VI. Определение энергозатрат организма

В основе процессов обмена энергии лежат законы термодинамики, т.е. законы взаимных превращений различных видов энергии при переходах ее от одних тел к другим в форме теплоты или работы.

С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым стационарным неравновесным системам. Это означает, что они обмениваются с окружающей средой веществом и энергией.

В физиологии и медицине для определения энергообразования в организме используются методы калориметрии (прямой и непрямой), а также исследование валового обмена.

Прямая калориметрия. Этот метод основан на непосредственном и полном учете количества выделенного организмом тепла в биокалориметрах (герметизированная и хорошо теплоизолированная от внешней среды камера, в которой по трубкам циркулирует вода, а также подается кислород и, поглощаются избыток углекислоты и водяных паров).

В зависимости от степени нагревания воды и ее массы проводится оценка количества тепла, выделяемого организмом в единицу времени.

Непрямая калориметрия. В отличие от прямой калориметрии методы непрямой калориметрии являются более удобными и простыми. Данная методика включает два способа оценки энергозатрат организма:

1. Неполный газовый анализ.

2. Полный газовый анализ.

Неполный газовый анализ основан на определении количества потребляемого организмом кислорода с последующим расчетом теплопродукции.

Для этой цели используют приборы спирометаболографы, представляющие замкнутую систему, которая состоит из спирометра и поглотителя двуокиси углерода. В соответствии с ритмом дыхания регистрируется спирограмма. Высота наклона кривой соответствует количеству поглощенного кислорода.

Зная объем поглощенного за 1 мин кислорода, усредненный дыхательный коэффициент и соответствующий ему калорический эквивалент кислорода можно рассчитать энергообмен за любой промежуток времени.

Полный газовый анализ основан на определении объема выделяющегося углекислого газа и объем потребленного организмом кислорода с последующим расчетом теплопродукции.

Для оценки интенсивности газообмена при полном газовом анализе используют закрытые и открытые системы.

В приборах закрытых систем предусмотрено вдыхание испытуемым из замкнутого пространства воздуха или кислорода, выдыхаемый воздух направляется в это же пространство.

Наиболее распространенным является открытый способом исследования теплопродукции – метод Дугласа-Холдейна. Преимуществом данного метода является тот факт, что энергозатраты организма могут быть определены во время выполнения любой работы. Суть этого метода заключается в том, что в течение 10-15 мин собирают выдыхаемый воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани (мешок Дугласа), укрепляемый на спине. Обследуемый дышит через загубник, взятый в рот, или резиновую маску, надетую на лицо. В загубнике и маске имеются клапаны, устроенные так, что атмосферный воздух свободно вдыхается, а выдыхает в мешок Дугласа. Когда мешок наполнен, измеряют объем выдохнутого воздуха, в котором определяют количество кислорода и углекислого газа.

На основании полученных данных проводиться вычисление дыхательного коэффициента. 

Дыхательный коэффициент–это отношение

объема выделенной СО₂ к объему

поглощенного О₂.

ДК = СО₂ (л) / О₂ (л)

 Дыхательный коэффициент (ДК) различен при окислении белков, жиров и углеводов.

Например, при окислении глюкозы количество молекул образовавшегося CO₂ и количество молекул поглощенного О₂ равны, поэтому ДК для углеводов равен 1.

C₆Н₁₂О₆ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О

При окислении жиров и белков ДК будет ниже единицы. Так, при окислении жиров он равен 0,7, а белков 0,8.

При смешанной пище ДК составляет 0,8-0,9.

При голодании и сахарном диабете в связи со снижением метаболизма глюкозы увеличивается окисление жиров и белков и ДК может снижаться до 0,7.

Для каждого вычисленного ДК имеется определенный калорический эквивалент кислорода (КЭК). КЭК – это количество энергии, которое освобождается при полном окислении 1 г питательного вещества (до конечных продуктов) в присутствии 1 л кислорода (таблица).

Таблица 8.

Соотношение дыхательного коэффициента

и калориметрического эквивалента кислорода

Найденный КЭК умножают на количество потребленного кислорода и находят количество энергии необходимое для выполнения определенного вида деятельности.

Дыхательный коэффициент при мышечной работе. Главным источником энергии при интенсивной мышечной работе являются углеводы. Поэтому во время работы ДК приближается к единице. Сразу по окончании работы он может резко повыситься. Это явление отражает компенсаторные процессы, направленные на удаление из организма избытка СО₂, источником которого являются нелетучие кислоты, которые (особенно молочная кислота), активно продуцируются работающими мышцами. Эти кислоты связываются с буферными системами плазмы и вытесняют из гидрокарбонат иона двуокись углерода. Таким образом, общее количество выделяемой двуокиси углерода на короткое время превышает обычное. Усиленная вентиляция легких в этих случаях предотвращает сдвиг рН крови и тканей в кислую сторону.

Через некоторое время после завершения работы ДК может резко снизиться по сравнению с нормой. Это связано с уменьшением выделения СО₂ легкими вследствие компенсаторной задержки его буферными системами крови, предотвращающими сдвиг рН в основную сторону.

Примерно через час после завершения работы ДК становится нормальным.