Невозможно непосредственно определить об­мен энергии в мышечных волокнах. Множество косвенных лабораторных методов позволяют оп­ределить интенсивность и расход энергии в по­кое и при выполнении физической нагрузки. Многие из этих методов применяются с начала XX ст. Другие лишь совсем недавно стали исполь­зоваться в физиологии мышечной деятельности. В следующих параграфах мы рассмотрим некото­рые из этих методов.

94

ПРЯМАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ

Как уже отмечалось, только около 40 % энер­гии, высвобождающейся при метаболизме глю­козы и жиров, идет на образование АТФ. Ос­тальные 60 % превращаются в тепло, поэтому интенсивность и количество освобождаемой энергии можно определить, измерив образуемое тепло. Этот метод называется прямой калори­метрией.

Впервые он был описан Зунцом и Хагеман-ном в конце XIX ст. Они создали калориметр (рис. 5.10), представляющий собой герметически закрытую камеру. Стенки камеры имеют медные трубы, по которым течет вода. Когда человек на­ходится в камере, тепло, выделяемое его телом, испаряется и нагревает воду. Регистрируются из­менения температуры воды, а также воздуха, по­ступающего в камеру и выходящего из нее во вре­мя дыхания человека. Эти изменения обусловле­ны теплом, выделяемым телом человека. Используя суммарные показатели, можно коли­чественно оценить метаболизм.

Калориметры очень дороги, кроме того, для получения достоверных результатов период иссле­дования должен длиться довольно долго. Един­ственным реальным преимуществом калоримет­ров является то, что они непосредственно изме­ряют тепло. Хотя калориметр позволяет точно

определить общий расход энергии, тем не менее он не дает возможности проследить за быстрыми изменениями в высвобождении энергии. Именно поэтому энергетический обмен во время интен­сивной нагрузки нельзя изучать с помощью ка­лориметра. Метод прямой калориметрии доволь­но редко используется в наше время. Гораздо про­ще и дешевле определить расход энергии на основании обмена кислорода и диоксида углеро­да во время окислительного фосфорилирования.

НЕПРЯМАЯ КАЛОРИМЕТРИЯ

Как уже отмечалось, метаболизм глюкозы и жиров зависит от наличия О-, образования СОд и воды. Количество обмениваемых Од и СОд в лег­ких обычно равно тому их количеству, которое используется и выделяется тканями тела. Зная это, можно определить расход энергии, измерив ко­личество дыхательных газов. Этот метод называ­ется непрямой калориметрией, поскольку обра­зование тепла измеряется косвенно, на основа­нии дыхательного газообмена СО^ и Од.

Прибор для измерения образования СО^ и по­требления О- показан на рис. 5.11. Несмотря на то, что он несколько громоздок и ограничивает движе­ния, его можно использовать в различных условиях в лаборатории, на игровой площадке и т.д.

Рис. 5.10. Калориметрическая камера 95

Рис. 5.11. Приборы, используемые для измерения потребления кислорода и образования СО;

Дыхательный коэффициент

Для определения количества энергии, расходу­емой организмом, необходимо знать, что исполь­зуется в окислительных процессах в качестве суб­стратов (углеводы, жиры или белки). Содержание углерода и кислорода в глюкозе, свободных жир­ных кислотах и аминокислотах очень отличается. В результате этого количество кислорода, исполь­зуемого в процессе метаболизма, зависит от окис­ляемого субстрата. Метод непрямой калориметрии позволяет определить количество выделяемого СО^ (Усо.) и потребляемого кислорода ((^со,). Соот­ношение этих двух величин называется дыхатель­ным коэффициентом (ДК).

В принципе количество кислорода, необходи­мого для полного окисления молекулы углевода или жира, пропорционально содержанию углеро­да в этом субстрате. Например, глюкоза (С^Н,,Од) содержит шесть атомов углерода. При сжигании глюкозы 6 молекул кислорода используются для образования 6 молекул СО;, 6 молекул Н^О и 38 молекул АТФ:

60, + С6h12o6, -> 6СО, + 6Н,0 + 38АТФ.

Оценивая количество выделенного СО, по сравнению с количеством потребленного О,, мы установим, что ДК равен 1,0:

ДК=

Как следует из табл. 5.4, ДК изменяется в за­висимости от субстрата, используемого для обра­зования энергии. Свободные жирные кислоты содержат значительно больше углерода и водоро­да, но меньше кислорода, чем глюкоза. Возьмем, например, пальмитиновую кислоту, С^Н^Оу Что-

Для сжигания одной молекулы жира требует­ся значительно больше кислорода, чем для сжи­гания одной молекулы углеводов. Во время окис­ления углеводов из каждой молекулы используе­мого О-, образуется приблизительно 6,3 молекул АТФ (38 АТФ на 6 О-), тогда как при обмене паль­митиновой кислоты — 5,6 молекул АТФ (129 АТФ на 23 О;).

Таблица 5.4. Калорическая эквивалентность ДК и количество килокалорий за счет окисления углеводов и жиров

Хотя жиры обеспечивают больше энергии, чем углеводы, для их окисления требуется больше кислорода. Это значит, что ДК жиров значитель­но уступает ДК углеводов. При использовании палимитиновой кислоты ДК равен 0,70:

Определив ДК на основании измерения дыха­тельных газов, сравним полученное значение с приведенным в табл. 5.4, чтобы определить, ка­кой субстрат окисляется. Если, например, ДК равен 1,0, клетки используют только глюкозу или гликоген, и каждый литр потребляемого кисло­рода образует 5.05 ккал энергии. При окислении

96

одних только жиров образуется 4,69 ккал-л^О^, а

при окислении белков — 4,46 ккал-л'¹ потреблен­ного Оу

Следовательно, если мышцы используют толь­ко глюкозу, а организм потребляет 2 л кислорода в минуту, интенсивность теплового образования энергии будет 10,1 ккал-мин'' (2 л-мин''-5,05 ккал).

Ограничения

Даже метод непрямой калориметрии далек от совершенства. Измерения газообмена предпола­гают, что содержание О, в организме остается по­стоянным и что обмен СО- в легких пропорцио­нален количеству его, выделяемому из клеток. Ар­териальная кровь остается почти полностью насыщенной кислородом (около 98 %) даже при интенсивном усилии. Мы можем предположить, что количество кислорода, извлекаемого из воз­духа, которым мы дышим, пропорционально его количеству, потребляемому клетками. Отметим, что обмен диоксида углерода менее постоянен. Депо СО^ в организме довольно большие; их мож­но изменить либо глубоким дыханием, либо вы­полнением физического упражнения высокой ин­тенсивности. При таких условиях количество СОу выделяемого в легкие, может не соответствовать производимому в тканях. Таким образом, опре­деление количества используемых углеводов и жи­ров на основании измерений газов можно счи­тать достаточно надежным только в состоянии покоя или при выполнении упражнений опреде­ленной интенсивности.

Использование дыхательного коэффициента также может привести к неточностям. Вспомним, что белок окисляется в организме не полностью, поскольку азот не способен окисляться. Поэтому на основании ДК невозможно определить вели­чину использования белков. Поэтому ДК иногда называют небелковым ДК, поскольку он не учи­тывает окисление белков.

Традиционно считалось, что вклад белков в образование энергии во время физической на­грузки незначителен, поэтому физиологи при проведении подсчетов использовали небелковый ДК. Однако результаты последних исследова­ний показывают, что во время физической на­грузки продолжительностью несколько часов вклад белков в образование энергии может со­ставлять до 10 %.

Организм, как правило, использует сочетание источников энергии. ДК изменяется в зависимо­сти от своеобразия окисляемого субстрата. В по­кое ДК обычно составляет 0,78 — 0,80. Во время нагрузки мышцы в основном используют углево­ды в качестве источника энергии, что ведет к по­вышению ДК. С увеличением интенсивности на­грузки возрастает потребность в углеводах. По мере увеличения количества используемых угле­водов ДК стремится к 1,0.

7,-„

Это приближение ДК к 1,0 отражает потреб­ность в глюкозе крови и мышечном гликогене, а также может свидетельствовать о том, что значи­тельно большее количество СО^ выделяется из крови, чем производится мышцами. По мере на­ступления состояния изнеможения в крови акку­мулируется лактат. Организм пытается реверси­ровать это окисление, выделяя большее количе­ство СО^. Накопление лактата увеличивает образование СО-, поскольку избыток кислоты ведет к превращению угольной кислоты крови в СО^. Вследствие этого избыток СО^ диффунди­рует из крови в легкие, увеличивая количество выделяемого СОу Поэтому ДК, достигающий 1,0, может не совсем точно определять тип субстрата окисления, используемого мышцами. Кроме того, образование глюкозы вследствие катаболизма аминокислот дает ДК ниже 0,70. Следовательно, определение окисления углеводов на основании ДК будет неточным, если энергия освобождается за счет этого процесса.

Несмотря на определенные недостатки метода непрямой калориметрии, он остается лучшим спо­собом определения расхода энергии в покое и при субмаксимальных нагрузках.

ИЗОТОПНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

В прошлом определение общего расхода энер­гии за день осуществлялось на основании тща­тельной регистрации потребления пищи в тече­ние нескольких дней, а также измерений измене­ний в составе тела за этот период. Этот метод, несмотря на широкое применение, был ограни­чен способностью человека вести точную регист­рацию и точно определять расход энергии мы­шечной деятельности.

Применение изотопов расширило наши воз­можности изучения обмена энергии. Изотопы представляют собой элементы с нетипичной атомной массой. Они бывают радиоактивными (радиоизотопы) или нерадиоактивными (устой­чивые изотопы). Например, углерод-12 (^С) име­ет молекулярную массу 12 и является наиболее естественной формой углерода. Он нерадиоак­тивен. Существует также углерод-14 ('''С), у ко­торого на два нейтрона больше, чем у углерода-12, поэтому его атомная масса 14. Углерод-14 об­разуется в лабораторных условиях и является радиоактивным.

Углерод-13 (^С) составляет 1 % углерода в при­роде и очень часто используется для изучения обмена энергии. Он нерадиоактивен, поэтому за ним труднее следить в организме, чем за углеро­дом-14. Хотя за радиоактивными изотопами лег­ко следить в организме, они отрицательно влия­ют на ткани тела и поэтому их редко используют в исследованиях с участием людей.

Углерод-13 и другие изотопы, например, во-

дород-2 (дейтерий, или ¹Н) используются как ме­ченые атомы, т.е. за их перемещениями в орга­низме человека можно наблюдать. Этот метод предполагает введение изотопов человеку и пос­ледующее слежение за их распределением и пере­мещением.

Хотя данный метод описан более 30 лет на­зад, исследования с использованием меченой воды стали проводиться лишь совсем недавно для контроля расхода энергии в обычных условиях. Испытуемый выпивает известное количество воды, меченой двумя изотопами ('Н^Ю). Дейте­рий (^Н) диффундирует в жидкости организма, а кислород-18 ('Ю) — в жидкости, а также в запа­сы двууглекислой соли (где содержится большая часть диоксида углерода, образованного вслед­ствие метаболизма). Интенсивность выделения двух изотопов из организма можно определить, анализируя их присутствие в моче, слюне или пробах крови. На основании полученных дан­ных можно определить количество образуемого СО^ и затем, используя калориметрические урав­нения, перевести полученный показатель в ве­личину расходуемой энергии.

Поскольку обмен изотопов происходит отно­сительно медленно, измерения обмена энергии следует проводить в течение нескольких недель. Следовательно, этот метод не совсем подходит для определения срочного метаболизма. Вместе с тем, благодаря высокой (свыше 98 %) точности и не­большой степени риска его можно считать весь­ма приемлемым для определения затрат энергии, происходящих изо дня в день. Специалисты в области питания утверждают, что данный метод представляет собой наиболее значительное тех­ническое открытие прошлого столетия в области обмена энергии.

В ОБЗОРЕ...

1. Метод прямой калориметрии основан на использовании калориметра для непосредствен­ного измерения количества тепла, образуемого телом.

2. Метод непрямой калориметрии предполага­ет измерение потребления 0^ и выделения СОд, вычисление ДК (соотношение показателей этих газов) и его сопоставление со стандартными по­казателями для определения вида окисленного субстрата и последующего определения расхода энергии на литр поглощенного кислорода.

3. Обычные значения ДК — 0,78 — 0,80.

4. Для определения интенсивности метаболиз­ма могут использоваться изотопы. Их вводят в организм и следят за их перемещениями. Ско­рость их выделения позволяет определить обра­зование СО^ и расход энергии.

ОЦЕНКА АНАЭРОБНОГО УСИЛИЯ

Мы рассмотрели способы определения аэроб­ного метаболизма, однако они не учитывают ана­эробные процессы. Как можно оценить взаимо­действие аэробных (окислительных) и анаэроб­ных процессов? Наиболее распространенными методами оценки анаэробного усилия являются методы, включающие изучение избыточного по­требления кислорода после нагрузки либо лак-татного порога. Рассмотрим оба метода.