Методы определения обмена веществ.
Количество энергии, освобождающееся в организме, зависит от химических превращений веществ в нем, т.е. от обменных процессов. Отсюда следует, что количество тепла, выделенное организмом, может служить показателем обмена веществ. Определение количества тепла, т.е. количества калорий, выделенных организмом, дает всю сумму энергетических превращений в виде конечного теплового итога. Такой способ определения энергии носит название прямой калориметрии. Определение количества калорий методом прямой калориметрии производится с помощью калориметрической камеры, или калориметра. Этот метод определения энергетического баланса трудоемкий.
Все эти определения можно произвести гораздо проще, изучая газообмен. Определение количества энергии, выделенной организмом, с помощью изучения газообмена, получило название непрямой калориметрии. Зная, что все количество энергии, выделяемой в организме, есть результат распада белков, жиров и углеводов, зная также, какое количество энергии выделяется при распаде этих веществ и какое количество их подверглось распаду за определенный промежуток времени, можно вычислить количество освобождающейся энергии. Для того, чтобы определить, какие вещества подверглись в организме окислению — белки, жиры или углеводы, вычисляют дыхательный коэффициент. Под дыхательным коэффициентом понимают отношение объема выделенной углекислоты к объему поглощенного кислорода. Дыхательный коэффициент оказывается различным при окислении белков, жиров и углеводов. Суммарная формула распада углеводов выражается следующим уравнением:
(C6H10O5)n + 6nO2 = 6nCO2 + 5nH2O.
Отсюда CO2/O2 = 6/6 = 1.
Для жиров дыхательный коэффициент равен 0,7.
Зная величину дыхательного коэффициента, по таблицам можно определить тепловой эквивалент кислорода, которым называют количество освобождаемой энергии на каждый литр потребленного кислорода. Тепловой эквивалент кислорода неодинаков при разных значениях дыхательного коэффициента. Для определения количества потребленного кислорода и выделенной углекислоты пользуются методом Дугласа-Холдена. Испытуемый берет в рот мундштук, нос закрывает, и весь выдыхаемый за определенный промежуток времени воздух собирается в резиновый мешок. Объем выдохнутого воздуха определяется с помощью газовых часов. Из мешка берут пробу воздуха и определяют в ней содержание кислорода и углекислого газа; вдыхаемый воздух содержит определенное их количество. Отсюда по разности в процентах вычисляют количество потребленного кислорода, выделенного углекислого газа и дыхательный коэффициент. Затем находят соответствующий его величине тепловой эквивалент кислорода, который умножают на количество литров потребленного кислорода. При этом получают величину обмена за тот промежуток времени, в течение которого производилось определение газообмена. Затем переводят эту величину на сутки.
Основной и общий обмен веществ.
Различают общий обмен веществ и обмен веществ при полном покое. Обмен веществ в покое организма называют основным. Его определяют при следующих условиях: человек получает последний раз пищу за 12 ч до опыта. Испытуемого укладывают в постель и спустя 30 мин начинают определение газообмена. В этих условиях энергия тратится на работу сердца, дыхание, поддержание температуры тела и т.д. Но эта затрата энергии невелика. Главные затраты при определении основного обмена связаны с химическими процессами, всегда имеющими место в живых клетках. Величина основного обмена составляет от 4200 до 8400 кДж в сутки для мужчин и от 4200 до 7140 кДж — для женщин.
Обмен веществ может значительно изменяться при различных условиях. Так, например, во время сна обмен оказывается значительно меньшим. Интенсивность основного обмена во время сна уменьшается на 8-10% по сравнению с исследованием во время бодрствования. Во время работы, при мышечной нагрузке, наоборот, обмен значительно увеличивается. Увеличение обмена тем значительней, чем интенсивнее была мышечная нагрузка. В связи с этим работники различных профессий тратят неодинаковое количество энергии в сутки (от 12600 до 21000 кДж). Умственная работа вызывает незначительное повышение обмена веществ: всего на 2-3%. Всякие эмоциональные возбуждения неизбежно приводят к повышению обмена веществ. Обмен веществ изменяется и под влиянием приема пищи. После приема пищи обмен возрастает на 10-40%. Влияние пищи на обмен веществ не зависит от деятельности желудочно-кишечного тракта, оно обусловлено специфическим действием пищи на обмен. В связи с этим и принято говорить о специфическо-динамическом действии пищи на обмен, понимая под этим его увеличение после принятия пищи.
Изучение состояния вопроса по литературным источникам
Схема исследования параметров внешнего дыхания: жизненной емкости легких (ЖЕЛ), легочной вентиляции (VE), частоты дыхания (ЧД) и глубины дыхания (ГД).
а) Система забора воздуха, предназначенная для регистрации объемов выдыхаемого воздуха, состоит из дыхательной маски, изготовленной из мягкой резины, плотно облегающей лицо так, что позволяет уменьшать этим мертвое пространство в маске.
Клапан для выдоха (d = 40 мм) вмонтирован в маску так, что он находится на минимальном расстоянии от естественного воздухопровода. В маску вмонтированы еще 4 клапана для вдоха (d = 20 мм).
Воздухопровод диаметром в 50 мм и длиною в 80 см образован спиралью из тонкой проволоки, вокруг спирали наматывается тонкая резина, наклеенная в несколько слоев. Воздухопровод входит в трехходовой кран. Устройство крана позволяет при переключениях проходить воздушному потоку в резиновые зонды — мешки для сбора воздуха не с резким поворотом в сторону на 90, а постепенно, под косым углом. Это уменьшает сопротивление воздушному потоку. Разработанная конструкция для дыхательной маски и крана для переключения, а также легкость шланга — воздухопровода создают условия для дыхания близкие к естественным. Выдыхаемый воздух собирался в зондовые оболочки.
Измерение легочной вентиляции производилось с помощью газового счетчика, через который прокачивались объемы выдохнутого воздуха.
б) Частота дыхания регистрировалась с помощью термоанаметриче-ского датчика (конструкция инженера Янковского А.Б.), представляющего собой нагретую проволоку, охлаждаемую проходящим газовым потоком. Для необходимой чувствительности была выбрана медная проволока длиной L = 15MMHd = 0,l мм. Весь датчик, включенный в мостовую схему, представляет собой катушку из тонкой медной проволоки, диаметром 25 мм. Катушка помещается в шланг, соединяющий маску с зондовой оболочкой, в которую собирается воздух для последующего газоанализа.
Этот метод используется для определения степени насыщения артериальной крови кислородом. Степень насыщения артериальной крови кислородом показывает, какой процент всего гемоглобина находится в виде окси-гемоглобина в артериальной крови (Крепе Е.М., 1959). Величина эта указывает насколько полно совершается в легких насыщение крови кислородом (оксигенация крови), т. е. насколько близко к 100% приближается величина й — в оттекающей от легких крови, где Нв02 — оксигемоглобин, а Нв + НвОг F Нв- восстановленный гемоглобин.
Принцип измерения насыщения артериальной крови кислородом основан на фотоэлектрической калориметрии гемоглобина — Нв и оксигемогло-бина НвОг (Болотинский Е.А., 1971).
Местом для исследований выбирается участок ткани организма, содержащий достаточное количество кровеносных сосудов и в достаточной мере пропускающий световой поток.
Таким наиболее удобным местом для исследования является ушная раковина. Она также, как и другие ткани, содержит артериальную, капиллярную и венозную кровь. Если расширить кровеносные сосуды, то поток крови увеличивается в несколько раз, а повышение потребления кислорода будет ничтожным. При этом кровь, быстро проходя через ткань, будет терять так мало своего комбинированного кислорода, что по своему составу в основном будет артериальной. Расширения кровеносных сосудов можно достичь различными способами. Наиболее удобным способом является нагревание, обеспечивающее полное расширение сосудов уха. Нагревание тканей уха должно быть доведено до 40 С, что достигается применением небольшой лампы накаливания, помещенной в миниатюрном датчике, который надевается на ухо. Этот датчик состоит из двух корпусов, соединенных между собой плоской пружиной, обеспечивающей равномерное и легкое сдавливание ушной раковины.
Датчик соединяется тонким и гибким кабелем с остальной частью аппаратуры. Основными элементами датчика являются: фотоэлемент, светофильтры и осветительные лампы, обеспечивающие рациональный режим работы датчика в целом.
В наших исследованиях мы применяли оксигемограф с измененным устройством лентопротяжного механизма, что позволило увеличить скорость движения оксигемограммы в 2 раза. Это дало возможность регистрировать гипоксемические сдвиги в короткие промежутки времени.
Метод оксигемографии позволяет судить о гипоксемических сдвигах, происходящих в организме в период нагрузки.
Гипоксемию у спортсменов при напряженной мышечной работе регистрировали бескровными методами многие исследователи. Этот факт подтвержден также в исследованиях с применением таких современных методов, как катеризация сердца и сосудов (Агаджанян Н.А., Елфимов А.И., 1986).
Энергетический обмен. Энергетическая ценность пищевых веществ.
Все пищевые вещества обладают определенным запасом энергии. Организм называют трансформатором энергии, ибо в нем постоянно происходят специфические превращения питательных веществ, приводящие к освобождению энергии и переходу ее из одного вида в другой.
Соотношение между количеством энергии, получаемой с пищей, и количеством затрачиваемой энергии носит название энергетического баланса организма. Для его изучения необходимо определение энергетической ценности пищи.
Исследования показали, что каждый грамм полисахаридов и белков дает 17,2 кДж. При распаде жиров освобождается 38,96 кДж. Отсюда следует, что энергетическая ценность различных пищевых веществ неодинакова и зависит от того, какие в данном веществе содержатся питательные вещества. Так, например, энергетическая ценность орехов оказывается равной 2723,5 кДж, сливочного масла — 3322,2 кДж и т.д. Энергетическая ценность пищевых веществ не всегда совпадает с их физиологической ценностью, ибо последняя еще определяется способностью к усвоению. Пищевые вещества животного происхождения усваиваются лучше, чем растительного.
Первый и второй этапы четвёртой серии экспериментов по определению исходных уровней: работоспособности в тесте на VO2 max и результатов соревнований в беге на 1000 метров
Содержанием 1-го этапа 4-й серии экспериментов являлось проведение исходного (фонового) тестирования на VO2 max, где нагрузкой был бег на третбане со ступенчато-нарастающей скоростью. (Программа испытательного теста и условия его проведения подробно изложены в главе Ш).
Длительность бега на третбане в тесте на VO2 max имеет высокую корреляционную связь со спортивным результатом в беге на средние и длинные дистанции. (Борилкевич, 1982).
В педагогическом эксперименте приняли участие 22 бегуна на средние дистанции. После проведения исходного тестирования на VO2 max был проведен 2-й этап 4-й серии экспериментов, где все спортсмены подвергались исходным испытаниям в естественных условиях — соревнованиям в беге на 1000 метров. Все испытуемые после проведения исходных тестирований и соревнований были разделены на 2 группы: контрольную и экспериментальную. За педагогический критерий была принята длительность бега (Т).
Группы были сформированы с таким расчетом, чтобы средний результат — Т бега и разброс индивидуальных данных были приблизительно одинаковы (без статистически достоверных различий).
Для изучения и определения физиологических механизмов, обуславливающих сдвиги физической работоспособности у всех испытуемых, в процессе бега на третбане регистрировался комплекс показателей, информирующих о динамике респираторных и метаболических процессов.
Результаты исходного тестирования и исходных соревнований обеих групп были обработаны методом математической статистики и окончательно представлены в таблицах 11,12, 13ив корреляционных матрицах 1 и 2.
Большинство показателей, характеризующих деятельность дыхательной системы, рассматривались при VO2 max и при VE max. Такое разделение позволяет:
1) определить, достоверно ли различие между временем наступления показателя максимальной интенсивности в аэробных процессах и временем наступления максимальных вентиляторных напряжений;
2) проследить за динамикой респираторных и метаболических показателей,
3) определить зависимость длительности бега от Т наступления УОг max и VE max.
Необходимо заметить, что в обеих группах в исходном тестировании величина VO2 max достоверно не коррелирует с длительностью бега. Вероятно, это можно объяснить невысокой спортивной подготовленностью испытуемых. Из таблицы 12 видно, что в обеих группах между Т наступления УОг max и Т наступления VE max имеются достоверные различия (Р 0,01). Это говорит о том, что в данном тесте в обеих группах максимум интенсивности в аэробных процессах и максимум вентиляторных напряжений проявляются не одновременно.
В этот период (от Т наступления VO2 max до Т наступления VE max) наблюдаются следующие изменения в исследуемых показателях в обеих группах: 1) Частота дыхания увеличивается в обеих группах: при Р 0,01 (Табл. 12). 2) VE при этом увеличивается в обеих группах: в контрольной на 6,6 л/мин (Р 0,01) — 5,8%, а в экспериментальной на 9,4 л/мин (Р 0,01) — на 10,9%. 3) %02 во время VE max значительно снижается в обеих группах (Р 0,01). 4) V02 в период VE max по сравнению с периодом VO2 max снижается в обеих группах (Р 0,01): В контрольной — на 3%, в экспериментальной — на 4%(Р 0,05). 5) Неметаболические излишки в период от Т наступления VO2 max до Т наступления VE max увеличиваются в обеих группах (Р 0,01): в контрольной — на 15%, а в экспериментальной — на 40% (Табл. 8).
Неметаболический излишек С02(Ехс С02) является весьма ценным критерием для оценки исследования анаэробной производительности (Волков Н.И. и др., 1969, Волков Н.И., Ремизов Л.П., 1974).
Между величинами V02 max контрольной и экспериментальной группы нет статистически достоверных различий.