Обмен энергией в организме. Что служит основным источником энергии в нашем организме

Общие определœения

Обмен веществ и энергии

ЛЕКЦИЯ № 12

Обмен веществ и энергии – совокупность физических, химических, физиологических процессов усвоения питательных веществ в организме с высвобождением энергии. В обмене веществ (метаболизме) выделяют анаболизм и катаболизм.

Анаболизм –б иосинтез органических соединœений из поглощенных питательных веществ (идет с потреблением энергии).

Катаболизм – расщепление сложных компонентов до простых веществ, что обеспечивает энергетические и пластические потребности организма (идет с выделœением энергии).

Для того, чтобы компенсировать потерю тепла и обеспечить выделœение энергии, крайне важно й для поддержания температуры тела при выполнении работы, человеку приходится постоянно принимать пищу. Энергетическая ценность отдельных ее компонентов стандартизирована и выражается в килоджоулях (кДж):

Ø 1г белков обеспечивает выделœение 17 кДж (4,1 ккал)

Ø 1г жиров обеспечивает выделœение 37 кДж (9,3 ккал)

Ø 1г углеводов обеспечивает выделœение 17 кДж (4,1 ккал)

Жизнедеятельность организма обеспечивается энергией за счёт анаэробного и аэробного катаболизма поступающих с пищей белков, жиров и углеводов.

Стоит сказать, что для нормальной жизнедеятельности необходим энергетический баланс поступления и расходования энергии. Поступает энергия в виде запасов, аккумулированных в химических связях белков, жиров и углеводов. При биологическом окислении эта энергия высвобождается и используется для синтеза АТФ.

Выделяемая энергия необходима для того, чтобы:

· предупредить потерю веса;

· поддержать постоянной температуру тела;

· облегчить функциональную активность всœех клеток, тканей, желœез и органов.

Основными факторами , которые оказывают влияние на интенсивность обмена веществ, являются: размеры тела, возраст, пол, климатические условия, включая температуру окружающей среды, тип носимой одежды и характер работы. Очевидно, что уровень обмена веществ зависит от индивидуальной мышечной активности (то есть будет выше у людей физического труда, чем у служащих, ведущих сидячий образ жизни).

Учитывая зависимость отактивности организма и воздействий на него внешней среды различают 3 уровня энергообмена:

· Основной обмен – количество энергии затрачиваемое при полном мышечном покое через 12-14 ч после приема пищи и при окружающей температуре 20-22 (эта энергия тратится на дыхание, кровообращение и деятельность ЦНС). У взрослого человека величина основного обмена в среднем 1 ккал/кг массы в 1 час. При массе тела 70 кг величина основного обмена мужчин около 1700 ккал/сутки, у женщин немного ниже, у детей выше. На уровень основного обмена влияет нервное напряжение, при котором изменяется частота дыхания и сердцебиения, а также сила сердечных сокращений. Уровень основного обмена существенно меняется при поражении щитовидной желœезы. Повышение секреторной активности щитовидной желœезы (гипертиреоз ) вызывает усиление основного обмена. При уменьшении секреторной активности щитовидной желœезы уровень основного обмена сокращается.

· Энерготраты в состоянии относительного покоя – превышают величину основного обмена из-за трат на пищеварение, терморегуляцию вне зоны комфорта и траты на поддержание позы. Для больного (постельный режим) требуется 1200ккал/сутки. Для человека на отдыхе требуется 1800ккал/сутки.

· Энерготраты при различных видах труда – зависят от вида деятельности, которую делят на 4 группы

· люди умственного труда 2200-300 ккал/сутки

· при механизированной работе – 2300-3200 ккал/сутки

· частично механизированная работа – 2500-3400 ккал/сутки

· немеханизированный тяжелый труд – 3500-4000 ккал/сутки, а при спортивной деятельности 4500-6000 ккал/сутки и выше.

Детям в период роста требуется более энергоемкая диета в перечете на 1кг массы тела, чем взрослым.

Большая часть энергии идет не на механическую работу, а расходуется в виде тепла. Часть энергии, идущая на работу принято называть коэффициент полезного действии (КПД). В среднем КПД = 20-25%, у высококвалифицированных спортсменов до 35%.

Основными питательными веществами, которые обеспечивают организм энергией и теплом, являются углеводы и жиры. Белки выполняют эту функцию только при определœенных условиях.

Обмен энергии - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Обмен энергии" 2017, 2018.

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)

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.

Обмен энергии между организмом и окружающей средой осуществляется по законам термодинамики. Организм внутри себя постоянно создает негэнтропии (т.е. поддерживает структурность элементов, распадаясь способны выделять энергию). Для этого прежде всего используется энергия, накопленная в продуктах окружающей среды (в виде макроскопических соединений, поступающих с пищей). Вокруг себя организм создает энтропию, выделяя энергию в виде тепла. Энтропия — это потеря структурности с выделением энергии.

Соотношение между энергией, поступающей в организм и количеством энергии, выделяемой им, называется энергетическим балансом. Если этот баланс будет положительным — то энергоносители задерживаются в организме и наоборот.

Выделяют два уровня обмена энергии: основной обмен (00), или тот уровень обменных процессов в организме, который необходим для его функционирования в условиях физиологического покоя. Этот обмен объединяет затраты энергии на биосинтез, в поддержку концентрационных градиентов различных ионов на оболочках клеток и на деятельность внутренних органов (мозга, сердца, дыхательных мышц, печени, почек и др.).. Уровень основного обмена зависит от возраста, пола, массы тела и роста человека и, исходя из этих параметров, определяется по известным в физиологии таблицами Харриса-Бенедикта. Согласно этим таблицам общий уровень основного обмена (00) рассчитывают в зависимости от пола человека как сумму энергетических затрат исходя из массы тела (определяется по табл. А) и возраста и роста человека (определяется по табл. Б Харриса-Бенедикта). Например, девушка в возрасте 17 лет, масса тела которой составляет 46 кг, а рост 156 см имеет 00 = 1095 +201 = 1296 ккал. При отсутствии таблиц Харриса-Бенедикта величину основного обмена (00) можно рассчитывать с помощью уравнений, приведенных в табл. 5.

У детей уровень массы тела значительно больше, чем у взрослых людей, что объясняется более интенсивными процессами биосинтеза в детском возрасте. Известно, например, чтобы «встроить» одну аминокислоту в цепь белковой молекулы требуется энергия двух молекул АТФ (аденозитрифосфорнои кислоты).

У детей до 5 лет за один час на 1 кг массы тела расходуется примерно 14 — 15 кДж (3,45 ккал) энергии, в 10 лет примерно 9 — 10 кДж (2,26 ккал), в 15 лет — 5,3 — 6,0 кДж (1,33 ккал) и у взрослых людей — 4,2 кДж (1 ккал) на 1 кг массы тела в час. У девушек (женщин) основной обмен примерно на 5% ниже , чем у юношей (мужчин). Средние возрастные изменения уровня основного обмена приведены в табл. 6.

Динамика основного обмена с возрастом плотно связана с энергетическими затратами на рост организма. Чем меньше возраст ребенка, тем относительные затраты энергии на рост больше (рис. ЗО). Например, затраты энергии на рост в возрасте 3 месяца составляют 36%, в ​​возрасте 6 месяцев — 26%, 10-12 месяцев — 21% общей энергетической ценности пищи.

Дополнительно к энергию на любые функции, и на внешнюю работу. Затраты энергии при полной жизнедеятельности называются общим обменом.

По данным А. П. Матвеева (2003) употребление белковой пищи повышает уровень обмена на 30%; жирной и углеводистой пищи — на 15%, а обычной смешанной пищи на 30-35%. Выполнение нетрудной работы в быту повышает уровень обмена на 30-60%. Физическая умеренная работа и обычные спортивные тренировки могут повышать уровень обмена в 20-25 раз, т.е. больше чем на 2000%. Умственный труд, который не сопровождается мышечными усилиями и эмоциональным напряжением повышает энергетические затраты всего на 2-3%. Если к умственному труду прилагается эмоциональное напряжение, то энергетические затраты могут расти на 40-90%.

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.

Для поддержания жизнедеятельности человеку требуется постоянный расход внутренней энергии. Процесс, ответственный за энергетические преобразования в организме человека называется обмен веществ.

Продукты питания снабжают человека химической энергией , которая, переходя в другие формы, согревает организм, поддерживает его жизнедеятельность и выполняет механическую работу (ходьба, поднятие грузов). Таким образом, вся наша энергия поставляется пищей или внутренними резервами (какой-то частью жировых запасов, участвующих в обмене веществ). Если вы поверили в закон сохранения энергии , то должны согласиться, что третьего выхода нет: либо нам надо потреблять достаточное количество пищи (и усваивать ее), либо «сжигать» собственный жир.

Человек не может выполнить ни добавочной работы без дополнительного питания, ни нормальной работы на пониженном рационе, если он не воспользуется собственными внутренними запасами жира, которые, в конечном счете, тоже накопились благодаря питанию. Соединяясь с кислородом, топливо-пища превращается в углекислый газ и воду. При «сжигании» пищи до углекислого газа и воды , в процессе обмена веществ освобождается определенное количество химической энергии независимо от характера промежуточных процессов.

Если бы это было не так, мы могли бы опровергнуть закон сохранения энергии , т. е. создали бы себе пищу с помощью одного процесса и потребляли бы ее в другом, который высвобождал бы больше энергии! Так что энергосодержание пищи можно измерить сжиганием ее образцов в лаборатории. Поэтому мы можем вычислить калорийность не только собственного рациона, но и рациона всего человечества. По выдыханию углекислого газа, мы можем определить количество топлива, сжигаемого при различного рода деятельности: ходьбе, ночном сне, игре в футбол, работе и т.п.

Тем самым мы можем определить «цену» жизни

Подобные испытания проводятся с помощью маски, надеваемой на лицо испытуемого; эта маска собирает выдыхаемый воздух за короткий период времени, газометром измеряется объем выдыхаемого воздуха, и анализ образца дает количество кислорода, которое заменилось на углекислый газ. Эти химические изменения за целый день дают нам полное количество пищи, «сожженное» испытуемым за время рабочего цикла, позволяя оценить расход внутренней энергии человеком.

Минимальный жизненный уровень, при котором поддерживается работа сердца, легких, минимум пищеварения, требует определенного количества энергии. Этот минимум энергии называется основным обменом веществ. В холодную погоду на нагревание тела требуется несколько больше энергии! Ходьба и другая умеренная деятельность предъявляют дополнительные требования, а усиленные упражнения требуют еще больше. При тяжелой физической работе мы должны потреблять гораздо большее количество пищи, чем это необходимо для самой работы, ибо к. п. д. нашего тела составляет только около 25%, а остальные 75% тратятся на теплоту.

Минимальный расход внутренней энергии для организма здорового человека составляет около 2000 Кал в день; плавание или футбол требуют дополнительно 500 Кал в час, а для 8 часов тяжелой физической работы требуется еще 2000 Кал в день. Так что грузчику нужно вдвое больше питания, чем бездельнику, хотя последний имеет то же телосложение; следовательно, и есть грузчик должен вдвое больше. Но, с другой стороны, студенту, усиленно изучающему математику, нужно столько же питания, сколько и тогда, когда он бьет баклуши. Умственный труд требует очень небольших немедленных затрат - ум искусен, но, по-видимому, не жаден. Возможно, он предъявляет свои счета позднее.

Всем нам, если мы не сидим в тюрьме, не лежим в постели, обленившись до крайности, необходимо дополнительное питание сверх минимального уровня. Истощенный человек с недостаточным рационом не может «вершить дела». Либо он должен жить спокойной жизнью и даже лежать в постели, либо он постепенно будет «съедать» самого себя.

Именно пища ставит предел росту численности населения планеты. В мире, как целом, всегда были большие группы людей, находящихся на грани истощения. Каждый раз, когда создавались машины, облегчающие добывание продуктов питания или другую работу, население возрастало до нового уровня, определяемого количеством продуктов питания и топлива. В настоящее время количество продуктов питания и топлива регулирует жизнь и определяет благосостояние планеты, хотя в будущем большую угрозу может представлять нехватка пресной воды. И если когда-нибудь удастся достигнуть обильного снабжения как сельского хозяйства, так и промышленности дешевой термоядерной энергией , то жить станет определенно лучше.

Просто о сложном – Энергия и обмен веществ в организме человека

• Галерея изображений, картинки, фотографии.
• Энергия и обмен веществ в организме человека – основы, возможности, перспективы, развитие.
• Интересные факты, полезная информация.
• Зеленые новости – Энергия и обмен веществ в организме человека.
• Ссылки на материалы и источники – Энергия и обмен веществ в организме человека.

Похожие записи