Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980

Энергетика биохимических реакций
Термодинамика
Энтальпия сгорания и калорийность «физиологического топлива»

Изменение энтальпии можно определить прямым измерением количества теплоты, поглощенной системой при постоянном давлении. Поэтому изменения в энтальпии, сопровождающие окисление питательных веществ, уже с давних времен привлекали внимание как химиков, так и физиологов. Теплота сгорания (—∆Н_С) обычно определяется по ∆E_с, измеряемому калориметрически. Поскольку ∆E_v и ∆Е_Р почти одинаковы, то ∆H_p = ∆AE_v + P∆V, где ∆V — изменение объема, которое имело бы место, если бы реакция шла при постоянном давлении—эту величину легко рассчитать. Так как интерес представляет ∆Н процесса, при котором продуктами сгорания являются углекислый газ, вода, элементарный азот (N₂) и сера, нужно вводить поправку на образование окисей двух последних элементов. В итоге можно получить с очень хорошей точностью значения ∆H_C как для биохимических соединений, так и для многокомпонентных пищевых продуктов. В последние годы определение с помощью микрокалориметра довольно малых значений ∆Н для различных химических или биохимических реакций стало рутинной процедурой [6, 7].

При обсуждении вопросов, связанных с питанием, величину — ∆Н_с иногда называют полной энергией. Соответствующие значения обычно выражают в килокалориях; в биохимической литературе килокалории обозначают сокращенно ккал, а в литературе по вопросам питания — Кал.

Калорийностью пищевых продуктов называют скорректированную величину энтальпии сгорания (∆H_C), взятую с обратным знаком. Поскольку энтальпия сгорания пищи всегда отрицательна, калорийность выражается положительным числом. Калорийность некоторых веществ дана в приводимой ниже таблице.

^а Азот переходит в состав мочевины.

Для белков расчет ведется исходя из того, что азот переходит не в N₂, а в мочевину (основное азотистое соединение, выделяемое млекопитающими).

Можно ли — с чисто термохимической точки зрения — рассматривать организм человека или животного как катализатор процессов сгорания пищевых продуктов? Чтобы ответить на этот вопрос, были построены большие калориметры, в которые можно поместить человека или животное. Если человек, находясь в калориметре, не теряет и не прибавляет в весе, то выделяемое им тепло как раз и должно быть равно — ∆Н сгорания пищевых продуктов, превращающихся в СО₂, воду и мочевину. Тот факт, что это положение подтвердилось экспериментально, у нас удивления не вызывает, однако в начале нынешнего столетия, когда такие эксперименты ставились впервые, многие ученые сомневались в применимости первого закона термодинамики к живым организмам.

На практике калориметрические измерения на животных сопряжены с множеством трудностей, связанных с невозможностью точно измерить количество выделившегося тепла, с неопределенностью в количестве запасенных питательных веществ, а также с необходимостью введения поправок в ∆H_С в связи с образованием продуктов обмена, подлежащих выделению. Тем не менее такие измерения энергообмена имеют важное значение для организации питания и для медицины. Разработаны косвенные калориметрические методы, позволяющие измерять, уровень основного обмена у человека. Эти вопросы хорошо изложены в книге Уайта и др. [8].

Основным обменом называют скорость выделения организмом тепла в покоящемся состоянии по прошествии значительного времени¹ после приема пищи. В этих условиях организм человека получает энергию за счет запасенных ранее питательных веществ, причем скорость их потребления оказывается приблизительно постоянной. Основной обмен, как правило, пропорционален площади поверхности тела; для девушек эта величина составляет в среднем ~154 кДж∙ч^-1∙м^-2, для юношей ~172 кДж∙ч^-1∙м^-2. Для человека весом 70 кг это соответствует ~320—360 кДж∙ч^-1. Заметим, что 360 кДж∙ч^-1 эквивалентны мощности 100-ваттной лампочки. Хотя обмен у разных людей значительно варьирует, слишком сильные отклонения в ту или иную сторону свидетельствуют о каких-то нарушениях, связанных, например, с недостатком или избытком гормона щитовидной железы тироксина. Скорость метаболизма немного падает во время сна и сильно повышается при совершении тяжелой физической работы. Иногда у человека интенсивность обмена возрастает до 2500 кДж∙ч^-1 (600 ккал∙ч^-1). При; интенсивности 320 кДж∙ч^-1 (76 ккал∙ч^-1) человек каждые 24 ч должен получать 7680 кДж (1835 ккал) энергии для поддержания основного обмена и еще какое-то дополнительное количество энергии для совершения мышечной работы. Обычная конторская или нетяжелая домашняя работа повышает интенсивность обмена примерно вдвое.