Методы определения расхода энергии

Для определения энергетических затрат организма можно использо­вать три способа:

1) расчет уменьшения энергетических ресурсов организма;

2) определение величины кислородного запроса;

3) измере­ние продукции тепла.

Точное определение первого параметра – уменьшения энергетиче­ских ресурсов – очень осложнено и почти невозможно у людей. Современные методы взятия проб из тканей (биопсия) позволяют установить изменения количества энергобогатых веществ в мышцах и в редких случаях также в печени, но все это недостаточно, чтобы точно определить общий расход энергии всего организма. Изменение такого большого резервуара энергии, как жировая ткань, можно установить только в течение нескольких дней и недель. Если предположить, что поглощаемая пища полностью удовлетворяет все энергетические расходы, то можно было бы установить энергетические расходы по калоражу пищи. Однако такой путь нельзя считать удовлетворительным, так как учет калоража пищи в большинстве случаев неточный (например, при применении соответствующих таблиц) или методически сложный (при прямом определении энергетической ценности пищи). Прежде всего, при таком подходе нельзя оценить энергетические расходы при осуществлении определенного вида деятельности, например при мышечной работе.

Следовательно, остаются два основных метода определения расхода энергии – по кислородному запросу или продукции тепла.

2.1 Прямая калориметрия

Метод определения расхода энергии по измерению продукции тепла называется «прямой калориметрией». Она производится в специальных герметически закрытых калориметрических камерах. Камера термически изолирована от внешней среды. В ней находятся радиаторы, через которые течет вода с постоянной скоростью. Температура воды определяется при входе ее в камеру, а также при выходе из каме­ры. Тепло, выделяемое человеком или животным, находящимся и камере, нагревает эту воду. Зная количество воды, протекающей через камеру, и степень ее нагревания, можно определить количество тепла, освобождаемого телом. Установки для прямой калориметрии доведены до большой точности. Недостатком метода является то, что его возможно использовать только в лабораторных условиях и при ограниченном количестве видов деятельности. Кроме того, для получения достоверных данных период исследования должен длиться несколько часов. Поэтому этот метод не позволяет вести динамическое изучение энергетических затрат за менее продолжительные отрезки времени.

2.2. Непрямая калориметрия

Непрямая, или респираторная, калориметрия основана на определении расхода энергии по кислородному запросу. Исходным моментом этого метода является тот факт, что каждому израсходованному литру О₂ соответствует эквивалентное количество освобождаемой энергии. Это эквивалентное количество энергии определяется величиной калорического эквивалента кислорода КЭК. Калорическим эквивалентом кислорода называется количество энергии, освобождаемое при использовании 1л кислорода. Оно зависит от окисляемого субстрата. При окислении углеводов калорический эквивалент кислорода равен 5,05 ккал, при окислении жира – 4,69 ккал, при окислении белков – 4,60 ккал.

Таким образом, для оценки энергетических расходов по потребле­нию О₂ необходимо определить, что используется в окислительных процессах в качестве субстратов. В подавляющем большинстве случаев субстратами окисления служат углеводы и жиры в определенном соотношении. Доля белков в энергетическом балансе не превышает 15-12%, но и в этом случае в основном безазотный остаток аминокислот предварительно превращается в глюкозу. Соотношение между используемыми в процессе окисления углеводами и жирами оценивается по дыхательному коэффициенту (ДК). ДК – это отношение объема выделяемой углекислоты (Vco2) к объему поглощаемого кислорода (Vo2) за определенный промежуток времени.

ДК = Vco2/Vo2

При окислении глюкозы на каждую молекулу потребленного кислорода образуется одна молекула углекислого газа:

С_вН₁₂О₆ +6О₂ = 6СО₂ + 6Н₂О (1)

Равное количество молекул газа составляет при одинаковых давлении и температуре равный объем газа. Отсюда дыхательный коэффициент при окислении углеводов равен 1,0:

При окислении жира образуется меньше углекислого газа, чем затрачивается кислорода. Это иллюстрирует уравнение окисления трипальмитина:

С₃Н₅(С₁₅Н₃₁СОО)₃+ 1450₂=102СО₂ + 98Н₂О. (2)

Из этого уравнения следует, что при окислении жира дыхательный коэффициент равен 0,7.

Если одновременно окисляются углеводы и жиры, то величина дыхательного коэффициента колеблется от 0,7 до 1,0 соответственно процентному соотношению окисляемых углеводов и жиров. Калорический эквивалент кислорода приобретает соответственно промежуточные значения между 4,69 и 5,05.

Процентное соотношение количества энергии, получаемой за счет окисления углеводов и жиров, и величины калорического эквивалента О₂ при разных дыхательных коэффициентах

Во время выполнения околомаксимальной аэробной мышечной работы и более интенсивной величина дыхательного коэффициента может быть выше 1,0. Это обусловлено усиленным освобождением СО₂ из карбонатной буферной системы при нейтрализации недоокисленных продуктов анаэробного обмена. Поэтому при работах очень большой мощности дыхательный коэффициент нельзя использовать для вычисления расхода энергии.

Практическое применение непрямой калориметрии. Классическим способом применения непрямой калориметрии является метод Дуг­лас-Холдена. Этот метод заключается в заборе выдыхаемого воздуха в большие резиновые (или полиэтиленовые) мешки Дугласа. Исследуемый дышит через загубник, взятый в рот, или резиновую маску, надетую на лицо. В загубнике маске имеются клапаны, устроенные так, что исследуемый свободно вдыхает атмосферный воздух, а выдыхает через соответствующую трубку в мешок Дугласа. Потом с помощью газовых часов измеряют объем воздуха в мешке и анализируют его состав. Процентное содержание О₂ и СО₂ в выдыхаемом воздухе определяется с помощью газоанализатора Холдена или в последние годы посредством автоматических газоанализаторов.

Далее вычисляются следующие показатели:

1) вентиляция легких (V_Е) (л/мин)= Объем воздуха в мешке (л)/Время забора воздуха (мин)

2) процент утилизации кислорода (ΔО2): ΔО ₂ = %О₂ во вдыхаемом воздухе - %О₂ в выдыхаемом воздухе;

3) процент продукции углекислого газа (ΔСО₂ ): ΔСО₂ = %СО₂ во выдыхаемом воздухе - %СО₂ во вдыхаемом воздухе;

4) потребление кислорода: Vо2(л/мин) = (V_Е)× ΔО ₂

5) выделение углекислого газа (V со₂): V со₂₌ V_Е× ΔСО₂

6) дыхательный коэффициент (ДК): ДК= V со_2/Vо2

7) калорический эквивалент кислорода (КЭК): с помощью соответствующей таблицы по величине ДК;

8) расход энергии: расход энергии (ккал) = Vо2 х КЭК.

Объем газа зависит от температуры и давления. Для точного определения расхода энергии величины легочной вентиляции и потребления О₂ приводятся с помощью соответствующих таблиц к стандартным условиям 5ТРО – давление 760мм рт.ст. при температуре 0°.