Обмен энергии и методы его определения. Значение методов непрямой калориметрии для исследования расхода энергии при спортивной деятельности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

Обмен энергии и методы его определения. Значение методов непрямой калориметрии для исследования расхода энергии при спортивной деятельности

Введение

калориметрия энергозатраты непрямой анализатор

В процессе жизнедеятельности организм непрерывно расходует энергию: на синтез различных соединений, на совершение мышечной работы, на осуществление дыхания, пищеварения, кровообращения, на поддержание температуры тела, на преодоление осмотических сил во время секреторных и выделительных процессов, на поддержание мембранных потенциалов и т.д.

Во время обмена веществ происходит превращение энергии: сложные органические соединения, поступающие с пищей, имеют потенциальную энергию. Эта потенциальная энергия превращается в тепловую, механическую и электрическую, воссоздаются структурные элементы клеток, организм растет и развивается.

Актуальность темы: Обмен веществ и энергии является основным свойством живой материи. При окислении питательных веществ образуется энергия, которая необходима для деятельности всех систем и органов, и является показателем основного и рабочего обмена. Основной обмен определяется методами прямой и непрямой калориметрии. Знание этих показателей и методов их определения необходимо специалистам физической культуры.

1. Сущность обмена веществ, энергии и значение этого процесса для жизнедеятельности организма

В организме должен поддерживаться энергетический баланс поступления и расхода энергии. Живые организмы получают энергию, окисляя поступившие в виде пище белки, жиры и углеводы. Когда окисляются белки, жиры и углеводы, то часть энергии используется для синтеза АТФ, а другая часть рассеивается в виде тепла. Большая часть энергии превращается в тепло, а меньшая часть используется на синтез АТФ.

Первичная теплота - это теплота, которая выделяется непосредственно при окислении питательных веществ. Вторичная теплота - это теплота, которая выделяется при расщеплении АТФ. Энергия АТФ тоже используется для механических, химических, транспортных, электрических процессов и превращается во вторичную теплоту.

Сколько тепла образовалось в организме, зависит от того, сколько химических связей окислилось и какой энергией они обладали. Все превращения веществ связаны с энергетическими превращениями. В процессе обмена веществ сложные органические вещества, поступившие с пищей, превращаются в результате окислительных процессов в менее сложные вещества, при этом происходит освобождение энергии, которая переходит из одного вида в другой. В конечном итоге все виды энергии переходят в тепловую. Запас энергии в пище выражается ее калорийностью, то есть способностью освобождать энергию при окислении.

Так как общее количество энергии в конечном счете не зависит от промежуточных стадий ее превращения, то общие энергетические затраты организма можно точно определить по количеству тепла, выделенного организмом во внешнюю среду. Освобождающаяся в организме энергия может быть выражена в единицах тепла - калориях или джоулях, а методы определения количества образовавшейся энергии в организме называются калориметрическими. В качестве основной единицы энергии принят джоуль (Дж): 1 ккал= 4,19 кДж.

2. Методы исследования обмена энергии организма

калориметрия энергозатраты спортивный

Определение энергообмена можно проводить методами прямой и непрямой калориметрии, а также исследованием валового энергообмена.

Прямая калориметрия - основана на измерении тепла, выделяемого организмом, проводится с помощью специальных камер (калориметров). Это наиболее точный метод, но он требует длительного наблюдения, специального оборудования и неприемлем в спортивной деятельности.

Сущность, способы и виды непрямой калориметрии

Тепло образуется, потому что идут окислительные процессы, потребляется кислород и образуется двуокись углерода. Следовательно, можно определить, сколько тепла образовалось в организме по газообмену, то есть определяют, сколько потреблено кислорода и выделилось двуокиси углерода, на этом основана непрямая калориметрия.

Способы непрямой калориметрии.

Закрытые способы - если долго исследуют газообмен, то используют специальные респираторные камеры. Открытые способы - если газообмен исследуют недолго, то можно пользоваться более простыми, некамерными методами, с этой целью используют различные газоанализаторы.

Для исследования газообмена чаще всего пользуются способом Дугласа-Холдейна. На спине испытуемого укрепляют мешок, который не пропускает воздух. В течение 10-15 минут он дышит, а выдыхаемый воздух собирают в этот мешок. Испытуемый дышит через загубник или резиновую маску, которую одевают на лицо. Там есть клапаны, которые сделаны так, что он дышит атмосферным воздухом, а выдыхает в мешок Дугласа. Когда мешок наполняется, то сначала измеряют объем выдохнутого воздуха, а потом определяют в нем количество кислорода и двуокиси углерода.

Непрямая калориметрия подразделяется на несколько видов.

1. Непрямая калориметрия, основанная на учете теплотворной способности питательных веществ. Теплотворная способность или калорическая ценность питательных веществ определяется путем сжигания 1г вещества в специальном калориметре («бомба» Бертло) путем пропускания электрического тока. Сам калориметр погружен в воду и о количестве выделившегося тепла судят по изменению температуры воды. Калорическая ценность 1г белка равна 4,1 ккал (17,17 кДж), 1г жира - 9,3 ккал (38,96 кДж), 1г углеводов - 4,1 ккал (17,17 кДж).

Так как тепловой эффект химического процесса не зависит от промежуточных стадий, а определяется лишь начальным и конечным состоянием химической системы, то закономерности, полученные в «бомбе» Бертло, можно перенести на живой организм, где эти вещества не горят, а медленно окисляются.

Жиры и углеводы горят в калориметре и окисляются в организме до одних и тех же конечных продуктов - углекислого газа и воды, поэтому количество тепла, выделяемого в калориметре и в живом организме будет одинаковым. При окислении белков в организме образуются креатинин, мочевина, мочевая кислота, которые дальше не окисляются и выводятся из организма. В калориметрической «бомбе» эти вещества сгорают до углекислого газа, воды и аммиака и выделяют еще некоторое количестве тепла. Поэтому для белков введено понятие физической и физиологической калорической ценности. Физиологическая калорическая ценность 1г белка (4,1 ккал) меньше физической (5,6 ккал).

Таким образом, зная количество принятых питательных веществ и их калорическую ценность можно рассчитать количество энергии, выделившейся в организме.

2. Непрямая калориметрия, основанная на данных газового анализа. При изучении калорической ценности питательных веществ было установлено, что поглощению определенного количества кислорода и выделению определенного количества углекислого газа за один и тот же промежуток времени соответствует определенное количество выделенного тепла. Такая зависимость позволяет использовать для определения количества тепла, освобождающегося в организме, данные газового анализа: количество поглощенного кислорода и количество выделенного за этот же промежуток времени углекислого газа.

Отношение выделенного углекислого газа к потребленному кислороду показывает, какие вещества преимущественно окисляются.

Дыхательный коэффициент (ДК) - это отношение количества углекислого газа, выделившегося при окислении к количеству кислорода, пошедшего на окисление. Величина ДК зависит от состава окисляемых веществ. При окислении белков он равен 0,8, при окислении жиров - 0,7, а при окислении углеводов - 1,0. Если пища смешанная, то ДК равен 0,85-0,9.

Калорический эквивалент кислорода

Кислород нужен для окисления белков, жиров и углеводов. Для окисления 1г этих веществ нужно разное количество кислорода и выделяется разное количество тепла.

Калорический эквивалент кислорода показывает, сколько тепла выделилось, если организм потребил 1 л кислорода. Если мы знаем, сколько кислорода использовал организм и знаем, какие вещества (белки, жиры и углеводы) окислились, то мы можем посчитать энергетические затраты.

Экспериментальными исследованиями установлено, что каждому значению ДК соответствует определенный калорический эквивалент кислорода, т.е. сколько тепла, освобождается при полном окислении какого-либо вещества до двуокиси углерода и воды на каждый литр поглощенного кислорода. Калорический эквивалент кислорода при окислении белков равен 4,8 ккал (20,1 кДж), жиров - 4,7 ккал (19,619 кДж), углеводов - 5,05 ккал (21,2 кДж).

Методы непрямой калориметрии с использованием газовых анализаторов

Непрямая калориметрия с использованием данных газового анализа подразделяется на три метода.

1. Метод непрямой калориметрии с использованием данных неполного газового анализа. Определяют только количество поглощенного кислорода (для этого используют спирографы). Усредненный ДК равен 0,85. При усредненном дыхательном коэффициенте калорический эквивалент 1 л кислорода равен 20,356 кДж (или 4,85 ккал). Умножают количество поглощенного кислорода на средний калорический эквивалент кислорода (4,85 ккал), и определяют количество образовавшегося тепла.

2. Метод непрямой калориметрии с использованием данных полного газового анализа, т.е. определение количества поглощенного кислорода и выделенного углекислого газа, с последующим расчетом ДК. По таблицам определяют тот калорический эквивалент кислорода, который соответствует найденному ДК.

3. Метод непрямой калориметрии с использованием данных полного газового анализа и с учетом количества распавшегося белка. Так как в состав молекулы белка входит азот, который выделяется с калом, мочой, потом, то можно определить количество выделившегося азота, а, следовательно, и количество распавшегося белка, зная, что 1г азота содержится в 6,25 г. белка.

3. Сущность основного и рабочего обмена, факторы и законы, определяющие их уровень

Интенсивность обменных процессов зависит:

· от индивидуальных особенностей организма (пол, возраст, вес, рост, мышечная работа и др.);

· от условий внешней среды (температура, давление, влажность воздуха).

Поэтому, чтобы определить интенсивность окислительных процессов исследование проводят в стандартных условиях, стараются исключить факторы, которые влияют на интенсивность окислительных процессов (мышечная работа, прием пищи, время суток)

Поэтому для сравнения энергетических затрат у разных людей и у одного и того же человека в разное время была введена условная стандартная величина - основной обмен. Основной обмен - это минимальные для бодрствующего организма затраты энергии, определенные в строгих стандартных условиях:

· в положении лежа, при полном мышечном и эмоциональном покое (т.к. мышечное и эмоциональное напряжение значительно повышают энерготраты);

· натощак, через 12-16 часов после последнего приема пищи (чтобы исключить специфическое-динамическое действие пищи);

· при внешней температуре комфорта - 18-20 градусов тепла (температура выше или ниже этих цифр может значительно изменить - увеличить или уменьшить - энерготраты);

· исключение в течение 3 суток перед исследованием приема белковой пищи;

· в состоянии бодрствования, так как во время сна затраты энергии ниже на 10%.

На основании многочисленных экспериментальных исследований основного обмена у здоровых людей разного пола, веса тела, роста и возраста статистическим путем были составлены таблицы, по которым можно рассчитать величину основного обмена, которая должна быть у данного человека в соответствии с его полом, возрастом, весом тела и ростом. Затем у этого же человека одним из методов калориметрии определяют величину истинного основного обмена и сравнивают эти величины.

Таблица расчета основного обмена

Закон поверхности тела

Энергетические затраты в расчете на 1 кг массы тела могут колебаться в больших пределах. Интенсивность основного обмена более тесно связана с размерами поверхности тела, что обусловлено прямой зависимостью величины отдачи тепла от площади поверхности тела. Еще в прошлом столетии немецкий физиолог М. Рубнер показал, что у теплокровных организмов, имеющих разные размеры тела, с 1 м² поверхности тела в окружающую среду рассеивается одинаковое количество тепла.

На этом основании М. Рубнер сформулировал закон поверхности тела, который гласит: «энергетические затраты теплокровного организма пропорциональны величине поверхности тела».

Энергия в условиях основного обмена идет на то, чтобы клетки поддерживали необходимый для жизни минимальный уровень окислительно-восстановительных процессов, чтобы работали постоянно сердце, почки, печень, дыхательные мышцы, нужно поддерживать мышечный тонус.

Величина основного обмена зависит от многих факторов, но особенно сильно она изменяется при некоторых эндокринных заболеваниях. Например, резкое повышение величины основного обмена наблюдается при гиперфункции щитовидной железы, а при гипофункции этой железы, он понижен. К снижению величины основного обмена приводит недостаточность функции гипофиза и половых желез.

Величина основного обмена в среднем составляет 1 ккал/ в 1 ч/ на 1 кг массы тела. У мужчин в сутки основной обмен равен 1700 ккал, у женщин - на 10% ниже.

Суточный расход энергии у здорового человека значительно превышает величину основного обмена и складывается из следующих компонентов:

· основного обмена;

· рабочей прибавки, т.е. энергозатрат, связанных с движением и с выполнением той или иной работы;

· специфического-динамического действия пищи - увеличения интенсивности обмена веществ и энергозатрат, связанных с приемом пищи, процессами пищеварения и всасывания.

Так прием белковой пищи увеличивает обмен на 30-40%, а при питании жирами и углеводами обмен увеличивается на 4-15%.

Совокупность компонентов суточного расхода энергии составляет рабочий обмен.

Нормальная жизнедеятельность организма может, осуществляться только в том случае, если происходит адекватное приспособление процессов обмена веществ и энергии к изменяющимся условиям. Такое приспособление организма обеспечивается процессами саморегуляции.

Энергозатраты при физических нагрузках

Интенсивность обменных процессов в организме значительно возрастает в условиях физической нагрузки. Прямая зависимость величины энергозатрат от тяжести нагрузки позволяет использовать уровень энергозатрат в качестве одного из показателей интенсивности выполняемой работы.

В качестве еще одного критерия для определения интенсивности физической работы, выполняемой организмом, может быть принята скорость потребления кислорода. Однако, этот показатель при тяжелой физической нагрузке не отражает точного расхода энергии, так как часть энергии организм получает за счет анаэробных процессов гликолиза, идущих без затраты кислорода.

Вывод

Обмен веществ и энергии между организмом и окружающей средой является необходимым условием существования организма. Процесс обмена заключается в непрерывном накоплении питательных веществ, накоплении энергии в клетках тканей организма в виде АТФ, креатинфосфата, гликогена, жиров, белков и непрерывного окисления этих веществ с выделением энергии. Энергия используется организмом для обеспечения всех жизненных процессов - дыхания, кровообращения, мышечной работы, пищеварения, поддержания постоянной температуры тела, поэтому важно знать, сколько энергии тратит организм для выполнения той или иной работы. При спортивной деятельности расход энергии может составлять 4500-5000 ккал и более. Это следует учитывать при составлении режима питания и отдыха спортсменов, чтобы обеспечивать восполнение расходуемой энергии.

Исследование энергетических затрат организма широко используется в физиологии труда, спортивной физиологии и медицине.

Список литературы

1. Солодков А.С., Сологуб Е.Б. Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная: Учебник. - М.: Терра-Спорт, Олимпия Пресс, 2001. - 520 с., ил.

2. Руководство к практическим занятиям по физиологии человека: учебное пособие для вузов физической культуры/под общ. ред. А.С. Солодкова; СПбГУФК им. П.Ф. Лесгафта. - М.: Советский спорт, 2006. - 192 с.

3. Физиология человека: учебная литература для студентов медицинских вузов /под ред. В.М. Покровского, Г.Ф. Коротько. - М.:Медицина, 2001.

4. Материалы сети Интернет: http://doctor-v.ru/med/metabolism-energy-functional-activity-organism/

5. Материалы сети Интернет: http://anatomiq.ru/55.html

Размещено на Allbest.ru