Екологiя процесiв обмiну в органiзмi людини, обмiн речовин при забрудненнi повiтря

1. Процеси обмiну тепловоi енергii. Вплив на органiзм температури. Залежнiсть метаболiзму вiд температури. Концепцiя суми ефективних температур

обмiн органiзм метаболiзм забруднення

У живих органiзмах будь-який процес супроводжуiться передачею енергii. Енергiю визначають як здатнiсть робити роботу. Спецiальний роздiл фiзики, що вивчаi властивостi й перетворення енергii в рiзних системах, називаiться термодинамiкою. Пiд термодинамiчною системою розумiють сукупнiсть об'iктiв, умовно видiлених з навколишнього простору. Термодинамiчнi системи роздiляють на iзольованi, закритi й вiдкритi. РЖзольованими називають системи, енергiя й маса яких не змiнюiться, тобто вони не обмiнюються з навколишнiм середовищем нi речовиною, нi енергiiю. Закритi системи обмiнюються з навколишнiм середовищем енергiiю, але не речовиною, тому iхня маса залишаiться постiйноi. Вiдкритими системами називають системи, що обмiнюються з навколишнiм середовищем речовиною й енергiiю. З погляду термодинамiки живi органiзми ставляться до вiдкритих систем, тому що головна умова iхнього iснування - безперервний обмiн речовин i енергii. В основi процесiв життiдiяльностi лежать реакцii атомiв i молекул, що протiкають вiдповiдно до тих же фундаментальних законiв, якi управляють такими ж реакцiями поза органiзмом [1].

Вiдповiдно до першого закону термодинамiки енергiя не зникаi й не виникаi знову, а лише переходить iз однiii форми в iншу. Другий закон термодинамiки затверджуi, що вся енергiя, зрештою, переходить у теплову енергiю, i органiзацiя матерii стаi повнiстю неупорядкованою. У бiльше строгiй формi цей закон формулюiться так: ентропiя замкнутоi системи може тiльки зростати, а кiлькiсть корисноi енергii (тобто тiii, за допомогою якоi може бути зроблена робота) усерединi системи може лише убувати. Пiд ентропiiю розумiють ступiнь невпорядкованостi системи.

Неминуча тенденцiя до зростання ентропii, супроводжувана настiльки ж неминучим перетворенням корисноi хiмiчноi енергii в марну теплову, змушуi живi системи захоплювати всi новi порцii енергii (iжi), щоб пiдтримувати свiй структурний i функцiональний стан. Фактично здатнiсть витягати корисну енергiю з навколишнього середовища i одним з основних властивостей, якi вiдрiзняють живi системи вiд неживих, тобто безупинно, що йде обмiн, речовин i енергii i одним з основних ознак живих iстот. Щоб протистояти збiльшенню ентропii, пiдтримувати свою структуру й функцii, живих iстот повиннi одержувати енергiю в доступнiй для них формi з навколишнього середовища й повертати в середовище еквiвалентна кiлькiсть енергii у формi, менш придатноi для подальшого використання [1].

Обмiн речовин i енергii - це сукупнiсть фiзичних, хiмiчних i фiзiологiчних процесiв перетворення речовин i енергii в живих органiзмах, а також обмiн речовинами й енергiiю мiж органiзмом i навколишнiм середовищем. Обмiн речовин у живих органiзмiв полягаi в надходженнi iз зовнiшнього середовища рiзних речовин, у перетвореннi й використаннi iх у процесах життiдiяльностi й у видiленнi продуктiв, що утворяться, розпаду в навколишнi середовище [2].

Всi речовини, що вiдбуваються в органiзмi перетворення, i енергii об'iднанi загальною назвою - метаболiзм (обмiн речовин). На клiтинному рiвнi цi перетворення здiйснюються через складнi послiдовностi реакцiй, називанi шляхами метаболiзму, i можуть включати тисячi рiзноманiтних реакцiй. Цi реакцii протiкають не хаотично, а в строго певнiй послiдовностi й регулюються безлiччю генетичних i хiмiчних механiзмiв. Метаболiзм можна роздiлити на два взаiмозалежних, але разнонаправленных процесу: анаболiзм (асимiляцiя) i катаболiзм (дисимiляцiя) [1].

Анаболiзм - це сукупнiсть процесiв бiосинтезу органiчних речовин (компонентiв клiтини й iнших структур органiв i тканин). Вiн забезпечуi рiст, розвиток, вiдновлення бiологiчних структур, а також нагромадження енергii (синтез макроергiв). Анаболiзм полягаi в хiмiчнiй модифiкацii й перебудовi вступникiв з iжею молекул в iншi бiльше складнi бiологiчнi молекули. Наприклад, включення амiнокислот у синтезованi клiтиною бiлки вiдповiдно до iнструкцii, що втримуiться в генетичному матерiалi даноi клiтини [1].

Катаболiзм - це сукупнiсть процесiв розщеплення складних молекул до бiльше простих речовин з використанням частини з них як субстрати для бiосинтезу й розщепленням iншоi частини до кiнцевих продуктiв метаболiзму з утворенням енергii. До кiнцевих продуктiв метаболiзму 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 iншi речовини, що мiстять азот (приблизно б г/день). Катаболiзм забезпечуi витяг хiмiчноi енергii з молекул, що втримуються в iжi, i використання цiii енергii на забезпечення необхiдних функцiй. Наприклад, утворення вiльних амiнокислот у результатi розщеплення вступникiв з iжею бiлкiв i наступне окислювання цих амiнокислот у клiтинi з утворенням З2, i Н2ПРО, що супроводжуiться вивiльненням енергii [1].

Процеси анаболiзму й катаболiзму перебувають в органiзмi в станi динамiчноi рiвноваги. Перевага анаболiчних процесiв над катаболiчними приводить до росту, нагромадженню маси тканин, а перевага катаболiчних процесiв веде до часткового руйнування тканинних структур. Стан рiвноважного або нерiвновагого спiввiдношення анаболiзму й катаболiзму залежить вiд вiку (у дитячому вiцi переважаi анаболiзм, у дорослих звичайно спостерiгаiться рiвновага, у старечому вiцi переважаi катаболiзм), стану здоров'я, виконуваноi органiзмом фiзичного або психоемоцiйного навантаження [2].

Перетворення й використання енергii

У процесi обмiну речовин постiйно вiдбуваiться перетворення енергii: енергiя складних органiчних сполук, що надiйшли з iжею, перетворюiться в теплову, механiчну й електричну. Людина й тварини одержують енергiю з навколишнього середовища у виглядi потенцiйноi енергii, укладеноi в хiмiчних зв'язках молекул жирiв, бiлкiв i вуглеводiв. Всi процеси життiдiяльностi забезпечуються енергiiю за рахунок анаеробного й аеробного метаболiзму. Одержання енергii без участi кисню, наприклад, глiколiз, (розщеплення глюкози до молочноi кислоти) називаiться анаеробним обмiном. У ходi анаеробного розщеплення глюкози (глiколiзу) або ii резервного субстрату глiкогену перетворення 1 моля глюкози в 2 моля лактата приводить до утворення 2 молiв АТФ. Енергii, що утвориться в ходi анаеробних процесiв, недостатньо для здiйснення активного життя, реакцii, що вiдбуваються за участю кисню, енергетично бiльше ефективнi. Всi процеси, що генерують енергiю за участю кисню, називаються аеробним обмiном. При окислюваннi складних молекул хiмiчнi зв'язки розриваються, спочатку органiчнi молекули розпадаються до трьохвуглеродних з'iднань, якi включаються в цикл Кребса (цикл лимонноi кислоти), а далi окисляються до З2 i Н2О. протони, Що Вивiльнилися в цих реакцiях, i електрони вступають у ланцюг переносу електронiв, у якiй кисень служить кiнцевим акцептором електронiв. Бiологiчне окислювання в сутностi являi собою "згоряння" речовини при низькiй температурi, частина енергii, що вивiльняiться при окислюваннi, запасаiться у високоенергетичних фосфатних зв'язках аденозинтрiфосфата (АТФ). АТФ i акумулятором хiмiчноi енергii й засобом ii переносу, дифундуючи в тi мiсця, де вона потрiбно. Загальна кiлькiсть молекул АТФ, що утворяться при повнiм окислюваннi 1 молячи глюкози до З2, i Н2ПРО, становить 25,5 молей. При повнiм окислюваннi молекули жирiв утвориться бiльша кiлькiсть молiв АТФ, чим при окислюваннi молекули вуглеводiв [2].

Динамiка хiмiчних перетворень, що вiдбуваються в клiтинах, вивчаiться бiологiчною хiмiiю. Завданням фiзiологii i визначення загальних витрат речовин i енергii органiзмом i того, як вони повиннi заповнювати за допомогою повноцiнного харчування. Енергетичний обмiн служить показником загального стану й фiзiологiчноi активностi органiзму.

Одиниця вимiру енергii, звичайно застосовувана в бiологii й медицинi, - калорiя (кал). Вона визначаiться як кiлькiсть енергii, необхiдне для пiдвищення температури 1 г води на 1В°С. У Мiжнароднiй системi одиниць (СИ) при вимiрi енергетичних величин використовуiться джоуль (1 ккал= 4,19 кДж).

Енергетичний еквiвалент iжi

Кiлькiсть енергii, видiлюваноi при окислюваннi якого-небудь з'iднання, не залежить вiд числа промiжних етапiв його розпаду, тобто вiд того, чи згорiло воно або окислилося в ходi катаболiчних процесiв. Запас енергii в iжi визначаiться в колориметричнiй бомбi - замкнутiй камерi, зануреноi у водяну лазню. Точно зважену пробу помiщають у цю камеру, наповнену чистим О₂ i пiдпалюють. Кiлькiсть енергii, що видiлилася, визначаiться по змiнi температури води, що оточуi камеру [2].

При окислюваннi вуглеводiв видiляiться 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г), окислювання 1 г жиру даi 38,96 кДж (9,3 ккал). Запасання енергii у формi жиру i найбiльш економiчним способом тривалого зберiгання енергii в органiзмi. Бiлки окисляються в органiзмi не повнiстю. Амiногрупи вiдщеплюются вiд молекули бiлка й виводяться iз сечею у формi сечовини. Тому при спалюваннi бiлка в калориметричнiй бомбi видiляiться бiльше енергii, чим при його окислюваннi в органiзмi: при спалюваннi бiлка в калориметричнiй бомбi видiляiться 22,61 кДж/г 5,4 ккал/г), а при окислюваннi в органiзмi - 17,17 кДж/г 4,1 ккал/г). Рiзниця доводиться на ту енергiю, що видiляiться при спалюваннi сечовини,

Визначення рiвня метаболiзму

Майже половина всiii енергii, одержуваноi в результатi катаболiзму, губиться у виглядi тепла в процесi утворення молекул АТФ. М'язове скорочення - процес ще менш ефективний. Близько 80% енергii, використовуваноi при м'язовому скороченнi, губиться у виглядi тепла й тiльки 20% перетворюiться в механiчну роботу (скорочення м'яза). Якщо людина не робить роботу, то практично вся енергiя, що iм генеруiться, губиться у формi тепла. Отже, величина теплопродукцii i точним вираженням величини обмiну в органiзмi людини [2].

Для визначення кiлькостi затрачуваноi органiзмом енергii застосовують пряму й непряму калориметрiю. Першi прямi вимiри енергетичного обмiну провели в 1788 р. Лавуазьi й Лаплас.

Пряма калориметрiя полягаi в безпосередньому вимiрi тепла, видiлюваного органiзмом. Для цього тварина або людина мiститься в спецiальну герметичну камеру, по трубах, що проходить через неi, протiкаi вода. Для обчислення теплопродукцii використовуються данi про теплоiмнiсть рiдини, ii обсязi, що протiкаi через камеру за одиницю часу, i рiзницi температур вступника в камеру й рiдини, що випливаi [2].

Непряма калориметрiя заснована на тiм, що джерелом енергii в органiзмi i окиснi процеси, при яких споживаiться кисень i видiляiться вуглекислий газ. Тому енергетичний обмiн можна оцiнювати, дослiджуючи газообмiн. Найпоширенiшийо спосiб Дугласа-Холдейна, при якому протягом 10-15 мiн збирають видихуваний обстежуваною людиною повiтря в мiшок з повiтронепроникноi тканини (мiшок Дугласа). Потiм визначають обсяг видихнутого повiтря й процентний вмiст у ньому ПРО2 i З2. По спiввiдношенню мiж кiлькiстю видiленого вуглекислого газу й кiлькiстю спожитого за даний перiод часу кисню - дихальному коефiцiiнту (ДК) - можна встановити, якi речовини окисляються в органiзмi. ДК при окислюваннi бiлкiв дорiвнюi 0,8, при окислюваннi жирiв - 0,7, а вуглеводiв - 1,0. Кожному значенню ДК вiдповiдаi певний холеричний еквiвалент кисню, тобто та кiлькiсть тепла, що видiляiться при окислюваннi якоi-небудь речовини на кожний лiтр поглиненого при цьому кисню. Кiлькiсть енергii на одиницю споживаного 02 залежить вiд типу речовин, що окисляються в органiзмi. Калоричний еквiвалент кисню при окислюваннi вуглеводiв дорiвнюi 21 кДж на 1 л 02 (5 ккал/л), бiлкiв - 18,7 кДж (4,5 ккал), жирiв - 19,8 кДж (4,74 ккал) [2].

Для непрямого визначення iнтенсивностi обмiну можуть бути використанi деякi фiзiологiчнi параметри, пов'язанi зi споживанням кисню: частота подихiв i вентиляцiйний обсяг, частота скорочень серця й хвилинний обсяг кровотока - всi вони вiдбивають витрати енергii. Однак цi показники недостатньо точнi.

Швидкiсть метаболiзму

Мiнливiсть температури тягне за собою вiдповiднi змiни швидкостi обмiнних реакцiй. Оскiльки динамiка температури тiла пойкилотермных органiзмiв визначаiться змiнами температури середовища iнтенсивнiсть метаболiзму також виявляiться в прямiй залежностi вiд зовнiшньоi температури. Швидкiсть споживання кисню, зокрема, при швидкi змiни температури слiд за цими змiнами, збiльшуючи при пiдвищеннi ii i зменшуючи при зниженнi. То ж вiдноситься i до iнших фiзiологiчних функцiй: частота серцебиття, iнтенсивнiсть травлення i т. д. У рослин в залежностi вiд температури змiнюються темпи надходження води i поживних речовин через корiння: пiдвищення температури до певноi межi збiльшуi проникнiсть протоплазми для води. Показано, що при пониженнi температури вiд 20 до 0'С поглинання води корiнням зменшуiться на 60 - 70%. Як i у тварин, пiдвищення температури викликаi у рослин посилення дихання [2].

Останнiй приклад показуi, що вплив температури не прямолiнiйно: по досягненнi певного порогу стимуляцiя процесу змiнюiться його придушенням. Це загальне правило, таке, що пояснюiться наближенням до зонi порогу нормального життя.

У тварин залежнiсть вiд температури досить помiтно виражена в змiнах активностi, яка вiдображаi сумарну реакцiю органiзму i у пойкилотермных форм самим iстотно залежить вiд температурних умов. Добре вiдомо, що комахи, ящiрки i багато iншi тварини найбiльш рухливi в теплу пору доби та в теплi днi, тодi як за прохолодноi погоди вони стають млявими, мало. Початок iх активноi дiяльностi визначаiться швидкiстю розiгрiвання органiзму, залежить вiд температури середовища вiд прямого сонячного опромiнення. Рiвень рухливостi активних тварин в принципi також пов'язаний з навколишнього температурою, хоча у найбiльш активних форм цей зв'язок може "маскуватися" ендогенноi теплопродукцией, повтАЩязаноi з роботою мускулатури [1].

Основний обмiн

РЖнтенсивнiсть енергетичного обмiну значно варiюi й залежить вiд багатьох факторiв. Тому для порiвняння енергетичних витрат у рiзних людей була уведена умовна стандартна величина - основний обмiн. Основний обмiн [00] - це мiнiмальнi для бадьорого органiзму витрати енергii, певнi в строго контрольованих стандартних умовах [1]:

1. при комфортнiй температурi ( 18-20 градусiв тепла);

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

3. у станi емоцiйного спокою, тому що стрес пiдсилюi метаболiзм;

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

Основний обмiн залежить вiд пiдлоги, вiку, росту й маси тiла людини. Величина основного обмiну в середньому становить 1 ккал в 1 год на 1 кг маси тiла. У чоловiкiв у добу основний обмiн приблизно дорiвнюi 1700 ккал, у жiнок основний обмiн на 1 кг маси тiла приблизно на 10% менше, нiж у чоловiкiв, у дiтей вiн бiльше, нiж у дорослих, i зi збiльшенням вiку поступово знижуiться.

Добова витрата енергii

Добова витрата енергii в здоровоi людини значно перевищуi величину основного обмiну й складаiться з наступних компонентiв: основного обмiну; робочого збiльшення, тобто енерговитрат, пов'язаних з виконанням тоi або iншоi роботи; специфiчного-динамiчноi дii iжi. Сукупнiсть компонентiв добовоi витрати енергii становить робочий обмiн. М'язова робота iстотно змiнюi iнтенсивнiсть обмiну. Нiж iнтенсивнiше виконувана робота, тим вище витрати енергii. Ступiнь енергетичних витрат при рiзнiй фiзичнiй активностi визначаiться коефiцiiнтом фiзичноi активностi - вiдношенням загальних енерговитрат на всi види дiяльностi в добу до величини основного обмiну. По цьому принципi все населення дiлиться на 5 груп [1].

Група	Особливостi професii	Коефiцiiнт фiзичноi активностi	Добова витрата енергii, кДж (ккал)
Перша	Розумова праця	1,4	9799 - 10265(2100 - 2450)
Друга	Легка фiзична праця	1,6	10475 - 11732(2500 - 2800)
Третя	Фiзична праця середньоi ваги	1,9	12360 - 13827(2950 - 3300)
Четверта	Важка фiзична праця	2,2	14246 - 16131(3400 - 3850)
П'ята	Особливо важка фiзична праця	2,5	16131 - 17598(3850 - 4200)

Вместе с этим смотрят:

Безопасность взрывных работ

Задачи Гражданской обороны

Захисне заземлення примiщення

Защита от производственного шума

Защита от шума