15.2. Непрямая калориметрия
Вещества, которые окисляются в теле, и чья энергия поэтому превращается в тепло, представляют три класса питательных веществ – углеводы, жиры и белки.
Окисление моля глюкозы в качестве общей реакции для углево-
дов:
С6Н12О6 + 6О2 => 6СО2 + 6Н2О + 2,82МДж
и для окисления моля типичного жира – трипальмитата: С3Н5(ООС.С15Н31)3 + 72,5О2 => 51СО2 + 49Н2О + 32,02МДж
Одна грам–молекула кислорода занимает объем 22,4 литра при нормальной температуре и давлении. Таким образом, у животного, получившего всю свою энергию в результате оксидации глюкозы, использование одного литра кислорода должно привести к продукции 2820/(6×22,4)=20,98 кДж тепла; для смесей из углеводов средняя величина является 21,12 кДж/литр О2. Эта величина известна как термальный (тепловой) эквивалент кислорода и используется в непрямой калориметрии, чтобы определить теплопродукцию на основе потребления человеком и животными кислорода.
Для животного, катаболизирующего смесь только жиров, термальный эквивалент кислорода составляет 19,61 кДж/литр (19,71 кДж/литр рассчитан для одного жира по вышеприведенному уравнению для трипальмитата).
(72,5×22,4=1624; 32020/1624=19,71)
Кормление животных только углеводами или только жирами ненормально. Они окисляют смесь из них, и кроме того, белки, поэтому, чтобы применять в нормальных условиях соответствующие термальные эквиваленты, необходимо знать, сколько кислорода использовано на каждое питательное вещество. Количество рассчитывают по так называемому респирационному коэффициенту (RQ). Он является отношением между объемом двуокиси углерода, произведенным животным, и объемом использованного кислорода. Так как в одинаковых условиях температуры и давления равные объемы газов содержат равные количества молекул, то RQ для углеводов рассчитывается: 6СО2/6О2=1; из уравнения с трипальмиатом: 51СО2/72,5О2=0,70. Если RQ животного известно, то пропорция окисленных жира и углеводов может быть затем определена по таблице стандартов. Например, RQ, равный 0 , 9, показывает окисление смеси из 67,5% углеводов и 32,5% жира и термальный эквивалент кислорода для такой смеси равен 20,65 кДж/литр. Расчет: 21,12×0,675+19,71×0,325= 14,25+6,4= 20,65.
Окисляемые смеси обычно включают белок. Количество катаболизируемого белка может быть определено по потерям азота в моче, 0,16 г N мочи экскретируется на каждый грамм белка. Тепло от сгорания белка (т.е. тепло, полученное от полного окисления белка) варьирует в соответствии с количеством аминокислот, но в среднем 22,2 кДж/г. Белок, однако не полностью окисляется у животных из-за того, что организм не может окислять азот и количество тепла, произведенное при катаболизме 1 г белка = 18,0 кДж. На каждый грамм окисленного белка производится 0,77 литров СО2 и используется 0,96 литров кислорода, давая уравнение RQ =0,8 (0,77/0,96=0,8).
Тепло производится не только тогда, когда окисляются органические вещества, но и тогда, когда они используются на синтез веществ тканей тела животных. Было установлено, что количество тепла, произведенное в процессе таких синтезов, происходит при тех же самых отношениях в респираторном обмене, как это происходит при полном окислении питательных веществ.
Зависимость между респираторным обменом и продукцией тепла нарушается, если окисление углеводов и жира неполное. Такая ситуация возникает при таких нарушениях обмена, как кетоз, когда жирные кислоты не полностью окисляются до СО2 и Н2О, а углерод и водород покидают тело в виде кетонов или кетоноподобных веществ. Неполное окисление происходит также и в нормальных условиях у жвачных из-за
того, что конечным продуктом углеводов при ферментации в рубце является метан. В практике продукцию тепла, рассчитанную по респирационному обмену у жвачных, корректируют путем вычитания 2,42 кДж на каждый литр метана.
Расчеты, приведенные выше, можно объединить в одно уравнение, называемое уравнением Бравера (датский ученый E.Brouwer): ТП=16,18VО2 + 5,16VСО2 – 5,90N – 2,42СН4, где
ТП – продукция тепла (кДж),
VО2 – потребление кислорода (литров), VСО2 – продукция СО2 (литр),
N – азот экстретированный в моче (г), СН4 – продукция метана (литр).
Для птиц N коэффициент = 1,20 (вместо 5,90), т.к. птица экстретирует азот в более окисленной форме мочевой кислоты, чем мочевина.
Таблица 15.1 –Расчет продукции тепла у теленка по респираторному обмену и экскреции азота с мочой (Blaxter V.L., Graham N. McC. and Rode J.A.F., 1956)
| Результаты опыта (24часа): | ||
|---|---|---|
| Поглощенный О2, литр | 392,0 | |
| Произведенный СО2, литр | 310,0 | |
| Экскреция N в моче, г | 14,8 | |
| Тепло от обмена белка: | ||
| Белок окисленный, г | (14,8×6,25) | 92,5 |
| Производство тепла, кДж | (92,5×18) | 1665 |
| Использованный О2, литр | (92,5×0,96) | 88,8 |
| Произведенный СО2, литр | (92,5×0,77) | 71,2 |
| Тепло от обмена углеводов и жира: | ||
| Использовано О2, литр | (392-88,8) | 303,2 |
| Произведено СО2, литр | (310,7-71,2) | 239,5 |
| Небелковый RQ | 0,79 | |
| Термальный эквивалент О2, когда RQ=0,79кДж/литр | 20,0 | |
| Производство тепла, кДж | (303,2×20) | 6064 |
| Общее производство тепла, кДж | (1665+6064) | 7729 |
В некоторых условиях, которые будут обсуждаются позднее, продукция тепла должна определяться только по потреблению кислорода. Если респираторный коэффициент признан на уровне 0,82 и термальный эквивалент = 20, то отклонение от этого RQ в пределах от 0,7 до 1,0 вызывает отклонение, но не более, чем на 3,5% при определении теплопродукции. Дальнейшее упрощение возможно в отношении обмена белка. Термальный эквивалент кислорода, используемого для окисления белка, равен 18,8 кДж/литр, он не очень отличается от величины 20 кДж/литр для окисления углеводов и жира. Если небольшое количество продукции тепла происходит от окисления белка, то необязательно оценивать его отдельно и измерять количество азота мочи. Пример рас-
