Физико-химические процессы в организме человека Часть 4

соль, а ионы Н+, соединяясь с ионами НСО3—, образуют малодиссоциирующую Н2С03.
Таким образом, предотвращается повышение концентрации водородных ионов в крови.
Увеличение в крови содержания угольной кислоты приводит к тому, что ее ангидрид —
углекислый газ — в большом количестве выделяется легкими. В результате всех этих процессов
при поступлении в кровь кислоты происходит, в конечном счете, лишь некоторое временное
повышение содержания в крови нейтральной соли и не происходит сдвига активной реакции
крови. В случае поступления в кровь щелочи она вступает в реакцию с угольной кислотой,
образуя бикарбонат NаНСО3 и воду. Возникший при этом дефицит угольной кислоты немедленно
восполняется уменьшением выделения СO2 легкими.
Величину водородного показателя карбонатной буферной системы можно определить по
формуле:
рН = 6,1 + ℓg (NaНСО3 / Н2СО3)
Фосфатная буферная система образована смесью одноосновного (NaН2РО4) и
двуосновного (Na2НРО4) фосфорнокислого натрия. Первое соединение слабо диссоциирует и
ведет себя как слабая кислота. Второе обладает щелочными свойствами. При введении в кровь
более сильной кислоты она реагирует с Na2НРО4, образуя нейтральную соль и увеличивая
количество малодиссоциирующей одноосновной соли.
Na2НРО4 + Н2СО3 ⇄NaНСО3 + NaН2РО4
В случае же введения в кровь сильной щелочи она реагирует с одноосновной солью,
образуя слабо щелочную двуосновную соль. Активная реакция крови изменяется при этом
незначительно. В обоих случаях избыток одно- или двуосновной соли выделяется с мочой.
Величину водородного показателя фосфатной буферной системы можно вычислить по
формуле:
рН = 6,8 + ℓg (Na2НРО4 / NaН2РО4)
Буферная система белков плазмы осуществляет роль нейтрализации кислот и щелочей
благодаря амфотерным свойствам белков. В кислой среде они ведут себя как щелочи, связывая
кислоты; в щелочной среде белки плазмы крови реагируют как кислоты, связывающие щелочи.
Можно представить себе, что белковый радикал
NH3
В—С
имеет группу NH3, взаимодействующую со свободной
COO—
кислотой или щёлочью и определяет реакцию среды.
В сохранении постоянства реакции крови, помимо дыхательного аппарата, важное
значение принадлежит почкам, удаляющим из организма избыток как кислот, так и щелочей. При
сдвиге активной реакции в кислую сторону, почки выделяют с мочой увеличенные количества
кислого одноосновного фосфата натрия, а при сдвиге в щелочную сторону происходит выделение
с мочой значительных количеств щелочных солей: двуосновного фосфорнокислого и
двууглекислого натрия. В первом случае моча становится резко кислой, а во втором — щелочной
(рН мочи в нормальных условиях равен 4,7—6,5, а при нарушениях кислотно-щелочного
равновесия может достигать 4,5—8,5).
§2. Транспорт кровью дыхательных газов: кислорода и углекислого газа.
Транспорт кровью кислорода. В результате газообмена в лёгких кислород из альвеол
поступает в лёгочные капилляры, по которым проходят эритроциты с находящимся в них
гемоглобином. Гемоглобин (Нb) – красный пигмент крови – является химическим переносчиком
кислорода. Он обладает способностью вступать с кислородом в непрочное, легко распадающееся
соединение – оксигемоглобин (НbО2):
Нb + О2 ⇄НbО2
В крови человека содержание гемоглобина составляет около 15%. В процессе тренировки к
физическим упражнениям оно возрастает. Напротив, при ряде заболеваний оно значительно
уменьшается.
Рис.101. Общая схема обмена газов между воздухом лёгочных пузырьков и кровью.
Молекулярный вес гемоглобина у человека равен 68 000. Молекула Нb состоит из
белковой части – глобина и четырёх частиц, получивших название гем. Каждый гем содержит атом
закисного шестивалентного железа (Fe+6), пять валентных связей которого связывают железо с
различными молекулами, а шестая, ковалентная, связь железа используется для обратимой
комбинации с кислородом (оксигинации). Структурная формула гемма показана на рисунке. К
этому атому закисного железа и присоединяется молекулярный кислород, при этом валентность
железа не меняется. Реакция между гемоглобином и кислородом носит обратимый характер:
Нb + О2 ⇄НbО2
где Нb – символ восстановленного, т.е. не содержащего кислород гемоглобина, а НbО2 – символ
окисленного гемоглобина, или оксигемоглобина. Так как молекула гемоглобина включает в себя 4
частицы гема, она способна присоединить к себе одновременно 4 молекулы кислорода. Поэтому
более точно реакция между гемоглобином и О2 выглядит следующим образом:
ННb4 + 4О2 ⇄Н Нb4 (О2)4
Символ Н Нb показывает, что гемоглобин действует как слабая кислота.
Рис.102. Структурная формула гема.
Рис.103. Кривая диссоциации оксигемоглобина в
крови человека
В тканевых капиллярах происходит процесс диссоциации: кислород поступает в ткани, а
отдавший кислород оксигемоглобин, называют восстановленным или дезоксигемоглобином.
Вместе с венозной кровью эритроциты с восстановленным гемоглобином поступают в лёгкие, где
снова связываются с кислородом.
Кислород из тканевых капилляров доставляется к клеткам, где связывается с углеродом и
водородом, которые отщепляются от высокомолекулярных органических веществ, включённых в
цитоплазму клеток.
Кислород обеспечивает окислительные реакции, которые являются основными
биохимическими процессами, освобождающими энергию. Конечные продукты превращений
веществ – углекислый газ и вода – удаляются из организма.
В быту мы получаем энергию, сжигая топливо в среде, содержащей кислород. Основным
элементом топлива является углерод:
С + О2 = СО2 + 94 Ккал
Точно также энергию получают и клетки нашего организма. Топливом в этом случае
обычно выступает глюкоза, поступающая в кровь из пищи, а кислород организм получает при
дыхании.
Процесс окисления глюкозы является экзотермической реакцией и идёт с выделением
тепла:
С 6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О + 2826 кДж
(1 Дж = 0,239 кал, следовательно: 2826 кДж = 675,4 Ккал)
Рис.104. Общая схема обмена газов между кровью и тканями.
От концентрации гемоглобина зависит кислородная ёмкость крови. Под этой величиной
понимают количество кислорода, которое поглощается 100 мл крови, когда весь её гемоглобин
превращается в форму оксигемоглобина (например, при насыщении крови чистым кислородом).
Каждый грамм гемоглобина может связать 1,36 мл О2. Если в каждых 100 мл крови находится 15
г. гемоглобина, то кислородная ёмкость крови равна 1,36 х 15 = 20,4 мл О2. По мере увеличения
парциального давления кислорода (рО2) процент окисгемоглобина в крови, или процент
насыщения гемоглобина кислородом, растёт. Однако, в зоне малых величин рО2 процент НbО2
увеличивается значительно быстрее, чем в зоне больших величин рО2.
Транспорт кровью углекислого газа.
Двуокись углерода переносится кровью двумя основными способами: 1)физическим
(растворением) и 2)химическим. Растворённый в плазме крови СО2 составляет около 5% общего
количества транспортируемого кровью углекислого газа. 95% СО2 переносится в форме
химической связи с другими веществами, содержащимися в крови.
Углекислый газ находится в крови в одной из трёх химических форм: 1)угольная кислота
(Н2СО3), 2)бикарбонатный ион (НСО3—) и 3)карбгемоглобин (HHbCO2).
Связывание СО2 кровью в капиллярах большого круга. Помимо небольшого количества
СО2, который попадая в кровь, физически растворяется в её плазме, почти весь остальной
углекислый газ, проникающий в плазму капиллярной крови из тканевой жидкости сразу же
диффундирует в эритроциты, где осуществляются две основные химические реакции,
связывающие СО2.
1-я реакция - реакция гидротации СО2 - связывание СО2 с водой с образованием угольной
кислоты (Н2СО3): СО2 + Н2О ⇄Н2СО3
Эта реакция катализируется ферментом – карбоангидразой; участие фермента ускоряет
реакцию в 250 раз. Как только образуется угольная кислота, она немедленно ионизирует, т.е.
диссоциирует на водородный ион (Н+) и бикарбонатный ион (НСО3—): Н2СО3 ⇄Н+ + НСО3—
Следовательно, содержание угольной кислоты в крови ничтожно мало. Полностью 1-я
реакция может быть записана следующим образом:
СО2 + Н2О ⇄Н2СО3 ⇄Н+ + НСО3—
Таким образом, в результате 1-й реакции гидратации образуются бикарбонатные ионы, в
составе которых переносится более 4/5 всего содержащегося в венозной крови СО2. По мере
повышения концентрации бикарбонатных ионов в эритроците они диффундируют в плазму, где
соединяются с ионами Na+, образуя бикарбонат натрия (NaНСО3). Последний действует как
буферный агент, предотвращающий повышение кислотности (снижение рН) крови, особенно в
связи с поступлением в кровь молочной кислоты (HLa) при мышечной работе.
Лактат
HLa + NaНСО3 ⇄NaLa + Н2СО3 ⇄Н2О + СО2↑
2-я реакция: связывание СО2 с белками крови и образование карбаминовых соединений.
Небольшая часть СО2 связывается прямо в плазме с её белками. Однако в основном эта реакция
осуществляется внутри эритроцитов, где СО2 соединяется с гемоглобином, образуя
карбгемоглобин. СО2 реагирует с глобином, не затрагивая частиц гема, которые сохраняют
возможность связи с О2.
Отдача СО2 кровью в лёгочных капиллярах. В крови альвеолярных капилляров
наблюдается серия противоположных по направлению реакций, которые происходят в основном
в эритроцитах и приводят к освобождению СО2 из химических связей и выходу его из крови.
Главная из них – реакция дегидратации – совершается в эритроцитах с участием карбоангидразы:
Н+ + НСО3— ⇄Н2СО3 ⇄Н2О + СО2
Благодаря непрерывному устранению конечного продукта (выходу СО2 из эритроцитов)
реакция идёт слева направо, как и другая реакция – диссоциация карбгемоглобина с
освобождением СО2 и присоединением О2 к восстановленному гемоглобину:
О2 + H HbCO2⇄H HbO2 + CO2 ⇄HbO2 + Н+ + СО2
Изменения крови при двигательной активности. Работа мышц приводит к сдвигу крови в
кислую сторону, и рН уменьшается. Так, например, после напряженного бега может быть сдвиг рН
даже до 6,95. При работе может значительно возрастать концентрация молочной кислоты. Под
влиянием длительной мышечной работы увеличивается вязкость крови на 10% и более.
Во время мышечной работы в крови возрастает количество лейкоцитов и тромбоцитов.
Увеличение их числа и ускорение свёртываемости крови представляют собой защитные реакции.
Подобные сдвиги биологически целесообразны, так как мышечная работа в какой-то мере может
быть связана с опасностью кровотечений и инфицирования. Таким образом, мышечная работа
стимулирует соответствующие защитные реакции организма.
При угаре человек погибает от удушья, несмотря на то, сто кислород в
лёгкие поступает в достаточном количестве, а примесь оксида углерода в
крови составляет всего 0,1%.
Почему возникает удушье? Что нужно сделать чтобы человек не погиб?
Тема 6. Обмен веществ и энергии.
§1. Первое начало термодинамики, применимость к организму человека.
В термодинамике различают изолированные системы, не обменивающиеся энергией и
веществом с окружающей средой, и открытые системы, в которых такой обмен происходит.
Живые организмы относятся к открытым системам.
Энергию системы (W) можно представить состоящей из двух частей: Wц, которая зависит
от движения и положения системы как целого, и U – внутренней энергии системы, независящей от
этих факторов:
W = Wц + U
Первое начало термодинамики представляет собой одну из форм записи закона сохранения
энергии. Смысл первого начала термодинамики сводится к тому, что изменение внутренней
энергии системы может произойти при обмене энергии с окружающей средой. Энергетический
обмен между системой и средой осуществляется двумя способами – посредством передачи тепла
(Q) и путём совершения работы (A):
U2 ─ U1 = Q ─ A или Q = (U2 ─ U1) + A
Эта формула и выражает первое начало термодинамики. Применимость первого начала
термодинамики к биологическим системам никогда не вызывала сомнений. Но применительно к
биологии его формула недостаточно учитывает суть термодинамических процессов,
происходящих в живых организмах.
Человек как тепловой двигатель. Аналогию между организмом человека и двигателем
можно продолжить. Действительно, каждый двигатель характеризуется коэффициентом
полезного действия, т.е. отношением полезной работы (мощности) к затраченной работе (мощности).
Однако в отличие от искусственных двигателей скорость совершения работы живым
существом не поддается регулированию. Ее значение определяется скоростью протекания
химической реакции окисления, характер которой устанавливается в процессе естественного
отбора применительно к условиям на поверхности планеты. Условия сгорания углеводородного
топлива в клетках мышц человека таковы, что только 25% выделяемой при этом энергии
переходит в механическую работу, а остальные 75% превращаются в бесполезную теплоту. Таким
образом, коэффициент полезного действия человеческого организма сравнительно мал и
составляет 10-25% в зависимости от видов деятельности.
В отличие от тепловых машин, живые организмы производят работу не за счёт тепловой
энергии, а посредством использования химической энергии пищевых продуктов, усвоенных ими.
Поэтому формулу, согласно которой изменение внутренней энергии системы равно её обмену с
окружающей средой удобнее записать так:
U2 ─ U1 = Wпищи ─ Q ─ A
Перед Q стоит знак «─», так как биологические системы отдают тепло окружающей среде.
Организм гомойотермных животных имеет постоянную температуру, и химический состав
его в среднем не изменяется , поэтому и внутренняя энергия такого организма приблизительно
постоянна. Следовательно, U2 ─ U1 = 0. В этом случае:
Wпищи = Q + A
т.е., свободную энергию питательных веществ организм преобразует в тепло и тратит на
совершение различных форм полезной работы (химической, обеспечивающей биосинтез;
осмотической - поддержание физико-химических градиентов на клеточных мембранах,
обеспечивающих трансорт веществ в организме; механической – для обеспечения двигательной
активности).
§2. Температура тела человека. Химическая и физическая терморегуляция. Способы
теплообмена.
Температура тела человека относительно постоянна и в норме колеблется в течение
суток в очень узких пределах: от +36,40С до +37,50С. Этот диапазон температур наиболее
благоприятен для протекания всех химических реакций, для деятельности головного мозга и всего
организма.
Рис.105. Суточные колебания
температуры тела у человека.
Рис.106. Температура различных
областей тела человека в условиях
холода (А) и тепла (Б)
Температура различных частей тела у человека неодинакова. Принято условно различать в
нём наружную – оболочку и внутреннюю – ядро. Ядро включает в себя мозг и органы,
расположенные в грудной и брюшной полостях и в малом тазу. Их температура практически
всегда строго постоянна и не зависит от температуры внешней среды. Оболочка включает органы
и ткани, расположенные на периферии тела. К ним относятся кожа и скелетная мускулатура.
Температура оболочки непостоянна и большой мере зависит от температуры среды .
Рис.107. Температура
различных участков кожи у
человека в состоянии покоя
Рис.108. Изменение температуры
тела (1), кожи лба (2), кожи кисти (3)
и кожи стопы (4) при изменении
температуры окружающей среды
Различают механизмы химической и физической терморегуляции. Под химической
терморегуляцией (теплопродукцией) понимают возможность усиления или ослабления
теплопродукции за счёт изменения интенсивности экзотермических реакций окисления белков,
жиров и углеводов, в ходе которых синтезируется АТФ (с КПД от 40 до 60%), а также реакций
гидролиза АТФ, обеспечивающих различные виды полезной работы организма (с КПД 2025%).
Химическая терморегуляция (теплообразование) усиливается главным образом за счёт
активизации произвольных и непроизвольных (дрожь, напряжение мышц) сокращений скелетных
мышц. В особых случаях (например, при сильном охлаждении) организм пребегает к усилению
метаболизма.
Параллельно с совершением работы организм преобразует свободную энергию
питательных веществ в тепло. Тепловые потери присущи биологическому окислению
питательных веществ, в ходе которого синтезируется АТФ. Выделяющуюся при этом энергию
называют первичным теплом. Всё остальное теплообразование (при синтезе макромолекул,
поддержании градиентов для активного транспорта веществ, биоэлектрогенезе, мышечных
сокращениях и т.д.) называют вторичным теплом.
Актуальна для живых организмов и обратная задача: часто условия в окружающей среде
складываются так, что организмы страдают от перегрева.
В обычных условиях основным способом поддержания постоянства температуры тела
является физическая терморегуляция (теплоотдача), т.е. изменение уровня теплообмена.
Теплообмен осуществляется на поверхности тела, причём различают 4 основных его способа:
испарение, теплопроводность, конвекцию, теплоизлучение.
Борьба с перегревом осуществляется в основном путем увеличения испарения.
Потоотделение — важный фактор терморегуляции организма человека, поскольку благодаря
испарению пота кожа охлаждается. Различные участки поверхности тела человека по-разному
обеспечены потовыми железами. Во время напряженной работы и при некоторых видах
заболеваний потоотделение усиливается. Его активность претерпевает также возрастные
изменения. Например, при нормальных условиях (температура 18—20°С, влажность 65—75%) с
поверхности стопы взрослого человека за 1 ч выделяется 1,5—3 г влаги, при физической нагрузке
— 8—12 г. В сутки количество влаги, испарившейся с поверхности тела человека, достигает 500 мл.
Тепло, отдаваемое организмом путём испарения, вычисляется по формуле:
QL = L• m
где L – удельная теплота испарения (для воды L ≈ 530 ккал•кг─1);
m – масса жидкости,
испарившейся с поверхности кожи и со слизистых оболочек.
Испарение – наиболее эффективный способ теплообмена организма при высокой
температуре и низкой влажности внешней среды. Все остальные способы теплоотдачи
функционируют только тогда, когда температура внешней среды ниже, чем температура кожи
человека. В противном случае они превращаются в механизмы дополнительного нагрева
организма.
Вторым способом теплообмена является изменение теплопроводности.
Уменьшить потери энергии организмом можно путем создания специальной
теплоизолирующей прослойки между ним и окружающей его более холодной средой. У
животных с этой целью используются покровы из шерсти, пуха, жировой ткани — материалов,
характеризующихся низкой теплопроводностью. У человека эту функцию выполняет одежда.
Одежда согревает нас потому, что она удерживает нагретый нами воздух и не дает ему легко
уходить от тела.
Тепловая энергия, переносимая посредством теплопроводности (Qт), вычисляется по
формуле:
Qт = kт • (Тт ─ Тс)•S•t / L
kт – коэффициент теплопроводности, характеризующий материал, через который
происходит перенос тепла; S – поверхность контакта тела со средой; t – время теплообмена; L –
толщина слоя, через который переносится тепло; (Тт ─ Тс) – разность температур между
поверхность тела (Тт ) и окружающей средой (Тс), реально Тт - это температура кожи, у человека
она составляет 33-340С;
В отсутствие одежды наше тело нагревалось бы воздухом, соприкасающимся с кожей, и
вскоре было бы достигнуто достаточно комфортное состояние, поскольку воздух — хороший
теплоизолятор. Однако достаточно легкого дуновения ветерка или движения человека, чтобы
воздух пришел в движение, и теплые его слои сменились холодными (конвекция).
Конвекцией называют перенос тепла перемещающейся средой (движущимся газом или
жидкостью). Перенос тепла при конвекции описывается такой же формулой, как и при
теплопроводности, но коэффициент k – не имеет постоянного значения.
Перенос тепла излучением осуществляется путём испускания инфракрасных лучей с
поверхности тела. В соответствии с законом Вина, максимум излучения при температуре
поверхности человеческого тела приходится на длину волны около 10 мкм. Энергию, излучаемую
с единицы поверхности тела, можно приближённо расчитать по формуле, полученной из закона
Стефана-Больцмана:
QR = •S•(Т4т ─ Т4c)
Сколько тепла теряет человек за 1 мин в результате
лучеиспускания, если поверхность тела имеет температуру 320С, а
площадь 1,2 м2 ? Температура помещения 170С.
Важным аспектом поддержания постоянной температуры тела, наряду с
физиологическими механизмами, является поведенческая терморегуляция. Если на улице мороз,
то чекловек стремится по возможности сократить время пребывания на открытом воздухе или
одевает более тёплую одежду. Зимой в пищевой рацион включают больше жиров, что
способствует усилению теплообразования в организме.
Обсудите условия, при которых становится наиболее значительным
вклад каждого из 4 компонентов теплоотдачи: 1)за счёт теплопроведения;
2)путём конвекции; 3)теплоизлучением; 4)путём испарения.
Человек чувствует себя нормально при температуре воздуха 18°С, а
при температуре воздуха 30°С ему очень жарко. В воде же, наоборот, при
18°С - ему холодно, при 30°С человек чувствует себя нормально.
Обсудите вопросы:
- почему температура воздуха 240С в Санкт-Петербурге переносится
гораздо хуже, чем 370С в Средней Азии?
- почему люди получают удовольствие, находясь в сауне?
Наружная поверхность мышцы имеет температуру 350С,
внутренняя 370С. Толщина мышцы 5 •10-3 м. Чему равен коэффициент
теплопроводности мышцы, если через каждый квадратный сантиметр её
поверхности за 1 час проходит 72 Дж?
Оставаясь продолжительное время в сырой одежде, можно
простудиться даже в теплый летний вечер. Почему?
Ноги в тесной обуви зимой замерзает, а летом сильно нагреваются.
Объясните причины этих явлений,
Одному человеку, чтобы простудиться, достаточно ступить ногой на
холодный пол, а другой купается зимой в проруби и прекрасно себя
чувствует. Один спокойно работает на поле под лучами палящего солнца,
а другой изнемогает от жары. Объясните разницу в процессах
терморегуляции у этих двух людей.
Если поместить человека в бассейн, температура воды которого
достигает 50-60°С, то произойдет перегревание организма вплоть до
ожогов кожи. Почему же при температуре воздуха 50-60°С человек не
получает ожогов?
§3. Энергетический баланс организма. Основной обмен. Рабочая прибавка.
Энергетическим балансом называется соотношение энергии, поступающей в организм с
питательными веществами и выделяемой во внешнюю среду.
Расход энергии в состоянии полного мышечного покоя, натощак, при температуре
окружающей среды, равной 20-220С, называется основным обменом. В этих условиях расход
энергии взрослого человека составляет в среднем 1 ккал за 1 час на 1 кг веса.
Основной обмен энергии увеличивается с возрастом (рис.109, таб.7), с наибольшей
скоростью – в первый год после рождения (приблизительно от 120 до 600 ккал в сутки). После
этого прирост основного обмена замедляется и вновь ускоряется в период полового созревания.
Рис.109. Изменение основного обмена с
возрастом.
По оси абсцисс – возраст (годы),
по оси ординат – основной обмен (ккал/сутки)
Рис.110. Изменения основного обмена,
приходящегося на 1 кг массы тела (А) и на 1 м2
поверхности тела (Б)
По осям абсцисс – возраст; по осям ординат: А
- ккал•кг-─1• час-─1; Б - ккал•м-─2• сут-─1
Согласно правилу поверхности тела, сформулированному М.Рубнером, затраты энергии
теплокровными животными пропорциональны величине поверхности тела. Поэтому величины
основного обмена, приходящиеся на единицу поверхности тела, не зависят от размера организма.
Основной обмен у взрослых приблизительно соответствует правилу поверхности; у детей имеются
значительные отклонения (см. таблицу 7).
Возрастные изменения основного обмена (Таблица 7)
Возраст
Основной обмен
ккал в сутки
ккал•м─2 в сутки
ккал•кг─1 в 1 час
1-й день
122
580
1,5
1 месяц
205
860
2,0
3 месяц
330
1075
2,3
6 месяц
445
1193
2,3
9 месяц
540
1287
2,3
1 год
580
1318
2,4
3 года
750
1240
2,1
5 лет
840
1164
2,0
10 лет
1120
1096
1,6
14 лет
1360
1028
1,4
Взрослые
1700
1000
1,0
Используя данные таблицы 7, рассчитайте и сравните величины
основного обмена энергии в сутки для новорожденного (масса тела 3 кг),
пятилетнего ребёнка (масса тела 17 кг) и подростка 14 лет (масса тела 35
кг).
Практическая работа №14. Расчёт индивидуального должного основного обмена.
Величина основного обмена у детей в зависимости от массы тела за сутки (Таб.8)
14
15
16
17
18
19
20
22
24
26
28
30
32
34
36
38
40
42
44
1140
1190
1230
1270
1305
1340
1370
1400
девочки
687
718
747
775
802
827
852
898
942
984
1025
мальчики
700
725
750
780
810
840
870
910
980
1070
1100
ккал
масса, кг
масса, кг
девочки
136
205
274
336
395
448
496
541
582
620
665
девочки
150
210
270
330
390
445
495
545
590
625
665
ккал
мальчики
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
мальчики
масса, кг
ккал
1063
1101
1137
1173
1207
1241
1274
1305
Используя данные таблицы 8, определите величину своего основного
обмена.
Затраты энергии на рост. У детей часть энергии расходуется на рост. В связи с ростом
приход энергии (Эп) превышает её расход (Эр). В организме детей происходит накопление энергии
(Эн), заключённой в химических связях вновь образующихся тканей:
Эп = Э р + Э н
Рабочая прибавка. Суточный расход энергии у здорового человека, проводящего часть
суток в движении и физической работе, значительно превышает величину основного обмена. Это
увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку. В таблице 9 приведён
ориентировочный расход энергии на 1 кг веса тела в течение обычного учебного дня школьника.
Таблица 9.
Вид деятельности
Расход
энергии
за 1 мин
на
Ориентиро-
Расход энергии
вочная
(в ккал) с учетом
1 кг веса
тела
продолжительность
продолжительности
при весе
(ккал /
(кг•мин)
деятельности
(мин)
50 кг
Утренняя
гимнастика
0,0648
15
48,6
Уборка постели
0.0329
10
16,45
Личная гигиена
0.0329
10
16.45
Одевание
0.0281
10
14,05
Ходьба в школу
0,057
15
42,75
Учеба в школе (без
урока
физкультуры)
0,08
360
1440,0
Ходьба из школы
0,057
15
42,75
Отдых после
обеда
0.0229
30
34,35
Прогулка
0,057
60
171,0
Приготовление
уроков
0,08
120
480.0
Просмотр
телепередач
0,023
60
69,0
Личная гигиена
0.0329
10
16,45
Разборка постели
0,0329
5
8,225
Итого:
12 часов
≈2400 ккал
Вычислите расход энергии в течение своего учебного дня. Для этого
возьмите за основу данные таблицы 9, учтите свой вес и внесите
коррективы в вид и продолжительность своей деятельности.
§4. Понятие об обмене веществ. Калорический эквивалент. Дыхательный
коэффициент. Обмен белков, жиров и углеводов.
Поступившие в организм пищевые вещества в результате сложных превращений
распадаются на относительно простые химические соединения, которые усваиваются организмом
и служат пластическим материалом для его построения. При распаде и превращениях пищевых
веществ выделяется энергия, которую организм использует для осуществления своих функций.
Ненужные вещества выводятся из организма. Совокупность всех этих процессов
называется обменом веществ. Поглощаемый организмом кислород используется для окисления
белков, жиров и углеводов. Окислительный распад 1 г каждого из этих веществ требует
неодинаковых количеств кислорода и сопровождается освобождением различных количеств тепла.
Таблица 10
Вещество,
Освобождается
Освобождается
Потребляется
окисляющееся
при потребле-нии 1 л О2
килокалорий
О2 (в литрах)
в организме
килокалорий
Белки
4,1
0,966
4,60
Жиры
9,3
2,019
4,69
Углеводы
4,1
0,830
5,05
Количество тепла, освобождающегося при потреблении организмом 1 л кислорода, носит
название калорического эквивалента кислорода.
Таким образом, зная общее количество кислорода, использованного организмом, можно
вычислить энергетические затраты только в том случае, если известно, какие вещества – белки,
жиры или углеводы – окислились в теле. В опытах по исследованию газообмена показателем этого
может служить дыхательный коэффициент.
Дыхательным коэффициентом называется соотношение между объёмами выделенной
углекислоты и поглощённого кислорода. Например, окисление молекулы глюкозы можно
выразить формулой:
С6Н12О6 + 6О2 = 6СО2 + 6Н2О
Как видно из формулы: количество молекул образовавшегося СО2 и поглощённого О2 равны.
Равное количество молекул газа при одной и той же температуре и одном и том же давлении
занимает один и тот же объём (закон Авогадро). Следовательно, дыхательный коэффициент (ДК):
ДК = объём выделенного СО2 : объём потреблённого О2 = 6 : 6 = 1
Аналогичные расчёты для белков дадут ДК = 0,8, для жиров
человека ДК = 0,85  0,9.
ДК = 0,7. При смешанной пище у
Определённому дыхательному коэффициенту соответствует определённый калорический
эквивалент кислорода.
Таблица 11
ДК
0,70
0,75
0,80
0,85
0,90
0,95
1,0
КЭ (ккал/л 02) 4,686 4,739 4,801 4,862 4,924 4,985 5,057
Используя данные таблицы 11, вычислите расход энергии человека в минуту
в состоянии мышечного покоя, если известно, что он поглощает в минуту 360 мл
кислорода, а его
ДК = 0,85.
Во время интенсивной мышечной работы ДК повышается,
приближается к единице. Это объясняется тем, что главным
источником энергии во время интенсивной работы является
окисление углеводов. По окончании работы ДК в первые минуты
восстановления может превысить единицу (см. рис.111). Это
объясняется тем, что в мышцах во время работы накапливается
молочная кислота, на окисление которой во время работы не
хватало кислорода (образуется кислородный долг). Это приводит
к выделению большого количества СО2 . В результате в начале
восстановитель-ного периода ДК повышается.
Рис.111. Изменения ДК
во время двухчасовой
интенсивной работы и после
неё у четырёх испытуемых
Обмен белков. Белки расщепляются в пищеварительном тракте до аминокислот и
низкомолекулярных полипептидов, которые всасываются в кровь. С током крови они поступают
в печень, где часть из них подвергается дезаминированию и переаминированию; эти процессы
обеспечивают синтез некоторых аминокислот и белков. Из печени аминокислоты поступают в
ткани тела, где используются для синтеза белка. Избыток белка, поступившего с пищей,
превращается в углеводы и жиры. Конечные продукты распада белков — мочевина, аммиак,
мочевая кислота, креатинин и другие — выводятся из организма с мочой и потом.
Рис.112. Последовательность расщепления белков в разных участках пищеварительного тракта.
Об использовании белков в организме судят по азотистому балансу. Его можно рассчитать
по количеству азота, поступившего с пищей и выведенного с мочой, потом и калом. Если количества поступившего и выведенного азота одинаковы, это свидетельствует об азотистом
равновесии: поступление белка равно его расходу. Если поступившего азота больше, чем выве-
денного, то это положительный азотистый баланс: поступление белка с пищей превышает его
расход. Если же количество поступившего азота меньше выведенного из организма, то это
свидетельствует об отрицательном азотистом обмене: белка поступает меньше, чем расходуется.
Отрицательный азотистый баланс возникает при неправильном питании и голодании.
Обсудите термины:
- белковый минимум и оптимум;
- азотистое равновесие;
-«заменимые»
и
«незаменимые»
аминокислоты.
Сущность углеводного обмена заключается в следующем. Крахмал, содержащийся в
пище, в кишечнике расщепляется до глюкозы, которая всасывается в кровь. Незначительная часть
глюкозы извлекается из крови тканями, а большая часть превращается в гликоген в печени.
Рис. 113. Последовательность расщепления углеводов в разных участках пищеварительного
тракта.
При необходимости запасенный в печени гликоген вновь разлагается до глюкозы и
используется тканями организма. Этот процесс можно представить как ряд последовательных
этапов:
1) распад крахмала пищи в пищеварительном тракте до глюкозы и ее всасывание в кровь;
2) транспорт глюкозы кровью в печень;
3) образование гликогена в печени;
4) превращение его вновь в глюкозу и выход ее в кровь;
5) усвоение глюкозы (С6Н12О6) из крови тканями и её расщепление в клетках, в результате
чего высвобождается энергия (Q).
С6Н12О6 + 6О2 → 6СО2 + 6Н2О + Q
Концентрация глюкозы в крови служит показателем всех этапов углеводного обмена. В
норме она колеблется от 0,08 до 0,12%. Уменьшение содержания глюкозы в крови ниже 0,07%
называется гипогликемией. Это состояние сопровождается сильным чувством голода, мышечной
слабостью, падением температуры тела, возникновением судорог, потерей сознания. Увеличение
содержания глюкозы выше 0,12% вызывает гипергликемию.
Уровень глюкозы в крови — важный показатель работоспособности. Многочисленные
наблюдения за спортсменами показывают, что их работоспособность снижается параллельно
уменьшению концентрации глюкозы в крови. Прием глюкозы во время работы поддерживает ее
концентрацию на постоянном уровне и тем самым способствует сохранению работоспособности.
При длительной и тяжелой работе может возникнуть гипогликемия. При концентрации глюкозы в
крови ниже 0,038% работа невозможна.
Таким образом, сущность углеводного обмена сводится к поддержанию оптимальной
концентрации глюкозы в крови.
Суточная потребность в углеводах у взрослого человека составляет 400500 г (6,5 г на 1 кг
массы тела). У детей потребность в углеводах выше, чем у взрослых: в грудном возрасте она равна
1015 г на 1 кг массы тела; со временем она постепенно уменьшается до 89 г на 1 кг массы тела.
Рис.114. Последовательность расщепления жиров в разных участках пищеварительного тракта.
Жиры пищи расщепляются в пищеварительном тракте на глицерин и жирные кислоты,
которые всасываются в лимфу. Из лимфы они попадают в кровь. Жиры выполняют несколько
функций: 1) окисляются, освобождая при этом энергию; при окислении 1 г жира освобождается
39,06 кДж; 2) превращаются в печени в гликоген, который затем используется как источник
глюкозы; 3) служат пластическим веществом для образования специальных тканевых структур; из
липоидов (жироподобных веществ) строится оболочка клеток, они входят в состав медиаторов и
т.п.; 4)откладываются в виде жировых отложений (жировых депо) и по мере надобности
используютс организмом.
Суточная потребность в жирах у детей до 4 лет составляет 3,54 г, а у старших
дошкольников и школьников – 22,5 г на 1 кг массы тела. Взрослый человек должен ежедневно
потреблять 80100 г жиров.
Рис.115. Общая схема обмена белков.
Рис.116. Общая схема обмена углеводов.
Рис.117. Общая схема обмена жиров.
1.Представьте в виде схемы последовательность процессов
превращения углеводов в организме.
2.Представьте в виде схемы последовательность процессов
превращения высокомолекулярных жирных кислот и нейтрального жира
в организме.
Таблица 12
Содержание питательных веществ в 100 г некоторых пищевых продуктов.
Название продукта Белки, г Жиры, г Углеводы, г Клетчатка, г
кура
18,2
18,4
-
-
гречневая ядрица
12,6
3,3
65,0
1,1
масло подсолнечное
0
99,9
0
-
творог нежирный
18,0
0.6
1, 8
-
сыр голландский
26.8
27,3
0
-
масло сливочное
0,6
82,5
0,9
-
хлеб дарницкий
6,6
1.1
41.0
1,2
-
-
-
-
-
99,8
-
чай
сахарный песок
Попробуйте разработать меню завтрака энергетическая ценность
которого 800 ккал, используя продукты, названные в таблице 12.
В среднем калорическая стоимость
1 г белка  4,1 ккал, 1 г жира
 9,3 ккал, 1 г углеводов  4,1 ккал,
Требования к составлению суточного рациона. Питательные вещества разного рода
должны находиться в определенных соотношениях, обоснованных опытом. В пище взрослого
человека белки (Б), жиры (Ж) и углеводы (У) должны иметь соотношение Б: Ж: У = 1 : 1 : 4 или
близкое к этому.
Потребность в белке вполне удовлетворяется при наличии его в пище в количестве 100—
120 г..
Исходя из этих данных, взрослый человек с малой и средней мышечной нагрузкой должен
получать с пищей в сутки: белков 100—120 г, жиров — около 100 г,; углеводов — 400—500 г.
Расход энергии в этих условиях равняется 50—60 ккал на 1 кг массы в сутки.
Для оценки потребности в питательных веществах детей и подростков можно
воспользоваться таблицей
Таблица 13
Суточные нормы белков, жиров и углеводов в пище детей и подростков (в граммах)
Возраст
Белки
на 1 кг веса
до 2  3
Жиры Углеводы Калории
всего
2 2,51
8  101 2530
5055
450550
2  2,51
12  151 3540
6075
650750
месяцев
56
месяцев
1  1,5 года
3,54
3545
4050
90120 10001200
3  4 года
3,5
5060
6070 150200 16001800
5  7 лет
3,5
6575
7580 250300 18002300
8  11 лет
3
7595
8095 350400 24002800
12  14 лет
2,5
90110 90100 400500 28003300
15  16 лет
2
100120 90110 450500 32003500
1
При искусственном вскармливании в 1,5 раза больше.
Практическая работа №15. Расчёт индивидуального суточного рациона.
Таблица 14
Содержание основных веществ и энергетическая ценность некоторых продуктов питания
(в 100 г продукта).
Название
продукта
Белки, г
Основные пищевые вещества
Энергетическая
Жиры, г
ценность,
Углеводы, г
ккал
Гречневая ядрица
12,6
3,3
68,0
352
Манная
10,3
1,0
73,3
343
Рисовая
7,0
1,0
77,3
346
Пшено
11,5
3,3
69,3
353
Овсяная
11,0
6,1
65,4
360
Горох лущёный
23,0
1,6
57,7
337
Макаронные
изделия
10,4
1,1
75,2
352
Хлеб дарницкий
6,6
1,1
41,0
203
Батон нарезной
8,2
1,5
53,2
260
Молоко 2,5%
жирности
2,82
2,5
4,73
53
Сметана 25%
жирности
2,6
25,0
2,7
248
молочный
Масло сливочное
0,5
82,5
0,8
748
Кефир жирный
2,8
3,2
4,1
52
Творог жирный
14,0
18,0
2,8
232
Сыр Российский
23,0
29,0
-
359
Масло
подсолнечное
-
99,9
-
899
Картофель
2,0
0,4
19,7
91
Морковь
1,3
0,1
7,0
35
Яблоки
0,4
0,4
11,3
53
Сок
апельсиновый
0,8
-
12,8
57
Сок яблочный
0,5
-
9,1
40
Говядина 1-й
категории
18,6
16,0
-
218
Сосиски русские
11,3
22,0
-
243
Куры 1-й
категории
18,2
18,4
0,7
241
Яйца куриные
12,7
11,5
0,7
157
Треска
16,0
0,6
-
69
Сахар песок
-
-
99,8
399
Мёд натуральный
0,8
-
80,3
328
Шоколад без
добавлений
5,4
35,3
52,6
552
Используя данные таблиц 13 и 14,
попробуйте составить собственный суточный
рацион.
Для этого берут из таблицы 13
потребность в килокалориях, белках, жирах
и углеводах и делят эти величины на части,
соответствующие завтраку, обеду и ужину.
Приемы пищи должны быть правильно
распределены в течение дня. Исходим из
трехразового питания. На завтрак должно
приходиться
около
30%
суточной
калорийности, на обед 50%, на ужин — 20%..
В вечерние часы не рекомендуется прием
больших количеств белка (учитывается
специфически
динамическое
действие
пищи) и жиров. Затем, используя данные
таблицы 14, заполняют таблицу 15.
Таблица 15
Название
продукта и
его
количество
Основные пищевые вещества
Белки, г
Жиры, г
Углеводы, г
Энергетическая
ценность,
ккал
Завтрак
Итого:
Обед
Итого:
Ужин
Итого:
Всего:
Тема 7. Биофизика зрения.
§1.Оптическая система глаза. Редуцированный глаз человека. Аккомодация. Оптическая
сила.
Орган зрительной рецепции — глаз — включает рецепторный аппарат, находящийся в
сетчатке, и оптическую систему, которая фокусирует световые лучи и обеспечивает четкое
изображение предметов на сетчатке в уменьшенном и обратном виде (рис.108). Перед глазом
помещён элемент таблицы Сивцева–буква К
Её действительное, уменьшенное и обратное изображение в центральной ямке желтого пятна
сетчатки - К .
Рис.118. Схема горизонтального разреза правого глаза
человека. ОО - главная (оптическая) ось
светопреломляющей системы глаза; КК - зрительная ось.
Рис.119. Образование изображения
на сетчатке глаза человека и в
фотоаппарате
Поступающие в глаз световые лучи, прежде чем они попадают на сетчатку, проходят
центрированную оптическую систему, состоящую из нескольких преломляющих сред: роговицы,
влаги передней камеры, хрусталика и стекловидного тела. Спереди хрусталик закрыт радужной
оболочкой с переменным отверстием - зрачком, играющим роль диафрагмы.
При переходе световых лучей из одной среды в другую происходит их преломление –
рефракция. Преломляющие среды глаза играют роль двояковыпуклой линзы, фокусирующей
световые лучи на сетчатке.
Рис.120. Построение изображения в центрированной светопреломляющей системе глаза.
Разный коэффициент преломления глазных сред и различная кривизна сферических
образований глаза затрудняют определение величины изображения на сетчатке. По этой причине
предложено пользоваться упрощенной моделью — так называемым редуцированным глазом,
который рассматривается как однородная сферическая линза.
Преломляющая сила линзы характеризуется её главным фокусным расстоянием или
величиной, обратной этому расстоянию, получившей название диоптрии. Преломляющая сила
оптических линз рассчитывается по формуле:
D=1/f
где f – фокусное расстояние, выраженное в метрах.
В человеческом глазу фокусное расстояние
f  1,7 см = 0,017 м.
Следовательно, для получения сфокусированного изображения на сетчатке при падении
параллельных лучей требуется преломляющая сила:
D = 1 / 0,017  59 диоптрий
Построение изображения предметов в приведённом глазу делается по правилам для
одиночной линзы. Предмет обычно располагается за двойным фокусным расстоянием, и
изображение получается на задней поверхности приведённого глаза действительным, обратным
и уменьшенным (рис.121).