Единицы измерения и параметры обменных процессов

Курс физиологии рассматривает в основном энергетический обмен.

Единицы измерения энергетического обмена. Традиционно энергетический обмен выражают в килокалориях (ккал) на единицу времени. В международной системе единиц (СИ) в качестве основной единицы энергии принят джоуль (Дж);

1 джоуль = 1ватт х 1секунду=2,39х10^-4 ккал; 1 ккал=4,19 кДж.

Параметры обменных процессов. Выделяют три основных уровня интенсивности обменных процессов, или 3 уровня метаболической активности клетки или изолированного органа.

1. Уровень активности характеризует интенсивность обменных процессов в активной клетке, которая меняется в соответствии со степенью активности в любой момент времени.

2. Уровень готовности — это такая интенсивность обменных процессов, которую неактивная в данный момент клетка должна поддерживать для того, чтобы сохранять способность к немедленному и неограниченному выполнению функций

3. Уровень поддержания целостности  представляет собой минимальную интенсивность энергетического обмена, достаточную для сохранения клеточной структуры. Если это критическое требование не выполняется, то в клетке происходят необратимые изменения и она гибнет.

Нарушения обменных процессов могут быть вызваны различными причинами, например, уменьшением доставки кислорода, скорости кровотока или отравлением (особенно цианидами).

Уровень обменных процессов для организма в целом имеет иное значение, чем для изолированного органа. Так, например, если обменные процессы дыхательной мускулатуры или сердечной мышцы снизятся до уровня готовности, соответствующие органы окажутся неактивными. Это приведет к гибели всех клеток организма. Организм как целое не может выжить в условиях бездействия дыхательных мышц и сердца.

Прекращение доставки энергии не приводит к немедленному прекращению клеточной активности, поскольку существуют энергетические резервы. Время, в течение которого клетки могут сохранять свою функциональную активность в полном объеме, зависит от того какому органу они принадлежат. Например, при ишемии головного мозга примерно через 10с наступает потеря сознания, а через 3-8 минут в клетках головного мозга наступают необратимые изменения. При ишемии скелетной мышцы, которая находится в состоянии покоя, интенсивность протекающих в ней обменных процессов не становится ниже уровня сохранения целостности на протяжении 1-2 часов.

Параметры обменных процессов в целом организме.  Интенсивность обмена веществ в покое не является суммой соответствующих уровней готовности, которые присущи всем его клеткам. Некоторые органы, например, мозг, сердце, дыхательная мускулатура, печень и почки находятся постоянно в активном состоянии. Интенсивность обменных процессов в организме в условиях умственного и физического покоя не имеет строго определенного численного значения, т.к. она подвержена влиянию различных факторов. Поэтому для сопоставления соответствующих измерений интенсивности энергетического обмена в целом организме введено понятие — основной обмен. Основной обмен- это такая интенсивность обменных процессов, которая измерена при определенных условиях: утром, в покое (в положении лежа), натощак и в условиях температурного комфорта. Условия, которые должны быть соблюдены при измерении основного обмена характеризуют те факторы, которые могут влиять на интенсивность процессов обмена веществ у человека.

1. Интенсивность процессов обмена веществ подвергается суточным колебаниям — она возрастает утром и снижается в ночной период.

2. В условиях физической и умственной нагрузки интенсивность обменных процессов

возрастает. Это связано с увеличением числа клеток, в которых интенсивность процессов метаболизма превышает уровень готовности. Самый большой вклад в интенсивность процессов метаболизма вносят мышцы.

3. Потребление питательных веществ и их последующее переваривание повышают интенсивность процессов обмена, особенно в том случае, если питательные вещества имеют белковую природу. Это называется специфическим динамическим эффектом пищи. Увеличение интенсивности обменных процессов после принятия пищи может продолжаться в течение 12 часов, а после потребления большого количества белка этот период может достигать 18 часов.

4. Следующий фактор - температурный. Если температура окружающей среды отклоняется от температуры комфорта, то меняется и интенсивность обменных процессов. Сдвиг в сторону охлаждения приводит к большему усилению обмена веществ, чем соответствующие изменения в сторону повышения температуры.

Половину всего основного обмена определяют печень и расслабленная скелетная мускулатура.

Даже при полном и строгом соблюдении стандартных условий определения основного обмена его значения будут варьировать у здоровых испытуемых. Эти различия связаны  с полом, возрастом, ростом и массой тела испытуемых. Эта вариабельность учитывается в специальных таблицах показателей основного обмена, составленных на основании данных, полученных на больших группах населения (Таблицы Harris, Benedict и др.). Для человека массой 70кг соответствующий показатель основного обмена примерно 7100кдЖ/ в день (1700 ккал/в день).

Интенсивность обменных процессов в условиях нагрузки получила название — рабочий обмен. Уровень интенсивности обменных процессов в условиях нагрузки превышает уровень интенсивности обмена веществ при основном обмене. Интенсивность обмена веществ зависит от степени физического напряжения. Уровень напряжения при физической работе может быть оценен по затраченной энергии. Выделяют легкую работу (2000кДж/день), умеренную работу (4000 кДж/день), умеренно тяжелую работу (6000 кДж/день), тяжелую работу (8000 кДж/день) и очень тяжелую работу (10000 кДж/день). В тех условиях, где используется наиболее тяжелый физический труд, средний показатель энергетических затрат может достигать 20 000 кДж/день. Вес тела и масса мышц у женщин в среднем меньше, чем у мужчин. Предельная интенсивность обменных процессов у женщин соответственно ниже и составляет 15500 кДж/день (3700 ккал/день). Эти значения являются тем пределом, который не должен превышаться при выполнении соответствующих работ на протяжении ряда лет.

В условиях умственной работы интенсивность обмена веществ также увеличивается, но на долю мозга из этого увеличения вряд ли что-либо приходится. Участие мозга в какой-либо деятельности заключается в основном в изменении области его наибольшей активности; даже во время сна в ткани мозга не происходит заметных изменений интенсивности метаболических процессов. Причиной увеличения обмена веществ в период умственной работы является рефлекторное увеличение мышечного тонуса.

Методы измерения

Методы измерения интенсивности обменных процессов основаны на измерении количества тепла, которое обязательно образуется при химических, механических и других процессах, протекающих в организме. Существует два способа измерения тепла — прямой и непрямой.