Екологія процесів обміну в організмі людини, обмін речовин при забрудненні повітря

1. Процеси обміну теплової енергії. Вплив на організм температури. Залежність метаболізму від температури. Концепція суми ефективних температур

обмін організм метаболізм забруднення

У живих організмах будь-який процес супроводжується передачею енергії. Енергію визначають як здатність робити роботу. Спеціальний розділ фізики, що вивчає властивості й перетворення енергії в різних системах, називається термодинамікою. Під термодинамічною системою розуміють сукупність об'єктів, умовно виділених з навколишнього простору. Термодинамічні системи розділяють на ізольовані, закриті й відкриті. Ізольованими називають системи, енергія й маса яких не змінюється, тобто вони не обмінюються з навколишнім середовищем ні речовиною, ні енергією. Закриті системи обмінюються з навколишнім середовищем енергією, але не речовиною, тому їхня маса залишається постійної. Відкритими системами називають системи, що обмінюються з навколишнім середовищем речовиною й енергією. З погляду термодинаміки живі організми ставляться до відкритих систем, тому що головна умова їхнього існування - безперервний обмін речовин і енергії. В основі процесів життєдіяльності лежать реакції атомів і молекул, що протікають відповідно до тих же фундаментальних законів, які управляють такими ж реакціями поза організмом (1).

Відповідно до першого закону термодинаміки енергія не зникає й не виникає знову, а лише переходить із однієї форми в іншу. Другий закон термодинаміки затверджує, що вся енергія, зрештою, переходить у теплову енергію, і організація матерії стає повністю неупорядкованою. У більше строгій формі цей закон формулюється так: ентропія замкнутої системи може тільки зростати, а кількість корисної енергії (тобто тієї, за допомогою якої може бути зроблена робота) усередині системи може лише убувати. Під ентропією розуміють ступінь невпорядкованості системи.

Неминуча тенденція до зростання ентропії, супроводжувана настільки ж неминучим перетворенням корисної хімічної енергії в марну теплову, змушує живі системи захоплювати всі нові порції енергії (їжі), щоб підтримувати свій структурний і функціональний стан. Фактично здатність витягати корисну енергію з навколишнього середовища є одним з основних властивостей, які відрізняють живі системи від неживих, тобто безупинно, що йде обмін, речовин і енергії є одним з основних ознак живих істот. Щоб протистояти збільшенню ентропії, підтримувати свою структуру й функції, живих істот повинні одержувати енергію в доступній для них формі з навколишнього середовища й повертати в середовище еквівалентна кількість енергії у формі, менш придатної для подальшого використання (1).

Обмін речовин і енергії - це сукупність фізичних, хімічних і фізіологічних процесів перетворення речовин і енергії в живих організмах, а також обмін речовинами й енергією між організмом і навколишнім середовищем. Обмін речовин у живих організмів полягає в надходженні із зовнішнього середовища різних речовин, у перетворенні й використанні їх у процесах життєдіяльності й у виділенні продуктів, що утворяться, розпаду в навколишнє середовище (2).

Всі речовини, що відбуваються в організмі перетворення, і енергії об'єднані загальною назвою - метаболізм (обмін речовин). На клітинному рівні ці перетворення здійснюються через складні послідовності реакцій, називані шляхами метаболізму, і можуть включати тисячі різноманітних реакцій. Ці реакції протікають не хаотично, а в строго певній послідовності й регулюються безліччю генетичних і хімічних механізмів. Метаболізм можна розділити на два взаємозалежних, але разнонаправленных процесу: анаболізм (асиміляція) і катаболізм (дисиміляція) (1).

Анаболізм - це сукупність процесів біосинтезу органічних речовин (компонентів клітини й інших структур органів і тканин). Він забезпечує ріст, розвиток, відновлення біологічних структур, а також нагромадження енергії (синтез макроергів). Анаболізм полягає в хімічній модифікації й перебудові вступників з їжею молекул в інші більше складні біологічні молекули. Наприклад, включення амінокислот у синтезовані клітиною білки відповідно до інструкції, що втримується в генетичному матеріалі даної клітини (1).

Катаболізм - це сукупність процесів розщеплення складних молекул до більше простих речовин з використанням частини з них як субстрати для біосинтезу й розщепленням іншої частини до кінцевих продуктів метаболізму з утворенням енергії. До кінцевих продуктів метаболізму ставляться вода (у людини приблизно 350 мол у день), двоокис вуглецю (близько 230 мол/хв), окис вуглецю (0,007 мол/хв), сечовина (близько 30 г/день), а також інші речовини, що містять азот (приблизно б г/день). Катаболізм забезпечує витяг хімічної енергії з молекул, що втримуються в їжі, і використання цієї енергії на забезпечення необхідних функцій. Наприклад, утворення вільних амінокислот у результаті розщеплення вступників з їжею білків і наступне окислювання цих амінокислот у клітині з утворенням З2, і Н2ПРО, що супроводжується вивільненням енергії (1).

Процеси анаболізму й катаболізму перебувають в організмі в стані динамічної рівноваги. Перевага анаболічних процесів над катаболічними приводить до росту, нагромадженню маси тканин, а перевага катаболічних процесів веде до часткового руйнування тканинних структур. Стан рівноважного або нерівновагого співвідношення анаболізму й катаболізму залежить від віку (у дитячому віці переважає анаболізм, у дорослих звичайно спостерігається рівновага, у старечому віці переважає катаболізм), стану здоров'я, виконуваної організмом фізичного або психоемоційного навантаження (2).

Перетворення й використання енергії

У процесі обміну речовин постійно відбувається перетворення енергії: енергія складних органічних сполук, що надійшли з їжею, перетворюється в теплову, механічну й електричну. Людина й тварини одержують енергію з навколишнього середовища у вигляді потенційної енергії, укладеної в хімічних зв'язках молекул жирів, білків і вуглеводів. Всі процеси життєдіяльності забезпечуються енергією за рахунок анаеробного й аеробного метаболізму. Одержання енергії без участі кисню, наприклад, гліколіз, (розщеплення глюкози до молочної кислоти) називається анаеробним обміном. У ході анаеробного розщеплення глюкози (гліколізу) або її резервного субстрату глікогену перетворення 1 моля глюкози в 2 моля лактата приводить до утворення 2 молів АТФ. Енергії, що утвориться в ході анаеробних процесів, недостатньо для здійснення активного життя, реакції, що відбуваються за участю кисню, енергетично більше ефективні. Всі процеси, що генерують енергію за участю кисню, називаються аеробним обміном. При окислюванні складних молекул хімічні зв'язки розриваються, спочатку органічні молекули розпадаються до трьохвуглеродних з'єднань, які включаються в цикл Кребса (цикл лимонної кислоти), а далі окисляються до З2 і Н2О. протони, Що Вивільнилися в цих реакціях, і електрони вступають у ланцюг переносу електронів, у якій кисень служить кінцевим акцептором електронів. Біологічне окислювання в сутності являє собою "згоряння" речовини при низькій температурі, частина енергії, що вивільняється при окислюванні, запасається у високоенергетичних фосфатних зв'язках аденозинтріфосфата (АТФ). АТФ є акумулятором хімічної енергії й засобом її переносу, дифундуючи в ті місця, де вона потрібно. Загальна кількість молекул АТФ, що утворяться при повнім окислюванні 1 молячи глюкози до З2, і Н2ПРО, становить 25,5 молей. При повнім окислюванні молекули жирів утвориться більша кількість молів АТФ, чим при окислюванні молекули вуглеводів (2).

Динаміка хімічних перетворень, що відбуваються в клітинах, вивчається біологічною хімією. Завданням фізіології є визначення загальних витрат речовин і енергії організмом і того, як вони повинні заповнювати за допомогою повноцінного харчування. Енергетичний обмін служить показником загального стану й фізіологічної активності організму.

Одиниця виміру енергії, звичайно застосовувана в біології й медицині, - калорія (кал). Вона визначається як кількість енергії, необхідне для підвищення температури 1 г води на 1°С. У Міжнародній системі одиниць (СИ) при вимірі енергетичних величин використовується джоуль (1 ккал= 4,19 кДж).

Енергетичний еквівалент їжі

Кількість енергії, виділюваної при окислюванні якого-небудь з'єднання, не залежить від числа проміжних етапів його розпаду, тобто від того, чи згоріло воно або окислилося в ході катаболічних процесів. Запас енергії в їжі визначається в колориметричній бомбі - замкнутій камері, зануреної у водяну лазню. Точно зважену пробу поміщають у цю камеру, наповнену чистим О₂ і підпалюють. Кількість енергії, що виділилася, визначається по зміні температури води, що оточує камеру (2).

При окислюванні вуглеводів виділяється 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г), окислювання 1 г жиру дає 38,96 кДж (9,3 ккал). Запасання енергії у формі жиру є найбільш економічним способом тривалого зберігання енергії в організмі. Білки окисляються в організмі не повністю. Аміногрупи відщеплюются від молекули білка й виводяться із сечею у формі сечовини. Тому при спалюванні білка в калориметричній бомбі виділяється більше енергії, чим при його окислюванні в організмі: при спалюванні білка в калориметричній бомбі виділяється 22,61 кДж/г 5,4 ккал/г), а при окислюванні в організмі - 17,17 кДж/г 4,1 ккал/г). Різниця доводиться на ту енергію, що виділяється при спалюванні сечовини,

Визначення рівня метаболізму

Майже половина всієї енергії, одержуваної в результаті катаболізму, губиться у вигляді тепла в процесі утворення молекул АТФ. М'язове скорочення - процес ще менш ефективний. Близько 80% енергії, використовуваної при м'язовому скороченні, губиться у вигляді тепла й тільки 20% перетворюється в механічну роботу (скорочення м'яза). Якщо людина не робить роботу, то практично вся енергія, що їм генерується, губиться у формі тепла. Отже, величина теплопродукції є точним вираженням величини обміну в організмі людини (2).

Для визначення кількості затрачуваної організмом енергії застосовують пряму й непряму калориметрію. Перші прямі виміри енергетичного обміну провели в 1788 р. Лавуазьє й Лаплас.

Пряма калориметрія полягає в безпосередньому вимірі тепла, виділюваного організмом. Для цього тварина або людина міститься в спеціальну герметичну камеру, по трубах, що проходить через неї, протікає вода. Для обчислення теплопродукції використовуються дані про теплоємність рідини, її обсязі, що протікає через камеру за одиницю часу, і різниці температур вступника в камеру й рідини, що випливає (2).

Непряма калориметрія заснована на тім, що джерелом енергії в організмі є окисні процеси, при яких споживається кисень і виділяється вуглекислий газ. Тому енергетичний обмін можна оцінювати, досліджуючи газообмін. Найпоширенішийо спосіб Дугласа-Холдейна, при якому протягом 10-15 мін збирають видихуваний обстежуваною людиною повітря в мішок з повітронепроникної тканини (мішок Дугласа). Потім визначають обсяг видихнутого повітря й процентний вміст у ньому ПРО2 і З2. По співвідношенню між кількістю виділеного вуглекислого газу й кількістю спожитого за даний період часу кисню - дихальному коефіцієнту (ДК) - можна встановити, які речовини окисляються в організмі. ДК при окислюванні білків дорівнює 0,8, при окислюванні жирів - 0,7, а вуглеводів - 1,0. Кожному значенню ДК відповідає певний холеричний еквівалент кисню, тобто та кількість тепла, що виділяється при окислюванні якої-небудь речовини на кожний літр поглиненого при цьому кисню. Кількість енергії на одиницю споживаного 02 залежить від типу речовин, що окисляються в організмі. Калоричний еквівалент кисню при окислюванні вуглеводів дорівнює 21 кДж на 1 л 02 (5 ккал/л), білків - 18,7 кДж (4,5 ккал), жирів - 19,8 кДж (4,74 ккал) (2).

Для непрямого визначення інтенсивності обміну можуть бути використані деякі фізіологічні параметри, пов'язані зі споживанням кисню: частота подихів і вентиляційний обсяг, частота скорочень серця й хвилинний обсяг кровотока - всі вони відбивають витрати енергії. Однак ці показники недостатньо точні.

Швидкість метаболізму

Мінливість температури тягне за собою відповідні зміни швидкості обмінних реакцій. Оскільки динаміка температури тіла пойкилотермных організмів визначається змінами температури середовища інтенсивність метаболізму також виявляється в прямій залежності від зовнішньої температури. Швидкість споживання кисню, зокрема, при швидкі зміни температури слід за цими змінами, збільшуючи при підвищенні її і зменшуючи при зниженні. То ж відноситься і до інших фізіологічних функцій: частота серцебиття, інтенсивність травлення і т. д. У рослин в залежності від температури змінюються темпи надходження води і поживних речовин через коріння: підвищення температури до певної межі збільшує проникність протоплазми для води. Показано, що при пониженні температури від 20 до 0'С поглинання води корінням зменшується на 60 - 70%. Як і у тварин, підвищення температури викликає у рослин посилення дихання (2).

Останній приклад показує, що вплив температури не прямолінійно: по досягненні певного порогу стимуляція процесу змінюється його придушенням. Це загальне правило, таке, що пояснюється наближенням до зоні порогу нормального життя.

У тварин залежність від температури досить помітно виражена в змінах активності, яка відображає сумарну реакцію організму і у пойкилотермных форм самим істотно залежить від температурних умов. Добре відомо, що комахи, ящірки і багато інші тварини найбільш рухливі в теплу пору доби та в теплі дні, тоді як за прохолодної погоди вони стають млявими, мало. Початок їх активної діяльності визначається швидкістю розігрівання організму, залежить від температури середовища від прямого сонячного опромінення. Рівень рухливості активних тварин в принципі також пов'язаний з навколишнього температурою, хоча у найбільш активних форм цей зв'язок може "маскуватися" ендогенної теплопродукцией, пов’язаної з роботою мускулатури (1).

Основний обмін

Інтенсивність енергетичного обміну значно варіює й залежить від багатьох факторів. Тому для порівняння енергетичних витрат у різних людей була уведена умовна стандартна величина - основний обмін. Основний обмін (00) - це мінімальні для бадьорого організму витрати енергії, певні в строго контрольованих стандартних умовах (1):

1. при комфортній температурі ( 18-20 градусів тепла);

2. у положенні лежачи (але обстежуваний не повинен спати);

3. у стані емоційного спокою, тому що стрес підсилює метаболізм;

4. натще, тобто через 12- 16 год послу останнього прийому їжі.

Основний обмін залежить від підлоги, віку, росту й маси тіла людини. Величина основного обміну в середньому становить 1 ккал в 1 год на 1 кг маси тіла. У чоловіків у добу основний обмін приблизно дорівнює 1700 ккал, у жінок основний обмін на 1 кг маси тіла приблизно на 10% менше, ніж у чоловіків, у дітей він більше, ніж у дорослих, і зі збільшенням віку поступово знижується.

Добова витрата енергії

Добова витрата енергії в здорової людини значно перевищує величину основного обміну й складається з наступних компонентів: основного обміну; робочого збільшення, тобто енерговитрат, пов'язаних з виконанням тої або іншої роботи; специфічного-динамічної дії їжі. Сукупність компонентів добової витрати енергії становить робочий обмін. М'язова робота істотно змінює інтенсивність обміну. Ніж інтенсивніше виконувана робота, тим вище витрати енергії. Ступінь енергетичних витрат при різній фізичній активності визначається коефіцієнтом фізичної активності - відношенням загальних енерговитрат на всі види діяльності в добу до величини основного обміну. По цьому принципі все населення ділиться на 5 груп (1).