Превращение и использование энергии

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

Обмен веществ и энергии - это совокупность физиче­ских, химических и физиологических процессов превраще­ния веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Все происходящие при этом преобразо­вания объединены общим названием - метаболизм.

Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в пре­вращении и использовании их в процессах жизнедеятельно­сти и в выделении образующихся продуктов распада в окру­жающую среду. Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анабо­лизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).

Анабо­лизм - это совокупность процессов биосинтеза органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей). Он обеспечивает рост, развитие, обновление биоло­гических структур, а также накопление энергии (синтез мак­роэргов). Анаболизм заключается в химической модифика­ции и перестройке поступающих с пищей молекул в другие более сложные биологические молекулы. Например, вклю­чение аминокислот в синтезируемые клеткой белки в соот­ветствии с инструкцией, содержащейся в генетическом мате­риале данной клетки.

Катаболизм - это совокупность процессов расщепле­ния сложных молекул до более простых веществ с использо­ванием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метабо­лизма с образованием энергии. К конечным продуктам мета­болизма относятся вода (у человека примерно 350 мл в день), двуокись углерода (около 230 мл/мин.), окись углерода (0,007 мл/мин.), мочевина (около 30 г/день), а также другие вещества, содержащие азот (примерно 6 г/день). Катаболизм обеспечивает извлечение химической энергии из содержа­щихся в пище молекул и использование этой энергии на обеспечение необходимых функций. Например, образование свободных аминокислот в результате расщепления посту­пающих с пищей белков и последующее окисление этих аминокислот в клетке с образованием СО₂ и Н₂О, что сопро­вождается высвобождением энергии.

Процессы анаболизма и катаболизма находятся в орга­низме в состоянии динамического равновесия. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а прева­лирование катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от конституции (астеники характеризуются преобладанием катаболизма), возраста (в детском возрасте преобладает анабо­лизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старче­ском возрасте преобладает катаболизм), состояния здоровья, выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

Превращение и использование энергии

В процессе обмена веществ постоянно происходит пре­вращение энергии: энергия сложных органических соедине­ний, поступивших с пищей, превращается в тепловую, меха­ническую и электрическую. Человек и животные получают энергию из окружающей среды в виде потенциальной энер­гии, заключенной в химических связях молекул жиров, бел­ков и углеводов. Все процессы жизнедеятельности обеспечи­ваются энергией за счет анаэробного и аэробного метаболиз­ма. Получение энергии без участия кислорода, например, гликолиз (расщепление глюкозы до молочной кислоты), на­зывается анаэробным обменом. В ходе анаэробного расщеп­ления глюкозы (гликолиза) или ее резервного субстрата гли­когена (гликогенолиза) превращение 1 моля глюкозы в 2 мо­ля лактата приводит к образованию 2 молей АТФ. Энергии, образующейся в ходе анаэробных процессов, недостаточно для осуществления активной жизни, поэтому необходимы процессы, про­исходящие с участием кислорода, которые энергетически более эф­фективны. Все процессы, генерирующие энергию с участием кислорода, называются аэробным обменом. Биологическое окисление в сущности представляет собой «сгорание» вещества при низ­кой температуре, часть энергии, высвобождающейся при окислении, запасается в высокоэнергетических фосфатных связях аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ является аккумуля­тором химической энергии и средством ее переноса, диф­фундируя в те места, где она требуется. Общее количество молекул АТФ, образующихся при полном окислении 1 моля глюкозы до СО₂ и Н₂О, составляет 25,5 молей. При полном окислении молекулы жиров образуется большее количество молей АТФ, чем при окислении молекулы углеводов.

Использование химической энергии в организме называют энергетическим обменом, именно он служит показателем общего состояния и физиоло­гической активности организма.

Единица измерения энергии, обычно применяемая в биологии и медицине, - калория (кал). Она определяется как количество энергии, необходимое для повышения темпера­туры 1 г воды на 1 °С. В Международной системе единиц (СИ) при измерении энергетических величин используется джоуль (1 ккал = 4,19 кДж).

Основной обмен

Интенсивность энергетического обмена значительно варьирует и зависит от многих факторов. Поэтому для срав­нения энергетических затрат у разных людей была введена условная стандартная величина - основной обмен. Основной обмен - это минимальные для бодрствующего организ­ма затраты энергии, определенные в строго контролируемых стандартных условиях:

1) при комфортной температуре (18-20°С тепла);

2) в положении лежа (но обследуемый не должен спать);

3) в состоянии эмоционального покоя, так как стресс усиливает метаболизм;

4) натощак, т.е. через 12-16 ч после последнего приема пищи.

Основной обмен зависит от пола, возраста, роста и мас­сы тела человека. Величина основного обмена в среднем со­ставляет 1 ккал в 1 ч на 1 кг массы тела. У мужчин в сутки основной обмен приблизительно равен 1700 ккал, у женщин основной обмен на 1 кг массы тела примерно на 10% мень­ше, чем у мужчин, у детей он больше, чем у взрослых, и с увеличением возраста постепенно снижается.

Правило поверхности

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 м поверхности тела, полученные величины от­личаются не столь значительно. 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 м поверхности 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=К×m,

где К равна 12,3 (у человека), m – масса тела.

Более точно поверхность тела можно определить по формуле предложенной Дюбуа:

R=W^0,425×H^0,725×71,84

где W – масса тела, кг, H – рост, см.

Правило поверхности лишь относительно верно, о чем свидетельствует тот факт, что у индивидуумов е одинаковой поверхностью тела интенсивность метаболизма может зна­чительно различаться. Это связано с особенностями метабо­лизма, состоянием нервной, эндокринной и других систем. Во время сна интенсивность мета­болизма почти на 10% ниже основного обмена. Разница ме­жду бодрствованием в состоянии покоя и сном объясняется тем, что во время сна мышцы расслаблены. При гиперфунк­ции щитовидной железы основной обмен повышается, а при гипофункции - понижается. Понижение основного обмена происходит при недостаточности функций половых желез, гипофиза.