Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Ульяновский государственный технический университет ФИЗИОЛОГИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ ПО КУРСУ «ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА» Составитель О. Е. ФАЛОВА Ульяновск 2006 УДК 612 (076) ББК 23.073я7 Ф50 Рецензент доктор медицинских наук, профессор Потатуркина- Нестерова Н. И. Физиология энергетического обмена: методические указания / сост. Ф50 О. Е. Фалова. – Ульяновск: УлГТУ, 2006. – 28 с. В методических указаниях к лабораторной работе по курсу «Физиоло- гия человека» рассмотрены теоретические основы физиологии энергетиче- ского обмена организма и методы его определения. Представлены необ- ходимые материалы для освоения принципов составления пищевых рацио- нов и оценке энергетических затрат организма при различных видах дея- тельности. Предназначены для студентов специальности 280202 «Инже- нерная защита окружающей среды». УДК 612 (076) ББК 23.073я7 Учебное издание ФИЗИОЛОГИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА Методические указания Составитель ФАЛОВА Оксана Евгеньевна Редактор О. А. Фирсова Подписано в печать 06.04.2006. Формат 60Ч84/16. Печать трафаретная. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,40. Тираж 50 экз. Заказ Ульяновский государственный технический университет, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. Типография УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32. © Фалова О. Е., составление, 2006 © Оформление. УлГТУ, 2006 2 СОДЕРЖАНИЕ Общие сведения об обмене веществ.................................................................... 4 Методы исследования энергообмена................................................................... 8 Выполнение лабораторной работы....................................................................... 10 Таблицы для записи результатов.......................................................................... 15 Контрольные вопросы............................................................................................ 15 Библиографический список................................................................................... 16 Приложение А......................................................................................................... 17 Приложение Б......................................................................................................... 19 Приложение В......................................................................................................... 21 Приложение Г......................................................................................................... 22 3 Общие сведения об обмене веществ Цель работы: научиться определять и оценивать энергозатраты при раз- личных функциональных состояниях. Неотъемлемым свойством всех биологических систем является обмен веществ и энергии между организмом и средой. Обмен веществ – это процесс метаболизма веществ, поступивших в организм, в результате которого из этих веществ могут образовываться более сложные или, наоборот, более простые вещества. Другими словами – это совокупность физических, химиче- ских и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен между организмом и средой. Поступающие с пищей в организм вещества подвергаются изменениям – метаболизируются, частично они превращаются в вещества самого организма. В этом состоит процесс ассимиляции (или анаболизм), обеспечивающий пласти- ческие потребности организма, т. е. построение новых структур и обновление клеток. Обратный процесс – диссимиляция (или катаболизм), состоит в расщеп- лении вещества живого организма с выделением энергии, что обеспечивает энергетические потребности организма. Процессы диссимиляции и ассимиляции находятся в теснейшей взаимосвя- зи, характеризуются высокой степенью упорядоченности, организованы во време- ни и пространстве, образуют целостную систему. Потребность организма в пла- стических веществах может быть удовлетворена тем минимальным уровнем их поступления с пищей, который будет уравновешивать потери структурных бел- ков, жиров, углеводов. Потребности в этих веществах строго индивидуальны. Обмен веществ характеризуется следующими параметрами: основной обмен, уровень основного обмена. Под основным обменом (ОО) понимают минимальный уровень затрат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма в условиях отно- сительного полного физического и эмоционального покоя. Энергетические за- 4 траты основного обмена обычно выражаются в килокалориях за 1 час (или су- тки) и рассчитываются на 1 кг массы тела на 1 м2 его поверхности. Для взрослого человека среднее значение ОО равно 1 ккал/кг/час, для мужчин – 1 700 ккал/сутки, для женщин – 1 500 ккал/сутки, т. е. на 10–15% меньше, чем у мужчин. Перед определением основного обмена человек должен находиться в состоянии физического и психического покоя и не принимать никакой пищи в течение 12–18 часов. Тогда к моменту измерения желудочно-кишечный тракт испытуемого будет пуст. Количество расходуемой энергии (работа сердца, кровообращение, дыха- ние, сохранение постоянной температуры тела) называют уровнем основного обмена. Данная величина зависит от пола, возраста, массы тела, состояния здо- ровья индивидуума и коррелирует с отношением поверхности тела к его объе- му. Немецкий физиолог М. Рубнер сформулировал закон энергозатрат: энерго- затраты пропорциональны величине поверхности тела. Говоря об обмене веществ, имеют в виду белковый, углеводный и липидный обмены. Белковый обмен Обмен белков – процесс усвоения (синтеза и распада) клетками и тканями организма азотсодержащих соединений белков и аминокислот. Белки находятся в состоянии непрерывного обмена и обновления. Коли- чество расщепившегося белка равно количеству синтезированного. Синтез бел- ков происходит из аминокислот и низкомолекулярных полипептидов, которые образуются при расщеплении белков в пищеварительной системе и всасывают- ся в кровь. Поскольку азот в пище содержится преимущественно в белках (в 100 г белка содержится 16 г азота), соотношение поступивших в организм и разрушенных белков определяют по величине азотистого баланса – соотно- шения поступившего и выделившегося с пищей азота. Если поступление азота превышает его выделение, то в организме возникает положительный азотистый 5 баланс или преобладание синтеза белка над распадом. При отрицательном азо- тистом балансе распад белка преобладает над синтезом. Регуляция белкового обмена связана с деятельностью промежуточного мозга, гормонов щитовидной железы – тироксином и соматотропным гормоном гипофиза. Биологическая ценность белков определяется наличием в них незамени- мых аминокислот, их соотношением с заменимыми, а также определяется пере- вариваемостью ферментами ЖКТ. Различают биологически полноценные и не- полноценные белки. Полноценные белки содержат все незаменимые аминокис- лоты, неполноценные белки – имеют дефицит нескольких незаменимых амино- кислот. Источниками полноценных белков животного происхождения являются молоко, молочные продукты, яйцо, мясо, рыба, печень. Биологическая ценность белков растительного происхождения значительно ниже, эти белки поступают в основном с хлебом и крупами. Норма потребления белков составляет 55% пищевого рациона или 0,75 г/кг. При недостаточном потреблении белков развивается белковый голод, проявляющийся повышенной чувствительностью к инфекциям, может возник- нуть белковое голодание, приводящее иногда к смертельным исходам. Углеводный обмен Основная масса углеводов, поступающих в организм, используется для удовлетворения энергетических потребностей организма. Более 55% энергии черпается из углеводов. Основной источник углеводов – это растения, которые содержат до 80–90% углеводов. В основном это крахмал, а также клетчатка. В сутки организму необходимо поступление 400–500 г углеводов, в том числе крахмала 350–400 г, моносахаридов и дисахаридов – 50–100 г. Конечным про- дуктом расщепления углеводов являются моносахариды: глюкоза, фруктоза, лактоза, и т. д. Глюкоза является источником энергии для жизнедеятельности клеток головного мозга, необходима для синтеза аминокислот, полисахаридов. 6 Одним из самых распространенных заболеваний, связанных с избыточ- ным употреблением сахара, является гипогликемия. Она является предшест- венницей сахарного диабета. В ее основе лежит аномальное функционирование инсулинового аппарата: заболевание обусловлено тем, что в ответ на быстрое всасывание в кровь легкоусвояемого продукта (сахарозы), поджелудочная же- леза продуцирует избыточное количество инсулина, что вызывает гипоглике- мическое состояние. Постоянная нагрузка на инсулиновый аппарат приводит к нарушению в его работе. Заболевание проявляется нервозностью, головными болями, бессонницей, расстройством пищеварения, депрессией, агрессивным состоянием. Обмен жиров и липидов В норме у человека на долю жира приходится 10–20%, а при ожирении до 50 % от всей массы тела. Жиры выполняют пластическую роль, они необходи- мы для построения тканей, используются как источник стероидных гормонов. Жиры играют энергетическую роль – до 33% энергии образуется за счет их окисления. Кроме этого, жиры являются источником эндогенной воды: из 100 г жира образуется 107 г воды. В организме жир находится в 2-х видах: структурном и резервном. Ре- зервный жир расположен в подкожной клетчатке, в брюшной полости, около почек. Избыточное питание, гиподинамия приводят к увеличению резервного жира. Пищевой жир бывает животного и растительного происхождения. Жир животного происхождения представлен триглицеридами, в состав которых входят жирные кислоты, например, стеариновая. Жиры растительного происхо- ждения содержат ненасыщенные жирные кислоты (линолевая, олеиновая и т. д.). Биологическая ценность пищевых жиров определяется наличием в них незаменимых жирных кислот, способностью перевариваться и всасываться в ЖКТ. Наиболее ценными считаются те жиры, которые содержат линолевую и другие непредельные ненасыщенные жирные кислоты. Все природные жиры 7 хорошо перевариваются. В сутки необходимо поступление в организм 80–100 г жира, из них 25–30 г растительного масла, 30–35 г сливочного масла. При не- достаточном поступлении жира в организме снижаются иммунные свойства, снижается продукция стероидных гормонов и т. д. Методы исследования энергообмена Величину ОО определяют методами прямой и непрямой калоримет- рии, рассчитывают по уравнениям с учетом пола, возраста и веса. При прямой калориметрии тепло, выделяемое организмом, учитывают в единицу времени в особой теплоизоляционной камере – калориметре (рис. 1). Рис. 1. Биокалориметр Этуотера-Бенедикта (схема) Прямая калориметрия основана на непосредственном учете в биокалори- метрах количества тепла, выделенного организмом. Биокалориметр представ- ляет собой герметизированную и хорошо теплоизолированную от внешней сре- ды камеру. В камере по трубкам циркулирует вода. Тепло, выделяемое находя- 8 щимся в камере человеком или животным, нагревает циркулирующую воду. По количеству протекающей воды и изменению ее температуры рассчитывают количество выделенного организмом тепла. Одновременно в биокалориметр подается О2 и поглощается избыток СО2 и водяных паров. Продуцируемое организмом тепло измеряют с помощью тер- мометра (1, 2) по нагреванию воды, протекающей по трубкам в камере. Количе- ство протекающей воды измеряют в баке (3). Через окно (4) подают пищу и удаляют экскременты. С помощью насоса (5) воздух извлекается из камеры и его прогоняют через баки с серной кислотой (6 и 8) – для поглощения воды и через бак с натронной известью (7) – для поглощения СО2. Кислород подают в камеру из баллонов (10) через газовые часы (11). Давление в камере поддержи- вают на постоянном уровне с помощью сосуда с резиновой мембраной (9). Этот метод является очень точным, однако ввиду громоздкости и сложности исполь- зуется только для специальных целей. Учитывая, что в основе теплообразования в организме лежат окислитель- ные процессы, при которых потребляется кислород и образуется углекислый газ, можно использовать косвенное непрямое, определение теплообразования в организме по его газообмену (рис. 2). В основе метода лежит предположение о том, что при сгорании 1 г пище- вого продукта в организме поглощается такое же количество кислорода и выде- ляется такое же количество углекислого газа, теплоты и воды, как при сгорании этого продукта на воздухе. Производится расчет дыхательного коэффициента (КД). Под ним понимается отношение объема выделенного СО2 к объему по- глощенного О2. С6 Н12 О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2 О + 675 ккал. Однако полученную величину считают приблизительной, т. к. полного окисления в организме не происходит. 9 Рис. 2. Респираторный аппарат Шетерникова (схема) К – камера; Б – баллон с кислородом; Н – мотор, выкачивающий воздух из камеры; З – змеевик для охлаждения воздуха; Щ – сосуд, наполненный раствором щелочи для поглоще- ния углекислого газа; В – баллон для поглощения водяных паров хлоридом кальция; Т – тер- мометры. Слева устройство для автоматической подачи кислорода в камеру и поддержания постоянства давления в ней Выполнение лабораторной работы Работа 1. Определение величины должного основного обмена по форму- лам и таблицам. Цель: рассчитать свой «должный» основной обмен двумя способами: по таблицам Гаррис-Бенедикта, зная пол, вес, возраст, рост; по данным поверхности тела. Основной обмен – это расход энергии, необходимый для поддержания жизнедеятельности всех органов и температуры тела. Определяется основной обмен утром, натощак (через 14–16 часов после последнего приема пищи) в по- ложении лежа, при окружающей температуре 18–20оС (температура комфорта) с помощью специальных приборов – метаболиметра или спирометра Крога. Че- ловек в этих условиях расходует примерно 1 ккал на 1 кг веса в час. 10

Основой живой материи является белок. Поэтому наше тело нуждается в непрерывном притоке белка из внешней среды взамен распадающегося в ходе диссимиляции. В отличие растений, мы, как уже говорилось, не только не можем создавать аминокислот, но не можем даже в достаточной степени превращать их друг в друга. Нам нужны готовые , из которых формирует , родственные белкам наших тканей. Основными видами пищи, содержащими белок, являются мясо, молоко, яйца. По характеру своих «кирпичиков», т. е. аминокислотному составу, эти белки сходны с нашими и отличаются лишь иным порядком соединения аминокислот.

Такими же белками, входящими в группу полноценных для нас, являются белки некоторых растений: картофеля, сои. В , крупах содержатся белки, в которых имеются не все необходимые нам аминокислоты. Однако если разнообразить питание, то несколько белков, входящих в группу неполноценных, дадут вместе полный набор нужных нам аминокислот.

Важнейшей особенностью белков является то, что они не могут откладываться в организме про запас. Каждый день мы должны получать столько белков, сколько необходимо для обмена веществ. Поступающий сверх этого белок все равно разрушается и этим только раздувает пламя метаболизма. В результате этого может ускориться организма. Взрослому человеку в сутки требуется около 100 г белка, при тяжелом физическом труде и спортивной тренировке - до 130- 140 г.

О витамине К мы уже говорили, когда разбирали механизм . Витамин РР родствен группе витамина В и нужен для правильной работы нервной системы, кожи, кишечника.

Поскольку центральной лабораторией нашего тела и тела животных является печень, в этом органе имеются наибольшие запасы всех витаминов. Употребление печени в пищу - средство от любого авитаминоза. Любопытно, что в древности у некоторых первобытных племен, еще не порвавших с каннибализмом, существовало мнение об особой ценности печени. Считалось, что съесть печень храброго и сильного человека из поверженных врагов - лучший способ стать сильным и храбрым.

Описание презентации Физиология обмена веществ и энергии. Физиология терморегуляции по слайдам

Физиология обмена веществ и энергии. Физиология терморегуляции ВЫПОЛНИЛ: АЛИМЖАН СЕРЖАН (39 -01)

Обмен веществ (метаболизм) — совокупность химических реакций в живых организмах, обеспечивающих их рост, развитие, процессы жизнедеятельности Пластический обмен или анаболизм (ассимиляция)-синтез органических веществ (углеводы, жиры, белки), с затратой энергии. Энергетический обмен или катаболизм (диссимиляция)- распад органических веществ, с освобождением энергии. Конечными продуктами распада являются углерод, вода, и АТФ.

Различают 4 этапа обмена веществ: 1. Гидролиз пищевых веществ в пищеварительном тракте – ферментативное расщепление питательных веществ. 2. Всасывание конечных продуктов гидролиза в кровь и лимфу. 3. Транспорт питательных и О 2 в клетку – внутриклеточный обмен веществ и энергии. 4. Выделение конечных продуктов обмена веществ.

Клеточная регуляция базируется на особенностях взаимодействия фермента и субстрата. Фермент как биологический катализатор изменяет скорость реакции, соединяясь с субстратом и образовывая комплекс фермент — субстрат. После того, как произошли изменения в субстрате, фермент выходит из этого комплекса неповрежденным и начинает новый цикл.

Гуморальная регуляция Некоторые гормоны непосредственно регулируют синтез или распад ферментов и проницаемость клеточных оболочек, изменяя в клетке содержание субстратов, кофакторов и ионный состав.

Нервная регуляция осуществляется различными путями: — изменением интенсивности функционирования эндокринных желез непосредственной активацией ферментов. Центральная нервная система, действуя на клеточные и гуморальные механизмы регуляции, адекватно изменяет трофику клеток

Белки (80 -100 г) Основной источник белка для организма – белок пищи. Значение белков: Пластическая роль Энергетическая Двигательная функция (актин, миозин). Ферментативная функция (ферменты- белки, обеспечивающие основные функции организма: дыхание, пище 6 варение, выделение. Регуляция белкового обмена- Центры регуляции в ядрах гипоталамуса. Симпатическая нервная система усиливает диссимиляцию белка. Парасимпатическая усиливает синтез белки. Усиливают синтез белков – СТГ, трийодтироксин, тироксин

Незаменимые аминокислоты Валин (мясо, грибы, молочные и зерновые продукты) Изолейцин (куриное мясо, печень, яйца, рыба) Лейцин (мясо, рыба, орехи) Лизин(рыба, яйца, мясо, фасоль) Метионин (молоко, фасоль, рыба, бобы) Треонин (молочные продукты, яйца, орехи) Триптофан (бананы, финики, курица, молочные продукты) Фенилаланин(говядина, рыба, яйца, молоко) Аргинин (семена тыквы, говядина, свинина, кунжут) Гистидин (говядина, курица, чечевица, лосось)

Превращение белков в организме Белки пищи Пищеварительный тракт Аминокислоты крови Клетки разных тканей Печень Переаминирование Дезаминирование аминокислот. Аминокислоты печени Амиак Кетокислоты Мочевина Окисление Синтез глицерина Синтез жирных кислот. Остаточный азот крови. Почки. Азот мочи Ферментов печени Белков печени. Б е л ки п л а зм ы кр о в и

Регуляция белкового обмена Центральные механизмы регуляции Гипоталамус Гипофиз Поджелудочная железа Надпочечники. П ар аси м п ати ч ески е в л и я н и я С и м п а ти ч е с к и е в л и я н и я С о м ато тр о п н ы й го р м о н Глюкокортикоиды В печени М ы ш ц и, л и м ф о и д н ая ткан ь Анаболизм Катаболизм Тиреоид ны егорм оны И н сул и н. Щитовидная железа

Жиры (80 -100 г) Пластическая, энергетическая роль. Жиры всасываются из кишечника в лимфу и кровь в виде глицерина и жирных кислот (образуя мицеллы с желчными кислотами). Регуляция осуществляются гипоталамусом. Распад жиров происходит под действием адреналина, норадреналина СТГ, и тироксина Раздражение симпатической нервной системы – усиливает распад жира. Парасимпатическая – способствует отложению жира.

Превращение жиров в организме Жир пищи (триглицериды) ПИЩЕВОЙ КАНАЛ КРОВЬ ЛИМФАС Е Р Д Ц Е П Е Ч Е Н Ь Т р и гл и ц е р и д ы в в и д е х и л о м и к р о н о в. Жирные кислоты с короткой цепочкой Глицерин Жирные кислоты с длинной цепочкой Ж и р о в ы е д е п о

Углеводы (400 -500 г) Основной источник энергии поступают в виде ди-полисахаридов, всасываются виде моносахаридов. В печени из глюкозы синтезируется гликоген. При уменьшении глюкозы крови – усиливается распад глюкогена печени. Регуляция обмен углеводов: Гипергликемия вызывает раздражение гипоталамуса и коры головного мозга, реализация влияния через вегетативные нервы. Симпатическая нервная система усиливает распад гликогена-гликолиз. Парасимпатическая нервная система усиливает синтез гликогена из глюкозы-гликогенез.

Углеводы пищи Пищевой канал Углеводы крови Мозг ПЕЧЕНЬ МЫШЦА В ПОКОЕ РАБОТАЮЩАЯ МЫШЦА H 2 O + CO 2 Лактат крови. Обмен углеводов в организме Гликоген Пировиноградная кислота Молочная кислота H 2 O + CO

При условии, что все энергетические расходы возобновляются за счет углеводов и жиров, то есть при безбелковой диете, за сутки разрушается приблизительно 331 мг белка на 1 кг массы тела. Для человека массой 70 кг это составляет 23, 2 г. Эту величину М. Рубнер назвал « коэффициентом изнашивания» .

АЗОТИСТЫЙ БАЛАНС Соотношение количества азота, поступившего с пищей и выделенного с мочой и потом, называется азотистым балансом. Белковый коэффициент — это то количество белка, при расщеплении которого образуется 1 грамм азота. Он равен 6, 25 г. Позитивный азотистый баланс — когда белков поступает больше чем выводится. Негативный азотистый баланс — когда белков поступает меньше чем выводится. Азотистое равновесие — когда азота с белками поступает столько же, сколько и выводится.

СТАНДАРТНЫЕ УСЛОВИЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСНОВНОГО ОБМЕНА: Основной обмен – минимальный уровень энергозатрат для поддержания жизнедеятельности организма в условиях относительно полного физического и эмоционального покоя. Утром, натощак. При температуре 25 -28 градусов по Цельсию. В состоянии полного физического и психического покоя, лежа на спине.

Методы определения основного обмена Метод прямой калориметрии с полным газовым анализом. Метод непрямой калориметрии с неполным газовым анализом.

Значение воды для организма Участие в обменных процессах (реакции гидролиза, окисления и т. д.); Способствует выведению конечных продуктов обмена; Обеспечивает поддержку температурного гомеостаза; Механическая роль (уменьшает трение между внутренними органами, суставными поверхностями и т. д.); Универсальный растворитель.

Терморегуляция ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ – физиологический процесс, обеспечивающий поддержание постоянной температуры в организме теплокровных животных и человека. Постоянство температуры – результат саморегуляции организма, необходимой для нормальной жизнедеятельности. Температура тела зависит от теплопродукции и теплоотдачи.

Типы терморегуляции Гомойотермные способность живого существа сохранять постоянную температуру тела, независимо от температуры окружающей среды. Пойкилотермные эволюционная адаптация вида или (в медицине и физиологии) состояние организма, при котором температура тела живого существа меняется в широких пределах в зависимости от температуры внешней среды. Гетеротермные Гомойотермные животные, температура тела которых может понижаться при впадении в спячку или оцепенение

Механизмы Терморегуляции Химическая терморегуляция 1) повышение процессов тканевого обмена, интенсивное окисление белков, жиров и углеводов с образованием тепла 2) повышение уровня гормонов щитовидной железы и надпочечников, усиливающих основной обмен и теплообразование Физическая терморегуляция 1) расширение кровеносных сосудов кожи 2) увеличение притока крови в сосуды кожи 3) усиление потоотделения 4) учащение дыхания и испарение воды через легкие, что позволяет организму отдавать излишек тепла

Химическая терморегуляция Теплообразование связано с обменом веществ, с окислением белков, жиров и углеводов. Это экзотермические реакции. Образование тепла в разных органах: В мышцах – 60 -70%. В печени, органах ЖКТ – 20 -30%. В почках и других органах – 10 -20%.

Физическая терморегуляция Пути теплоотдачи: Теплопроведение (при соприкосновении с другими предметами). Конвекция – перенос тепла циркулирующим воздухом. Теплоизлучение (радиация) – излучение тепла инфракрасного диапазона. Испарение (со слизистых, через легкие, потоотделение)

Изотермия – постоянство температуры тела и внутренней среды организма. Изотермия является одним из важнейших показателей гомеостаза Постоянство температуры тела обеспечивается функциональной системой, включающей ряд органов продуцирующих тепло, так и структуры, обеспечивающие теплоотдачу, а также механизмы, регулирующие их деятельность.

Регуляция изотермии Терморецепторы: Периферические (кожа, слизистые, органы ЖКТ). — холодовые рецепторы (колбочки Краузе) — тепловые рецепторы (тельца Руффини) Центральные (гипоталамус, средний мозг, кора больших полушарий) Передние ядра гипоталамуса контролируют физическую терморегуляцию. Задние ядра гипоталамуса контролируют химическую терморегуляцию.

Температура тела человека Температура отдельных участков тела человека различна. Наиболее низкая температура кожи отмечается на кистях и стопах, наиболее высокая - в подмышечной впадине. У здорового человека температура в этой области равна 36- 37° С. В течение суток наблюдаются небольшие подъемы и спады температуры тела человека в соответствии с суточным биоритмом: минимальная температура отмечается в 2- 4 ч ночи, максимальная - в 16- 19 ч. Температура мышечной ткани в состоянии покоя и работы может колебаться в пределах 7° С. Температура внутренних органов зависит от интенсивности обменных процессов. Наиболее интенсивно обменные процессы протекают в печени, температура в тканях печени равна 38- 38, 5° С. Температура в прямой кишке составляет 37- 37, 5° С. Однако она может колебаться в пределах 4- 5° С в зависимости от наличия в ней каловых масс, кровенаполнения ее слизистой и других причин.

Обменом веществ и энергии называют совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.

Единственным источником энергии для организма является окисление органических веществ, поступивших с пищей. В процессе обмена веществ органические соединения превращаются в более простые с выделением энергии. По количеству тепла, выделенного организмом во внешнюю среду, можно точно определить энергетические затраты организма. А так как источником энергии и пластических веществ является пища, то для нормального функционирования всех процессов питание должно быть рациональным, т.е. точно соответствовать потребностям организма в пластических и энергетических веществах, в минеральных веществах, витаминах, воде. Пищевой рацион должен обеспечивать нормальную жизнедеятельность организма, его высокую работоспособность, хорошее самочувствие, высокую устойчивость к инфекционным заболеваниям, правильный рост и развитие детского организма. Указанные превращения пищевых веществ внутри организма составляют обмен веществ, который делится на обмен белков, жиров и углеводов.

Белки - это сложные органические соединения жизненно необходимые для организма. Они используются как пластический материал, из которого строятся различные клетки и ткани тела и как источник энергии. Белки входят в состав гемоглобина, ферментов и гормонов. Белок фибриноген необходим для свертывания крови, сложные белки - нуклеопротеиды - являются носителями наследственности.

В организме постоянно происходит распад белков. Разрушаются старые клетки, образуются новые. Поэтому организм нуждается в постоянном поступлении белка с пищей.

Белки расщепляются в пищеварительном тракте до аминокислот, которые всасываются в кровь. С током крови они поступают в печень, где часть из них подвергается дезаминированию и переаминированию. Эти процессы обеспечивают синтез некоторых аминокислот и белков. Из печени аминокислоты поступают в ткани тела, где используются для синтеза белка. Избыток белка, поступившего с пищей, превращается в углеводы. Конечные продукты распада белков - мочевина, аммиак, мочевая кислота, креатинин и другие - выводятся из организма с мочой и потом.

Об использовании белков в организме судят по азотистому балансу. Его можно рассчитать по количеству азота, выделенного с мочой, потом и калом.

Углеводы - основной источник энергии в организме. Они поступают с пищей, а также синтезируется в самом организме из белков и жиров. При окислении 1 г углеводов освобождается 4,1 ккал тепла. Для окисления углеводов требуется меньше кислорода, чем для окисления жиров. Это имеет значение при мышечной работе, когда возрастает потребность организма в кислороде.

Крахмал, содержащийся в пище, расщепляется в пищеварительном канале до глюкозы, которая всасывается в кровь. Часть глюкозы используется тканями, но большая часть - превращается в сложный углевод - гликоген, который откладывается в запас в мышцах и печени. При необходимости запасенный гликоген вновь распадается до глюкозы и используется тканями организма. Концентрация глюкозы в крови служит показателем всех этапов углеводного обмена.

Жиры пищи расщепляются в пищеварительном тракте на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в лимфу, а из лимфы попадают в кровь. Жиры являются пластическим материалом - для образования тканевых структур, а также являются источником энергии. При окислении 1 г жира освобождается 9,1 ккал тепла. Жиры в печени могут превращаться в гликоген, а также откладываются в жировых депо.

Вместе с пищей в организм поступают минеральные вещества, которые имеют большое физиологическое значение, так как входят в состав белков, ферментов, гормонов, медиаторов; поддерживают РН крови; участвуют в деятельности нервной системы, сокращении мышц, секреции, всасывании, выделительных процессах, кроветворении, дыхании и т.д. Минеральные вещества выводятся из организма с калом, мочой и потом. Поэтому их потеря должна восполняться поступлением с пищей.

Вода входит в состав всех тканей организма и составляет 70% массы тела. Количество воды в организме поддерживается на строго определенном уровне. Водный обмен обеспечивает тесную взаимосвязь всех обменных процессов в организме. Избыток воды выводится через почки.

Для нормального обмена веществ необходимы витамины - органические соединения, содержащиеся в растительных и животных продуктах. Роль витаминов многообразна: ускоряют биохимические реакции в организме, взаимодействуют с гормонами и ферментами, повышая их эффективность, участвуют в образовании пищеварительных ферментов.

Энергетический обмен выражают в килокалориях (ккал) на единицу времени или по системе СИ в джоулях (Дж). 1 Дж = 2,39 х 10 -4 ккал; 1 ккал = 4,19 кДж.

Различают основной и общий обмен. Основной обмен – минимальные энергетические затраты организма, необходимые для поддержания жизнедеятельности. Определяется основной обмен в стандартных условиях:

1) утром; 2) в покое (в лежачем положении); 3) натощак; 4) в условиях температурного и барометрического комфорта.

Нормальные показатели основного обмена, измеренные у различных здоровых испытуемых, будут варьировать. Эта вариабельность связана с возможными различиями в возрасте, поле, росте и массе тела.

Рабочий обмен составляют энергетические затраты организма во время активной деятельности. Он значительно больше, чем основной обмен, особенно при мышечной работе. Это увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку.

В регуляции обмена веществ различают три уровня: автоматическую регуляцию на уровне клетки, нервную и гуморальную регуляцию. В основе автоматической регуляции (саморегуляции) обмена веществ лежит принцип обратной связи, т.е. концентрация веществ в клетке регулирует направленность химического процесса.

Нервная регуляция связана преимущественно с деятельностью вегетативной нервной системы.

Гуморальная регуляция связана с гормонами и биологически активными веществами, которые активируют или тормозят действие ферментов.

Интенсивность обменных процессов измеряют по количеству выделенного тепла – калориметрически. Различают методы прямой калориметрии, когда непосредственно определяется количество выделенного тепла, для чего в 19 веке В.В. Пашутиным была создана специальная калориметрическая камера для человека.

Непрямое измерение интенсивности обменных процессов основано на измерении количества поглощенного организмом кислорода. Количество тепла, освобождающегося при потреблении организмом 1 л кислорода, называется калорическим эквивалентом кислорода.

Дыхательный коэффициент (или соотношение легочного газообмена) характеризует тип использованных пищевых веществ (белков, жиров, углеводов). Этот показатель определяется соотношением объема выделенного углекислого газа, к объему поглощенного кислорода.

Дыхательный коэффициент (ДК) = -----------

При окислении смешанной пищи у человека ДК = 0,85 – 0,9; для углеводов ДК= 1,0; для белков ДК = 0,8; для жиров ДК =0,7.

Непрямой метод и закрытые системы измерения интенсивности обменных процессов являются наиболее распространенными.

Процессы обмена веществ связаны с выработкой тепла. Температура органов и тканей, как и организма в целом, зависит от интенсивности образования тепла и от величины теплопотерь.

Постоянство температуры тела у человека может сохраниться лишь при условии равновесия между теплообразованием и теплоотдачей всего организма. Организм человека И.П. Павлов условно разделил на оболочку и ядро.

Оболочка пойкилотермна, т.к. ее температура меняется в достаточно широком диапазоне в зависимости от температуры окружающей среды и зависит от индивидуальных особенностей. На оболочку возложены функции теплоизоляции и теплоотдачи.

Температура ядра в норме поддерживается на постоянном уровне.

Теплообразование или термогенез принято делить на сократительный и несократительный.

Сократительный термогенез есть теплопродукция при сокращении мышц. Различают: 1) терморегуляторный мышечный тонус – постоянное тоническое сокращение глубоко лежащих мышц (у ядра);

2) произвольная мышечная деятельность;

3) мышечная дрожь, она в 5 раз эффективнее произвольной мышечной деятельности.

Несократительный термогенез осуществляется за счет:

1) усиления окислительных процессов в тканях под влиянием симпатической нервной системы, адреналина, гормонов щитовидной железы, при увеличении притока крови к тканям, т.к. увеличивается приток кислорода;

2) разобщения окисления и фосфорилирования, когда большая часть энергии рассеивается (гормоны щитовидной железы, яды змей, бактериальные токсины).

Несократительный термогенез может быть базисным, как результат основного обмена, и регулируемым – изменение тепла под влиянием нервных и гуморальных факторов.

Теплоотдача осуществляется путем:

1) проведения;

2) конвекции естественной и форсированной;

3) радиации (инфракрасное излучение);

4) испарения (влажная теплоотдача), может быть неощутимой и ощутимой (сильное потоотделение).

Колебания температуры воспринимаются терморецепторами:

а) оболочки (холодовые и тепловые);

б) ядра, которые могут быть расположены в кровеносных сосудах, брыжейке, слизистой желудка, прямой кишке;

в) центральные терморецепторы – это нервные клетки межуточного мозга, которые воспринимают температуру крови.

От рецепторов информация поступает в центр терморегуляции по соматическим и вегетативным нервам. Центр терморегуляции расположен в гипоталамусе.

УЧЕБНЫЕ ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ.

Студент должен знать: назначение обмена веществ и энергии; виды обмена веществ; классификацию методов измерения обменных процессов; дыхательный коэффициент в норме для разных видов пищевых веществ; калорический эквивалент кислорода; уровни регуляции обмена веществ; значение постоянства температуры внутренней среды для организма; механизмы теплопродукции и теплоотдачи; механизмы терморегуляции.

Студент должен уметь: объяснить принципы определения энергозатрат; рассчитать должные величины основного обмена; уметь пользоваться таблицами для определения должных величин основного обмена; объяснить величину дыхательного коэффициента.

ТЕСТОВЫЙ КОНТРОЛЬ ИСХОДНОГО УРОВНЯ ЗНАНИЙ

1. Назовите основные составные части теплорегуляции организма.

2. Какое значение имеет мышечная система в терморегуляции?

3. Какое значение имеет сердечно-сосудистая система в терморегуляции?

4. Какое значение имеет дыхательная система в терморегуляции?

5. Что такое гипотермия?

6. Что такое гипертермия?

7. Что такое основной обмен?

8. Что такое общий обмен?

9. Что такое рабочая прибавка?

ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕМЫ

1. Понятие об энергетическом балансе организма.

2. Основной обмен и факторы его определяющие.

3. Общий обмен.

4. Способы определения интенсивности обменных процессов. Характеристика методов прямой и непрямой калориметрии.

5. Механизм теплопродукции, ее регуляция.

6. Механизм теплоотдачи, ее регуляция.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ

Представлены в формате видеоматериалов, содержащих соответствующие эксперименты.

ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

Обмен веществ в организме. Пластическая и энергетическая роль питательных веществ

Постоянный обмен веществ и энергии между организмом и окружающей средой является необходимым условием его

существования и отражает их единство. Сущность этого обмена заключается в том, что поступающие в организм питательные вещества после пищеварительных превращений используются как пластический материал. Энергия, образующаяся при этих превращениях восполняет энергозатраты организма. Синтез сложных специфичных веществ организма из

простых соединений, всасывающихся в кровь из пищеварительного канала, называется ассимиляцией или анаболизмом, Распад веществ организма до конечных продуктов, сопровождающийся выделением энергии называется диссимиляцией или катаболизмом. Два этих процесса неразрывно связаны. "Ассимиляция обеспечивает аккумуляцию энергии, а энергия выделяющаяся при диссимиляции необходима для синтеза веществ. Анаболизм и катаболизм объединены в единый процесс с помощью АТ.Ф и НАДФ. С их помощью энергия образующаяся в результате дис­симиляции передается для процессов ассимиляции. Белки в основном являются пластическим материалом. Они входят в состав клеточных мембран, органел. Белковые молекулы постоянно обновляются. Но это обновление происходит не только за счет белков пищи, но и посредством реутилизации собственных белков организма. Из 20 аминокислот, образующих белки 10 являются незаменимыми. Т.е. не могут образовываться в организме. Конечными продуктами распада белков являются такие азотсодержащие соединения, как мочевина, мочевая кислота, креатинин. Состояние белкового обмена оценивается по азотистому балансу. Это соотношение количества азота поступающего с белками пищи и выделенного из организма с азотсодержащими продуктами обмена. В белке содержится около 16 г азота. Следовательно выделение 1 г азота свидетельствует о распаде в организме 6,25 г белка. Если количество выделяемого азота равно количеству поглощенного организмом имеет место азотистое равновесие. Если поступившего.азота больше, чем выделенного, это называется положительным.азотистым балансом. В организме происходит задержка или ретенция азота. Положи­тельный азотистый баланс наблюдается при росте организма, при выздоровлении после тяжелых заболевания, сопровождавшихся похуданием и после длительного голодания. Когда количество азота, выделенного организмом больше, чем поступившего, имеет место отрицательный азотистый баланс. Его возникновение объясняется распадом собственных белков организма. Он возникает при голодании, отсутствии в пище незаменимых аминокислот, нарушениях переваривания и всасывания белка, тяжелых заболеваниях. Количество белка которое полностью обес­печивает потребности организма называется белковым оптимумом. Минимальное, обеспечивающее лишь сохранение азотистого баланса - белковым минимумом. ВОЗ рекомендует потребление белка не менее 0,75 г на кг веса в сутки. Энергетическая роль белков относительно небольшая.

Жирами организма являются триглицериды, фосфолипиды и стерины. Они также имеют определенную пластическую роль, так как фосфолипиды, холестерин, жирные кислоты входят в состав клеточных мембран и органел. Основная их роль энергетическая. При окислении липидов выделяется наибольшее количество энергии, поэтому около половины энергозатрат организма обеспечивается липидами. Кроме того, они являются аккумулятором энергии в организме, потому что откладываются в жировых депо и используются по мере необходимости. Жир депо составляют около 15% веса тела. Покрывая внутренние органы, жировая ткань выполняет и пластическую функцию. Например, околопочечный жир способствует фиксации почек и предохранению их от механических воздействий. Липиды явля­ются источниками воды, потому что при окислении 100 г жира образуется около 100 г воды. Особую функцию выполняет бурый жир, располагающийся вдоль крупных сосудов. Содержащийся в его жировых клетках полипептид тормозит ре-синтез АТФ за счет липидов. В результате резко усиливается теплопродукция. Большое значение имеют незаменимые жирные кислоты - линолевая, линоленовая и арахидоновая. Они не образуются в организме. Без них невозможен синтез фосфолипидов клеток, образование простагландинов и т.д. При их отсутствии задерживается рост и развитие организма.

Углеводы в основном играют энергетическую роль так как служат основным источником энергии для "клеток.

Потребности нейронов покрываются исключительно глюкозой. Углеводы аккумулируются в виде гликогена в печени

и мышцах. Углеводы имеют определенное пластическое значение. Глюкоза необходима для образования нуклеотидов

и синтеза некоторых аминокислот.

Методы измерения энергетический баланса организма

Соотношение между количеством энергии, поступившей в организм с пищей, и энергии, выделенной организмом во

внешнюю среду называется энергетическим балансом.организма. Существует 2 метода определения выделяемой

организмом энергии.

1. Прямая калориметрия. Принцип прямой калориметрии основан на том, что все виды энергии в конечном итоге переходят в тепловую. Поэтому при прямой калориметрии определяют количество тепла выделяемого организмом в окружающую среду за единицу времени. Для этого используют специальные камеры с хорошей теплоизоляцией и системой теплообменных труб, в которых циркулирует и нагревается вода.

2. Непрямая калориметрия. Она заключается в определении соотношения выделенного углекислого газа и поглощенного кислорода за единицу времени. Т.е. полном газовом анализе. Это соотношение называется дыхательным коэффициентом (ДК). УС02 ДК=-У02

Величина дыхательного коэффициента определяется тем, какое вещество окисляется в клетках организма. Например в молекуле углеводов атомов кислорода много, Поэтому на их окисление кислорода идет меньше и их дыхательный коэффициент равен 1. В молекуле липидов кислорода значительно меньше, поэтому дыхательный коэффициент при их окислении 0,7. Дыхательный коэффициент белков 0,8. При смешанном питании его величина 0,85-0,9. Дыхательный коэффициент становится больше 1 при тяжелой физической работе, ацидозе, гипервентиляции и преобразовании в организме углеводов в жиры. Меньше 0,7 он бывает при переходе жиров в углеводы. Исходя из дыхательного коэффициента рассчитывается калорический эквивалент кислорода, т.е. количество энергии выделяемой организмом при потреблении 1 л кислорода. Его величина также зависит от характера окисляемых веществ. Для углеводов он составляет 5 ккал, белков 4,5 ккал, жиров 4,7 ккал. Непрямая калориметрия в клинике производится с помощью аппаратов "Метатест-2", "Спиролит".

величина поступившей в организм энергии определяется количеством и энергетической ценностью пищевых веществ. Их энергетическую ценность определяют путем сжигания в бомбе Бертло в атмосфере чистого кислорода. Таким путем получают физический калорический коэффициент. Для белков он равен 5,8 ккал/г, углеводов 4,1 ккал/г, жиров 9,3 ккал/г. Для расчетов используют физиологический калорический коэффициент. Для углеводов и жиров он соответствует физическому, а для белков составляет 4,1 ккал/г. Его меньшая величина для белков объясняется тем, что в организме они расщепляются не до углекислого газа и воды, а да азотсодержащих продуктов. Основной обмен

Количество энергии, которое затрачивается организмом на выполнение жизненно важных функций называется основным обменом. Это затраты энергии на поддержание постоянства температуры тела, работу внутренних органов, нервной системы, желез. Основной обмен измеряется методами прямой и непрямой калориметрии при базисных условиях, т.е. лежа с расслабленными мышцами, при температуре комфорта, натощак. Согласно закону поверхности, сформулированному в 19 веке Рубнером и Рише, величина основного прямопропорциональна площади поверхности тела. Это связано с тем, что наибольшее количество энергии тратится на поддержание постоянства температуры тела. Помимо этого на величину основного обмена влияют пол, возраст, условия окружающей среды, характер питания, со­стояние желез внутренней секреции, нервной системы. У мужчин основной обмен на 10% больше, чем у женщин. У детей его величина относительно веса тела больше, чем в зрелом возрасте, а у пожилых наоборот меньше. В холодном климате или зимой он возрастает, летом снижается. При гипертиреозе он значительно увеличивается, а гипотиреозе снижается. В среднем величина основного обмена у мужчин 1700 ккал/сут., а у женщин 1550.

Общий обмен энергии

Общий обмен энергии это сумма основного обмена, рабочей прибавки и энергии специфически динамического действия пищи. Рабочая прибавка это энергетические затраты на физическую и умственную работу. По характеру производственной деятельности и энергозатратам выделяют следующие группы работающих:

1. Лица умственного труда (преподаватели, студенты, врачи и т.д.). Их энергозатраты 2200-3300 ккал/сут.

2. Работники занятые механизированным трудом (сборщики на конвейере). 2350-3500 ккал/сут.

3. Лица занятые частично механизированным трудом (шофера). 2500-3700 ккал/сут. .

Занятые тяжелым немеханизированным трудом (грузчики). 2900-4200 ккал/сут. Специфически динамическое действие пищи это энергозатраты на усвоение питательных веществ. Наиболее выражено это действие у белков, меньше у жиров и углеводов. В частности белки повышают энергетический обмен на 30%, а жиры и углеводы на 15%. Физиологические основы питания.

Режимы питания. В зависимости от возраста, пола, профессии потребление белков, жиров и углеводов должно составлять:

В зависимости от возраста, пола, проф.	потребление белков, жиров и углеводов должно составлять:
	М 1-1У групп	ЖМУ групп
		82-92 г77-102 г
Углеводы

В прошлом веке Рубнер сформулировал закон изодинамии, согласно которому пищевые вещества могут взаимозаменяться по своей энергетической ценности. Однако он имеет относительное значение, так как белки, выполняющие пластическую роль, не могут синтезироваться из других веществ. Это же касается незаменимых жирных кислот. Поэтому требуется питание сбалансированное по всем питательным веществам. Кроме того необходимо учитывать усвояемость пищи. Это соотношение всосавшихся и выделившихся с калом питательных веществ. Наиболее легко усваиваются животные продукты. Поэтому животный белок должен составлять не менее 50% суточного белкового рациона, а жиры не более 70% жирового.

Под режимом питания подразумевается кратность приема пищи и распределение ее калорийности на каждый прием. При трехразовом питании на завтрак должно приходится 30% калорийности суточного рациона, обед 50%, ужин 20%. При более физиологичном четырехразовом, на завтрак 30%, обед 40%, полдник 10%, ужин 20%. Интервал между завтраком и обедом не более 5 часов, а ужин должен быть не менее чем за 3 часа до сна. Часы приема пищи должны быть постоянными.

Обмен воды и минеральных веществ

Содержание воды в организме в среднем 73%. Водный баланс организма поддерживается путем равенства потребляемой и выделяемой воды. Суточная потребность в воде составляет 20-40 мл/кг веса. С жидкостями поступает около 1200 мл воды, пищей 900 мл и 300 мл образуется в процессе окисления питательных веществ. Минимальная потребность в воде составляет 1700 мл. При недостатке воды наступает дегидратация и если ее количество в организме снижается на 20% наступает смерть. Избыток воды сопровождается водной интоксикацией с возбуждением ЦНС и судорогами.

Натрий, калий, кальций, хлор необходимы для нормального функционирования всех клеток, в частности обеспечения механизмов формирования мембранного потенциала и потенциалов действия. Суточная потребность в натрии и калии 2-3 г, кальции 0,8 г, хлоре 3-5 г. Большое количество кальция находится в костях. Кроме того он нужен для свертывания крови, регуляции клеточного метаболизма. Основная масса фосфора также сосредоточена в костях. Одновременно входит а состав фосфолипидов мембран, участвует в процессах метаболизма. Суточная потребность в нем 0,8 г. Большая часть железа содержится в гемоглобине и миоглобине. Оно обеспечивает связывание кислорода. Фтор входит в состав эмали зубов. Сера в состав белков и витаминов. Цинк является компонентом ряда ферментов. Кобальт и медь необходимы для эритропоэза. Потребность во всех этих микроэлементах от десятков до сотен мг в сутки.

Физиологии и этологии животныхКонтрольная работа >> Медицина, здоровье

Нервные центры регуляции всех видов обмена веществ и энергии , голода и насыщения, терморегуляции, ... В. И., Практическое руководство по физиологии с.-х. животных, М.. 1976 Георгиевский В.И. Физиология сельскохозяйственных животных. – М.: Агропромиздат...

Физиология микроорганизмов. Химический состав микробов

Контрольная работа >> Биология

Физиология микроорганизмов Микроорганизмам, как и всем... активный перенос обязательно сопровождается затратой энергии . Расходуется аденозинтрифосфат (АТФ), накапливаемый... , основываясь на особенностях его обмена веществ . По своему назначению дифференциально- ...

Физиология и биохимия созревания и старения плодов

Реферат >> Биология

Университет – МСХА имени К.А.Тимирязева Кафедра физиологии растений Физиология и биохимия созревания и старения плодов... ; продолжение развития и снижение потенциальной энергии ; активизация обмена веществ ; усиление синтеза этилена; начало деструктивных...