Дыхательный коэффициент и его значение в исследовании обмена веществ. Оценка метаболизма. Экскреция азота и дыхательный коэффициент Дыхательный коэффициент для белков равен

Работа 3. Определение дыхательного коэффициента

Важный показатель химической природы дыхательного субстрата – дыхательный коэффициент (ДК ) – отношение объема выделенного углекислого газа (V (СО 2)) к объему поглощенного кислорода (V (О 2)). При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1, при окислении жиров (более восстановленных соединений) кислорода поглощается больше, чем выделяется углекислого газа и ДК < 1. При окислении органических кислот (менее восстановленных, чем углеводы соединений) ДК > 1.

Величина ДК зависит и от других причин. В некоторых тканях из-за затрудненного доступа кислорода наряду с аэробным происходит анаэробное дыхание, не сопровождающееся поглощением кислорода, что приводит к повышению значения ДК . Величина дыхательного коэффициента обусловлена также полнотой окисления дыхательного субстрата. Если, кроме конечных продуктов, в тканях накапливаются менее окисленные соединения, то ДК < 1.

Прибор для определения дыхательного коэффициента (рис. 8) состоит из пробирки (рис. 8, а) или другого стеклянного сосуда (рис. 8, б ) с плотно пригнанной пробкой, в которую вставлена измерительная трубка со шкалой из миллиметровой бумаги.

Материалы и оборудование. Прорастающие семена подсолнечника, ячменя, гороха, фасоли, льна, пшеницы, 20 %-й раствор гидроксида натрия, шприц на 2 см 3 , цветная жидкость, чашка Петри, химическая пробирка, U-образно изогнутая трубка, эластичная трубка, пробка с отверстием, пинцет анатомический, полоски фильтровальной бумаги (1,5 5 см), миллиметровая бумага, песочные часы на 3 мин, штатив для пробирок.

Ход работы. В пробирку внесите 2 г прорастающих семян подсолнечника. Плотно закройте пробирку пробкой, соединенной эластичной трубкой с изогнутой U-образно стеклянной трубкой, и введите в конец последней при помощи пипетки небольшую каплю жидкости, создавая внутри прибора замкнутую атмосферу. Во время опыта обязательно поддерживайте постоянную температуру. Для этого поставьте прибор в штатив, избегая тем самым нагревания его руками или дыханием. Определите на сколько делений шкалы продвинется капля внутрь трубки за 3 мин. Для получения точного результата вычислите среднюю величину из трех измерений. Полученная величина выражает разницу между объемом поглощенного при дыхании кислорода и объемом выделенного углекислого газа.

Откройте прибор с семенами и положите в него пинцетом свернутую в кольцо полоску фильтровальной бумаги, предварительно пропитанную раствором NaOH. Снова закройте пробирку, поместите в измерительную трубку новую каплю цветной жидкости и продолжайте измерение скорости ее движения при той же температуре. Новые данные, из которых опять вычислите среднюю величину, выражают объем поглощенного при дыхании кислорода, так как выделившийся углекислый газ поглощается щелочью.

Рассчитайте дыхательный коэффициент по формуле: , где ДК – дыхательный коэффициент; В – объем поглощенного при дыхании кислорода; А – разница между объемом поглощенного при дыхании кислорода и объемом выделенного углекислого газа.

Сравните величины дыхательных коэффициентов предложенных объектов и сделайте вывод о химической природе дыхательных субстратов каждого из объектов.

_________________________________

1 Прибор для наблюдений газообмена при дыхании растений и животных ПГД (учебный): руководство по эксплуатации / под ред. Т.С.Чанова. – М.: Просвещение, 1987. – 8 с.

10.1.5. Дыхательный коэффициент

Дыхательный коэффициент, или соотношение легочного газообмена (ДК), характеризует тип использования пищевых продуктов в обмене веществ. Этот показатель определяют следующим образом:

где V CO 2 - выделение СO 2 , a O 2 - потребление O 2 . В случае окисления глюкозы количество потребляемого кислорода и количество выделяемого углекислого газа равны, так что ДК = 1. Таким образом, значение ДК, равное единице, является показателем окисления углеводов (табл. 10.1).

Таблица 10.1. Значения дыхательных коэффициентов (ДК) и энергетических эквивалентов при окислении различных пищевых веществ

Значение ДК в случае окисления жиров может иметь простое объяснение. В связи с тем что в жирных кислотах на 1 атом углерода приходится меньше атомов кислорода, чем в углеводах, их окисление характеризуется значительно более низким дыхательным коэффициентом (ДК = 0,7). В случае окисления чисто белковой пищи ДК оказывается равным 0,81 (табл. 10.1). При смешанной пище у человека дыхательный коэффициент обычно составляет 0,83-0,9. Определенному ДК соответствует определенный энергетический (калорический) эквивалент кислорода (табл. 10.2), который означает количество теплоты, высвобождающейся после потребления организмом 1 л O 2 .

Соотношение между количеством выделяемого СO 2 и потребляемого O 2 зависит как от типа пищевых веществ, так и от преобразования одних пищевых веществ в другие. В тех случаях, когда преимущественную часть рациона составляют углеводы, они могут преобразовываться в жиры. В связи с тем что жиры содержат в своем составе меньше кислорода, чем углеводы, такой процесс сопровождается высвобождением соответствующего количества кислорода. При перенасыщении углеводами количество поглощаемого в тканях кислорода снижается, а ДК увеличивается. В случае насильственного питания (гуси и свиньи) были зарегистрированы такие значения ДК, как 1,38. В периоды голодания и при сахарном диабете ДК может снижаться до величины, равной 0,6. Это связано с усилением интенсивности обмена жиров и белков наряду со снижением метаболизма глюкозы.

Важным фактором, влияющим на величину ДК, является гипервентиляция. Дополнительное количество СO 2 , выдыхаемое при гипервентиляции, поступает из тех обширных запасов СО 2 , которые

Таблица 10.2. Энергетический эквивалент 1 л O 2 при разных дыхательных коэффициентах

В практике при приближенных расчетах среднее значение энергетического эквивалента принимают равным 20,2 кДж/л O 2 , что соответствует величине метаболического ДК = 0,82. Диапазон колебаний энергетического эквивалента в зависимости от значения ДК, как правило, невелик. Поэтому погрешность, связанная с использованием среднего значения энергетического эквивалента, не превышает ± 4 %.

1. Какой процесс обеспечивает освобождение энергии в организме? В чем его сущность?

Диссимиляция (катаболизм), т. е. распад клеточных структур и соединений организма с выделением энергии и продуктов распада.

2. Какие питательные вещества служат источником энергии в организме?

Углеводы, жиры и белки.

3. Назовите основные методы определения количества энергии в навеске продукта.

Физическая калориметрия; физико-химические методики определения количества питательных веществ в навеске с последующим расчетом содержащейся в ней энергии; по таблицам.

4. Опишите сущность способа физической калориметрии.

В калориметре сжигают навеску продукта, а затем по степени нагревания воды и материала калориметра рассчитывают выделившуюся энергию.

5. Напишите формулу расчета количества тепла, выделившегося при сгорании продукта в калориметре. Расшифруйте ее обозначения.

Q = MвСв (t 2 - t 1) + MкСк (t 2 - t 1) - Qо,

где Q - количество тепла, М – масса (в – воды, к – калориметра), (t 2 - t 1) – разность температур воды и калориметра после и до сжигания навески, С – удельная теплоемкость, Qо -количество тепла, образуемое окислителем.

6. Что называют физическим и физиологическим калорическими коэффициентами питательного вещества?

Количество тепла, освобождаемое при сгорании 1 г вещества в калориметре и в организме соответственно.

7. Сколько тепла освобождается при сгорании в калориметре 1 г белков, жиров и углеводов?

1г белков – 5, 85 ккал (24, 6 кДж), 1г жиров – 9, 3 ккал (38, 9 кДж), 1г углеводов – 4, 1 ккал (17, 2 кДж).

8. Сформулируйте закон термодинамики Гесса, на основании которого рассчитывают приход энергии в организм по количеству усвоенных белков, жиров и углеводов.

Термодинамический эффект зависит только от теплосодержания начальных и конечных продуктов реакции и не зависит от промежуточных превращений этих веществ.

9. Сколько тепла освобождается при окислении в организме 1 г белков, 1 г жиров и 1 г углеводов?

1 г белков – 4, 1 ккал (17, 2 кДж), 1 г жиров – 9, 3 ккал (38, 9 кДж), 1 г углеводов – 4, 1 ккал (17, 2 кДж).

10. Объясните причину различия физического и физиологического калорических коэффициентов для белков. В каком случае он больше?

В калориметре (физический коэффициент) белок распадается до конечных продуктов – СО 2 , Н 2 О и NН 3 c освобождением всей заключенной в них энергии. В организме (физиологический коэффициент) белки распадаются до СО 2 , Н 2 О, мочевины и др. веществ белкового обмена, которые содержат энергию и выводятся с мочой.

Определяют содержание белков, жиров и углеводов в продуктах питания, умножают их количество на соответствующие физиологические калорические коэффициенты, суммируют и из суммы вычитают 10%, что не усваивается в пищеварительном тракте (потери с калом).

12. Рассчитайте (в ккал и кДж) приход энергии при поступлении в организм с пищей по 10 г белков, жиров и углеводов.

Q = 4,110 + 9,310 + 4,110 = 175 ккал. (175 ккал – 17,5 ккал) х 4,2 кДж, где 17,5 ккал – энергия неусвоенных питательных веществ (потери с калом – около 10%). Итого: 157,5 ккал (661,5 кДж).

Калориметрия: прямая (метод Этуотера – Бенедикта); непрямая, или косвенная (методы Крога, Шатерникова, Дугласа – Холдена).

14. На чем основан принцип прямой калориметрии?

На непосредственном измерении количества тепла, выделенного организмом.

15. Опишите кратко устройство и принцип работы камеры Этуотера – Бенедикта.

Камера, в которую помещают испытуемого, термически изолирована от окружающей среды, ее стенки не поглощают тепло, внутри них находятся радиаторы, через которые течет вода. По степени нагрева определенной массы воды рассчитывают количество тепла, израсходованного организмом.

16. На чем основан принцип непрямой (косвенной) калориметрии?

На расчете количества выделившейся энергии по данным газообмена (поглощенный О 2 и выделившийся СО 2 за сутки).

17. Почему количество выделяемой организмом энергии можно рассчитать по показателям газообмена?

Потому, что количество потребленного организмом О 2 и выделенного СО 2 точно соответствует количеству окисленных белков, жиров и углеводов, а значит, и израсходованной организмом энергии.

18. Какие коэффициенты используются для расчета расхода энергии методом непрямой калориметрии?

Дыхательный коэффициент и калорический эквивалент кислорода.

19. Что называют дыхательным коэффициентом?

Отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему потребленного за это же время кислорода.

20. Рассчитайте дыхательный коэффициент (ДК), если известно, что во вдыхаемом воздухе содержится 17% кислорода и 4% углекислого газа.

Так как в атмосферном воздухе содержится 21% О 2 , процент поглощенного кислорода составляет 21% – 17%, т. е. 4 %. СО 2 в выдыхаемом воздухе также составляет 4%. Отсюда

21. От чего зависит величина дыхательного коэффициента?

22. Чему равен дыхательный коэффициент при окислении в организме до конечных продуктов белков, жиров и углеводов?

При окислении белков – 0,8, жиров – 0,7, углеводов – 1, 0.

23. Почему дыхательный коэффициент для жиров и белков ниже, чем для углеводов?

На окисление белков и жиров расходуется больше О 2 , так как они содержат меньше внутримолекулярного кислорода, чем углеводы.

24. К какой величине приближается дыхательный коэффициент у человека в начале интенсивной физической работы? Почему?

К единице, потому что источником энергии в этом случае являются преимущественно углеводы.

25. Почему в первые минуты после интенсивной и длительной физической работы дыхательный коэффициент у человека больше единицы?

Потому что СО 2 выделяется больше, чем потребляется О 2 , так как молочная кислота, накопившаяся в мышцах, поступает в кровь и вытесняет СО 2 из бикарбонатов.

26. Что называют калорическим эквивалентом кислорода?

Количество тепла, освобождаемое организмом при потреблении 1л О 2 .

27. От чего зависит величина калорического эквивалента кислорода?

От соотношения белков, жиров и углеводов, окисляющихся в организме.

28. Чему равен калорический эквивалент кислорода при окислении в организме (в процессе диссимиляции) белков, жиров и углеводов?

Для белков – 4, 48 ккал (18, 8 кДж), для жиров – 4, 69 ккал (19, 6 кДж), для углеводов – 5, 05 ккал (21, 1 кДж).

29. Опишите кратко ход определения расхода энергии по способу Дугласа – Холдена (полный газовый анализ).

В течение нескольких минут испытуемый вдыхает атмосферный воздух, а выдыхаемый воздух собирают в специальный мешок, измеряют его количество и проводят анализ газов с целью определения объема потребленного кислорода и выделившегося СО 2 . Рассчитывают дыхательный коэффициент, с помощью которого по таблице находят соответствующий калорический эквивалент О 2 , который затем умножают на объем О 2 , потребленного за данный промежуток времени.

30. Опишите кратко метод М. Н. Шатерникова для определения расхода энергии у животных в эксперименте.

Животное помещают в камеру, в которую поступает кислород по мере его расходования. Выделяющийся при дыхании СО 2 поглощается щелочью. Расчет выделенной энергии осуществляется по количеству потребленного О 2 и усредненному калорическому эквиваленту О 2: 4,9 ккал (20,6 кДж).

31. Рассчитайте расход энергии за 1 минуту, если известно, что испытуемый потребил 300 мл О 2 . Дыхательный коэффициент равен 1,0.

ДК=1,0, ему соответствует калорический эквивалент кислорода, равный 5,05 ккал (21,12 кДж). Следовательно, расход энергии за минуту = 5,05 ккал х 0,3 = 1,5 ккал (6,3 кДж).

32. Опишите кратко ход определения расхода энергии по способу Крога у человека (неполный газовый анализ).

Испытуемый вдыхает кислород из мешка метаболиметра, выдыхаемый воздух возвращается в тот же мешок, предварительно пройдя через поглотитель СО 2 . По показаниям метаболиметра определяют расход О 2 и умножают на калорический эквивалент кислорода 4,86 ккал (20,36 кДж).

33. Назовите основные различия в расчете расхода энергии по способам Дугласа – Холдена и Крога.

Метод Дугласа – Холдена предполагает расчет расхода энергии по данным полного газового анализа; метод Крога – только по объему потребленного кислорода с использованием калорического эквивалента кислорода, характерного для условий основного обмена.

34. Что называют основным обменом?

Минимальный расход энергии, обеспечивающий гомеостазис в стандартных условиях: при бодрствовании, максимальном мышечном и эмоциональном покое, натощак (12 – 16 часов без еды), при температуре комфорта (18 – 20С).

35. Почему основной обмен определяют в стандартных условиях:максимального мышечного и эмоционального покоя, натощак, при температуре комфорта?

Потому что физическая нагрузка, эмоциональное напряжение, прием пищи и изменение температуры окружающей среды увеличивают интенсивность метаболических процессов в организме (расход энергии).

36. На какие процессы расходуется энергия основного обмена в организме?

На обеспечение жизнедеятельности всех органов и тканей организма, клеточный синтез, на поддержание температуры тела.

37. Какие факторы определяют величину должного (среднестатистического) основного обмена здорового человека?

Пол, возраст, рост и масса тела (вес).

38. Какие факторы, кроме пола, веса, роста и возраста, определяют величину истинного (реального) основного обмена здорового человека?

Условия жизнедеятельности, к которым организм адаптирован: постоянное проживание в холодной климатической зоне увеличивает основной обмен; длительное вегетарианское питание – уменьшает.

39. Перечислите способы определения величины должного основного обмена у человека. Какой метод используют для определения величины истинного основного обмена у человека в практической медицине?

По таблицам, по формулам, по номограммам. Метод Крога (неполный газовый анализ).

40. Чему равна величина основного обмена у мужчин и женщин в сутки, а также в расчете на 1 кг массы в сутки?

У мужчин 1500 – 1700 ккал (6300 – 7140 кДж), или 21 – 24 ккал (88 – 101 кДж)/кг/сутки. У женщин примерно на 10% меньше этой величины.

41. Одинакова ли у теплокровных животных и человека величина основного обмена, рассчитанная на 1 м 2 поверхности тела и на 1 кг массы тела?

При расчете на 1м 2 поверхности тела у теплокровных животных разных видов и человека показатели примерно равны, при расчете на 1 кг массы – сильно отличаются.

42. Что называют рабочим обменом?

Совокупность основного обмена и дополнительного расхода энергии, обеспечивающих жизнедеятельность организма в различных условиях.

43. Перечислите факторы, повышающие расход энергии организмом. Что называют специфически-динамическим действием пищи?

Физическая и умственная нагрузка, эмоциональное напряжение, изменение температуры и других условий окружающей среды, специфически-динамическое действие пищи (увеличение расхода энергии после приема пищи).

44. На сколько процентов увеличивается расход энергии организмом после приема белковой и смешанной пищи, жиров и углеводов?

После приема белковой пищи – на 20 – 30%, смешанной пищи – на 10 – 12%.

45. Как влияет температура окружающей среды на расход энергии организмом?

Изменение температуры в интервале 15 – 30С существенно не сказывается на энергозатратах организма. При температуре ниже 15С, а также выше 30С расход энергии увеличивается.

46. Как изменяется обмен веществ при температуре окружающей среды ниже 15? Какое это имеет значение?

Увеличивается. Это предотвращает охлаждение организма.

47. Что называют коэффициентом полезного действия организма при мышечной работе?

Выраженное в процентах отношение энергии, эквивалентной полезной механической работе, ко всей энергии, затраченной на выполнение этой работы.

48. Приведите формулу для расчета коэффициента полезного действия (КПД) у человека при мышечной работе, укажите среднюю его величину, расшифруйте элементы формулы.

где А - энергия, эквивалентная полезной работе, С - общий расход энергии, е - расход энергии за такой же промежуток времени в состоянии покоя. КПД равен 20%.

Пойкилотермные животные (холоднокровные) – с непостоянной температурой тела, зависящей от температуры окружающей среды; гомойотермные (теплокровные) – животные с постоянной температурой тела, не зависящей от температуры окружающей среды.

50. Какое значение для организма имеет постоянство температуры тела? В каких органах наиболее интенсивно идет процесс теплообразования?

Обеспечивает высокий уровень жизнедеятельности относительно независимо от температуры окружающей среды. В мышцах, легких, печени, почках.

51. Назовите виды терморегуляции. Сформулируйте суть каждого из них.

Химическая терморегуляция – регуляция температуры тела с помощью изменения интенсивности теплопродукции; физическая терморегуляция – с помощью изменения интенсивности теплоотдачи.

52. Какие процессы обеспечивают теплоотдачу?

Теплоизлучение (радиация), теплоиспарение, теплопроведение, конвекция.

53. Как изменяется просвет сосудов кожи при понижении и при повышении температуры окружающей среды? В чем биологическое значение этого явления?

При понижении температуры сосуды кожи суживаются. При повышении температуры окружающей среды сосуды кожи расширяются. В том, что изменение ширины просвета сосудов, регулируя теплоотдачу, способствует поддержанию постоянной температуры тела.

54. Как и почему изменится теплопродукция и теплоотдача при сильном возбуждении симпатоадреналовой системы?

Теплопродукция увеличится вследствие стимуляции окислительных процессов, а теплоотдача уменьшится в результате сужения кожных сосудов.

55.Перечислите области локализации терморецепторов.

Кожа, кожные и подкожные сосуды, внутренние органы, ЦНС.

56. В каких отделах и структурах ЦНС находятся терморецепторы?

В гипоталамусе, ретикулярной формации среднего мозга, в спинном мозге.

57. В каких отделах ЦНС расположены центры терморегуляции? Какая структура ЦНС является высшим центром терморегуляции?

В гипоталамусе и спинном мозге. Гипоталамус.

58. Какие изменения возникнут в организме при длительном отсутствии в пищевом рационе жиров и углеводов, но при оптимальном поступлении белка с пищей (80 – 100 г в сутки)? Почему?

Будет наблюдаться превышение расхода азота организмом над приходом, потеря веса, поскольку энергозатраты будут покрываться в основном за счет белков и запасов жира, которые не пополняются.

59. В каком количестве и в каком соотношении должны содержаться белки, жиры и углеводы в пищевом рационе взрослого человека (усредненный вариант)?

Белки – 90 г, жиры – 110 г, углеводы – 410 г. Соотношение 1: 1, 2: 4, 6.

60. Как изменяется состояние организма при избыточном поступлении жиров?

Развивается ожирение, атеросклероз (преждевременно). Ожирение является фактором риска развития сердечно-сосудистых заболеваний и их осложнений (инфаркт миокарда, инсульт и др.), снижения продолжительности жизни.

1. Каково соотношение величин основного обмена у детей первых 3 – 4 лет жизни, в период полового созревания, в возрасте 18 – 20 лет и взрослых (ккал/кг/сутки)?

До 3 – 4 лет у детей примерно в 2 раза больше, в период полового созревания – в 1, 5 раза больше, чем у взрослых. В 18 – 20 лет – соответствует норме взрослых.

2. Нарисуйте график изменения основного обмена у мальчиков с возрастом (у девочек основной обмен на 5% ниже).

3. Чем объясняется высокая интенсивность окислительных процессов у ребенка?

Более высоким уровнем метаболизма молодых тканей, относительно большой поверхностью тела и, естественно, большими затратами энергии для поддержания постоянства температуры тела, повышенной секрецией гормонов щитовидной железы и норадреналина.

4. Как изменяются энергетические затраты на рост в зависимости от возраста ребенка: до 3-х месяцев жизни, до начала полового созревания, в период полового созревания?

Увеличиваются в первые 3 месяца после рождения, затем постепенно уменьшаются, а в период полового созревания вновь нарастают.

5. Из чего складывается и как распределяется в процентах общий расход энергии у ребенка в возрасте 1 года по сравнению со взрослым человеком?

У ребенка: 70% приходится на основной обмен, 20% – на движения и поддержание мышечного тонуса, 10% на специфически-динамическое действие пищи. У взрослого: 50 – 40 – 10% соответственно.

6. Взрослые или дети 3 – 5-летнего возраста затрачивают больше энергии при выполнении мышечной работы для достижения одного и того же полезного результата, во сколько раз и почему?

Дети, в 3 – 5 раз, так как у них менее совершенна координация, что приводит к избыточным движениям, в результате чего полезная работа у детей значительно меньше.

7. Как изменяется расход энергии при крике ребенка, на сколько процентов, вследствие чего?

Увеличивается на 100 – 200% вследствие увеличения теплопродукции в результате эмоционального возбуждения и увеличения мышечной активности.

8. Какая часть (в процентах) энерготрат ребенка грудного возраста обеспечивается за счет белков, жиров, углеводов? (сравните с нормой взрослого).

За счет белков – 10%, за счет жиров – 50%, за счет углеводов – 40%. У взрослых – 20 – 30 – 50%, соответственно.

9. Почему дети, особенно в грудном возрасте, быстро перегреваются при повышении температуры окружающей среды? Повышение или понижение температуры окружающей среды дети переносят легче?

Потому, что у детей повышена теплопродукция, недостаточно потоотделение и, следовательно, теплоиспарение, незрелый центр терморегуляции. Понижение.

10. Назовите непосредственную причину и объясните механизм быстрого охлаждения детей (особенно грудного возраста) при понижении температуры окружающей среды.

Повышенная теплоотдача у детей вследствие относительно большой поверхности тела, обильного кровоснабжения кожи, недостаточной теплоизоляции (тонкая кожа, отсутствие подкожной жировой клетчатки) и незрелости центра терморегуляции; недостаточное сужение сосудов.

11. В каком возрасте у ребенка появляются суточные колебания температуры, чем они отличаются от таковых у взрослых, в каком возрасте они достигают нормы взрослого?

В конце 1 месяца жизни; они незначительны и достигают нормы взрослого человека к пяти годам.

12. Что такое температурная "зона комфорта" ребенка, в пределах какой температуры она находится, чему равен этот показатель у взрослых?

Температура внешней среды, при которой индивидуальные колебания температуры кожи ребенка наименее выражены, находится в пределах 21 – 22 о С, у взрослого – 18 – 20 о С.

13. Какие механизмы терморегуляции наиболее готовы к функционированию к моменту рождения? В каких условиях могут включаться механизмы дрожательного термогенеза у новорожденных детей?

Усиленное теплообразование преимущественно недрожательного происхождения (высокий обмен веществ), потоотделение. В условиях предельного холодового воздействия.

14. В каком соотношении должны содержаться белки, жиры и углеводы в пищевом рационе детей в возрасте трех и шести месяцев, 1 года, старше одного года и у взрослых?

До 3 месяцев – 1: 3: 6; в 6 месяцев – 1: 2: 4. В возрасте 1 год и старше – 1: 1, 2: 4, 6, т. е. как и у взрослых.

15. Назовите особенности обмена минеральных солей у детей. С чем это связано?

Наблюдается ретенция солей в организме, особенно повышена потребность в кальции, фосфоре и железе, что связано с ростом организма.

11 Обмен энергии

Непременным условием поддержания жизни является получение организмами энергии из внешней среды, и хотя первоисточник энергии для всего живого - Солнце, непосредственно использовать его излучение способны только растения. Посредством фотосинтеза они превращают энергию солнечных лучей в энергию химических связей. Животные и человек получают необходимую им энергию, поедая растительную пищу. (Для хищных и отчасти для всеядных источником энергии служат другие животные - растительноядные.)

Прямое получение энергии солнечных лучей животными тоже возможно, например, пойкилотермные таким образом поддерживают температуру своего тела. Однако тепло (получаемое из внешней среды и образующееся в самом организме) не может быть преобразовано ни в какой другой вид энергии. Живые организмы, в отличие от технических устройств, принципиально неспособны к этому. Машина, использующая энергию химических связей, (например, двигатель внутреннего сгорания), сначала превращает ее в тепло и только затем - в работу: химическая энергия топлива → тепло → работа (расширение газа в цилиндре и движение поршня). В живых организмах возможна только такая схема: химическая энергия → работа.

Итак, энергия химических связей в молекулах пищевых веществ - практически единственный источник энергии для животного организма, а тепловая энергия может быть использована им только для поддержания температуры своего тела. Кроме того, тепло из-за быстрого рассеивания в окружающей среде не может быть и запасено в организме на длительный срок. Если возникает избыток тепла в теле, то для гомойотермных животных это становится серьезной проблемой и иногда даже угрожает их жизни (см. разд. 11.3).

11.1. Источники энергии и пути ее превращения в организме

Живой организм - открытая энергетическая система: он получает из окружающей среды энергию (почти исключительно в виде химических связей), преобразует ее в тепло или работу и в таком виде возвращает ее в окружающую среду.

Компоненты пищевых веществ, поступающие из желудочно-кишечного тракта в кровь (например, глюкоза, жирные кислоты или аминокислоты), сами по себе не способны непосредственно передавать энергию своих химических связей ее потребителям, например, калий-натриевому насосу или актину и миозину мышц. Между пищевыми «энергоносителями» и «потребителями» энергии есть универсальный посредник - аденозинтрифосфат (АТФ). Именно он является непосредственным источником энергии для любых процессов в живом

организме. Молекула АТФ представляет собой соединение аденина, рибозы и трех фосфатных групп (рис. 11.1).

Связи между кислотными остатками (фосфатами) содержат в себе значительное количество энергии. Отщепляя под действием фермента АТФазы концевой фосфат, АТФ превращается в аденозиндифосфат (АДФ). При этом высвобождается 7,3 ккал/моль энергии. Энергия химических связей в молекулах пищевых веществ используется для ресинтеза АТФ из АДФ. Рассмотрим этот процесс на примере глюкозы (рис. 11.2).

Первый этап утилизации глюкозы - гликолиз. В ходе его молекула глюкозы сначала превращается в пировиноградную кислоту (пиру ват), давая при этом энергию для ресинтеза АТФ. Затем пируват превращается в ацетилкоэнзим А - исходный продукт для следующего этапа утилизации - цикла Кребса. Многократные превращения веществ, составляющие суть этого цикла, дают дополнительную энергию для ресинтеза АТФ и заканчиваются высвобождением ионов водорода. С передачи этих ионов в дыхательную цепь начинается третий этап - окислительное фосфорилирование, в результате которого также образуется АТФ.

В совокупности все три этапа утилизации (гликолиз, цикл Кребса и окислительное фосфорилирование) составляют процесс тканевого дыхания. Принципиально важно, что первый этап (гликолиз) проходит без использования кислорода (анаэробное дыхание) и приводит к образованию лишь двух молекул АТФ. Два последующих этапа (цикл Кребса и окислительное фосфорилирование) могут происходить только в кислородной среде (аэробное дыхание). Полная утилизация одной молекулы глюкозы приводит к появлению 38 молекул АТФ.

Существуют организмы, не только не нуждающиеся в кислороде, но погибающие в кислородной (или воздушной) среде - облигатные анаэробы. К ним, например, относятся бактерии - возбудители газовой гангрены (Clostridium perfringes), столбняка (С. tetani), ботулизма (С. botulinum) и др.

У животных анаэробные процессы являются вспомогательным видом дыхания. Например, при интенсивных и частых сокращениях мышц (или при статическом их сокращении) доставка кислорода кровью отстает от потребностей мышечных клеток. В это время образование АТФ происходит анаэробным путем с накоплением пирувата, который превращается в молочную кислоту (лактат). Нарастает кислородный долг. Прекращение или ослабление мышечной работы устраняет несоответствие между потребностью ткани в кислороде и возможностями его доставки, лактат превращается в пируват, последний либо через стадию ацетилкоэнзима А окисляется в цикле Кребса до двуокиси углерода, либо путем глюконеогенеза переходит в глюкозу.

Согласно второму началу термодинамики всякое превращение энергии из одного вида в другой происходит с обязательным образованием значительного количества тепла, которое затем рассеивается в окружающем пространстве. Поэтому синтез АТФ и передача энергии от АТФ к собственно «потребителям энергии» происходят с потерей примерно половины ее в виде тепла. Упрощая, можно представить эти процессы следующим образом (рис. 11.3).

Примерно половина химической энергии, содержащейся в пище, сразу же превращается в тепло и рассеивается в пространстве, другая половина идет на образование АТФ. При последующем расщеплении АТФ половина высвободившейся энергии опять-таки превращается в тепло. В результате на выполнение внешней работы (например, бег или перемещение каких-либо предметов в пространстве) животное и человек могут затратить не более 1/4 всей потребленной в виде пищи энергии. Таким образом, коэффициент полезного действия высших животных и человека (около 25%) в несколько раз выше, чем, например, коэффициент полезного действия (КПД) паровой машины.

Вся внутренняя работа (кроме процессов роста и накопления жира) быстро превращается в тепло. Примеры: (а) энергия, вырабатываемая сердцем, превращается в тепло благодаря сопротивлению сосудов току крови; (б) желудок выполняет работу по секреции соляной кислоты, поджелудочная железа секретирует гидрокарбонат-ионы, в тонкой кишке эти вещества взаимодействуют, и заложенная в них энергия преобразуется в тепло.

Результаты внешней (полезной) работы, произведенной животным или человеком, также в конечном счете превращаются в тепло: перемещение тел в пространстве согревает воздух, возведенные сооружения рушатся, отдавая заложенную в них энергию земле и воздуху в виде тепла. Египетские пирамиды - редкий пример того, как энергия мышечного сокращения, затраченная почти 5000 лет назад, все еще ждет неизбежного превращения в тепло.

Уравнение энергетического баланса:

Е = А + Н + S,

где Е - общее количество энергии, получаемой организмом с пищей; А - внешняя (полезная) работа; Н - теплоотдача; S - запасенная энергия.

Потери энергии с мочой, кожным салом и др. выделениями крайне малы, и ими можно пренебречь.

Определение дыхательного коэффициента (ДК) растений.

Дыхательный коэффициент растений - это отношение количества выделенного при дыхании углекислого газа к количеству поглощенного за это же время кислорода.

Величина ДК зависит от химической природы дыхательного субстрата, биологических особенностей растений, условий снабжения кислородом и других причин.

В данной работе рассматривается величина ДК в зависимости от дыхательного субстрата. Если субстратом являются углеводы, то ДК=1; если же субстратом служат более богатые водородом жиры или некоторые белки, ДК меньше 1 и обычно равен 0,3-0,7; когда субстраты - органические кислоты, ДК больше 1.

Ход работы.

Пробирку заполняют до половины проросшими семенами, закрывают пробкой, в которую вставлена изогнутая под прямым углом тонкая стеклянная трубка. Горизонтальное колено трубки должно быть градуировано, или же к нему следует прикрепить полоску миллиметровой бумаги. В трубку ввести каплю вазелинового масла или воды.

Прибор ставят в стакан с ватой (для того, чтобы он не нагрелся от рук). Наблюдают за движением мениска в стеклянной трубке. Если ДК=1, капля остается в трубке неподвижной. Если ДК больше или меньше 1, капля в трубке будет смещаться. Необходимо трижды определить смещение капли за 5 минут и найти среднее значение (А).

А - это разность между объемами поглощаемого Ог и выделяющегося СО2.

Вынуть пробку, проветрить пробирку, в верхнюю часть пробирки вложить диск из фильтровальной бумаги, смоченной 20%-ный раствором КОН. Закрыть пробку, ввести каплю масла, определить передвижение капли за три пятиминутных интервала, вычислить среднее значение (В). Щелочь поглощает выделяемый при дыхании СО2. Передвижение капли теперь соответствует поглощению О2.

Расчеты можно произвести по следующей формуле:

Оборудование и реактивы:

Широкая плоскодонная пробирка с пробкой, в которую вставлена капиллярная отводная трубка, широкий стакан с ватой, песочные часы на 5 минут, пинцеты, кружочки фильтровальной бумаги, вазелиновое масло, 20%-ный раствор КОН, проросшие семена (пшеницы, подсолнечника, клещевины, фасоли, др.).

Вопросы для повторения:

Термины.

Амилаза - ферменты класса гидролаз, катализирующие гидролиз резервных полисахаридов (крахмала, гликогена). Амилазы обнаружены у животных (сок поджелудочной железы), у высших растений (проросшие семена) и в микроорганизмах. В зависимости от характера действия различают а-амилазы (расщепляют а-1,4-связи в молекуле полисахарида), (З-амилазы (последовательно отщепляют мальтозы от нередуцирующих концов цепей полимера) и глюкоамилазы (расщепляют полисахарид с образованием свободной глюкозы).

Гликолиз - путь Эмбдена-Мейергофа-Парнаеа, ферментативный анаэробный процесс негидролитического распада углеводов до ПВК. Это филогенетически наиболее древний путь, широко распространенный в природе, играет важную роль в обмене веществ живых организмов. Обеспечивает клетку энергией в условиях недостаточного снабжения кислородом.

Дегидрогеназа - ферменты класса оксидоредуктаз, катализирующие реакции отщепления водорода от одного субстрата и переносящие его на другой. Участвуют в процессах катаболизма всех типов питательных веществ. Ко- ферментами дегидрогеназ служат обычно НАД, НАДР, | ФАД, ФМН. Реакции с участием дегидрогеназ лежат в основе биологического окисления, тесно связанного с обеспечением клеток энергией.

Дегидрогеназы анаэробные - двухкомпонентные ферменты, коферментом которых может быть NAD+ и NADP+. При окислении субстрата NAD+ превращаются в восстановленную форму NADH. Анаэробные дегидрогеназы передаюn водород, то есть электроны и протоны, различным промежуточным переносчикам и аэробным дегидрогеназам. Субстратная специфичность фермента зависит от его белковой части. Многие дегидрогеназы содержат ионы двухвалентных металлов, например Zn.

Дегидрогеназы аэробные - двухкомпонентные ферменты, называемые еще флавопротеинами. Кроме белков имеют в составе простетическую группу - рибофлавин (витамин Вг). Донорами электронов аэробных дегидрогеназ служат анаэробные дегидрогеназы, а акцепторами - хиноны, цитохиноны, кислород.

Дыхание - присуще всем органам, тканям и клеткам растений; осуществляется за счет углеводов. Интенсивность дыхания определяется по количеству поглощенного О2 или выделенного ССЬ и зависит от онтогенеза, морфологических особенностей, температуры и т. д.

Дыхателънный коэффициент - отношение объема С02, выделяемого из организма при дыхании, к объему поглощаемого за то же время О2; характеризует особенности газообмена и обмена веществ в живых организмах. Дыхательный коэффициент зависит от химической природы дыхательного субстрат а, содержания СО2 и 02 в атмосфере и др.

Каталаза - фермент класса оксидоредуктаз, катализирует реакцию разложения токсичного для организма перок- сида водорода (Н202) с образованием Н20 и 02. Широко распространенный фермент, содержится в специализированных органоидах - пероксисомах и глиоксисомах. Про- стетическая группа каталазы - гем, в состав которого входит атом железа. Молекулярная масса 250000.

Оксидазы - ферменты класса оксидоредуктаз, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, акцепторами водорода в которых служит кислород воздуха. При этом образуется вода или Н202 Коферментом многих оксидаз являются производные витамина В2 - ФАД или ФМН. Оксидазы широко распространены в природе и играют важную роль в катаболизме и детоксикации различных веществ.

Окислительное фосфорилирование - процесс синтеза молекул АТР из АДР и неорганического фосфата за счет энергии окисления молекул органических веществ. Происходит только в живых системах. Открыт данный процесс в 1930 году В. А. Энгельгардом и связан с переносом электронов по электронно-транспортной цепи, встроенной во внутреннюю мембрану митохондрий.

Дыхательным коэффициентом называется отно­шение выделенной при дыхании углекислоты к количеству погло­щенного кислорода (СО2/О2). В случае классического дыхания, когда окисляются углеводы СбН^О^ и в качестве конечных про­дуктов образуются только СО2 и Н2О, дыхательный коэффициент равен единице. Однако так бывает далеко не всегда, в ряде случаев он изменяется в сторону увеличения или уменьшения, почему и считают, что он является показателем продуктивности дыхания. Изменчивость величины дыхательного коэффициента зависит от субстрата дыхания (окисляемого вещества) и от продук­тов дыхания (полного или неполного окисления).

При использовании в процессе дыхания вместо углеводов жи­ров, которые менее окислены, чем углеводы, на их окисление будет использоваться больше кислорода - в таком случае дыха­тельный коэффициент будет уменьшаться (до величины 0,6 - 0,7). Этим объясняется большая калорийность жиров по сравнению с углеводами.

Если же при дыхании будут окисляться органические кислоты (вещества более окисленные по сравнению с углеводами), то кис­лорода будет использоваться меньше, чем выделяться углекислоты, и дыхательный коэффициент возрастает до величины больше еди­ницы. Самым высоким (равным 4) он будет при дыхании за счет.щавелевой кислоты, которая окисляется по уравнению

2 С2Н2О4 + 02 4С02 + 2Н20.

Выше было упомянуто, что при полном окислении субстрата (углевода) до углекислого газа и воды дыхательный коэффициент равен единице. Но при неполном окислении и частичном образо­вании продуктов полураспада часть углерода будет оставаться в растении, не образуя углекислого газа; кислорода будет поглощать­ся больше, и дыхательный коэффициент опустится до величины меньше единицы.

Таким образом, определяя дыхательный коэффициент, можно получить представление о качественной направленности дыхания, о субстратах и продуктах этого процесса.

Зависимость дыхания от экологических факторов.

Дыхание и температура

Как и другие физиологические процессы, интенсивность дыха­ния зависит от ряда экологических факторов, причем сильнее и

определеннее всего выражена температурная зависимость. Это обусловлено тем, что из всех физиологических процессов дыхание является наиболее "химическим", ферментативным. Связь же ак- , тивности ферментов с уровнем температуры неоспорима. Дыхание подчиняется правилу Вант-Гоффа и имеет температурный коэф­фициент (2ю 1,9 - 2,5.

Температурная зависимость дыхания выражается одновершин­ной кривой (биологической) с тремя кардинальными точками. Точ­ка (зона) минимума различна у разных растений. У холодоустойчивых она определяется температурой замерзания рас­тительной ткани, так что у незамерзающих частей хвойных ды­хание обнаруживается при температуре до -25 °С. У теплолюбивых растений точка минимума лежит выше нуля и оп­ределяется температурой отмирания растений. Точка (зона) опти­мума дыхания лежит в интервале от 25 до 35 °С, т. е. несколько выше, чем оптимум для фотосинтеза. У различных по степени теплолюбивости растений ее положение также несколько изменя­ется: она лежит выше у теплолюбивых и ниже у холодоустойчивых. Максимальная температура дыхания находится в интервале от 45 до 53 °С.> Эта точка определяется отмиранием клеток и разруше­нием цитоплазмы, ибо клетка дышит, пока жива. Таким образом, температурная кривая дыхания подобна кривой фотосинтеза, но не повторяет ее. Различие между ними заключается в том, что- кривая дыхания охватывает более широкий температурный диапа­зон, чем кривая фотосинтеза, а оптимум ее несколько смещен в сторону повышенйой температуры.

Сильное действие на интенсивность дыхания оказывают коле­бания температуры. Резкие переходы ее от высокой к низкой и обратно значительно усиливают дыхание, что было, установлено* еще В. И. Палладиным в 1899 г.

При колебаниях температуры происходят не только количест­венные, но и качественные изменения дыхания, т. е. изменение путей окисления органического вещества, однако в настоящее вре­мя они исследованьг слабо, поэтому здесь не излагаются.