Quá trình chuyển hóa năng lượng

Chuyển hoá năng lượng

   Chuyển hoá năng lượng là quá trình biến đổi năng lượng sinh ra thành các dạng năng lượng khác nhau cần thiết cho sự sống.Trong quá trình biến đổi, năng lượng không sinh ra thêm, cũng không mất đi mà chỉ chuyển từ  dạng này sang dạng khác. Trong cơ thể, năng lượng sinh ra là do thiêu đốt vật chất từ thức ăn. Năng lượng được dự trữ ở dạng hợp chất giàu năng lượng (ATP). Năng lượng tiêu hao dù ở bất cứ dạng nào nhưng cuối cùng đều thải ra ngoài cơ thể dưới dạng nhiệt. Do đó, muốn nghiên cứu chuyển hoá năng lượng, hoặc muốn biết nhu cầu năng lượng của cơ thể ta có thể dựa vào việc đo tính nhiệt lượng của cơ thể toả ra.

 
Đơn vị đo nhiệt  lượng là calory. Một kilocalo là số lượng nhiệt năng cần thiết để nâng nhiệt độ một lít nước lên 1^oC (14,5-15,5⁰C).

Một trong những thành tựu quan trọng của sinh lý học là chứng minh được rằng, năng lượng được giải phóng bởi quá trình dị hoá các chất trong cơ thể, tương đương với năng lượng của các chất đó sản ra khi chúng bị oxy hoá ngoài cơ thể. Lavoisier là người đầu tiên phát hiện ra quy luật này. Về sau các nhà sinh lý học dựa trên cơ sở quy luật của Lavoisier, tìm ra các phương pháp nghiên cứu chuyển hoá năng lượng, chuyển hoá cơ sở trên cơ thể người và động vật. 

  I. Phương pháp đo tiêu hao năng lượng

  Có hai phương pháp đo tiêu hao năng lượng của cơ thể, phương pháp đo nhiệt lượng trực tiếp và phương pháp đo nhiệt lượng gián tiếp. Các phương pháp đó dựa vào nguyên lý sau: Toàn bộ năng lượng cơ thể sử dụng  để hoàn thành các công việc bên ngoài hay công việc nội tạng (tuần hoàn, hô hấp), để tiến hành các phản ứng tổng hợp hóa học (tạo thành enzyme, dịch tiêu hóa) hoặc để duy trì các thành phần ion giữa các dịch trong và ngoài tế bào, tất cả đều chuyển thành nhiệt.

1.  Phương pháp đo nhiệt lượng trực tiếp: Chủ yếu là đo được năng  lượng mà một người có thể tỏa ra môi trường ngoài.

 a. Sử dụng phòng nhiệt lượng kế Atwater (hình 6.4)

 Người ta cho một người vào phòng đặc biệt, tường cách nhiệt thật tốt, trên trần mắc một hệ thống ống nước chảy, đo nhiệt độ nước chảy vào và chảy ra, biết hiệu số giữa 2 nhiệt độ và lượng nước đã chảy qua phòng, có thể tính số calory cần thiết để gây sự nóng lên của nước, tức là số calory mà cơ thể đã mất đi.   

Nhiệt độ do cơ thể người sản ra được đo bằng các nhiệt kế (1) và (2) đặt ở hai đầu ống có dòng nước chảy vào và chảy ra. Lượng nước chaỷ ra được đổ vào bình (3). Qua cửa số (5) có thể đưa thức ăn vào và lấy chất thải(phân, nước tiểu) ra ngoài. Nhờ bơm hút (6) không khí trong phòng được hút ra chạy qua các bình chứa H2SO4 (7 và 9) để hút nước và qua bình chứa vôi Soda (8) để hút CO2  . Oxy cung cấp thêm cho phòng được lấy từ bình (10) và qua đồng hồ khí (11). Áp lực không khí trong phòng được duy trì ở mức cố định nhờ một bình có bọc màng cao su (12). Cửa sổ (4) dùng để quan sát đối tượng. 

Có thể dùng phòng khá lớn để người có thể ở lâu vài ngày và làm việc ngay trong phòng (đạp xe tại chỗ...), do  đó tính  được số năng lượng tiêu dùng trong từng  động tác một. Bằng phương pháp này, Atwater đã đưa ra kết luận quan trọng về thực hành, đó là năng lượng thức ăn sử dụng trong 3 - 5 ngày thí nghiệm, tương đương sít sao với lượng nhiệt cơ thể thải ra trong thời gian đó.Tuy nhiên loại phòng như thế vừa cồng kềnh vừa phức tạp nên trong thức tế ít người dùng.

  b. Các phương pháp đo năng lượng khác đơn giản hơn.

 Ví dụ: Tính số năng lượng tiêu thụ bằng cách tính số protid, lipit, gluxit chứa trong thức ăn ăn vào. Ở trên đã nói, năng lượng không phát sinh và không mất đi mà chỉ thay đổi hình dạng, hơn nữa sản phẩm cuối cùng của sự oxy hóa trong cơ thể giống sản phẩm cuối cùng của sự oxy hóa trong phòng thí nghiệm, thì tất nhiên số nhiệt lượng phóng thích trong cơ thể và trong phòng thí nghiệm phải như nhau.

  Như vậy 1g gluxit oxy hóa ngoài trời thành H₂O và CO₂  cho bao nhiêu năng lượng thì 1g gluxit oxy hóa trong cơ thể thành H₂O và CO₂ cũng phải cho bấy nhiêu năng lượng. Thường người ta vẫn thực hiện sự oxy hóa của đồ ăn trong những bình chứa đặc biệt gọi là "bom nhiệt kế" để đo nhiệt lượng tỏa ra một cách chính xác.Lipit và gluxit đốt ngoài trời thành CO₂ và H₂O. Protid đốt ngoài trời cũng cho H2O và CO₂, nhưng trong cơ thể, cho urê và 1 số sản phẩm khác còn chứa một số năng lượng nhỏ. Vì thế protid đốt ngoài trời cho nhiều nhiệt lượng hơn trong cơ thể.

 Sau đây là một vài số liệu oxy hóa thức ăn trong cơ thể:

1 g protid oxy hoá cho 4,1 kcal; 1 g lipit oxy hoá  cho 9,3 kcal; 1 g gluxit oxy hoá cho 4.1 kcal. Biết lượng protid, gluxit, lipit chứa trong thức ăn ăn vào, ta sẽ tính được năng lượng lấy vào.   

2. Đo nhiệt lượng gián tiếp

 Cơ sở lý thuyết của phương pháp đo nhiệt lượng gián tiếp như sau: nguồn năng lượng trong cơ thể được tạo ra do quá trình oxy hoá các chất, trong đó oxy bị tiêu thụ, còn khí CO₂ thì được tạo ra. Do đó, có thể dựa trên lượng oxy bị tiêu thụ và lượng CO₂ được tạo ra để xác định năng lượng tiêu hao. Phương pháp này dựa trên các khảo sát về  trao đổi khí, người ta tính số nhiệt sản xuất từ số lượng O₂  tiêu thụ và CO₂ thải ra.

  Có hai cách đo nhiệt lượng gián tiếp: Đo trong vòng kín và đo trong vòng mở

  a. Vòng kín

Có hai cách đo trong vòng kín: Đo bằng phòng thở và đo bằng hô hấp kế

-  Phòng thở là một phòng nhỏ, trong đó đối tượng đo ngồi độ vài giờ. Không khí cần thiết để thở được đưa vào đầy đủ. Không khí đào thải, chạy qua H₂SO₄ để được hút H₂O và chạy qua vôi soda để được hút CO₂. 

- Trong lâm sàng, trong sản xuất và  ở các trường học người ta sử dụng hô hấp kế Benedic hay hô hấp kế Krogh (hình 6.5). Đây là một cái chuông đựng oxy úp  lên một thùng nước. Người được đo, ngậm ống nối liền với O2 trong chuông, thở bằng miệng, kẹp mũi lại trong 6 phút. Không khí thở ra, chạy vào bình đựng vôi soda hút CO₂, rồi lại được thở vào. Người ta tính được khối lượng oxy tiêu thụ trong 6 phút.

b. Phương pháp vòng mở

  Người được thí nghiệm hít không khí tự do ở bên ngoài vòng. Khi thở ra nhờ một hệ thống van được dẫn tới một túi chứa khí. Cuối thí nghiệm so sánh tỉ lệ CO₂ và O₂ trong khí hít vào và thở ra,  đo thể tích khí thở ra sẽ tính được lượng oxy tiêu thụ và tính được  năng lượng tiêu hao trong lúc đo.  Phương pháp này dùng để tính năng lượng tiêu hao trong các loại lao động thì rất thích hợp ( hình 6.6).

II. Thương số hô hấp (TSHH)  và giá trị nhiệt lượng của oxy

Thương số hô hấp là tỷ số của thể tích CO₂ thải ra trên thể tích O₂ tiêu thụ trong cùng một thời gian. Mỗi chất có cấu tạo phân tử khác nhau, khi bị oxy hoá cũng có TSHH khác nhau.

Ví dụ: Thương số hô hấp trong trường hợp oxy hoá gluxit:

 

Qua (1) thấy: cứ 6 phân tử O₂ tức 134,4 l O₂ bị thiêu đốt thì có 675 kcal, hay 1 lít O₂ cháy cho 5kcal ( 675kcal/134,4l ); 5kcal gọi là giá trị nhiệt lượng của 1 lít O2. Dựa vào (1) ta cũng tính được: khi oxy hoá 1 gam glucose giải phóng 3,75 kcal (675kcal/180g, một phân tử gam glucose nặng 180g).

Những thí nghiệm tương tự cho thấy khi oxy hoá lipit, TSHH = 0,703. Giá trị sinh nhiệt 1 lít O2 khi oxy hoá lipit là 4,7 kcal.1 gam lipit oxy hoá  cho 9,3 kcal. Các nghiên cứu phức tạp hơn cho biết đối với protid, TSHH = 0,806. Giá trị sinh nhiệt 1 lít O2  khi oxy hoá protid là 4,8 kcal. 1 gam protid oxy hoá cho  4,1kcal.

 Như vậy, trong sự oxy hóa protid, lipit, gluxit; với 1 lít O₂, năng lượng phóng thích không giống nhau. Nói cách khác TSHH khác thì số nhiệt lượng cũng khác nhau (bảng 6.1)

    TSHH là chỉ tiêu giúp ta quy định những chất nuôi dưỡng gì bị oxy hóa trong cơ thể trong một thời gian nhất định, vì lượng CO2 thải ra trong một thời gian nào đó, là do oxy cơ thể thu nhập vào trong cùng thời gian đó mà ra.

TSHH = 1 khi gluxit bị oxy hóa;    TSHH = 0,7 khi lipit bị oxy hóa,     TSHH = 0,8  khi protid bị oxy hóa,    TSHH = 0,85-0,9 khi thức ăn hỗn hợp bị oxy hóa.Trường hợp thương số hô hấp vượt 1 là lúc cơ thể chuyển thức ăn gluxit sang dạng lipit (vì phân tử gluxit chứa nhiều O2 hơn trong phân tử lipit).TSHH < 0,7 là do lipit chuyển sang dạng gluxit ( ví dụ: khi cơ thể bị đói, O2 hấp thụ vào không những dùng để oxy hóa lipit mà còn dùng để tạo thành phân tử gluxit).

  III. Chuyển hoá  cơ sở

Năng lượng tiêu hao hàng ngày gồm năng lượng tiêu hao cho chuyển hóa cơ sở, nhận thức ăn và hoạt động cơ. Chuyển hóa cơ sở là năng lượng cần thiết để duy trì sự sống của con người trong điều kiện nhịn đói, hoàn toàn nghỉ ngơi, nhiệt độ môi trường thích hợp (khoảng 25^oC). Đó là năng lượng tối thiểu để duy trì các chức phận sinh lý cơ bản như tuần hoàn, hô hấp, hoạt động tuyến nội tiết, duy trì thân nhiệt...Nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chuyển hóa cơ sở: tình trạng hệ thống thần kinh trung ương, cường độ hoạt động các hệ thống nội tiết và men. Hormon tuyến giáp trạng làm tăng chuyển hoá cơ sở. Hormon tuyến yên làm giảm chuyển hoá cơ sở. Tuổi và giới ảnh hưởng chuyển hóa cơ sở: nữ thấp hơn nam 5-10%, trẻ em cao hơn người lớn, người đứng tuổi và người già chuyển hoá cơ sở thấp dần.

Bệnh lý:

sốt làm tăng chuyển hoá cơ sở, thông thường nhiệt độ cơ thể tăng lên 1^oC thì chuyển hóa cơ sở tăng từ 5-10%, đó là nguyên nhân khi sốt bị sút cân. Khi đói, thiếu ăn chuyển hoá cơ sở giảm, thiếu ăn kéo dài chuyển hoá cơ sở giảm 50%, đó là tình trạng thích nghi của cơ thể để duy trì sự sống.

Cách tính chuyển hoá cơ sở: đơn giản nhất là dựa theo kết luận thực nghiệm cho biết ở người trưởng thành, khỏe mạnh, chuyển hóa cơ sở bằng 1kcal/1kg cân nặng / trong 1 giờ.  Muốn đo chuyển hoá cơ sở, người ta dùng hô hấp kế Benedic hoặc Krogh. Muốn có diện tích cơ thể, có thể tính theo công thức DUBOIS: 

  IV. Chuyển hóa năng lượng trong lao động 

Yếu tố có ảnh hưởng lớn nhất đến tiêu hao năng lượng là lao động chân tay. Ở một số động tác lao  động, tiêu hao năng lượng cao gấp nhiều lần tiêu hao năng lượng trong chuyển hoá cơ sở. Cơ thể càng hoạt động thì mức tiêu hao năng lượng càng lớn.   Ví dụ, trong trường hợp mức chuyển hóa cơ sở của cơ thể là 40kcal/giờ/m² diện tích cơ thể, thì khi ngồi mức chuyển hóa là 50, khi đi chậm là 100, chạy chậm là 295, chạy nhanh là 490kcal/m²/giờ.

 Trong lao động, tuỳ theo mức vận cơ mà sự tiêu hao năng lượng có thể khác nhau.Lao động nhẹ cần độ 3 kcal/phút, tức 1440 kcal/8 giờ. Lao động nặng cần độ 10 kcal/phút. Mức năng lượng chi phí trong một ngày cho từng người thuộc các nhóm đó như sau:

  - Nhóm I (Những người lao động trí óc như bác sĩ, kỹ sư, nhân viên hành chính...) 3000-3200 kcal.

  - Nhóm II ( Công nhân trong các nhà máy như thợ tiện, thợ nguội, thợ dệt...) 3500kcal.

  - Nhóm III ( Công nhân lao động nặng trong các nhà máy gang thép, thợ đốt lò, công nhân lái máy ủi...) 4000kcal.

  - Nhóm IV (Công nhân khuân vác, đào, cuốc đất...)  4500- 5000kcal.

 Ngoài năng lượng tiêu hao cho lao động, hàng ngày cơ thể còn phải lấy thức ăn từ ngoài và hấp thu các chất dinh dưỡng. Do đó cường độ chuyển hoá phải tăng lên và cơ thể cần mất thêm năng lượng. Sự tăng cường chuyển hoá vật chất và năng lượng như vậy được gọi là tác dụng động lực đặc hiệu của thức ăn. Tác dụng động lực đặc hiệu của thức ăn prôtêin có trị số lớn nhất, mức chuyển hóa tăng lên trung bình là 30%; thức ăn lipit và gluxit khoảng 4-5%. Đối với thức ăn hỗn hợp gồm 3 chất protid, lipit và gluxit thì tác dụng động lực đặc hiệu khoảng 10%.

V. Vấn đề dinh dưỡng

 Mọi chức phận của cơ thể  được  đảm bảo nhờ  ăn uống,  ăn uống cung cấp cho cơ thể:Tất cả nguyên liệu cần cho hoạt động sống bình thường của các cơ quan. Sản xuất công. Thay thế nguyên liệu bị tiêu dùng. Làm cho cơ thể lớn lên.  Tổ chức ăn uống đúng đắn và triệt để là lập khẩu phần ăn uống, xây dựng trên tính toán chính xác của thành phần thức ăn, số lượng, chất lượng các chất dinh dưỡng chứa trong các thức ăn ấy. + Cần đảm bảo nhận đủ protid, lipit, gluxit, muối khoáng.

+ Cần quy định trước lượng nước và các nhân tố bổ khuyết trong thức ăn là các sinh tố.  Lưu ý khi lập khẩu phần:

 a . Chỉ tiêu khẩu phần: Lệ thuộc tính chất công việc, công việc càng tiêu  thụ nhiều năng lượng, giá trị calo của thức ăn cung cấp phải càng cao. Trong thức ăn phải có protid vì cơ thể ta không có khả năng dự trữ protid, nhận bao nhiêu tiêu dùng bấy nhiêu, cần phải có protid hoàn bị.

   b. Mức độ hấp thu: Thức ăn không phải được hấp thu toàn bộ, một phần không được biến đổi và sẽ bị thải ra ngoài.Thức ăn gốc động vật hấp thu 90%.Thức ăn gốc thực vật hấp thu 80%. Muối khoáng được hấp thu 60  -  85%. Thức ăn hỗn hợp được hấp thu 82-90%.

    c. Thành phần khẩu phần:

 Có đủ protid, gluxit, lipit, sinh tố, phải tính trước mức độ hấp thu của mỗi loại thức ăn.Thức ăn phải nấu kỹ, trình bày đẹp mắt, thơm ngon giúp ăn ngon miệng. Cần biết chính xác trong thức ăn có bao nhiêu protid, gluxit, lipit... giá trị calo của thức ăn, để ăn uống một cách khoa học.

   Về cơ cấu các chất theo nghiên cứu của Viện dinh dưỡng:

 - Cơ cấu các chất: % calo: protid : lipit : gluxit là 12 : 18 : 70 so với calo chung. Protid động vật/protid chung  = 20 %. Lipit thực vật / lipit chung = 50%.

  Đối với nông súc lưu ý hai loại khẩu phần:

Khẩu phần nuôi dưỡng: đủ bù vào chỗ năng lượng tiêu tốn tính bằng calo.  Khẩu phần sản xuất: tính thêm công hoặc số calo của lượng sữa mà nông súc sản xuất và lượng calo mất đi khi ống tiêu hóa phải làm việc thêm.

  Cần lưu ý, con người khác với nhiều động vật ở chỗ, có khả năng thích nghi với các chế độ dinh dưỡng rất khác nhau.

 Nhu cầu sinh lý tối thiểu về prôtêin là lượng prôtêin nhỏ nhất đủ duy trì thăng bằng nitrogen trong điều kiện ăn đủ nhiệt lượng do có gluxit, lipit. Ở người cần khoảng 1g prôtêin/kg trọng lượng/ngày (theo nghiên cứu của Viện dinh dưỡng). Con số này cũng còn khác nhau tuỳ tác giả và tuỳ địa phương. 

DOWNLOAD: