Sinh Lý Chuyển Hóa Năng Lượng

Chuyển hóa năng lượng trong cơ thể là sự biến đổi năng lượng bên trong cơ thể, nó diễn ra thường xuyên, liên tục gắn liền với mọi hoạt động của cơ thể và liên quan chặt chẽ với chuyển hóa chất trong cơ thể. Trong cơ thể sống chuyển hóa năng lượng cũng tuân theo định luật bảo tồn năng lượng, nó không tự nhiên sinh ra và cũng không tự mất đi mà chỉ tồn tại từ dạng này sang dạng khác.

Cơ thể không có một bộ máy riêng để chuyển hóa năng lượng chung cho toàn bộ cơ thể mà nó xảy ra ở mọi tế bào của cơ thể. Các glucid, lipid, protid khi phân giải thành CO2 và H2O nó giải phóng ra nhiều năng lượng, năng lượng giải phóng ra một phần được sử dụng để tạo thành ATP là chất giàu năng lượng để cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động của cơ thể, một phần năng lượng còn lại của quá trình phân giải các chất được toả ra dưới dạng nhiệt năng của cơ thể.

Năng lượng chứa trong ATP có thể được sử dụng để thực hiện công ở tế bào như co cơ, vận chuyển vật chất qua màng tế bào, tổng hợp các phân tử hữu cơ ở trong tế bào, có thể biến đổi thành các dạng năng lượng khác như động năng, điện năng, hóa năng…

Năng lượng được liên tục quay vòng trong tế bào thông qua sự biến đổi của ATP. Một phân tử ATP chỉ tồn tại vài giây thì năng lượng của nó đã chuyển luôn sang phân tử khác và ATP trở thành ADP. Phân tử ADP mới được tạo ra này lại nhanh chóng được chuyển trở lại thành ATP do nó được cung cấp năng lượng từ các quá trình phân giải glucid, lipid hoặc protein trong tế bào.

ATP được tổng hợp liên tục nhưng đồng thời cũng được sử dụng liên tục và nồng độ ATP trong máu luôn luôn ổn định và điều hoà chuyển hóa năng lượng trong cơ thể cũng chính là điều hoà quá trình sử dụng và tổng hợp ATP.

2.1. Các dạng năng lượng của cơ thể

2.1.1. Nguồn năng lượng

Năng lượng vào cơ thể chủ yếu là hóa năng của thức ăn. Nói chung tất cả các loại thức ăn đều chứa sáu chất dinh dưỡng như protid, lipid, glucid, vitamin, muối khóang và nước, trong đó chỉ ba chất cung cấp năng lượng cho cơ thể là glucid, lipid và protein, do đó các chất này được gọi là các chất sinh năng lượng.

Giá trị năng lượng của mọi thức ăn phụ thuộc vào hàm lượng của ba chất dinh dưỡng sinh năng lượng. Giá trị năng lượng của một số loại thức ăn thường gặp ở nước ta như dầu, mỡ 900 Kcal/100gam, lạc, vừng 600 Kcal, đậu hạt 300- 400 Kcal, lương thực 350 Kcal, thịt cá 100-250 Kcal, rau quả dưới 100 Kcal.

Trong ống tiêu hóa, thức ăn bị phân giải thành các chất hấp thu. Vì vậy có thể nói năng lượng vào cơ thể dưới dạng hóa năng của các chất hấp thu.

Đối với glucid, ở trong ống tiêu hóa, sản phẩm cuối cùng có thể hấp thu được là các monosaccharid trong đó glucose chiếm tới 80%. Các monosaccharid sau khi hấp thu qua ruột được đưa về gan. Ở gan phần lớn các monosaccharid lại được chuyển thành glucose để vào máu đi đến các tế bào của cơ thể. Có tới trên 90% monosaccharid vận chuyển trong máu là glucose. Glucose nếu đi vào quá trình phân giải ở tế bào thành H2O và CO2 sẽ giải phóng ra năng lượng.

Một mol glucose phân giải hoàn toàn cho ta 686 Kcal/mol và có thể cho ta 98 mol ATP nhưng trên thực tế chỉ cho khoảng 40% năng lượng chuyển thành ATP, phần còn lại toả ra dưới dạng nhiệt năng. Tổng quát toàn bộ phản ứng diễn ra trong tế bào khi phân giải glucose có thể viết như sau:

C6H12O6+ 6O2 + 38ADP+ 38 Pi→ 6CO2 + 6H2O + 38ATP + 38H2O +420 Kcal/mol

Lipid được phân giải trong ống tiêu hóa thành các dạng có thể hấp thu được là các acid béo, các triglycerid, cholesterol và phospholipid. Chúng được hấp thu vào máu về gan và được vận chuyển trong máu dưới dạng lipoprotein. Phân giải các lipid thành CO2 và H2O qua nhiều giai đoạn phức tạp hơn so với phân giải glucose. Trước hết các triglycerid phải thuỷ phân thành glycerol và acid béo. Glycerol sẽ đi theo đường của acid pyruvic, còn acid béo sẽ được cắt thành các mẩu 2 carbon theo con đường β oxy hóa, các mẩu 2 carbon này sẽ chuyển thành acetyl CoA để đi vào chu trình Krebs và cung cấp năng lượng. Phân giải lipid cung cấp rất nhiều năng lượng, lipid là nguồn dự trữ năng lượng lớn nhất của cơ thể.

Protein được phân giải trong ống tiêu hóa và hấp thu vào máu dưới dạng các acid amin. Vai trò cung cấp năng lượng của protein trong cơ thể không lớn như glucid và lipid. Để cung cấp năng lượng các protein phải phân giải thành các acid amin, sau đó khử amin thành các acid cetonic rồi lại cắt thành các mẩu 2 carbon để đi vào chu trình Krebs hoặc theo các con đường có liên quan đến phân giải glucid hoặc lipid để cho sản phẩm cuối cùng là H2O và CO2 đồng thời cung cấp năng lượng tổng hợp các ATP.

Như vậy có thể nói khái quát là nguồn cung cấp năng lượng cho cơ thể là từ thức ăn, trong đó các chất dinh dưỡng chính được cung cấp từ thức ăn là glucid, lipid, các protein, muối khóang và vitamin. Năng lượng từ các chất dinh dưỡng đưa vào cơ thể là hóa nặng của các chất hấp thu từ glucid, lipid và protein. Các chất hấp thu khi vào cơ thể sẽ được chuyển hóa để cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động của cơ thể và năng lượng cũng được chuyển thành nhiều dạng khác nhau đáp ứng với những hoạt động phù hợp của cơ thể.

2.1.2. Các dạng năng lượng của cơ thể

Năng lượng là khả năng gây biến đổi vật chất hay khả năng thực hiện một công và người ta dùng công để đo năng lượng. Công là lực tác động lên vật chất gây đổi chỗ vật chất. Sự biến đổi vật chất hay thay đổi một liên kết hóa học, sự di chuyển vật chất qua màng hoặc sự vận chuyển của máu trong hệ thống mạch máu… Cũng chính vì vậy có năng lượng sinh công hóa học hay còn gọi là hóa năng có khả năng làm thay đổi các liên kết hóa học. Năng lượng sinh công cơ học còn gọi là động năng là năng lượng tạo nên sự co cơ, sự vận động, sự di chuyển của dòng máu… Năng lượng sinh công điện hay còn gọi là điện năng là năng lượng tạo nên sự chênh lệch điện thế và sự di chuyển các điện tích của các ion. Năng lượng sinh công thẩm thấu là năng lượng để duy trì một áp suất thẩm thấu giữa hai môi trường. Nhiệt năng là năng lượng toả ra dưới dạng nhiệt.

2.1.2.1. Năng lượng sinh công hóa học gọi là hóa năng

Hóa năng là năng lượng tồn tại trong các liên kết hóa học, khi muốn bẻ gãy hoặc làm thay đổi một liên kết hóa học theo hướng phân giải sẽ giải phóng ra năng lượng và khi muốn tổng hợp nên một liên kết hóa học mới đòi hỏi phải cung cấp năng lượng. Như vậy việc sinh công hóa học xảy ra ở khắp mọi nơi trong cơ thể là quá trình phân giải hoặc quá trình tổng hợp vật chất. Hóa năng của cơ thể tồn tại dưới nhiều hình thức như:

– Hóa năng của các chất tạo hình.

– Hóa năng của các chất dự trữ như glycogen, các mỡ trung tính (triglycerid ở các mô mỡ). Trong cơ thể lượng glycogen chiếm khoảng 100-150 gam trọng lượng của toàn cơ thể. Ở nam giới trưởng thành lượng lipid chiếm khoảng 10% thể trọng, ở nữ giới là 25% thể trọng.

– Hóa năng của các chất đảm bảo các hoạt động chức năng của cơ thể như các hormon, các enzym…

– Hóa năng của các chất giàu năng lượng như ATP, UTP (Uracil Triphosphat) và những liên kết giàu năng lượng khác như các coenzymA. Hóa năng của các chất giàu năng lượng đóng vai trò hết sức quan trọng vì nó là khâu trung gian trong chuyển hóa năng lượng, nó có vai trò là chất vận chuyển năng lượng, dự trữ năng lượng và cung cấp năng lượng để chuyển đổi sang các dạng năng lượng khác như động năng, điện năng, nhiệt năng.

– Hóa năng tồn tại trong các chất bài tiết của cơ thể.

Có thể nói trong cơ thể hóa năng là khởi nguồn của các dạng năng lượng khác. Không có hóa năng cơ thể không tồn tại được.

2.1.2.2. Năng lượng sinh công cơ học hay động năng

Động năng là năng lượng để di dời vật chất từ vị trí này đến vị trí khác, năng lượng này được cung cấp từ ATP. Khi cắt dây nối phosphat giàu năng lượng của ATP, năng lượng được giải phóng ra để thực hiện một công cơ học như sự co cơ, sự vận chuyển của dòng máu, vận chuyển vật chất qua màng v.v.

Động năng gặp ở những nơi đang có sự chuyển động, động năng gặp ở mọi nơi trong cơ thể. Không có động năng cơ thể không tồn tại và hoạt động được. Sự chuyển động của cơ thể, máu chuyển động trong hệ thống tuần hoàn, khí chuyển động trong đường dẫn khí, thức ăn chuyển động trong ống tiêu hóa, vật chất vận chuyển qua màng, tất cả các sự chuyển động của vật chất như vừa nêu ở trên thực hiện được là nhờ có động năng và năng lượng cho sự chuyển động đó được cung cấp từ ATP. Như vậy hóa năng của chất giàu năng lượng là ATP đã được chuyển thành động năng cho mọi sự chuyển động (di chuyển) của vật chất.

2.1.2.3. Năng lượng sinh công điện hay điện năng

Điện năng sinh ra trong sự vận chuyển thành dòng của các ion mang điện tích qua màng tế bào và nó tạo nên điện thế của màng tế bào trong trạng thái nghỉ (điện thế nghỉ) và trong trạng thái hoạt động (điện thế hoạt động).

Nhờ có điện năng và sự chênh lệch điện thế màng tế bào chúng ta có thể ghi được các dòng điện sinh học như điện tim, điện não, điện cơ…

2.1.2.4. Năng lượng sinh công thẩm thấu

Năng lượng sinh công thẩm thấu là năng lượng vận chuyển vật chất đi ngược bậc thang áp suất thẩm thấu hay vận chuyển các chất theo bậc thang áp suất thẩm thấu. Bình thường nước được vận chuyển từ môi trường nhược trương sang môi trường ưu trương hơn, sự vận chuyển nước cần có năng lượng nhưng đối với một số tuyến bài tiết như tuyến nước bọt, nước được vận chuyển ngược bậc thang áp suất thẩm thấu, nó đòi hỏi cung cấp nhiều năng lượng hơn so với vận chuyển nước theo áp suất thẩm thấu. Năng lượng để vận chuyển vật chất liên quan đến áp suất thẩm thấu được gọi là năng lượng sinh công thẩm thấu.

2.1.2.5. Nhiệt năng

Nhiệt năng tồn tại trong toàn cơ thể. Một mặt nhiệt năng đảm bảo cho cơ thể một nhiệt độ bên trong cần thiết cho các phản ứng chuyển hóa diễn ra bình thường và do đó là cần thiết cho cơ thể, mặt khác nhiệt năng luôn luôn được tạo ra khiến cho thân nhiệt luôn luôn có xu hướng tăng lên và khi thân nhiệt vượt quá 42°C thì các protid, nhất là các enzym bị biến tính khiến cho cơ thể không thể tồn tại được nữa, do đó nhiệt năng còn là dạng năng lượng cần thiết phải được loại trừ thường xuyên khỏi cơ thể.

Trong quá trình phân giải các chất, năng lượng giải phóng ra một phần được đưa vào tổng hợp ATP, một phần toả ra dưới dạng nhiệt năng. Nếu toàn bộ năng lượng toả ra trong quá trình phân giải trở thành nhiệt năng cả thì cơ thể sẽ không tồn tại được. Nhiệt năng rất cần thiết để duy trì thân nhiệt ổn định, vì vậy nhu cầu về nhiệt năng của cơ thể phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong đó có quá trình sinh nhiệt và toả nhiệt của cơ thể, quá trình chuyển hóa chất và chuyển hóa năng lượng trong cơ thể.

Nhu cầu năng lượng cho mọi hoạt động sống của cơ thể là rất lớn và không thể thiếu được vì thiếu nó cơ thể sẽ không tồn tại được. Hóa năng của các chất hấp thu từ các chất dinh dưỡng glucid, lipid, protein sau khi vào cơ thể được cơ thể sử dụng trong quá trình chuyển hóa chất, chuyển hóa năng lượng, cung cấp năng lượng cho mọi hoạt động dưới các dạng năng lượng khác nhau như đã được trình bày trong phần trên. Như vậy năng lượng của cơ thể bị tiêu hao liên tục trong quá trình sống, nhưng năng lượng lại là thứ không thể tự sinh ra được, do đó để bù đắp cho phần năng lượng bị tiêu hao, cơ thể phải thường xuyên được bù đắp từ nguồn thức ăn. Cơ thể không trực tiếp sử dụng được nhiệt năng, động nặng hay điện năng mà chỉ có thể tiếp nhận qua hóa năng của các chất dinh dưỡng được hấp thu và chuyển hóa trong cơ thể.

2.2. Tiêu hao năng lượng của cơ thể

Năng lượng rời cơ thể dưới dạng: Hóa năng của các chất bài tiết, động năng, điện năng và nhiệt năng bởi nhiều nguyên nhân khác nhau. Người ta thường chia các nguyên nhân gây tiêu hao năng lượng thành ba loại lớn sau đây:

Năng lượng tiêu hao để duy trì cơ thể.

Năng lượng tiêu hao cho sự phát triển cơ thể.

Năng lượng tiêu hao cho sinh sản.

2.2.1. Năng lượng tiêu hao để duy trì cơ thể

Đây là số năng lượng cần cho cơ thể tồn tại bình thường không thay đổi trọng, không sinh sản. Trong các nguyên nhân này có thể kể tới:

2.2.1.1. Chuyển hóa cơ sở

Chuyển hóa cơ sở là mức chuyển hóa năng lượng của cơ thể trong điều kiện cơ sở, với ba đặc điểm chính: không vận cơ, không tiêu hóa, không điều nhiệt. Người ta tính năng lượng cho chuyển hóa cơ sở theo Kcal/1m² da/1 giờ. Tính theo đơn vị này, chuyển hóa cơ sở không thay đổi theo trọng lượng cơ thể, nghề nghiệp, do đó thuận tiện cho công tác chẩn đoán và chữa bệnh.

Chuyển hóa cơ sở là nguyên nhân chủ yếu làm tiêu hao năng lượng nhiều nhất. Chẳng hạn một người một ngày tiêu hao 2200 Kcal thì riêng chuyển hóa cơ sở đã hơn 1400 Kcal.

Chuyển hóa cơ sở thay đổi theo các yếu tố sau:

– Tuổi: Nói chung tuổi càng cao thì chuyển hóa cơ sở càng giảm. Riêng ở tuổi dậy thì và trước dậy thì, chuyển hóa cơ sở giảm ít hơn.

– Giới: ở cùng một độ tuổi, chuyển hóa cơ sở của nữ bao giờ cũng thấp hơn của nam. Điều này có liên quan với tỷ lệ mỡ trong cơ thể hoặc với các hormon sinh dục.

– Các yếu tố sinh lý khác: chuyển hóa cơ sở còn thay đổi theo nhịp ngày đêm. Ở người bình thường, chuyển hóa cơ sở cao nhất lúc 13-16 giờ và thấp nhất lúc 1-4 giờ. Khi ngủ, chuyển hóa cơ sở giảm do giãn cơ và do giảm trương lực thần kinh giao cảm. Nhịp này sẽ dần dần thay đổi khi chuyển sang sống ở múi giờ khác hoặc chuyển sang làm việc vào ban đêm. Chuyển hóa cơ sở ở phụ nữ có thai cao hơn bình thường và ở nửa sau chu kỳ kinh nguyệt cao hơn so với nửa trước của chu kỳ kinh nguyệt.

– Các yếu tố bệnh lý: chuyển hóa cơ sở thay đổi rõ rệt trong bệnh của tuyến giáp: Giảm trong nhược năng và tăng lên trong ưu năng tuyến này. Vì tính chất đơn giản của phương pháp đo, cho đến nay chuyển hóa cơ sở vẫn được coi là một trong bốn xét nghiệm chính để chẩn đoán bệnh tuyến giáp. Chuyển hóa cơ sở cũng tăng lên trong sốt, trung bình mỗi khi thân nhiệt tăng lên 1°C thì chuyển hóa cơ sở tăng 10%, chuyển hóa cơ sở giảm đi trong suy dinh dưỡng protid năng lượng.

2.2.1.2. Vận cơ

Trong vận cơ, hóa năng tích luỹ trong cơ bị tiêu hao, 25% chuyển thành công cơ học của co cơ, 75% còn lại toả ra dưới dạng nhiệt. Người ta thường tính năng lượng tiêu hao trong vận cơ theo Kcal/kg thể trọng/phút.

Vận cơ cần thiết để vận động cơ thể trong không gian, để giữ cơ thể ở những tư thế nhất định, để lao động, do đó tiêu hao năng lượng là không thể tránh được. Tuy không làm cơ thể tiêu hao nhiều năng lượng bằng chuyển hóa cơ sở nhưng vận cơ làm tăng tiêu hao năng lượng chung của cơ thể. Năng lượng tiêu hao cho vận cơ thay đổi theo nghề và được dùng làm cơ sở để xác định khẩu phần ăn theo nghề nghiệp.

Tiêu hao năng lượng trong vận cơ thay đổi theo những yếu tố sau:

– Cường độ của vận cơ: nói chung cường độ vận cơ càng lớn thì tiêu hao năng lượng càng cao. Đây chính là cơ sở để phân loại lao động thể lực thành những bậc: nhẹ, trung bình, nặng và cực nặng. Cơ khí hóa làm giảm nhẹ cường độ vận cơ, do đó giảm hao tổn năng lượng cho mỗi sản phẩm lao động, có ý nghĩa to lớn trong sản xuất.

– Tư thế trong vận cơ: thực ra năng lượng tiêu hao không chỉ do tạo ra công mà còn do cơ co càng nhiều thì tiêu hao năng lượng càng lớn. Tư thế càng thoải mái thì số cơ co càng ít và năng lượng tiêu hao càng ít. Đây là cơ sở của yêu cầu chế tạo những công cụ lao động phù hợp với kích thước thân thể của người lao động. Nó là một chuyên ngành khoa học mới được gọi là Công năng học (Ergonomie).

– Mức độ thông thạo: nói chung, càng thông thạo thì tiêu hao năng lượng cho vận cơ càng thấp, đó là do càng thông thạo thì số cơ co không cần thiết càng bớt đi. Đây chính là cơ sở của yêu cầu chuyên môn hóa lao động.

2.2.1.3. Điều nhiệt:

Điều nhiệt chính là hoạt động chức năng khiến cho thân nhiệt không thay đổi nhiều như nhiệt độ môi trường bên ngoài, là điều kiện cần thiết cho cơ thể tồn tại và hoạt động.

Trong môi trường lạnh, tiêu hao năng lượng phải tăng lên bù cho số nhiệt năng bị khuếch tán ra môi trường xung quanh. Nói chung khi nhiệt độ trung bình năm của một vùng lạnh giảm đi 10°C thì nhu cầu năng lượng tăng 5%.

Trong môi trường nóng, lúc đầu tiêu hao năng lượng cũng tăng lên do hoạt động của bộ máy điều nhiệt, nhưng sau đó tiêu hao năng lượng lại giảm đi do suy giảm quá trình chuyển hóa trong môi trường nóng.

2.2.1.4. Tiêu hóa

Ăn để cung cấp năng lượng cho cơ thể, nhưng bản thân việc ăn lại làm tiêu hao năng lượng của cơ thể tăng lên. Vì vậy, tiêu hao năng lượng do ăn cũng là nguyên nhân không thể tránh được. Năng lượng tiêu hao thêm là kết quả của việc chuyển hóa các sản phẩm tiêu hóa đã được hấp thu. Người ta gọi đó là tác dụng động lực đặc hiệu (SDA – Specific Dynamic Action) của thức ăn. Tác dụng động lực đặc hiệu được tính bằng tỷ lệ phần trăm của mức tăng tiêu hao năng lượng so với tiêu hao trước khi ăn. Tác dụng động lực đặc hiệu của thức ăn thay đổi theo từng chất dinh dưỡng: Protein làm tiêu hao năng lượng tăng thêm 30%, người ta nói SDA bằng 30%, SDA của lipid, glucid lần lượt là 14 và 6. Với chế độ ăn hỗn hợp của người, SDA là 10%.

2.2.2. Năng lượng cần thiết cho phát triển cơ thể

Muốn phát triển cơ thể, tăng chiều cao hoặc trọng lượng đều cần tăng kích thước và số lượng tế bào. Cơ thể phải tăng tổng hợp các thành phần tạo hình và dự trữ, nghĩa là phải biến đổi một phần hóa nặng của thức ăn thành hóa năng của chất tạo hình, dự trữ.

Phát triển là đặc điểm của tuổi trưởng thành. Ngay ở tuổi đã trưởng thành cũng vẫn có những trường hợp phát triển trọng lượng như trong thời kỳ hồi phục sau khi bị bệnh, thời kỳ rèn luyện thân thể. Kể cả khi trọng lượng cơ thể không thay đổi, thực ra vẫn cần tiêu hao một số năng lượng cho việc bổ sung của những loại mô bị đổi mới nhanh chóng: Các tế bào máu, niêm mạc ruột non, mô da. Do đó tiêu hao năng lượng cho phát triển cũng là không tránh khỏi.

Bằng các thực nghiệm trên động vật và trên trẻ em, người ta đi đến kết luận là năng lượng tiêu hao để tăng thêm 1gam thể trọng bằng 3 Kcal.

2.2.3. Năng lượng tiêu hao cho sinh sản

Trong thời kỳ mang thai, cơ thể người mẹ phải tiêu hao thêm năng lượng để tạo thai, làm cho thai phát triển, tạo các phần nuôi thai. Không những thế, còn phải tiêu thêm năng lượng để tăng khối lượng máu tuần hoàn, tăng khối lượng các cơ quan của mẹ và nhất là dự trữ để bài tiết sữa sau khi đẻ. Tất cả những tiêu hao đó tính ra bằng 60.000 Kcal cho một chu kỳ mang thai. Vì thai phát triển lúc đầu chậm, càng về cuối càng nhanh nên tiêu hao năng lượng của người mang thai tăng thêm 150 Kcal mỗi ngày trong thời kỳ đầu và 300 Kcal mỗi ngày vào thời kỳ cuối của thời kỳ thai nghén.

Trong thời kỳ nuôi con, người mẹ bài tiết mỗi ngày 500-600 ml sữa. Năng lượng tiêu hao để tổng hợp và bài tiết số lượng sữa này bằng 550 Kcal/ngày. Đây là số năng lượng cần cung cấp thêm cho người cho con bú.

2.3. Nguyên lý đo tiêu hao năng lượng

Người ta chia các phương pháp đo tiêu hao năng lượng thành ba loại lớn, mỗi loại có thể có nhiều phương pháp.

2.3.1. Đo trực tiếp: Phương pháp đo bằng nhiệt lượng kế.

Các phương pháp này dựa trên nguyên lý là năng lượng tiêu hao khỏi cơ thể dưới tất cả các dạng, cuối cùng đều chuyển hóa thành nhiệt năng. Do đó chỉ cần đo số nhiệt lượng mà cơ thể toả ra là đủ.

Để đo cho người, người ta dùng phòng nhiệt lượng kế. Đây là phòng không thấm nhiệt. Đối tượng nghiên cứu sống và làm việc trong phòng trong nhiều ngày. Năng lượng toả ra sẽ làm nóng dòng nước chảy qua phòng. Năng lượng tiêu hao được tính theo công thức:

Q=V. (t₂-t₁)

Trong đó V là thể tích nước đã chảy qua phòng, t₁ và t₂, lần lượt bằng nhiệt độ trung bình của nước trước và sau khi chảy qua phòng (hình 5.1).

Phương pháp đo trực tiếp bằng phòng nhiệt lượng kế có một độ chính xác cao nhưng đòi hỏi thiết bị rất phức tạp và thời gian nghiên cứu tương đối dài, do đó chỉ được dùng làm chuẩn để đánh giá các phương pháp khác.

2.3.2. Đo gián tiếp qua hô hấp và qua tiêu hóa

2.3.2.1. Các phương pháp gián tiếp qua hô hấp

Các phương pháp này dựa trên nguyên lý là hơn 90% năng lượng tiêu hao của cơ thể được lấy ra từ các phản ứng oxy hóa. Do đó, nếu ta tính được số lượng oxy bị tiêu hao và giá trị nhiệt lượng của oxy thì có thể tính ra năng lượng tiêu hao theo công thức Q = V x J, trong đó V là thể tích oxy tiêu thụ, J là giá trị nhiệt của oxy trong điều kiện đo.

Có hai phương pháp thường được sử dụng cho người là:

– Phương pháp nửa vòng mở: trong phương pháp này, người ta cho đối tượng nghiên cứu thở qua một mặt nạ có van khiến cho không khí chỉ được vận chuyển theo một chiều từ không khí trong phòng vào phổi, rồi từ phổi vào một , túi không thấm khí. Sau một thời gian nghiên cứu, người ta lấy túi khí thở ra, đo thể tích và phân tích tỷ lệ các khí O2, CO2 và nitơ. So với thành phần không khí hít vào, có thể tính ra thể tích O2 bị tiêu thụ cũng như thể tích khí CO2 mới sinh ra, từ đó có thể tính thương số hô hấp, là thương số của thể tích CO2 mới sinh chia cho thể tích O2 tiêu thụ. Giá trị của O2 phụ thuộc vào chất bị thiêu đốt trong cơ thể, được biểu hiện qua thương số hô hấp. Do đó có thể xác định được giá trị nhiệt của oxy trong điều kiện đo bằng một bảng tương quan giữa thương số hô hấp tính được trong lúc đo với giá trị nhiệt của oxy. Phương pháp đo có độ chính xác đủ cho việc xác định tiêu hao năng lượng cho người trong lúc lao động.

– Phương pháp vòng kín: trong phương pháp này, người ta dùng máy hô hấp ký (đọc bài 10. Sinh lý Hô hấp). Oxy đựng trong chuông kín của máy được dẫn theo một ống riêng tới miệng (hoặc mũi) của đối tượng nghiên cứu. Khí thở ra được dẫn theo một ống khác trở về chuông sau khi đã đi qua một hộp đựng vôi sôđa, có khả năng giữ CO2 và hơi nước lại. Bằng cách ấy, sau một thời gian đo, rất dễ dàng xác định được thể tích oxy bị tiêu hao. Nhưng thể tích của khí CO2 mới sinh ra thì không tính được, do đó không thể tính được thương số hô hấp và do đó cũng không biết được giá trị nhiệt của oxy. Phương pháp này chỉ được dùng để đo tiêu hao năng lượng cho chuyển hóa cơ sở bởi vì người ta đã xác định được bằng những phương pháp khác rằng giá trị nhiệt của oxy trong điều kiện cơ sở bằng 4,825 Kcal/lít oxy.

2.3.2.2. Các phương pháp gián tiếp qua tiêu hóa

Phương pháp dựa trên nguyên lý năng lượng không thể bị mất đi hoặc sinh thêm ra, do đó, khi thể trọng không thay đổi, tức là khi không có tiêu hao năng lượng cho phát triển cơ thể và cho sinh sản thì năng lượng tiêu hao vừa đúng bằng năng lượng ăn vào. Năng lượng ăn vào được xác định bằng cách cân các loại thức ăn tiêu thụ và trọng lượng phân bài tiết rồi dùng bơm nhiệt lượng kế hoặc qua phân tích các thành phần sinh nhiệt protid, lipid và glucid trong các mẫu mà tính ra giá trị nhiệt của thức ăn tiêu thụ và của phân. Năng lượng ăn vào bằng hiệu số giữa năng lượng thức ăn tiêu thụ với năng lượng của phân bài tiết ra.

Phương pháp không làm thay đổi các sinh hoạt của đối tượng, có thể áp dụng cho số đông, nhưng độ chính xác không cao, thường được dùng để kiểm tra những khẩu phần ăn mới được đề nghị hoặc kiểm tra kết quả thu được trong các nghiên cứu trên một số nhỏ đối tượng được nghiên cứu bằng phương pháp khác.

2.4. Điều hoà chuyển hóa năng lượng

Chuyển hóa năng lượng gắn liền với sự tồn tại và hoạt động của cơ thể, do đó, cũng như các chức năng khác, được điều hoà rất chặt chẽ. Chuyển hóa năng lượng được điều hoà ở hai mức độ: Mức độ toàn cơ thể và mức độ tế bào.

2.4.1. Điều hoà chuyển hóa năng lượng ở mức độ toàn thân

Trong cơ thể toàn vẹn, nhu cầu về năng lượng thay đổi theo từng cơ quan và phụ thuộc vào những điều kiện bên trong và bên ngoài cơ thể. Vì vậy chuyển hóa năng lượng phải được thường xuyên điều hoà. Chuyển hóa năng lượng của các tế bào được điều hoà ở mức toàn cơ thể bằng các cơ chế thần kinh và thể dịch.

– Điều hoà chuyển hóa năng lượng bằng cơ chế thần kinh:

Hệ thần kinh có tác dụng điều hòa chuyển hóa năng lượng, rõ nhất là hệ thần kinh giao cảm. Kích thích thần kinh giao cảm làm tăng chuyển hóa năng lượng. Vùng dưới đồi là trung tâm cao nhất của thần kinh tự chủ, do đó cũng có ảnh hưởng đến điều hoà chuyển hóa năng lượng. Các phần khác của hệ thần kinh cũng có ảnh hưởng tới chuyển hóa năng lượng.

– Điều hoà chuyển hóa năng lượng bằng cơ chế thể dịch: nhiều hormon có tác dụng điều hoà chuyển hóa năng lượng:

+ Hormon tuyến giáp: hormon T₃ – T₄, thúc đẩy sự oxy hóa ở các ty thể, do đó làm tăng quá trình chuyển hóa năng lượng.

+ Hormon tuyến tuỷ thượng thận: adrenalin thúc đẩy sự phân giải glycogen dự trữ thành glucose, do đó thúc đẩy sử dụng năng lượng dự trữ trong glycogen ở gan.

+ Hormon tuyến vỏ thượng thận: hormon tuyến vỏ thượng thận thúc đẩy sự biến đổi acid amin thành glucid, chuyển hóa năng của acid amin thành hóa năng của glucid, nguồn năng lượng duy nhất của các tế bào thần kinh.

+ Hormon tuyến tụy: glucagon thúc đẩy sự phân giải glycogen của gan để tạo glucose, insulin thì thúc đẩy sự thiêu đốt glucose ở các tế bào.

+ Hormon GH của tuyến yên: GH làm giảm quá trình thiêu đốt glucid và huy động năng lượng dự trữ dưới dạng lipid ở các mô mỡ.

+ Hormon sinh dục: hormon của các tuyến sinh dục nam làm tăng đồng hóa protid do đó làm tăng tích luỹ năng lượng trong cơ thể. Estrogen của tuyến sinh dục nữ cũng làm tăng đồng hóa nhưng không mạnh bằng hormon sinh dục nam. Progesteron của tuyến sinh dục nữ cũng làm tăng chuyển hóa năng lượng.

2.4.2. Điều hoà chuyển hóa năng lượng ở mức tế bào

Ở mức độ tế bào chuyển hóa năng lượng được điều hoà bằng cơ chế điều hoà ngược. Yếu tố điều hoà là ADP. Khi hàm lượng ADP trong tế bào càng tăng thì phản ứng sinh năng lượng càng tăng và khi hàm lượng ADP giảm thì phản ứng sinh năng lượng cũng giảm đi. Kết quả là trong điều kiện bình thường hàm lượng ATP trong mỗi tế bào được duy trì ở mức độ nhất định đảm bảo cho tế bào có thể hoạt động bình thường và đáp ứng với nhu cầu năng lượng của cơ thể.

Nhờ các cơ chế điều hoà kể trên, bình thường năng lượng ăn vào luôn luôn bằng năng lượng tiêu hao cho tất cả các nguyên nhân: duy trì, phát triển và sinh sản. Sự điều hoà có hiệu quả lớn đến nỗi trong một năm một người trưởng thành ăn khoảng 1 tấn thức ăn nhưng cơ thể có thể không thay đổi trọng lượng quá 1 kg.

Mối tương quan giữa năng lượng ăn vào với năng lượng tiêu hao được thể hiện bằng khái niệm bilan năng lượng. Bilan năng lượng được gọi là dương khi năng lượng ăn vào lớn hơn năng lượng tiêu hao, gọi là âm khi năng lượng ăn vào nhỏ hơn năng lượng tiêu hao. Bilan năng lượng âm khi năng lượng ăn vào giảm sút (thiếu ăn, loạn hấp thu) hoặc khi năng lượng tiêu hao tăng (sốt, lỗ rò mạn tính, có khối u…). Trong trường hợp này, thoạt đầu cơ thể huy động năng lượng dự trữ, người gầy đi, đồng thời các tiêu hao năng lượng giảm đi, nhưng giảm không đều: Giảm nhiều nhất là năng lượng tiêu hao cho vận cơ, người luôn mệt mỏi, năng suất lao động thấp, tiêu hao năng lượng cho chuyển hóa cơ sở được duy trì không thay đổi trong một thời gian dài. Khi bilan năng lượng âm quá nhiều hoặc kéo dài thì sẽ xuất hiện tình trạng suy dinh dưỡng. Bilan dương khi năng lượng ăn vào tăng lên. Thoạt đầu, năng lượng dự trữ trong cơ thể tăng lên, người béo lên. Sau đó tiêu hao năng lượng cho vận cơ tăng lên, năng suất lao động tăng theo, người ưa vận động. Tuy nhiên điều này còn phụ thuộc vào lối sống và sự tập luyện.

Khi các yếu tố điều hoà chuyển hóa năng lượng bị rối loạn thì sẽ xuất hiện những bệnh chuyển hóa. Ưu năng tuyến giáp làm tăng chuyển hóa năng lượng, nhược năng làm giảm. Nhược năng tuyến yên làm giảm thèm ăn, gây hội chứng Simmond hoặc gây hội chứng phì sinh dục. Nhược năng tuyến tụy gây đái tháo đường làm tăng tiêu hao năng lượng dưới dạng hóa năng của glucose bài tiết. Thiếu các vitamin B₁, B₂, PP gây rối loạn chuyển hóa cho các chất, kèm theo là rối loạn chuyển hóa năng lượng, người bệnh thường gầy do giảm năng lượng tích luỹ.

Cập nhật thông tin mới nhất về kiến thức y học và test y học tại facebook TEST Y HỌC

Tham gia nhóm zalo: Tài Liệu Y Học Tổng Hợp

Ôn thi nội trú, sau đại học Giải Phẫu TẠI ĐÂY

Sinh Lý Chuyển Hóa Năng Lượng – Sinh Lý Y Hà Nội