Способы оценки энергетических затрат организма. Прямая калориметрия. Непрямая калориметрия.

1.Методы определения расхода энергии. Прямая и непрямая калориметрия.

Метод прямой калориметрии

Исследование проводится в специальных камерах с двойными стенками, между которыми по системе трубок циркулирует вода. Энергия, выделяемая в виде тепла, определяется путем установления объема протекающей воды и степени ее нагрева в процессе опыта.

Наиболее распространенным образцом является камера Этуотера — Бенедикта в различных ее модификациях. В нашей стране используются камеры Пашутина, Шатерникова и др.

Все это делает невозможным использование метода прямой энергометрии для определения расхода энергии в обычных условиях жизни и трудовой деятельности человека.

Алгоритм обоснования энергетической ценности и нутриентного состава рациона питания на основе определения физиологической потребности организма в энергии и пищевых веществах.

Метод непрямой (респираторной) калориметрии

Получил широкое распространение. Принцип метода респираторной энергометрии основан на определении химического состава вдыхаемого и выдыхаемого человеком воздуха с последующим установлением дыхательного коэффициента.

Зная энергетический эквивалент одного литра поглощенного кислорода при определенном дыхательном коэффициенте и величину легочной вентиляции, легко вычислить расход энергии при любом виде деятельности человека.

Для полной характеристики энергетических затрат необходимо иметь данные суточного хронометража бюджета времени по видам деятельности.

Для определения расхода энергии методом респираторной энергометрии предложено много различных аппаратов (системы Дугласа, Цунца — Гепперта, Этуотера, Шатерникова — Молчановой и др.).

Составными частями этих систем-аппаратов обычно являются: резервуары для собирания выдыхаемого воздуха (чаще мешки Дугласа), соединенные шлангами со специальной маской или загубником, приборы для измерения объема выдыхаемого воздуха (газовые часы) и газовый анализатор (чаще прибор Холдейна).

Данные, полученные методом респираторной энергометрии, близки к данным, полученным методом прямой энергометрии. Разница не превышает долей процента.

Метод определения потребности в энергии газометрическим способом также имеет определенные недостатки: большая трудоемкость исследований, недостаточно надежен при определении расхода энергии у людей с большим разнообразием трудовых операций и процессов различной интенсивности и др.

2. Дыхательный коэффициент и его значение в исследовании обмена веществ

Дыхательным коэффициентом называется отношение объема выделенного угле­кислого газа к объему поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент различен при окислении белков, жиров и углеводов. Рассмотрим для примера, каков будет дыхательный коэффициент при использовании организмом глюкозы.

Общий итог окисле­ния молекулы глюкозы можно выразить формулой:

При окислении глюкозы количество молекул образовавшегося углекислого газа и количество молекул затраченного (поглощенного) кислорода равны. Равное количество молекул газа при одной и той же температуре и одном и том же давлении занимает один и   тот же объем (закон Авогадро — Жерара). Следовательно, дыхательный коэффициент отношение ) при окислении глюкозы и других углеводов равен единице.

При окислении жиров и белков дыхательный коэффициент будет ниже единицы. При окислении жиров дыхательный коэффициент равен 0,7. Проиллюстрируем это на примере окисления трипальмитина:Отношение между объемами углекислого газа и кислорода составляет в данном случае:Аналогичный расчет можно сделать и для белка; при его окислении в организме дыхательный коэффициент равен 0,8.При смешанной пище у человека дыхательный коэффициент обычно равен 0,85—0,9. Определенному дыхательному коэффициенту соответствует определенный калорический эквивалент кислорода, что видно из табл. 20.

Таблица Соотношение дыхательного коэффициента и калорического эквивалента кислорода

Дыхательный коэффициент
0,70	0,75	0,80	0,85	0,90	0,95	1,0
Калорический эквивалент
кислорода, в килоджоулях	19,619	19,841	20.101	20,356	20,616	20,871	21,173
Калорический эквивалент
кислорода, в килокалориях	4,686	4,739	4,801	4,862	4,924	4,985	5,057

3.Основной обмен и факторы, влияющие на его величину

Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для обеспечения нормальной жизнедеятельности в условиях относительного физического и психического покоя. Эта энергия расходуется на процессы клеточного метаболизма, кровообращение, дыхание, выделение, поддержание температуры тела, функционирование жизненно важных нервных центров мозга, постоянную секрецию эндокринных желёз.

• Печень потребляет 27% энергии основного обмена;
• Мозг — 19%;
• Мышцы — 18%;
• Почки — 10%;
• Сердце — 7%;
• Остальные органы и ткани — 19%.

Любая работа — физическая или умственная, а также приём пищи, колебания температуры окружающей среды и другие внешние или внутренне факторы, изменяющие уровень обменных процессов, влекут за собой увеличение энергозатрат.

Основной обмен определяют в строго контролируемых, искусственно создаваемых условиях:

• утром, натощак (через 12–14 часов после последнего приема пищи);
• в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в состоянии спокойного бодствования;
• в условиях температурного комфорта (18–20 °С);
• за 3 суток до исследования из организма исключают белковую пищу;

Основной обмен выражается количеством энергозатрат из расчета 1 ккал на 1 кг массы тела в час [1 ккал/(кг×ч)]

Факторы влияющие на величину основного обмена:

• возраст;
• рост;
• масса тела;
• пол человека.

Самый интенсивный основной обмен отмечается у детей (у новорожденных – 53 ккал/кг в сутки, у детей первого года жизни – 42 ккал/кг в сутки).Средние величины основного обмена у взрослых здоровых мужчин составляют 1300–1600 ккал/сут, у женщин эти величины на 10% ниже. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела.С возрастом величина основного обмена неуклонно снижается. Средняя величина основного обмена у здорового человека приблизительно 1 ккал/(кг×ч).

4. Способы определения должных величин основного обмена

Должный основной обмен может быть определен для каждого человека несколькими способами.

А) для определения должного основного обмена могут быть использованы специальные таблицы. Для мужчин и женщин используют разные таблицы показателей энергообмена, т.к. уровень основного обмена у мужчин в среднем на 10% выше, чем у женщин.

По таб­лице находят число рядом со значением массы испытуемого. Затем, в приложении к таблице (справа), находят по горизонтали возраст, а по вертикали — рост испы­туемого. На пересечении граф возраста и роста определяют второе число, которое следует сложить с первым.

Полученный результат даст среднестатистическую вели­чину нормального (должного) основного обмена с учетом пола, возраста, роста и массы тела испытуемого.

Б) расчет должной величины основного обмена по формулам. Определение должной величины основного обмена производят по формулам Гарриса и Бенедик­та:

ДОО = 66,47+13,7516В+5,0033Р-6, 7550Г (для мужчин)ДОО = 665,0955+9,5634В+1,8496Р-4,6756Г (для женщин),где В — вес в килограммах; Р — рост в сантиметрах; Г — возраст в годахВ) наиболее простым способом определения должного основного обмена является следующий — 1 ккал на 1 кг массы тела в 1 часСравните результаты, полученные разными способами . В выводе сформулируйте понятие основного обмена. Укажите факторы, его определяющие.

Для закрепления материала решите следующую ситуационную задачу: У женщины 32 лет ростом 150 см и весом 60 кг основной обмен оказался равен 1600 ккал. Определите, соответствует ли это норме.

5. Правило поверхности тела

+У млекопитающих величина основного обмена, рассчитанная на 1 кг массы тела, сильно различается: чем меньше животное, тем выше обмен. Если пересчитать интенсивность обмена на 1 м2поверхности тела, то полученные величины отличаются не столь значительно. Макс Рубнер в 1868 г. установил, что затраты энергии (интенсивность обмена) пропорциональны величине поверхности тела.

Это объясняется необходимостью поддерживать постоянную температуру, соотношением теплопродукции и теплоотдачи, так как при относительно большой поверхности теряется больше тепла. У человека отношение основного обмена к поверхности тела оказалось величиной сравнительно постоянной.

Ежедневная продукция тепла на 1 м2поверхности тела у человека равна 3559-5234 кДж (850- 1250 ккал).

Для определения поверхности тела применяется формула, выведенная на основании анализа результатов прямых измерений поверхности тела:R = Km,где m — масса тела, кг; константа К равна 12,3 (у человека).Более точно поверхность тела можно определить по формуле, предложенной Дюбуа:

R=W0,425хH0,725х71,84,

где W — масса тела, кг; Н — рост, см.

Правило поверхности лишь относительно верно, о чем свидетельствует тот факт, что у индивидуумов с одинаковой поверхностью тела интенсивность метаболизма может значительно различаться. Это связано с особенностями метаболизма, состоянием нервной, эндокринной и других систем.

6. Обмен энергии при физическом и умственном труде. Распределение населения по группам в зависимости от характера труда.

Обмен энергии при физическом трудеМышечная работа значительно увеличивает расход энергии, поэтому суточный расход энергии у здорового человека, проводя­щего часть суток в движении и физической работе, значительно превышает величину основного обмена. Это увеличение энерго­трат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем ин­тенсивнее мышечная работа.

При мышечной работе освобождается тепловая и механическая энергия. Отношение механической энергии ко всей энергии, за­траченной на работу, выраженное в процентах, называется коэф­фициентом полезного действия.

 При физическом труде человека коэффициент полезного действия колеблется от 16 до 25 % и со­ставляет в среднем 20 %, но в отдельных случаях может быть и выше.

Коэффициент полезного действия изменяется в зависимости от ряда условий. Так, у нетренированных людей он ниже, чем у тренированных, и увеличивается по мере тренировки.

Затраты энергии тем больше, чем интенсивнее совершаемая организмом мышечная работа.

Степень энергетических затрат при различной физической активности определяется коэффициентом физической активности (КФА), который представляет собой отно­шение общих энерготрат на все виды деятельности за сутки к ве-

личине основного обмена. По этому принципу все мужское насе­ление разделено на 5 групп (табл. 10.5)Значительные различия энергетической потребности в груп­пах зависят от пола (у мужчин больше), возраста (снижаются после 40 лет), степени активности отдыха и уровня коммуналь­ного обслуживания.

Женское население разделено по энерготратам на 4 группы (см. табл. 10.5).Суточный расход энергии детей и подростков зависит от воз­раста (табл. 10.6).В старости энерготраты снижаются и к 80 годам составляют 8373—9211 кДж (2000 — 2200 ккал).Обмен энергии при умственном трудеПри умственном труде энерготраты значительно ниже, чем при физическом.

Трудные математические вычисления, работа с книгой и дру-

+гие формы умственного труда, если они не сопровождаются дви­жением, вызывают ничтожное (2—3 %) повышение затраты энер­гии по сравнению с полным покоем.

Однако в большинстве слу­чаев различные виды умственного труда сопровождаются мышеч­ной деятельностью, в особенности при эмоциональном возбужде­нии работающего (лектор, артист, писатель, оратор и т.д.), поэто­му и энерготраты могут быть относительно большими.

Пережитое эмоциональное возбуждение может вызвать в течение нескольких последующих дней повышение обмена на 11 —19 %.

7. Специфически-динамическое действие пищи.

После приема пищи интенсивность обмена веществ и энерго­траты организма увеличиваются по сравнению с их уровнем в ус­ловиях основного обмена.

Увеличение обмена веществ и энергии начинается через час, достигает максимума через 3 ч после приема пищи и сохраняется в течение нескольких часов.

Влияние приема пищи, усиливающее обмен веществ и энергетические затраты, получило название специфического динамического действия пищи.

При белковой пище оно наиболее велико: обмен увеличивается в среднем на 30 %. При питании жирами и углеводами обмен уве­личивается у человека на 14—15 %.

8. Принципы регуляции температуры тела

Уровень энергетического обмена находится в тесной зависи­мости от физической активности, эмоционального напряжения, характера питания, степени напряженности терморегуляции и ряда других факторов.Получены многочисленные данные, свидетельствующие об ус-ловнорефлекторном изменении потребления O2 и энергообмена.

Любой ранее индифферентный раздражитель, связанный по вре­мени с мышечной деятельностью, может служить сигналом к уве­личению обмена веществ и энергии.+У спортсмена в предстартовом состоянии резко увеличивает­ся потребление O2, а следовательно, и энергообмен.

То же про­исходит во время прихода на работу и при действии факторов рабочей обстановки у рабочих, деятельность которых связана с мышечными усилиями. Если испытуемому под гипнозом вну­шить, что он выполняет тяжелую мышечную работу, то обмен у него может значительно повыситься, хотя в действительности ис­пытуемый не производит никакой работы.

Все это свидетельствует о том, что уровень энергетического обмена в организме может из­меняться под влиянием коры большого мозга.Особую роль в регуляции обмена энергии играет гипоталами-ческая область мозга.

Здесь формируются регуляторные влияния, которые реализуются вегетативными нервами или гуморальным звеном за счет увеличения секреции ряда эндокринных желез.

Особенно выраженно усиливают обмен энергии гормоны щито­видной железы — тироксин и трийодтиронин, и гормон мозгового вещества надпочечника адреналин

9. Физиология терморецепторов. Центры терморегуляции

Терморецепторы расположены на различных участках кожи, во внутренних органах (в желудке, кишечнике, матке, мочевом пузыре), в дыхательных путях, слизистых, роговице глаза, скелетных мышцах, кровеносных сосудах, в том числе в артериях, аортальной и каротидной зонах, во многих крупных венах, а также в коре больших полушарий, спинном мозге, ретикулярной формации, среднем мозге, гипоталамусе.

Терморецепторы ЦНС — это, скорее всего, нейроны, которые одновременно выполняют роль рецепторов и роль афферентного нейрона.Наиболее полно изучены терморецепторы кожи. Больше всего терморецепторов на коже головы (лицо) и шеи. В среднем на 1 мм2 поверхности кожи приходится 1 терморецептор. Кожные терморецепторы делятся на холодовые и тепловые.

В свою очередь, холодовые подразделяются на собственно холодовые (специфические), реагирующие только на изменение температуры, и тактильно-холодовые, или неспецифические, которые одновременно могут отвечать и на изменение температуры, и на давление.Холодовые рецепторы располагаются на глубине 0,17 мм от поверхности кожи. Всего их около 250 тысяч.

Реагируют на изменение температуры с коротким латентным периодом. При этом частота потенциала действия линейно зависит от температуры в пределах от 41° до 10°С: чем ниже температура, тем выше частота импульсации. Оптимальная чувствительность в диапазоне от 15° до 30°С, а по некоторым данным — до 34°С.

Тепловые рецепторы залегают глубже — на расстоянии 0,3 мм от поверхности кожи. Всего их около 30 тысяч. Реагируют на изменение температуры линейно в диапазоне от 20° до 50°С: чем выше температура, тем выше частота генерации потенциала действия. Оптимум чувствительности в пределах 34—43°С.

Среди холодовых и тепловых рецепторов имеются разные по чувствительности популяции рецепторов: одни реагируют на изменение температуры, равное 0,1 °С (высокочувствительные рецепторы), другие — на изменение температуры, равное 1°С (рецепторы средней чувствительности), третьи — на изменение в 10°С (высокопороговые, или рецепторы низкой чувствительности).

Информация от кожных рецепторов идет в ЦНС по афферентным волокнам группы А-дельта и по волокнам группы С, в ЦНС она доходит с разной скоростью. Вероятнее всего, что импульсы от холодовых рецепторов идут по волокнам А-дельта.

Импульсация от кожных рецепторов поступает в спинной мозг, где расположены вторые нейроны, дающие начало спиноталамическому пути, который заканчивается в вентробазальных ядрах таламуса, откуда часть информации поступает в сенсомоторную зону коры больших полушарий, а часть — в гипоталамические центры терморегуляции.

Методы измерения затрат энергии (прямая и непрямая калориметрия)

Дыхательный коэффициент.

Прямая калориметрия основана на непосредственном определении тепла, высвобождающегося в процессе жизнедеятельности организма. Человека помещают в специальную калориметрическую камеру, в которой учитывают все количество тепла, отдаваемого телом человека.

Тепло, выделяемое организмом, поглощается водой, протекающей по системе труб, проложенных между стенками камеры. Метод очень громоздок, применение его возможно в специальных научных учреждениях. Вследствие этого в практической медицине широко используют метод непрямой калориметрии.

Сущность этого метода заключается в том, что сначала определяют объем легочной вентиляции, а затем — количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа. Отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента.

По величине дыхательного коэффициента можно судить о характере окисляемых веществ в организме.

• При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1 так как для полного окисления 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды потребуется 6 молекул кислорода, при этом выделяется 6 молекул углекислого газа:
• С6Н12О6+602=6С02+6Н20
• Дыхательный коэффициент при окислении белка равен 0,8, при окислении жиров — 0,7.

Определение расхода энергии по газообмену.

Количество тепла, высвобождающегося в организме при потреблении 1 л кислорода — калорический эквивалент кислорода — зависит от того, на окислении каких веществ используется кислород. Калорический эквивалент кислорода при окислении углеводов равен 21,13 кДж (5,05 ккал), белков — 20,1 кДж (4,8 ккал), жиров — 19,62 кДж (4,686 ккал).

Расход энергии у человека определяют следующим образом. Человек дышит в течение 5 мин, через мундштук (загубник), взятый в рот. Мундштук, соединенный с мешком из прорезиненной ткани, имеет клапаны. Они устроены так, что человек свободно вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает воздух в мешок. С помощью газовых часов измеряют объем выдохнутого воздуха.

По показателям газоанализатора определяют процентное содержание кислорода и углекислого газа во вдыхаемом и выдыхаемом человеком воздухе. Затем рассчитывают количество поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, а также дыхательный коэффициент.

С помощью соответствующей таблицы по величине дыхательного коэффициента устанавливают калорический эквивалент кислорода и определяют расход энергии.

Основной обмен и его значение.

Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для поддержания нормальной жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя при исключении всех внутренних и внешних влияний, которые могли бы повысить уровень обменных процессов.

Основной обмен веществ определяют утром натощак (через 12—14 ч после последнего приема пищи), в положении лежа на спине, при полном расслаблении мышц, в условиях температурного комфорта (18—20° С).

Выражается основной обмен количеством энергии, выделенной организмом (кДж/сут).

В состоянии полного физического и психического покоя организм расходует энергию на: 1) постоянно совершающиеся химические процессы; 2) механическую работу, выполняемую отдельными органами (сердце, дыхательные мышцы, кровеносные сосуды, кишечник и др.); 3) постоянную деятельность железисто-секреторного аппарата.

Основной обмен веществ зависит от возраста, роста, массы тела, пола. Самый интенсивный основной обмен веществ в расчете на 1 кг массы тела отмечается у детей. С увеличением массы тела усиливается основной обмен веществ. Средняя величина основного обмена веществ у здорового человека равна приблизительно 4,2 кДж (1 ккал) в 1 ч на 1 кг массы тела.

По расходу энергии в состоянии покоя ткани организма неоднородны. Более активно расходуют энергию внутренние органы, менее активно — мышечная ткань.

Интенсивность основного обмена веществ в жировой ткани в 3 раза ниже, чем в остальной клеточной массе организма. Худые люди производят больше тепла на 1 кг массы тела, чем полные.

У женщин основной обмен веществ ниже, чем у мужчин. Это связано с тем, что у женщин меньше масса и поверхность тела. Согласно правилу Рубнера основной обмен веществ приблизительно пропорционален поверхности тела.

Отмечены сезонные колебания величины основного обмена веществ – повышение его весной и снижение зимой. Мышечная деятельность вызывает повышение обмена веществ пропорционально тяжести выполняемой работы.

К значительным изменениям основного обмена приводят нарушения функций органов и систем организма. При повышенной функции щитовидной железы, малярии, брюшном тифе, туберкулезе, сопровождающихся лихорадкой, основной обмен веществ усиливается.

Расход энергии при физической нагрузке.

При мышечной работе значительно увеличиваются энергетические затраты организма. Это увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем интенсивнее работа.

По сравнению со сном при медленной ходьбе расход энергии увеличивается в 3 раза, а при беге на короткие дистанции во время соревнований — более чем в 40 раз.

При кратковременных нагрузках энергия расходуется за счет окисления углеводов. При длительных мышечных нагрузках в организме расщепляются преимущественно жиры (80% всей необходимой энергии).

У тренированных спортсменов энергия мышечных сокращений обеспечивается исключительно за счет окисления жиров.

У человека, занимающегося физическим трудом, энергетические затраты возрастают пропорционально интенсивности труда.

ПИТАНИЕ.

Восполнение энергетических затрат организма происходит за счет питательных веществ. В пище должны содержаться белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины в небольших количествах и правильном соотношении.

Усвояемость пищевых веществ зависит от индивидуальных особенностей и состояния организма, от количества и качества пищи, соотношения различных составных частей ее, способа приготовления.

Растительные продукты усваиваются хуже, чем продукты животного происхождения, потому что в растительных продуктах содержится большее количество клетчатки.

Белковый режим питания способствует осуществлению процессов всасывания и усвояемости пищевых веществ. При преобладании в пище углеводов усвоение белков и жиров снижается.

Замена растительных продуктов продуктами животного происхождения усиливает обменные процессы в организме.

Если вместо растительных давать белки мясных или молочных продуктов, а вместо ржаного хлеба — пшеничный, то усвояемость продуктов питания значительно повышается.

Таким образом, чтобы обеспечить правильное питание человека, необходимо учитывать степень усвоения продуктов организмом. Кроме того, пища должна обязательно содержать все незаменимые (обязательные) питательные вещества: белки и незаменимые аминокислоты, витамины,высоконепредельные жирные кислоты, минеральные вещества и воду.

Основную массу пищи (75-80%) составляют углеводы и жиры.

Пищевой рацион – количество и состав продуктов питания, необходимых человеку в сутки. Он должен восполнять суточные энергетические затраты организма и включать в достаточном количестве все питательные вещества.

Для составления пищевых рационов необходимо знать содержание белков, жиров и углеводов в продуктах и их энергетическую ценность. Имея эти данные, можно составить научно обоснованных пищевой рацион для людей разного возраста, пола и рода занятий.

Режим питания и его физиологическое значение.

Необходимо соблюдать определенный режим питания, правильно его организовать: постоянные часы приема пищи, соответствующие интервалы между ними, распределение суточного рациона в течение дня.

Принимать пищу следует всегда в определенное время не реже 3 раз в сутки: завтрак, обед и ужин. Завтрак по энергетической ценности должен составлять около 30% от общего рациона, обед — 40—50%, а ужин — 20—25%. Рекомендуется ужинать за 3 ч до сна.

Правильное питание обеспечивает нормальное физическое развитие и психическую деятельность, повышает работоспособность, реактивность и устойчивость организма к влиянию окружающей среды.

Согласно учению И. П. Павлова об условных рефлексах, организм человека приспосабливается к определенному времени приема пищи: появляется аппетит и начинают выделяться пищеварительные соки. Правильные промежутки между приемами пищи обеспечивают чувство сытости в течение этого времени.

Трехкратный прием пищи в общем физиологичен. Однако предпочтительнее четырехразовое питание, при котором повышается усвоение пищевых веществ, в частности белков, не ощущается чувство голода в промежутках между отдельными приемами пищи и сохраняется хороший аппетит. В этом случае энергетическая ценность завтрака составляет 20%, обед — 35%, полдник—15%, ужин — 25%.

Рациональное питание.Питание считается рациональным, если полностью удовлетворяется потребность в пище в количественном и качественном отношении, возмещаются все энергетические затраты.

Оно содействует правильному росту и развитию организма, увеличивает его сопротивляемость вредным воздействиям внешней среды, способствует развитию функциональных возможностей организма и повышает интенсивность труда.

Рациональное питание предусматривает разработку пищевых рационов и режимов питания применительно к различным контингентам населения и условиям жизни.

Как уже указывалось, питание здорового человека строится на основании суточных пищевых рационов. Рацион и режим питания больного называются диетой.

Каждая диета имеет определенные составные части пищевого рациона и характеризуется следующими признаками: 1) энергетической ценностью; 2) химическим составом; 3) физическими свойствами (объем, температура, консистенция); 4)режимом питания.

Воспользуйтесь поиском по сайту:

Оценка энергетических затрат организма на жизнедеятельность

Методы количественных оценок энергозатрат организма человека и животных на жизнедеятельность в состоянии покоя и при различных видах активности базируются на законах термодинамики. Для оценки энергозатрат организма на жизнедеятельность используют методы прямой и непрямой калометрии.

Оба метода калориметрии применяют для оценки уровня интенсивности основного обмена (ИОО), то есть количества энергии, затрачиваемой организмом в условиях полного покоя для обеспечения минимального уровня обмена веществ (метаболизма) и функциональной активности внутренних органов, необходимой для жизни. Измерение ИОО как минимальных энергетических затрат организма на жизнедеятельность производится в состоянии мышечного покоя, в положении лежа, натощак, через 12—16 ч после приема пищи, при температуре комфорта (18—20 °С). Показатель ИОО отражает интенсивность метаболических процессов в клетках организма.

Прямая калориметрия — это метод, основанный на измерении теплопродукции организма в калориметрической камере.

Так как, в соответствии с I законом термодинамики, все виды энергии могут переходить в теплоту, то, оценивая теплопродукцию организма за определенный период времени, можно определить затраты энергии на жизнедеятельность.

Калориметрическая камера — это помещение определенного объема, изолированное от среды таким образом, что тепломассоперенос между этим помещением и средой отсутствует.

Это помещение оснащено термочувствительной аппаратурой, измеряющей изменение температуры в камере, обусловленное пребыванием в ней человека (животного) определенный период времени, например в течение суток. По изменению температуры в камере оценивают количество энергии, переданной организмом в среду в виде теплоты. Это количество теплоты эквивалентно энергии, израсходованной организмом на жизнедеятельность в период нахождения в калориметрической камере.

Непрямая калориметрия основана на количественной оценке потребляемого кислорода. Этот метод базируется на законе Г. И. Гесса, открытом им в 1840 г.: суммарный энергетический эффект реакции не зависит от количества стадий, через которые система переходит из одного состояния в другое.

Поэтому, несмотря на то что глюкоза и другие вещества, используемые в организме как источник энергии, непосредственно с кислородом не взаимодействуют, при непрямой калориметрии, основываясь на суммарном уравнении окисления глюкозы в аэробных условиях (С6Н1206 + 602 = 6Н20 + 6С02), считают, что при поступлении в организм шести молей кислорода происходит окисление одного моля глюкозы. Определив количество кислорода (20,95 % по объему в воздухе), поступившее в организм за определенный период времени, по приведенному выше уравнению рассчитывают количество глюкозы, которое окисляется данным количеством кислорода. Например, если потребление кислорода составляет 22,4 л, или 1 моль (по следствию из закона Авогадро), то это значит, что в организме окислилась 1/6 моля глюкозы, т. е. освободилось около 470 кДж энергии, так как теплосодержание одного моля глюкозы (количество теплоты, освобождаемое при ее сжигании) составляет 2800 кДж. Следовательно, при потреблении 1 л кислорода в организме при окислении глюкозы освобождается около 21 кДж энергии. Несмотря на то что около 41,7 % этой энергии окисления глюкозы в организме сначала запасается в виде химической энергии АТФ, эта энергия достаточно быстро расходуется на совершение работы: активный транспорт, мышечное сокращение, биосинтез веществ — и также переходит в теплоту.

Включая в метод непрямой калориметрии определение количества выдыхаемого углекислого газа и используя известные данные о значениях дыхательных коэффициентов, можно оценивать характер веществ, которые преимущественно окисляются в организме в период измерений, и рассчитывать количество энергии, трансформированной в организме.

Дыхательный коэффициент (ДК) — это отношение объема выдыхаемого углекислого газа к объему вдыхаемого кислорода. Этот коэффициент при преобладании в рационе углеводов равен 1, жиров — 0,7, при смешанном питании — 0,75—0,95, при белковом — 0,82.

Отличия дыхательных коэффициентов обусловлены особенностями метаболизма этих веществ и различиями в энергетическом балансе при их окислении.

Количество энергии, освобождаемой при использовании в организме 1 л кислорода, отражает энергетический эквивалент в кДж/л или калорический эквивалент кислорода (КЭК) в ккал (1 кал = 4,184 Дж).

Этот эквивалент (коэффициент) равен для углеводов 21 кДж (5,05 ккал), белков — 18,8 кДЖ (4,60 ккал), жиров — 19,6 кДж (4,69 ккал). Зная количество и состав принятой пищи, т. е.

количество содержащихся в ней углеводов, белков, липидов, можно рассчитать по КЭК, сколько энергии будет освобождаться в организме при потреблении определенного количества кислорода.

Кроме того, определив непрямой калориметрией ДК, можно выяснить, какие вещества преимущественно окисляются в период калориметрии и, используя данные о калорическом эквиваленте, рассчитать количество энергии, трансформированной в организме во время исследования.

Методом непрямой калориметрии определено, что в условиях основного обмена (ОО) потребление кислорода (ПК) человеком массой около 70 кг составляет в среднем 0,2—0,3 литра в минуту (л/мин.) (у мужчин 0,245 /мин., а у женщин — 0,215 л/мин.).

Максимальное ПК может более чем в 10 раз превышать его потребление в условиях ОО и составляет в среднем 2,5—3,5 л/мин. Есть данные, что этот показатель может достигать 4,4—5 л/мин., т. е. возрастать по сравнению с покоем в 14—18 раз.

Установлено, что безопасному уровню соматического здоровья соответствует определенная величина максимального ПК, т. е. потребление кислорода при максимально допустимой физической нагрузке. Обнаружено, что риск ишемической болезни сердца возрастает при снижении максимального потребления кислорода ниже 42 мл/мин.

/кг у мужчин и 35 мл/мин./кг для женщин, что превышает средний уровень потребления кислорода в условиях 00 приблизительно в 10 раз.

С помощью калориметрии можно оценивать энергозатраты организма при различных положениях тела и различных видах физической активности. Так в положении лежа при среднем уровне ПК ИОО составляет в среднем у мужчин — 7,1 МДж/сут. (85 Вт (Вт = Дж/с)), а у женщин — 6,6 мДж/сут. (76 Вт).

При относительном покое в положении сидя величина затрат энергии несколько увеличивается и составляет в среднем у мужчин — 9,6 мДж/сут. (115 Вт), а у женщин — 8,4 мДж/сут. (100 Вт). Интенсивность энергозатрат при умственной работе приблизительно такая же, как в положении сидя, и определяется, главным образом, увеличением мышечного тонуса.

Обнаружена положительная корреляция между ИОО и температурой тела: при изменении температуры тела на 1°С ИОО изменяется на 10—13 %. Кроме того, ИОО у молодых людей выше, чем у пожилых. Вместе с тем с помощью калориметрии выяснено, что у людей с приблизительно одинаковыми размерами тела и уровнем активности интенсивность метаболизма может существенно отличаться.

Эти различия в среднем составляют 6—10 %, но могут достигать и 50 %, причем, главным образом, за счет теплопродукции во время сна.

Потребление кислорода (ПК) так же, как и ИОО, пропорционально площади поверхности тела и его массе. Оба эти параметра, характеризующие интенсивность метаболизма, могут быть оценены по алло- метрическим соотношениям (от лат. alios — другой).

Эти аллометри- ческие соотношения определяются на основании больших массивов эмпирических данных и позволяют рассчитывать одни параметры организма, для точной количественной оценки которых необходимо использовать трудоемкие и сложные методы исследования, по другим параметрам, которые достаточно легко измерить.

Например, по алло- метрическому уравнению А = 0,202М°>425 • Н°>725(формула Дюбуа), где А — площадь поверхности тела в м2, Н — рост тела в м, М — масса тела в кг, можно рассчитать площадь поверхности тела.

Для приблизительной оценки ИОО у млекопитающих животных разных размеров используют аллометрическое соотношение ИОО = с • М3/4, где М — масса тела в кг, а с — коэффициент, равный 90 ккал/кг.

Хотя некоторые исследователи полагают, что ИОО для млекопитающих пропорциональна М2/3, где М — масса тела в кг. Для оценки ИОО у человека используются и более точные аллометрические соотношения, учитывающие его пол и возраст.

По эмпирически установленным соотношениям можно оценивать увеличение фактической теплопродукции организма или уровня метаболизма (УМ) при различных видах активности. Установлено, что УМ можно приблизительно оценить по произведению величины ИОО и фактора активности: УМ = f х ИОО, где f — фактор (коэффициент) активности. При ходьбе f составляет 4,67, а при езде на велосипеде — 6,28.

Кроме того, для оценки УМ при различных уровнях активности организма используют так называемый метаболический эквивалент (МЕТ): МЕТ = f/1,5. По произведению МЕТ (3,5 мл/кг мин.) можно оценить среднее потребление человеком кислорода при различных видах активности. Так, в процессе отдыха сидя, стоя, во время еды, беседы МЕТ равен 1 и возрастает до 3 при прогулке со скоростью 4 км/ч.

Оценка ИОО и затрат энергии на выполнение различных видов работы имеет практическое значение для выяснения функциональных резервов организма и прогнозирования его состояния при различных уровнях физической нагрузки.

В последние десятилетия для определения энергозатрат организма при различных уровнях физической активности как животных так и человека нередко используют метод дважды меченой воды.

Он основан на введении в организм определенного количества воды, образованной изотопами кислорода и водорода и последующем изотопном анализе биологических жидкостей: слюны, мочи.

Кроме того, данные об энергозатратах организма на 00 и о величинах изменения УМ при различных уровнях активности необходимы для составления оптимальных для различных условий жизнедеятельности пищевых рационов.

На основании этих данных можно рекомендовать набор продуктов, потребление которых будет обеспечивать восполнение энергозатрат при различных уровнях физической активности организма, при различных состояниях окружающей среды и внутренней среды организма и при этом не приведет к голоданию как недостатку какого-либо компонента рациона или к избыточному увеличению массы тела (ожирению).

Для составления сбалансированных пищевых рационов необходимо иметь данные о калорийности пищи, ее усвояемости, о соотношении в ней питательных веществ, наличии достаточного для жизнедеятельности количества витаминов, минеральных веществ, воды и данные об энергозатратах организма при различных уровнях физической активности в период потребления данного рациона. Калорийность продуктов питания определяют путем их сжигания в калориметрической бомбе. Это теплоизолированная камера, оснащенная термометром, что позволяет оценивать количество теплоты при сжигании в ней в атмосфере кислорода различных веществ. Количество теплоты, освобождаемое при сгорании в калориметрической бомбе или окислении в организме 1 г вещества, — это калорический коэффициент (КК). Известно, что КК белка — 17,2 кДж (4,1 ккал), жира — 38,9 кДж (9,3 ккал), углеводов — 17,2 кДж (4,1 ккал). Зная содержание в продукте питания различных веществ, по КК можно рассчитать калорийность единицы массы этого продукта. Установлено, что усвояемость смешанной пищи, какой является пища, потребляемая жителями Центральной Европы, т. е. количество вещества, всосавшегося в пищеварительном тракте, составляет 90—95 % от количества поступивших в него веществ. Калорийность рациона должна соответствовать энергозатратам организма, что, как считается, может способствовать поддержанию оптимальной для жизнедеятельности величины массы тела.

При составлении суточного рациона здорового взрослого человека рекомендовано учитывать следующее. В рацион должны входить, во-первых, белки — 0,8 г/кг (г на кг массы тела), в том числе, половина из них — животные белки, содержащие незаменимые аминокислоты.

Во-вторых, поступающие в организм жиры должны обеспечивать 25—30 %, а при тяжелой физической работе — до 40 % общих затрат энергии. При этом треть из них должны быть ненасыщенные жирные кислоты. Углеводы должны обеспечивать 55—65 % энергетических потребностей организма.

Например, считается, что для женщин в возрасте 19—50 лет при среднем уровне энергозатрат достаточной является калорийность пищевого рациона на уровне 8800 кДж в сут. Белки должны составлять около 45 г/сут., жиры — 58—81 г/сут., а углеводы — 298—352 г/сут., алкоголь — до 34 г/ сут.

Установлено, что в среднем фактическая величина калорийности пищи, потребляемой в развитых странах, является избыточной и составляет 12 200 кДж/сут. При этом наблюдается избыточное потребление белков и жиров. Очевидно, что избыточная калорийность пищи приводит к увеличению массы тела, прежде всего, за счет отложения жиров в жировых депо организма.

Жирные кислоты, входящие в состав этих резервных жиров — три- глицеринов, главным образом, экзогенного происхождения, но, кроме того, они могут образовываться при избытке Ацетил-КоА в метаболических путях как липидов, так и белков и углеводов.

Избыточная масса резервных липидов оказывает отрицательное влияние на функционирование организма, хотя бы вследствие повышения нагрузки на скелет, мышечную систему, сердечно-сосудистую систему. Величину избыточных жировых отложений можно оценить количественно по индексу массы тела (ИМТ).

Он равен отношению массы тела (М) в кг к росту (Р) в см в квадрате (ИМТ = М/Р2) и должен быть около 22 для женщин и 24 для мужчин. Ожирение является фактором риска, фактором, статистически значимо взаимосвязанным с уменьшением продолжительности жизни. При ожирении возрастает вероятность развития таких болезней, как инфаркт миокарда, подагра, сахарный диабет.

Известно, что триглицериды жировых депо не являются легко доступным, быстро мобилизуемым энергетическим материалом. При непродолжительном голодании или необходимости экстренных затрат энергии, прежде всего, расходуются запасы легко мобилизуемых энергетических ресурсов — это гликоген и креатинфосфат, резервы которых в организме человека весьма невелики.

По-видимому, появление в ходе эволюции способности к ощущению голода, испытываемого как людьми с нормальной массой тела, так и с повышенной массой тела, связано не только с периодическим понижением уровня глюкозы в крови, обусловленным ее потреблением клетками организма, но и с темпами расходования этих небольших запасов легко мобилизуемых энергетических ресурсов.