РАСЧЁТ БАЛАНСА ПИЩЕВЫХ ВЕЩЕСТВ
ПО ДАННЫМ ГАЗООБМЕНА И СОСТАВУ МОЧИ
Методические указания к практической работе
ОМСК-2001
Составители: Стишенко Л.Г.
Сердюк В.С.
В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Энергия расходуется не только на поддержание температуры тела и выполнение работы, но и на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития организма.
Теплообразование в организме имеет двухфазный характер. При окислении белков, жиров и углеводов одна часть энергии используется для синтеза АТФ, другая превращается в теплоту. Теплота, выделяющаяся непосредственно при окислении питательных веществ, получила название первичной теплоты.
Аккумулированная в АТФ энергия используется в дальнейшем для механической работы, химических, транспортных, электрических процессов и, в конечном счете, тоже превращается в теплоту, обозначаемую вторичной. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражена в единицах тепла – калориях или джоулях.
Для определения энергообразования в организме используют прямую калориметрию, непрямую калориметрию и исследование валового обмена.
МЕТОДЫИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГООБМЕНА
Прямая калориметрия
Прямая калориметрия основана на непосредственном учёте в биокалоримет-рах количества тепла, выделенного организмом. Биокалориметр представляет собой герметизированную и хорошо теплоизолированную от внешней среды камеру. В камере по трубкам циркулирует вода. Тепло, выделяемое находящимся в камере человеком или животным, нагревает циркулирующую воду. По количеству протекающей воды и изменению её температуры рассчитывают количество выделенного организмом тепла.
Одновременно в биокалориметр подаётся О2 и поглощается избыток СО2 и водяных паров. Для поглощения СО2 откачиваемый из камеры воздух прогоняют через баки с натронной известью, для поглощения воды – через баки с серной кислотой. Давление воздуха в камере поддерживают на постоянном уровне с помощью сосуда с резиновой мембраной.
Непрямая калориметрия
Методы прямой калориметрии очень громоздки и сложны. Учитывая, что в основе теплообразования в организме лежат окислительные процессы, при которых потребляется О2 и образуется СО2, можно использовать косвенное, непрямое определение теплообразования в организме по его газообмену – учёту потреблённого О2 и выделенного СО2 с последующим расчётом теплопродукции организма.
Для длительных исследований газообмена используют специальные респираторные камеры (закрытые способы непрямой калориметрии). Кратковременное определение газообмена в условиях производства проводят более простыми некамерными методами (открытые способы калориметрии).
Наиболее распространён способ Дугласа – Холдейна, при котором в течение 10 – 15 мин собирают выдыхаемый воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани (мешок Дугласа), укрепляемый на спине обследуемого. Обследуемый свободно вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает воздух в мешок Дугласа. Когда мешок наполнен, измеряют объём выдохнутого воздуха, в котором определяют количество О2 и СО2.
Кислород, поглощаемый организмом, используется для окисления белков, жиров и углеводов. Окислительный распад 1 г каждого из этих веществ требует неодинакового количества О2 и сопровождается освобождением различного количества тепла (табл.1).
Таблица 1
Потребление кислорода и выделение тепла при окислении различных веществ в организме
| Вещество, окисляющееся в организме | Количество тепла, освобождающееся при окислении 1 г вещества, кДж (ккал) | Количество потребляемого О2, л | Количество освобождающейся при потреблении 1 л О2 энергии, кДж (ккал) |
| Белки | 17,17 (4,1) | 0,966 | 19,26 (4,60) |
| Жиры | 38,94 (9,3) | 2,019 | 19,64 (4,69) |
| Углеводы | 17,17 (4,1) | 0.830 | 21,14 (5,05) |
Количество тепла, освобождающегося после потребления организмом 1 л О2, носит название калорического эквивалента кислорода. Зная общее количество О2, использованное организмом, можно вычислить энергетические затраты только в том случае, если известно, какие вещества окислились в теле. Показателем этого может служить дыхательный коэффициент.
Дыхательным коэффициентом (ДК) называется отношение объёма выделенного СО2 к объёму поглощённого О2. ДК различен при окислении белков, жиров и углеводов.
Рассмотрим, каков будет ДК при использовании организмом глюкозы. Общий итог окисления молекулы глюкозы можно выразить формулой
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О.
При окислении глюкозы число молекул образовавшегося СО2 равно числу молекул затраченного О2. Равное количеству молекул газа при одной и той же температуре и том же давлении занимает один и тот же объём. Следовательно, дыхательный коэффициент при окислении углеводов равен единице.
Аналогичные расчеты можно сделать для жиров и белков. При окислении жиров ДК = 0,7, при окислении белков - 0,8. При смешанной пище у человека дыхательный коэффициент обычно равен 0,85 - 0,89. Определенному ДК соответствует определенный калорический эквивалент кислорода, что видно из табл. 2.
Таблица 2
Соотношение дыхательного коэффициента и калорического эквивалента
кислорода
| Калорический | Дыхательный коэффициент | ||||||
| эквивалент кислорода | 0,7 | 0,75 | 0,8 | 0,85 | 0,9 | 0,95 | 1,0 |
| КДж | 19,619 | 19,841 | 20,101 | 20,356 | 20,616 | 20,871 | 21,173 |
| Ккал | 4,686 | 4,739 | 4,801 | 4,862 | 4,924 | 4,985 | 5,057 |
Исследование валового обмена
Длительное (на протяжении суток) определение газообмена даёт возможность не только найти теплопродукцию организма, но и решить вопрос о том, за счёт окисления каких питательных веществ шло теплообразование.
Рассмотрим это на примере.
Допустим, что обследуемый человек за сутки использовал 654,14 л О2 и выделил 574,18 л СО2. За это же время с мочой выделилось 16,8 г азота и 9,02 г углерода.
Количество белка, распавшегося в организме, определяем по азоту мочи. Так как 1 г азота содержит 6,25 г белка (в белке в среднем 16% азота), то, следовательно, в организме распалоcь
16,8 · 6,25 = 105 г белка.
Находим количество углерода белкового происхождения. Для этого определяем количество углерода в распавшемся белке. Так как в белках содержится около 53 % углерода, в распавшемся белке его было:
(105 · 53) / 100 = 55,65 г.
На образование углекислого газа затрачено количество углерода, равное разности между количеством углерода в распавшемся белке и количеством углерода, выделившегося с мочой
55,65 - 9,02 = 46,63 (г).
Определяем количество СО2 белкового происхождения, выделенного через лёгкие:
С + О2 = СО2.
Составляем пропорцию
12 г С - 44 г СО2,
46,63 г С - Х г СО2,
Х = (44 · 46,63) / 12 = 170,98 г.
В объёмном выражении количество СО2, выделившегося за счёт окисления белка, определяем из пропорции
1 г СО2 - 0,509 л СО2,
170,98 г СО2 - Х л СО2,
Х = (0,509 · 170,98) / 1 = 87,03 л.
Далее, исходя из дыхательного коэффициента, равного для белков 0,8, находим количество О2, затраченного на окисление белков:
VO2 = 87,03 / 0,8 = 108,8 л.
По разности между количеством всего поглощённого кислорода и количеством О2, затраченного на окисление белков, находим количество О2, затраченное на окисление углеводов и жиров:
654,14 - 108,8 = 545,34 (л).
По разности между количеством всего выделившегося СО2 и количеством СО2 белкового происхождения, выделившегося легкими, находим количество СО2, образовавшегося при окислении углеводов и жиров:
574,18 - 87,03 = 487,15 (л).
Определяем количество углеводов и жиров, окислившихся в организме обследуемого за сутки.
На основании того, что при окислении 1 г жира потребляется 2,019 л О2
(табл. 1) и образуется 1,413 л СО2 (т.к. ДК для жиров равен 0,7), а при окислении 1 г углеводов потребляется 0,830 л О2 и столько же образуется СО2 (ДК для углеводов равен 1), составляем уравнения, приняв за х количество жиров, а за у - количество углеводов, окисленных в организме:
2,019 х + 0,830 у = 545,34;
1,413 х + 0,830 у = 487,15.
Решая систему уравнений с двумя неизвестными, получим
0,606 х = 58,19;
х = 96,02.
Находим количество углеводов, окисленных в организме, подставляя значение х в любое из уравнений:
2,019 · 96 + 0,830 у = 545,34;
у = 416.
Итак, освобождение энергии в организме протекало за счёт окисления 105 г белков, 96 г жиров и 416 г углеводов. Зная количество тепла, образуемого при окислении 1 г каждого из веществ (табл. 1), нетрудно рассчитать общую теплопродукцию организма за сутки:
105 · 4,1 + 96 · 9,3 + 416 · 4,1 = 3029 ккал (12661 кДж).