенсивной работе дыхательный коэффициент резко увеличивается и достигает 2,0 и более. Максимальная величина его наблюдается не только во время этой работы, но и сразу после ее окончания. Это зависит от высокой концентрации водородных ионов в крови, возбуждающей дыхательный центр, что приводит к усиленному выделению СО₂, а поглощение О₂ в это время резко снижено благодаря уменьшению кровотока.

Понятие об общем и основном обмене.Вся энергия, которую тратит человек в процессе жизнедеятельности в течение суток, называется общим обменом. Он складывается из расхода энергии: а) на основной обмен; б) усвоение пищи — специфически-динамическое действие пищи; в) физическую (нервно-мышечную) деятельность — рабочую прибавку.

Чтобы определить присущий данному организму уровень окислительных процессов и энергетических затрат, определяют в стандартных условиях (покое, натощак, в утренние часы, не менее чем через 12—14 часов после приема пищи, при нормальной температуре тела и температуре окружающей среды около 18—20 ºС) основной обмен.

Основной обмен представляет собой наименьший уровень затрат энергии на поддержание основных процессов жизнедеятельности организма (поддержание постоянно работающих органов и систем — дыхательной мускулатуры, сердца, почек, печени). Некоторая часть энергетических затрат основного обмена связана с поддержанием мышечного тонуса. Освободившаяся в ходе этих процессов тепловая энергия обеспечивает ту теплопродукцию, которая необходима для поддержания температуры тела на постоянном уровне, как правило, превышающем температуру внешней среды.

Для каждого человека основной обмен — относительно постоянная величина. Он зависит от индивидуальных особенностей организма (пол, возраст, масса тела и рост), условий и характера питания, от функционального состояния нервной системы, эндокринных желез и внутренних органов, а также от условий среды.

Величину основного обмена выражают количеством тепла в ккал на 1 кг массы тела или на 1м² поверхности тела за 1 час или одни сутки.

Для мужчины среднего возраста (примерно 35 лет), среднего роста (примерно 165 см) и со средней массой тела (примерно 70 кг) основной обмен равен 4,19 кДж (1 ккал) на 1 кг массы тела в час, или 7117 кДж (1700 ккал) в сутки. У женщин той же массы он примерно на 10% ниже.

Интенсивность основного обмена, в пересчете на 1 кг массы тела, у детей значительно выше, чем у взрослых. Величина основного обмена человека в возрасте от 20 до 40 лет сохраняется на довольно постоянном уровне, в пожилом возрасте основной обмен снижается. В среднем здоровый человек среднего возраста расходует примерно 1 ккал на 1 кг массы тела в 1 час. Дети 6—7 лет — 1,75 ккал; 10—11 лет — 1,375 ккал; 12—13 лет -1,4 ккал (в час) на 1 кг массы тела. Специфически-динамическое действие пищи (СДДП) проявляется в усилении интенсивности обмена веществ и увеличении расхода энергии организма на прием и усвоение пищи. Наибольший расход энергии отмечается при усвоении белков (в среднем на 30%) и в меньшей степени — углеводов и жиров — в среднем на 4%. При обычном смешанном питании уровень СДДП составляет 10—15% от уровня основного обмена. У детей специфически-динамическое действие пищевых веществ выражено слабее, чем у взрослых.

Рабочая прибавка — это расход энергии на выполнение внешней работы и движения. Она определяется преимущественно мышечной работой, ее интенсивностью и продолжительностью. Поэтому при установлении величин суточной потребности в энергии взрослого трудоспособного населения определяющее значение приобретает характер труда.

По интенсивности и профессиональной направленности труда с учетом возраста и пола выделяют 5 групп населения (табл. 36).

Суточная потребность в энергии у детей относительно выше, чем у взрослых и составляет на 1 кг массы тела в возрасте 6—9 лет — 80—70 ккал; 10—13 лет — 75—65 ккал и 14—17 лет — 65—50 ккал.

Половые различия у детей по характеру расхода энергии наступают с 11 лет, поэтому в зависимости от возраста суточная потребность в энерготратах определяется в возрасте 7—10 лет — 2 300 ккал; 11—13 лет: мальчики — 2 700 ккал, девочки 2450 ккал; 14—17 лет: юноши — 2900 ккал, девушки — 2 600 ккал.

Табл. 36. Группы населения по интенсивности и профессиональной направленности труда

Примечание: в числителе величины для мужчин; в знаменателе — для женщин; для женщин не предусмотрена V группа интенсивности труда

Питание

Калорийность суточного рациона.В пище энергия содержится в виде питательных веществ: белков, жиров, углеводов, минеральных солей, витаминов и воды. По составу пищевых продуктов можно вычислить энергетическую ценность принимаемой пищи, используя калорические коэффициенты. Калорический коэффициент — это количество тепла, освобождаемое при сгорании 1 г вещества. Калорическая ценность жиров более чем вдвое больше, чем белков и углеводов. Зная энергетическую ценность принятых с пищей белков, жиров и углеводов, можно рассчитать калорийность пищевого рациона человека, что важно при организации рационального питания.

Рациональное питание — это физиологически полноценное питание здоровых людей, удовлетворяющее энергетические, пластические и другие потребности организма, обеспечивающие при этом необходимый уровень обмена веществ и энергии.

Рациональное питание включает не только количество и качество принимаемой пищи, но и пищевой рацион, режим питания и условия приема.

Пищевой рацион должен отвечать следующим требованиям:

- энергетическая ценность рациона должна покрывать энерготраты организма, а у детей и обеспечивать процессы роста и развития;

- оптимальное количество сбалансированных между собой пищевых и биологически активных веществ;

- хорошая усвояемость пищи, зависящая от состава и способа приготовления ее;

- высокие органолептические свойства пищи (внешний вид, консистенция, вкус, запах, цвет, температура),

- разнообразие пищи за счет выбора продуктов и различных приемов их кулинарной обработки;

- способность пищи создавать чувство насыщения за счет объема, состава и кулинарной обработки;

- санитарно-эпидемическая безупречность и безвредность пищи.

Для организма важно, чтобы в пище были все необходимые питательные вещества (белки, жиры, углеводы, вода, минеральные соли и витамины). Кроме того, важно и соотношение пищевых веществ в рационе. Для школьников соотношение белков, жиров и углеводов должно быть 1: 1: 4; для детей более раннего возраста как 1: 2: 3. Потребность на 1 кг массы тела составляет в белках у детей в возрасте 7 лет — 3,5 г; 8—10 лет — 3 г; 11 лет и старше — 2,5—2 г; в жирах соответственно — 2,5; 2. и 1,5 г и в углеводах в среднем 10—15 г на 1кг массы тела. В табл. 37 приведены суточные нормы основных пищевых веществ.

Табл. 37. Суточная потребность основных пищевых веществ в рационе детей (по: Гуминский, 1992)

При этом удельный вес белков животного происхождения должен быть 60%, а жиров — 80%.

При составлении пищевого рациона для детей следует уделять особое внимание витаминам (табл. 38).

Табл. 38. Суточная потребность детей в витаминах (по: Гуминский, 1992)

Режим питаниявключает время и количество приемов пищи, интервалы между ними, распределение суточного пищевого рациона по энергоценности, качественному составу, набору продуктов и массе по приемам пищи. Для детей в первые два месяца жизни наиболее рациональным является 7-разовое питание, в возрасте от З до 5 месяцев — 6-разовое, от 5 месяцев до 1 года — 5-разовое питание. Для детей школьного возраста наиболее рационален 2-разовый прием пищи через 3,5—4 часа с распределением ее по энергоценности и учетом учебных занятий в первую и вторую смену.

Для занимающихся в первую смену рекомендуется первый завтрак (20% рациона) перед уходом в школу в 7 часов 30 минут; второй школьный завтрак (20% рациона) в 11—12 часов; обед (35% рациона) по возвращении домой из школы в 14—15 часов и ужин (25% рациона) в 19—20 часов.

Для школьников второй смены завтрак организуется в 8 часов 30 минут, обед — перед уходом в школу в 12—13 часов, полдник в школе (20% рациона) в 16 часов 30 минут и ужин — в 19—20 часов.

Пища должна быть достаточной по объему и калорийности, т. е. должна вызывать чувство сытости и полностью покрывать все энергетические затраты организма. Масса принимаемой пищи должна быть в зависимости от возраста от 2 000 до 2 600 г в сутки.

Условия приема пищи: обстановка, сервировка стола, вид пищи отсутствие отвлекающих факторов. Прием пищи в одно и тоже время будет способствовать образованию условного рефлекса на время, в желудке выделяется аппетитный сок, способствующий лучшему пищеварению.

Терморегуляция