Понятие обмена веществ основной и общий обмен. Основной обмен. Уравнения для расчета величины основного обмена. Закон поверхности тела. Проверьте, не совершаете ли вы ошибки в пищевом поведении, которые ведут к ненужному замедлению метаболизма

Процентное содержание воды в тканях человека составляет, примерно 65-70%. Но на протяжении жизни это количество не постоянно.

У 4-месячного эмбриона человека воды содержится - 94%
у новорожденного ребенка - 74%
у взрослого человека - около 65.

К старости количество воды становится ещё меньше. Многие ученые считают, что одной из причин старения человека является снижение способности коллоидов, особенно белков, связывать большие количества воды.

Распределение воды в теле человека неравномерно.

Наименьшее количество ее содержат:
кости - 45% и
жировая т кань - 29%,
Наибольшее:
моча - 83 %
кровь - 92%,
пот - 97%,
слюна - 99%.

В коже – 72 %
В с соединительной ткани –80 %
В почках - 82 %

Суточное потребление воды

Суточное потребление человеком воды составляет, примерно, 2, 5 л.

1. 1,2 л он выпивает
2. 1 л он получает с пищей.
3. 0,3 л он получает при окислении пищевых веществ.

При нормальном водном балансе столько же воды (около 2,5 л) выделяется из организма:

1. 1-1,5 л выводится почками
2. около 0,5 л выводится с потом
3. около 0,4 л выводится лёгкими через дыхание
4. 0,05 – 0,2 л выводится с калом

Транспортная функция воды

Вода в составе крови, лимфы, мочи или пота играет роль транспорта.

При помощи крови питательные вещества, необходимые для синтеза, попадают в места синтеза. Кислород, участвующий в реакциях окисления, доставляется артериальной кровью от легких к каждой клетке тела. Ненужные продукты распада, наоборот, уносятся венозной кровью и, впоследствии, выводятся из организма в составе мочи и пота.

Внутриклеточная вода – это среда, в которой происходят обменные процессы. В этом случае она является посредником между взаимодействующими веществами. То есть обеспечивает это взаимодействие и, таким образом, сохраняет свои транспортные функции.

Благодаря этому вода непосредственно учавствует в формировании клеточных структур и, в значительной мере, определяет их активность. Так, от степени набухания митохондрий зависит интенсивность протекающих в них процессов окислительного фосфорилирования (один из этапов синтеза АТФ), от насыщения водой рибосом - активность биосинтеза белка. Только при определенной степени оводнённости белки и нуклеиновые кислоты полностью проявляют свою биологическую активность.

Минеральные элементы

Минеральные элементы находятся в организме в виде солей, которые распадаются на ионы. Кругооборот этих элементов в организме называют солевым обменом веществ.

В состав организмов входят ионы Na+, К+, Са++, Mg++, Cl-, сульфаты, фосфаты, бикарбонаты; они определяют характер физико-химических процессов в тканях.

Особенно велико значение минеральных элементов в функционировании ферментативного аппарата любого живого организма.

Многие ферментативные реакции протекают только в присутствии определенных ионов.

Особое значение среди минеральных веществ имеют

К микроэлементам относятся: В, Мп, Zn, Си, Мо, Со, Ni, Li, Se, I, CI, Br и некоторые другие элементы.

Основной обмен- энергозатраты связаны с поддержанием минимально необходимого для жизни клеток уровня окислительных процессов и с деятельностью постоянно работающих органов и систем - дыхательной мускулатуры, сердца, почек, печени. Некоторая часть энергозатрат в условиях основного обмена связана с поддержанием мышечного тонуса. Освобождение в ходе всех этих процессов тепловой энергии обеспечивает ту теплопродукцию, которая необходима для поддержания температуры тела на постоянном уровне, как правило, превышающем температуру внешней среды.

Условия определения основного обмена: обследуемый должен находиться

1) в состоянии мышечного покоя (положение лежа с расслабленной мускулатурой), не подвергаясь раздражениям, вызывающим эмоциональное напряжение;

2) натощак, т. е. через 12- 16 ч после приема пищи;

3) при внешней температуре «комфорта» (18-20 °С), не вызывающей ощущения холода или жары.

Основной обмен определяют в состоянии бодрствования. Во время сна уровень окислительных процессов и, следовательно, энергетических затрат организма на 8-10 % ниже, чем в состоянии покоя при бодрствовании.

Методы определения основного обмена:

Прямая, непрямая калориметрия;

По уравнениям с учетом пола, возраста, роста, массы тела с помощью специальных таблиц.

Нормальные величины основного обмена человека. Величину основного обмена обычно выражают количеством тепла в килоджоулях (килокалориях) на 1 кг массы тела или на 1 м2 поверхности тела за 1 ч или за 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, для женщин около 15ОО ккал/сут. У женщин на 5-1О% ниже, чем у мужчин. У детей выше, чем у взрослых. У стариков ниже на 1О-15%. .

3.Потенциал действия и его фазы. Ионные механизмы возбуждения, Изменения проницаемости клеточной мембраны при возбуждении.

Потенциал действия - это кратковременное изменение разности потенциала между наружной и внутренней поверхностями мембраны (или между двумя точками ткани), возникающее в момент возбуждения. При регистрации потенциала действия с помощью микроэлектродной техники наблюдается типичный пикообразный потенциал. В нем выделяют следующие фазы или компоненты:

Локальный ответ - начальный этап деполяризации.

Фазу деполяризации - быстрое снижение мембранного потенциала до нуля и перезарядка мембраны (реверсия, или овершут).

Фазу реполяризации - восстановление исходного уровня мембранного потенциала; в ней выделяют фазу быстрой реполяризации и фазу медленной реполяризации, в свою очередь, фаза медленной реполяризации представлена следовыми процессами (потенциалами):следовая негативность (следовая деполяризация) и следовая позитивность (следовая гиперполяризация). Амплитудно-временные характеристики потенциала действия нерва, скелетной мышцы таковы: амплитуда потенциала действия 140-150 мВ; длительность пика потенциала действия (фаза деполяризации + фаза реполяризации) составляет 1-2 мс, длительность следовых потенциалов - 10-50 мс. Форма потенциала действия (при внутриклеточном отведении) зависит от вида возбудимой ткани: у аксона нейрона, скелетной мышцы - пикообразные потенциалы, у гладких мышц в одних случаях пикообразные, в других - платообразные (например, потенциал действия гладких мышц матки беременной женщины - платообразный, а длительность его составляет почти 1 минуту). У сердечной мышцы потенциал действия имеет платообразную форму.

Во внеклеточной жидкости высока концентрация ионов натрия и хлора, во внутриклеточной жидкости – ионов калия и органических соединений. В состоянии относительного физиологического покоя клеточная мембрана хорошо проницаема для катионов калия, чуть хуже для анионов хлора, практически непроницаема для катионов натрия и совершенно непроницаема для анионов органических соединений. В покое ионы калия без затрат энергии выходят в область меньшей концентрации (на наружную поверхность клеточной мембраны), неся с собой положительный заряд.

Ионы хлора проникают внутрь клетки, неся отрицательный заряд. Ионы натрия продолжают оставаться на наружной поверхности мембраны, еще больше усиливая положительный заряд.

Ионный механизм возбуждения:

В основе потенциала действия лежат последовательно развивающиеся во времени изменения ионной проницаемости клеточной мембраны. При действии на клетку раздражителя проницаемость мембраны для ионов Na+ резко повышается за счет активации натриевых каналов. При этом ионы Na+ по концентрационному градиенту интенсивно перемещаются извне-во внутриклеточное пространство. Вхождению ионов Na+ в клетку способствует и электростатическое взаимодействие. В итоге проницаемость мембраны для Na+ становится в 20 раз больше проницаемости для ионов К+.

Поскольку поток Na+ в клетку начинает превышать калиевый ток из клетки, то происходит постепенное снижение потенциала покоя, приводящее к реверсии - изменению знака мембранного потенциала. При этом внутренняя поверхность мембраны становится положительной по отношению к ее внешней поверхности. Указанные изменения мембранного потенциала соответствуют восходящей фазе потенциала действия (фазе деполяризации). Мембрана характеризуется повышенной проницаемостью для ионов Na+ лишь очень короткое время 0.2 - 0.5 мс. После этого проницаемость мембраны для ионов Na+ вновь понижается, а для К+ возрастает. В результате поток Na+ внутрь клетки резко ослабляется, а ток К+ из клетки усиливается. В течение потенциала действия в клетку поступает значительное количество Na+, а ионы К+ покидают клетку. Восстановление клеточного ионного баланса осуществляется благодаря работе Na+, К+ - АТФазного насоса, активность которого возрастает при повышении внутренней концентрации ионов Na+ и увеличении внешней концентрации ионов К+.

Благодаря работе ионного насоса и изменению проницаемости мембраны для Na+ и К+ первоначальная их концентрация во внутри - и внеклеточном пространстве постепенно восстанавливается.Итогом этих процессов и является реполяризация мембраны: внутреннее содержимое клетки вновь приобретает отрицательный заряд по отношению к внешней поверхности мембраны.

БИЛЕТ 24

Уровень обмена в условиях естественной жизни человека называется общим обменом. При выполнении физического и умственного труда, изменении позы, эмоциях, после потребления пищи обменные процессы становятся более интенсивными. Больше всего задействованные в этом процессе мышцы, сокращаются. Причем состояние скелетных мышц в основном влияет на интенсивность обмена и при некоторых других физиологических состояний. Так, даже при решении математической задачи повышается тоническое напряжение скелетных мышц. При этом в самих клетках ЦНС активность обменных процессов хотя и меняется, но не в такой степени, чтобы существенно повлиять на уровень энергозатрат всего организма. Вместе с тем, если умственная работа сопровождается эмоциональным напряжением, обмен активируется в большей степени. Это обусловлено увеличением образования ряда гормонов, усиливающих обменные процессы.

Специфически динамическое действие пищи

Повышение обмена наблюдают в течение достаточно длительного (до 10-12 ч) времени после еды. В этом случае энергия расходуется не только на собственно процесс пищеварения, секрецию, моторику, всасывание). Оказывается так называемая специфически динамическое действие пищи. Она в основном обусловлена активацией обменных процессов продуктами пищеварения. Этот эффект наибольший при поступлении белков. Уже через 1 ч и в течение последующих 3-12 ч (продолжительность зависит от количества потребленной пищи) активность процессов энергообразования возрастает до 30 % уровня основного обмена. При поступлении углеводов и жиров этот прирост составляет не более 15 %.

Влияние температуры

Интенсивность обменных процессов возрастает также при отклонении температуры окружающей среды от комфортного уровня. Найвираженіше сдвиги интенсивности обмена веществ при снижении температуры, поскольку для сохранения константной температуры тела энергия других видов превращается в тепловую.

Обмен энергии при трудовой деятельности

Наибольший прирост энергозатрат обусловлено скелетными скорочувальними мышцами. Поэтому в обычных условиях существования уровень обменных процессов в первую очередь зависит от физической активности человека. Взрослое население по уровню общего обмена можно разделить на пять групп. Классификация основывается на интенсивности физического труда, нервной напряженности, возникающей при выполнении трудовых процессов, отдельных операций, и ряде других особенностей. По мере внедрения и распространения новых видов и форм трудовой деятельности, связанных с техническим прогрессом, группы интенсивности труда должны пересматриваться, уточняться и дополняться. Выделено пять групп рабочих:

1-а - преимущественно умственной стираемые;

2-а - легкого физического труда;

3-я - физического труда средней степени тяжести;

4-а - тяжелого физического труда;

5-а - особо тяжелого физического труда.

Потребность в энергии повышена у лиц, труд которых характеризуется не только физическим, но и нервно-психической нагрузкой. Причем в современных условиях его значение во всех трудовых процессах все более возрастает.

У женщин через меньшую интенсивность обменных процессов, меньшую мышечную массу потребность в энергии примерно на 15 % ниже, чем у мужчин.

При определении потребности в энергии взрослого трудоспособного населения признано целесообразным все расчеты делать для трех возрастных категорий: 18-29, 30-39,40-59 лет. Основой для этого стали некоторые возрастные особенности обмена веществ. Так, в 18-29 лет еще продолжаются процессы роста и физического развития. С 40 лет, а особенно после 50, катаболизм начинает преобладать над анаболізмом.

При разработке критериев потребности в энергии для населения в возрасте от 18 до 60 лет условно определено идеальную массу тела: у мужчин она составляет 70 кг, у женщин - 60 кг. Потребность в энергии может исчисляться из расчета на 1 кг средней идеальной массы тела. Потребность в энергии на 1 кг идеальной массы у мужчин и женщин практически одинакова и составляет: для 1-й группы интенсивности труда - 167,4 кДж (40 ккал), для 2-й - 179,9 кДж (43 ккал), для 3-й - 192,5 кДж (46 ккал), для 4-й - 221,7 кДж (53 ккал), для 5-й - 255,2 кДж (61 ккал).

Регуляция обмена энергии

В организме постоянно должно происходить согласование метаболических потребностей всего организма с потребностями отдельных его органов и клеток. Это достигается с помощью распределения между ними усмоктуваних питательных веществ, а также перераспределением веществ из собственных депо организма или тех, что образуются в процессах биосинтеза.

На уровне отдельных клеток и кусочков органов можно выявить наличие местных механизмов регуляции процесса энергообразования. Так, во время выполнения мышечной работы начало сокращения мышцы запускает процессы ресинтеза применяемой АТФ (см. разд. 1 -"Скелетные мышцы").

Регуляция процессов энергообразования в организме в целом осуществляется вегетативной нервной и эндокринной системами с преобладанием последней. Основные регуляторы - гормоны щитовидной железы- тироксин и Г3, а также А надпочечников, стимулирующие эти процессы. Причем под влиянием этих гормонов находится и перераспределение метаболитов, применяют для образования энергии. Так, во время физической нагрузки с печени, жировых депо в кровь поступает глюкоза, жирные кислоты, которые применяются в мышцах.

Особую роль в регуляции играет гипоталамус, через который реализуются нервно-рефлекторные (вегетативные нервы) и эндокринные механизмы. С помощью их обеспечивается участие высших отделов ЦНС в регуляции обменных процессов. Можно обнаружить даже условно-рефлекторное повышение уровня образования энергии. Так, у спортсмена перед стартом, у рабочего перед выполнением трудового процесса обмен активируется. Гипнотическое внушение выполнения тяжелой мышечной работы может привести к повышению уровня обменных процессов.

Гормоны гипоталамуса, гипофиза, поджелудочной и других эндокринных желез влияют как на рост, размножение, развитие организма, так и на соотношение процессов анаболизма и катаболизма. В организме активность этих процессов находится в состоянии динамического равновесия, но в отдельные моменты реальной жизни вероятно и превалирование одного из них. (Подробнее эти процессы рассмотрены в курсе биохимии.)

Методы исследования

Методы оценки энергетического баланса организма основываются на двух главных принципах: прямом измерении количества тепла, которое выделилось (прямая калориметрия), и косвенном измерении - определением количества кислорода, поглощаемого и углекислого газа выделяется (непрямая калориметрия).

Чаще всего применяют способы непрямой калориметрии. При этом сначала определяют количество кислорода, поглощаемого и выделяемого углекислого газа, что выделяется. Зная их объемы, можно определить дыхательный коэффициент (ДК): отношение выделенного СО2 к поглощенного 02:

По величине ДК можно косвенно оценивать (есть соответствующие таблицы) окисненість продукта, так как в зависимости от этого выделяется разное количество тепла. Так, при окислении глюкозы выделяется 4 ккал1г тепла, жиров -9,0 ккал1г, белков-4,0 ккал1г (эти величины характеризуют энергетическую ценность соответствующих питательных веществ). Зависимость ДК от продукта окисляется, определяется тем, что при окислении глюкозы для образования каждой молекулы СО2 применяется такое же количество молекул 02 (ДК = 1,0). В связи с тем, что в структуре жирных кислот на один атом СО2 приходится меньше атомов 02, чем в углеводах, во время их окисления ДК равен 0,7. При потреблении белковой пищи ДК составляет 0,8.

Однако, применяя метод непрямой калориметрии, необходимо учитывать, что в реальных условиях жизни человека, как правило, окисляющиеся смешанные ингредиенты. Для практического применения разработаны специальные таблицы, с помощью которых по количеству поглощенного за единицу времени кислорода и величине ДК можно определить количество высвобожденной энергии, то есть интенсивность обменных процессов.

Возрастные и половые особенности энергетического обмена

В период онтогенетического развития обменные процессы претерпевают значительные изменения. До окончания периода полового созревания (табл. 15) преобладают процессы анаболизма.

Таблица 15. Возрастные изменения общего и основного обмена

Поскольку для обеспечения возрастного развития расходуется большое количество энергии, уровень основного обмена в пересчете как на единицу массы, так и поверхность тела, резко увеличен. Самые высокие показатели на протяжении первых лет жизни, когда основной обмен увеличен по сравнению с таковым у взрослых в 2-2,5 раза. При старении преобладают катаболические процессы, что сопровождается постепенным снижением основного обмена. Причем во все возрастные периоды основной обмен у женщин ниже, чем у мужчин. Например, у мужчин в возрасте 40 лет его величина в среднем равна 36,3 ккал1м21год, в 70 лет-33 ккал1м21год; у женщин он составляет соответственно 34,9 и 31,7 ккал1м21год.

В условиях полного покоя человек расходует некоторое количество энергии. Этот расход обусловлен тем, что в нашем организме непрерывно происходит затрата энергии, связанной

с его жизнедеятельностью. Большое количество энергии тратит , которое, сокращаясь, производит значительную работу, почки, где непрерывно идет процесс мочеобразования, дыхательные мышцы, которые регулярно сокращаются, печень, где идут процессы желчеобразования, да и все другие органы и ткани живого организма.

Количество энергии, которое тратит организм при полном покое, натощак, т. е. через 12-16 часов после еды, и при температуре 18-20°, называется основным обменом.

Основной обмен определяется методом непрямой калориметрии, т. е. изучением газообмена.

Основной обмен в среднем равен у взрослого здорового человека 1 большой калории на 1 кг веса в течение 1 часа.

У человека весом 70 кг основной обмен будет равен 70×24=1680 больших калорий. Это количество энергии, которое затрачивается для обеспечения жизнедеятельности организма. Основной обмен зависит от пола, возраста, роста и веса человека. У мужчин основной обмен больше, чем у женщин того же веса.

Величина основного обмена на 1 кг веса тела у детей больше, чем у взрослого человека, но с возрастом теплообразование уменьшается. Понижение теплообразования продолжается до 20 лет. С 20 до 40 лет теплообразование не изменяется, а после 40 лет - вновь понижается.

Исследования показали, что у различных животных величина основного обмена, рассчитанная на 1 кг веса, колеблется довольно резко: чем меньше животное, тем больше основной обмен на 1 кг веса. Между тем, при расчете не на вес, а на единицу площади поверхности тела ока илось, что почти у всех животных количество энергии, расходуемой на 1 м 2 поверхности тела, приблизительно одинаково или колеблется в незначительных пределах. Это видно из мог 10.

ТАБЛИЦА Основной обмен при paсчете на 1 м 2 по верхности тела и на 1 кг веса тела у разных животных и у человека

Эта закономерность получила название закона поверхности, но он не является абсолютным. Однако этот закон дает возможность установить наиболее удобную для сравнения меру величины основного обмена: количество калорий, отдаваемых на единицу поверхности тела в сутки.

Изменения основного обмена наблюдаются при нарушении деятельности желез внутренней секреции. Так, например, усиление функции щитовидной железы приводит к повышению основного обмена, измерение которого часто производится с диагностической целью.

Расход энергии при работе

Основной обмен у здорового взрослого человека равен в среднем 1700 калорий. При мышечной работе расход энергии быстро возрастает: чем тяжелее мышечная работа, тем больше энергии тратит человек.

При работе важно вычислить коэффициент полезного действия, т. е. отношение произведенной работы к затраченному количеству энергии. Исследование показало, что коэффициент полезного действия у человека равен в среднем 20%; при тренировке он повышается и доходит до 25-35%.

По количеству затрачиваемой энергии людей разных профессий можно разделить на несколько групп.

Первая группа. Работа в сидячем положении, не требующая больших мышечных движений: канцелярские служащие, литографы и др.,-2200-2400 больших калорий.

ТАБЛИЦА Расход энергии за сутки лиц разных профессий

Вторая группа. Работа в сидячем положении- портные, механики по тонким работам,-2600 2800 больших калорий.

Третья группа. Умеренная мышечная работа: сапож ники, почтальоны,врачи, лабораторные работники — 3000 больших калорий.

Четвертая группа. Напряженная мышечная работа: металлисты, маляры, столяры,- 3400-3600 больших калорий.

Пятая группа. Тяжелый физический труд-4000 больших калорий и более.

Шестая группа. Очень тяжелый труд - 5000 больших калорий и более.

При умственной работе затрачивается очень небольшое количество энергии. В том случае, когда умственная работа сочетается с движением, мышечной нагрузкой, например у артиста или оратора, затрата энергии возрастает.

В последние годы подробно изучена затрата энергии у лиц разных профессий. Эти данные приводятся в табл.

РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

При изучении действия усиливающее нервасердца И. П. Павлов показал, что усиливающий нерв оказывает трофическое влияние на сердечную мышцу, т. е. изменяет интенсивность протекающего в ней обмена веществ.

Учение о трофической функции нервной системы широко разработано советской физиологией. Показана роль вегетативной нервной системы, в регуляции обмена веществ и энергии. Осуществляется это действие влиянием нервной системы на и энергии как непосредственно, так и через физиологически активные - гормоны.

На и энергии влияют разные отделы нервной системы. Если животному произвести укол в дно IV желудочка продолговатого мозга, происходит резкое увеличение сахара в крови и сахар начинает выделяться с мочой. С белковым обменом связана деятельность промежуточного мозга.

На и энергии оказывают влияние большие полушария головного мозга. Опытами, проведенными в лаборатории К. М. Быкова, была показана тесная связь деятельности коры головного мозга с обменом веществ и энергии.

В наблюдениях над рабочими было установлено, что если рабочий спокойно сидит на стуле в цехе, а другие члены его бригады работают, обмен веществ и расход энергии у сидящего рабочего также резко усиливаются. Ясно, что это может произойти только под влиянием коры головного мозга.

В другом наблюдении определялся основной обмен у рабочего, причем в комнату, где производилось это определение, доходил рабочий шум из цеха. В этих условиях основной обмен повышался на 15-30%. В нерабочий день такого повышения не наблюдалось.

Как уже было сказано, на обмен веществ влияют гормоны желез внутренней секреции. Гормон надпочечника - адреналин, и гормон поджелудочной железы - инсулин, оказывают действие на углеводный обмен. На обмен жиров и белков влияют гормоны щитовидной железы, гипофиза, половых желез.

Выделение гормонов регулируется нервной системой, поэтому гормоны в здоровом организме действуют в том же направлении, что и в данный момент. Нервные и гормональные влияния представляют собой единый механизм.

Различные нарушения обмена веществ, возникающие при расстройстве деятельности той или другой железы внутренней секреции, будут подробно разобраны в главе о железах внутренней секреции.

Статья на тему Основной обмен у человека