Методы исследования энергетического обмена

Когда физическая работа не совершается, вся химическая энергия питательных веществ переходит в тепло. Это дает возможность использовать теплопродукцию в качестве показателя интенсивности энергетического обмена.

Первое измерения энергетического обмена провели в 1788 г Лавуазье и Лаплас. Они показали, что первый закон термодинамики приложим к живым организмам. Поместив в изолированную камеру с кусочками льда (ледяная рубашка) морскую свинку, они рассчитали теплопродукцию животного на основе измерения количества талой воды. Общее количество тепла, теряемое животным, оказалось равным количеству тепла, поглощенному водой, затраченному на испарение выдыхаемой с воздухом влаги и влаги, выделяемой на поверхности тела, т.е. скрытой теплоте парообразования (теплопродукцию определяли по количеству воды образовавшейся в ледяной рубашке.)

Количество тепла, выделяемого или поглощаемого в ходе различных физических и химических процессов, рассчитывают методами прямой и непрямой калориметрии. В физиологии и медицине калориметрия используется для изучения тепловых эффектов, сопровождающих процессы обмена веществ и энергии в покое, при различных видах деятельности и при заболеваниях.

Прямая калориметрия основана на непосредственном и полном учете количества выделенного организмом тепла. Измерения проводят в специальных камерах — биокалориметрах, хорошо герметизированных и теплоизолированных от окружающей среды. В современных биокалориметрах тепло, выделяемое человеком, нагревает воду в трубах, фиксированных к потолку камеры (рисунок 1.2). Для расчета количества выделенного тепла учитываюттеплоемкость жидкости, общий ее объем, протекающий через камеру за единицу времени, разность температур поступающей в камеру и оттекающей от нее воды.

Рисунок 1.2 – Схема калориметра

Продуцируемое организмом человека тепло измеряют с помощью термометров (1 и 2) по нагреванию воды, протекающей по трубам в камере (4). Количество протекающей воды измеряют в баке (3). Через окно (5) подают пищу и удаляют экскременты. Посредством насоса (6) воздух извлекают из камеры и прогоняют через баки с серной кислотой (7 и 9) (для поглощения воды) и с натронной известью (8) (для поглощения углекислого газа). Кислород подают в камеру из баллона (10) через газовые часы (11). Давление воздуха в камере поддерживают на постоянном уровне посредством сосуда с резиновой мембраной (12).

 

Количество выделенного тепла равно количеству тепла, поглощенного протекающей водой, и количеству тепла, затраченного на испарение выдыхаемой с воздухом влаги и влаги, выделяемой на поверхности тела, т.е. скрытой теплоты парообразования.

Современные биокалориметры градиентного типапредставляют собой костюмы, тесно облегающие тело человека, но позволяющие ему свободно передвигаться. Это скафандры и термокостюмы, применяемые при исследованиях в космосе, под водой, при работах в аварийных условиях, где необходимо точное измерение тепловыделения организмом. Костюмы снабжены термочувствительными датчиками, один из которых плотно прилегает к телу, а другой контактирует с внешней средой.

Непрямая калориметрия основана на определении газометрических показателей обмена — количества потребленного кислорода и выделенного углекислого газа за определенный отрезок времени (полный газовый анализ) или в условиях относительного покоя — только количества поглощенного кислорода (неполный газовый анализ) с последующим расчетом теплопродукции.

Полный газовый анализ.

При окислении питательных веществ поглощается кислород, выделяется углекислый газ, вода и определенное количество тепла. Количество кислорода, необходимое для окисления 1 г белков, жиров и углеводов, неодинаково, так же как и количество выделяемого СО₂ и тепла.

Первоначально газообмен у человека и животных определяли методом Крога в специальных камерах закрытого типа (респираторная камера М.Н. Шатерникова). В ней непрерывно циркулировал воздух, постоянный состав которого поддерживался благодаря удалению углекислого газа и подаче кислорода. Необходимые газометрические показатели (объем поглощенного кислорода и выделенной двуокиси углерода) определялись с высокой степенью точности, но недостатки метода (искусственно создаваемая дыхательная смесь, ограничение движения) доминировали над его преимуществами.

В настоящее время полный газовый анализ проводят открытым респираторным методом Дугласа—Xолдейна. Метод основан на сборе выдыхаемого воздуха в специальный приемник (воздухонепроницаемый мешок) с последующим определением общего его количества и содержания в нем кислорода и двуокиси углерода при помощи газоанализаторов (рисунок 1.3).

Рисунок 1.3 – Открытая респираторная система (метод Дугласа - Холдейна)

Зная содержание газов в атмосферном воздухе, можно вычислить, насколько уменьшилось содержание кислорода и насколько увеличилось содержание углекислого газа в выдыхаемом воздухе, а затем на основании этих данных определить дыхательный коэффициент.

Дыхательный коэффициент (ДК) — это отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода.

ДК = VСО₂ (л)/VО₂ (л)

Дыхательный коэффициент характеризует тип питательных веществ, преимущественно окисляемых в организме на момент его определения. Его рассчитывают, исходя из формул химических окислительных реакций.

Для углеводов:

С₆Н₁₂О₂ + 6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О;

ДК = (6 объемов СО₂)/(6 объемов О₂) = 1

Для жиров:

2С₃Н₅(С₁₅Н₃₁СОО)₃ + 145О₂ = 102СО₂ + 98Н₂О;

ДК = (102 объема СО₂)/(145 объемов О₂) = 0,703

 

Для белков расчет представляет определенную трудность, так как белки в организме окисляются не полностью. Некоторое количество азота в составе мочевины (NН₂)₂СО₂ выводится из организма с мочой, потом и фекалиями. Поэтому для расчета ДК при окислении белка следует знать количество белка, поступившего с пищей, и количество экскретированных азотсодержащих «шлаков».Установлено, что для окисления углерода и водорода при катаболизме белка и образования 77,5 объемов углекислого газа необходимо 96,7 объема кислорода. Следовательно, для белков:

 

ДК = (77,5 объема СО₂)/(96,7 объема О₂) = 0,80

При смешанной пищедыхательный коэффициент составляет 0,8 - 0,9.

Дыхательный коэффициент при мышечной работе. Главным источником энергии при интенсивной мышечной работе являются углеводы. Поэтому во время работы ДК приближается к единице. Сразу по окончании работы ДК может резко повыситься. Это явление отражает компенсаторные процессы, направленные на удаление из организма избытка углекислого газа, источником которого являются так называемые нелетучие кислоты. Последние, особенно молочная кислота, активно продуцируются работающими мышцами. Эти кислоты связываются с буферными системами плазмы и вытесняют из гидрокарбонат-иона (НСО₃^-) двуокись углерода. Таким образом, общее количество выделяемого углекислого газа на короткое время превышает обычное. Усиленная вентиляция легких в этих случаях предотвращает сдвиг рН крови и тканей в кислую сторону. Через некоторое время по завершении работы ДК может резко снизиться по сравнению с нормой. Это связано с уменьшением выделения двуокиси углерода легкими вследствие компенсаторной задержки его буферными системами крови, предотвращающими сдвиг рН в основную сторону. Примерно через час после завершения работы ДК становится нормальным.

Неполный газовый анализ.

Основан на определении расхода энергии по количеству кислорода, потребленного в единицу времени. Для этой цели используют приборы спирометаболографы, представляющие замкнутую систему кругооборота газовой смеси – такие респираторные системы называются закрытыми. Они имеют спирометр и поглотитель углекислого газа.

В соответствии с ритмом дыхания регистрируется кривая дыхательных движений — спирограмма. Высота наклона кривой соответствует количеству поглощенного кислорода. Объем системы прибора в процессе вдыхания из него кислорода уменьшается эквивалентно объему поглощенного испытуемым кислорода. Испытуемый вдыхает кислород из газометра через трубку с мундштуком и клапаном, СО₂ поглощается натронной известью и удаляется из выдыхаемого воздуха до возвращения в газометр. Нос испытуемого зажат специальным зажимом. Время заполнения камеры строго регистрируется.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: