Баланс веществ и энергии в организме животных и методы их определения

СОЧИНСКИЙ ИНСТИТУТ государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ» ФАКУЛЬТЕТ ВЕТЕРИНАРНО — САНИТАРНАЯ ЭКСПЕРТИЗА КАФЕДРА ФИЗИОЛОГИИ РЕФЕРАТ на тему:

«Баланс веществ и энергии в организме животных и методы их определения»

Выполнили: студентки второго курса ОФО группы Е-12

Шавилова К.А. и Калайчян А.Р.

Сочи 2013

• Введение
• 1. Баланс веществ и энергии в организме животного
• 2. Методы изучения обмена веществ и энергии в организмах животных
• 3. Баланс азота и углерода
• 4. Баланс энергии
• Заключение
• Введение
• Обмен веществ присущ как живой, так и неживой природе. Но между ними существует принципиальная разница. В результате обмена веществ неодушевленных тел последние необратимо разрушаются, тогда, как обмен веществ живых организмов с окружающей средой является основным условием его существования.
• Обмен веществ и энергии в клетке состоит из двух процессов: пластического обмена — (ассимиляция, анаболизм) совокупность реакций биосинтеза (образования веществ) происходит с поглощением энергии и энергетического обмена — (диссимиляция, катаболизм) совокупность реакций расщепления веществ с выделением энергии.
• Вследствие процессов диссимиляции пищевых веществ образуются продукты распада и энергия, необходимая для процессов ассимиляции. Взаимосвязь этих процессов обеспечивает существование животного организма.
• Обмен веществ условно можно разделить на внешний обмен, который включает поступления пищевых веществ в организм и удаление конечных продуктов распада, и внутренний, который охватывает все преобразования пищевых веществ в клетках организма.
• Пищевые вещества, попавшие в организм, расходуются на энергетические и строительные процессы, протекающие одновременно. При распаде пищевых веществ выделяется энергия, которая тратится на синтез специфических для данного организма соединений, на поддержание постоянной температуры тела, проведения нервных импульсов и др.
• Основным методом исследования обмена веществ является метод определения баланса веществ, попавших в организм и удалившихся снаружи, а также их энергетической ценности.
• Баланс энергии определяется на основе данных о калорийности пищевых веществ, принимаемых, а также конечных продуктов, выводимых из организма.
• Потребность человека в энергии определяется опытным путем и выражается в калориях. Количество калорий, поступающих в организм с любыми продуктами, называется калорийностью пищи. Энергообеспеченность пищи должна соответствовать энергозатратам организма, т. е. энергетические потребности человека должны полностью покрываться за счет энергетической ценности пищевых продуктов, входящих в рацион человека.
• Для нормального функционирования организма ежедневный рацион человека должен включать шесть основных составляющих: белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные вещества и воду. Пищевые вещества, которые люди получают вместе с пищей, можно условно разделить на две группы: те, которые необходимы им в больших количествах, либо макрокомпоненты (вода, белки, жиры, углеводы), и те, которые необходимы в меньших количествах, или микрокомпоненты (витамины и минеральные компоненты).
• Белки — это пластичный материал для формирования клеток и межклеточного вещества. Все составные части человеческого организма состоят из белков (мышцы, сердце, мозг и даже кости содержат значительное количество белков). Роль белков определяется не только разнообразием их функций, но и незаменимостью их другими веществами. Белки — это органические вещества, состоящие из аминокислот, которые, соединяясь между собой в разных композициях, придают белкам разнообразных свойств. Животный белок — это мясо, яйца, молоко и молочные продукты. Основным источником растительного белка являются хлеб и крупы.
• Жиры. Роль жиров в питании определяется их высокой калорийностью и участием в процессах обмена. Жиры обеспечивают в среднем 33% суточной энергоценности рациона. С жирами в организм поступают необходимые для жизнедеятельности вещества: витамины А, Д, Е, К и биологически важные фосфолипиды (лецитин, холин). Жиры обеспечивают всасывание из кишечника ряда минеральных веществ и жирорастворимых витаминов. В виде соединений с белками жиры входят в состав клеточных оболочек и ядер, участвующих в регулировании обмена веществ в клетках.
• Жиры могут быть растительного и животного происхождения.
• Углеводы. Углеводы являются основной частью пищевого рациона. Физиологическое значение углеводов в основном определяется их энергетическими свойствами. Они являются главным источником энергии организма (составляют 55% энергоценности суточного рациона). Поэтому в организме их содержится только около 2%, хотя в еде их доля составляет 70% (400−500г в сутки). Углеводы делятся на следующие группы: моносахариды — глюкоза, фруктоза, галактоза; олигосахариды — сахароза; полисахариды — крахмал, гликоген, клетчатка, пектиновые вещества. Основным источником углеводов в питании человека является растительная пища, только лактоза и гликоген содержатся в продуктах животного происхождения.
• Витамины. Они регулируют процессы обмена веществ, необходимых для формирования ферментов, гормонов и др. Витамины участвуют в окислительных процессах, вследствие которых из углеводов и жиров образуются многочисленные вещества, используемые организмом как энергетический и пластический материал. Витамины почти не синтезируются в организме и должны поступать с пищей.
• Отсутствие витаминов в рационе в течение длительного времени может вызвать различные заболевания. В нашем климатическом поясе конце зимы и начале весны зачастую оказывается дефицит витаминов А, С, В1, В2 и РР.
• Минеральные вещества. Минеральные вещества не имеют энергетической ценности, но необходимые для жизнедеятельности организма. Попадают они в организм с продуктами питания в виде минеральных солей. Минеральные вещества, содержащиеся в пищевых продуктах и тканях организма в значительном количестве, относят к макроэлементов. Макроэлементы бывают основного и кислотного характера. К основным относятся кальций, магний, калий, натрий, к кислым — фосфор, сера, хлор. Продуктами питания, которые содержат макроэлементы кислотного характера, есть мясо, птица, яйца, сыр, хлеб, бобовые и т. д.
• В молоке, кефире, овощах, многих ягодах, фруктах содержатся макроэлементы основного характера.
• Микроэлементы — это группа химических элементов, присутствующих в организме человека и животных в малых концентрациях. Суточная потребность в них выражается в миллиграммах или долях миллиграмма. Микроэлементы обладают высокой биологической активностью и необходимы для жизнедеятельности организма. К таким микроэлементам относятся железо, медь, кобальт, никель, марганец, стронций, цинк, хром, йод, фтор. Недостаток этих веществ в питании может привести к структурным и функциональным изменениям в организме, а их избыток обладает токсическим действием. Наиболее дефицитные минеральные элементы в пище человека — кальций и железо.
• корм питательность энергия животное
• 1. Баланс веществ и энергии в организме животного
• Проведение специальных опытов на животных по определению переваримости питательных веществ кормов дает возможность наиболее точно оценить их питательность по сравнению с оценкой по валовому химическому составу. Было установлено, что питательные вещества многих зерновых, корнеклубнеплодов и др. перевариваются животными почти полностью. В то же время отмечена очень низкая переваримость питательных веществ грубых кормов (соломы, мякины и др.).
• Использование метода оценки питательности кормов по содержанию переваримых веществ нашло широкое применение в практике животноводства многих стран. Однако постепенно стали накапливаться данные о несоответствии питательной ценности отдельных кормов, выраженной суммой переваримых питательных веществ, с их оценкой по влиянию на продуктивность животного. Особенно эта противоречивость отмечалась при использовании животными грубых кормов и концентратов (табл. 1).
• Табл.1. Использование переваримых веществ грубого корма и концентратов волами при откорме (по И.С. Попову)

	Группа 1	Группа 1
Суточный рацион, кг:
соломы	8,00	5,00
сена	8,00	-;
свекловичного жома	5,00	5,00
хлопчатникового шрота	3,74	3,59
кукурузы	0,49	6,37
На 1000 кг живой массы получали в сутки, кг:
переваримых питательных веществ	11,5	11,5
переваримого белка	2,0	2,0
Средний прирост на голову, кг	115,7	127,9
Убойная масса, %	53,0	57,0
Содержание воды, %	62,6	49,9

• Представленные данные показывают, что продуктивное действие переваримых питательных веществ выше в рационе с концентратами, по сравнению с рационом, где преобладали грубые корма. Это объясняется тем, что значительная часть переваримых углеводов разрушается в рубце с образованием СО2, СН4, Н2 и теряется в виде энергии метана (до 10−14% энергии переваримого вещества). При этом отмечается потеря до 70% тепловой энергии метана.
• Пищеварение является начальной фазой питания животного и не дает точного представления о дальнейшем использовании питательных веществ организмом. Поэтому истинную питательность корма, возможно, определить на основе количественных и качественных изменений в обмене веществ животного организма, выраженных в итоге состоянием здоровья, плодовитости, роста и их продуктивности.
• Для решения данной задачи наукой были разработаны новые методы изучения обмена веществ в организме животного, которые основываются на законе сохранения энергии.
• 2. Методы изучения обмена веществ и энергии в организмах животных
• Для изучения материальных изменений в организме животных под влиянием кормления с конца 19 в. широко применяется метод контрольных животных. Для этого подбирают две группы (контрольную и опытную) аналогичных животных (одинаковых по происхождению, возрасту, полу, массе). Перед началом опыта отбирают от них по 1−3 головы и производят убой животных. Все продукты убоя подвергают тщательному химическому анализу на содержание белка и жира и устанавливают их абсолютную массу. Оставшихся животных кормят на протяжении всего опытного периода однотипным рационом (основной рацион). Разница в кормлении между группами состоит в том, что в состав рациона опытных животных входит несколько больше того корма, питательную ценность которого устанавливают. На протяжении опыта строго учитывается поедаемость кормов и их остатки. В конце опытного периода производят контрольный убой наиболее типичных животных (3−5 головы) из каждой группы и определяют количество жира и белка отложенного в теле. По разнице в отложении жира и белка в начале и конце опыта определяют количество отложенных питательных веществ за период опыта и в среднем за сутки в каждой группе. Межгрупповая разница в жироотложении (белок пересчитывают в жир по калорийности) за одинаковый период времени и покажет питательную ценность изучаемого корма. Этот метод удобен тем, что не нужно определять переваримость питательных веществ кормов и не требуется сложного лабораторного оборудования.
• Более совершенным методом для определения качественных изменений в организме животного под влиянием кормления в настоящее время считается балансовый метод, основой которого является учет поступления и выделения азота и углерода или энергии.
• 3. Баланс азота и углерода
• Азот и углерод являются основными элементами потребленного животными корма и входят в состав органического вещества любой продукции.
• Азотсодержащие вещества корма после процесса переваривания в желудочно-кишечном тракте в основном всасываются в кровь, а непереваримая часть выделяется с калом. Всосавшиеся азотистые соединения в организме животного используются на восстановление тканей и синтез продукции и частично, в виде конечных продуктов обмена веществ, выводятся с мочой.
• Таким образом, чтобы составить баланс азота в организме животного необходимо знать его количество в корме, кале и моче:
• N отложения = N корма — N кала — N мочи
• У лактирующих животных из азота корма вычитают еще и N молока.
• Чтобы установить баланс азота в организме животного проводят опыт по методике определения переваримости корма и дополнительно учитывают выделение мочи, а также молока у лактирующих самок. При этом в зависимости от физиологического состояния животного и уровня кормления суточный баланс азота в теле животного может быть положительным (откладывается в организме), отрицательным (выделяется из организма) и нулевым (равновесие).
• По балансу азота вычисляют прирост или убыль белка в теле животного, так как он входит в основном в состав белка тканей. Сухое обезжиренное и обеззоленное мясо (мышечный белок) содержит 16,67% азота. Поэтому, отложенный в теле азот — 16,67 умножают на коэффициент 6,0 () и определяют количество отложенного в организме белка.
• Углеродсодержащиеся вещества корма в процессе переваривания всасываются в кровь, а оставшаяся часть выводится из организма с непереваренными остатками корма. При этом в период переваривания кормов в желудочно-кишечном тракте образуется метан и углекислота, выделяющаяся с кишечными газами. Углерод всосавшихся веществ в процессе межуточного обмена распределяется в организме в отложенных белках и жире, а также в продуктах окисления веществ (углекислоте). Образовавшаяся при окислении веществ углекислота выделяется из организма с выдыхаемым воздухом. Поэтому, чтобы составить баланс углерода в организме животного, необходимо знать его количество не только в корме, кале и моче, но и в кишечных газах и выдыхаемом воздухе:
• Сотложений = Скорма — Сдиоксида углерода выдыхаемого воздуха — Скала — Смочи — С кишечных газов
• У лактирующих животных из углерода корма еще вычитают и углерод молока.
• Для определения баланса углерода в организме проводят, как и в случае составления баланса азота, опыт на животных. Учитывают выделение кала и мочи, а также молока у лактирующих животных. Учет выделения углерода с выдыхаемым воздухом проводят в специальных опытах по изучению газообмена в респирационных камерах.
• При изучении газообмена у животного применяют респирационные камеры закрытого и открытого типа (рис.1). Основным условием при этом является поддержание нормального состава воздуха в камере для животного на период проведения опыта. В камерах закрытого типа воздух прогоняется насосом через систему, поглощающую углекислоту и воду, и вновь возвращается в камеру. При этом в камеру постоянно поступает кислород из баллона.
• Рис. 1. Схема респирационного аппарата для крупных животных
• Респирационный аппарат открытого типа представляет собой герметизированную и термостатированную камеру, оборудованную приспособлениями для кормления, поения, доения животного, сбора мочи и кала. Камера имеет системы подачи и выведения воздуха с учетом его количества. На основании данных о составе поступающего в камеру и выходящего из нее воздуха определяют содержание углерода в газообразных выделениях животного.
• Исходя из баланса углерода в организме животного, рассчитывают, какое количество его идет на образование белка и жира, если известно, что в белке содержится 52,54% углерода, а в жире -76,5%. Количество пошедшего углерода на синтез жира дает возможность определить фактическое жироотложение в организме.
• Таким образом, зная баланс азота и углерода в организме животного, можно рассчитать фактическое отложение белка и жира в теле животного или количество отложенной энергии. Это наглядно видно на примере среднесуточного баланса азота, углерода и энергии у коровы (табл. 2), (по В. Н. Баканову и В.К. Менькину).
• Табл.2. Среднесуточный баланс азота, углерода и энергии у коровы

Показатели	Азот, г	Углерод, г	Энергия, МДж
Принято в корме	266,5	4413,9	219,6
Выделено из организма:
в кале	79,4	1433,0	69,4
в метане кишечных газов	-;	182,4	15,4
в углекислом газе	-;	1661,0	-;
в моче	121,2	194,9	7,9
в молоке	55,0	725,0	41,5
в теплопродукции	-;	-;	74,3
Отложилось в теле животного	10,9	217,6	11,1
Баланс веществ и энергии	266,5	4413,9	219,6

• По отложенному в организме коровы азоту и углероду определяют количество образовавшегося белка (10,9 г * 6,0 = 65,4 г) и жира (217,6 г — 34,4 г в белке = 183,2 г * 100/76,5 = 239,5 г).
• Далее рассчитывают количество отложенной энергии в теле коровы за счет белка (65,4 г * 23,86 кДж) и жира (239,5 г * 39,77 кДж) и таким образом определяют суммарную энергию отложения (1562 кДж + 9520 кДж = 11 082 кДж или 11,08 МДж).

4. Баланс энергии

Органические питательные вещества кормов необходимы животным не только как материал для построения тканей тела и синтеза продукции (молоко, яйца, шерсть, прирост и т. д.), но и как источник энергии. Поступающая энергия с кормами используется животными, прежде всего для поддержания жизненных процессов (жизни) и для образования продукции (продуктивная энергия). У молодого растущего организма энергия кормов откладывается в основном в виде белка мышечной ткани, у взрослого откармливаемого животного — в виде жира, а у лактирующих животных — в виде составных частей молока. Энергия необходима также для образования шерсти, приплода, яйца и для выполнения работы мышцами тела животных.

Поэтому химические преобразования переваримых органических веществ корма в организме животного сопровождаются превращениями содержащейся в них энергии и являются единым процессом жизнедеятельности. Следовательно, о материальных изменениях в организме животного можно судить и по балансу энергии.

Схема баланса энергии в организме животного, разработанная Г. Армсби (рис. 2), может быть выражена следующими уравнениями:

Эпереваримых веществ = Экорма (валовая) — Экала Э физиологически = Эпереваримых — Экишечных газов — Эмочи полезная (обменная) веществ Эотложений = Эфизиологически — Этеплопродукции (нетто, чистая) полезная организма Рис. 2. Схема обмена энергии За валовую энергию корма принимают определенное количество образовавшегося тепла в результате сжигания единицы массы корма в калориметрической бомбе. В 1 кг сухого вещества большинства кормов содержится 18,4 МДж валовой энергии (при сжигании 1 г протеина освобождается 23,86 кДж, 1 г углеводов — 17,58 и 1 г жира — 39,77 кДж энергии).

Энергию переваримых питательных веществ определяют по разности между валовой энергией корма и энергией, содержащейся в выделенном кале.

Энергию питательных веществ, усвоенных организмом в процессе пищеварения, называют обменной энергией. Она представляет собой переваримую энергию за вычетом потерь энергии в моче и кишечных газах (у жвачных — с метаном).

В организме животного за счет обменной энергии обеспечиваются все основные жизненные функции (работа внутренних органов, поддержание температуры тела, работа мышц и др.).

У жвачных животных в результате деятельности микроорганизмов в рубце часть энергии представлена в виде теплоты брожения, что составляет 5−10% валовой энергии.

Таким образом, вся затраченная энергия на обеспечение жизненных функций организма в конечном итоге принимает форму тепла и может быть учтена по теплообразованию в организме. Определяют ее непосредственно у животных, помещенных в респирационные калориметры. Теплопродукцию животного определяют на основании повышения температуры воды в межстенном пространстве респирационного калориметра и введенных поправок на охлаждение или нагревание калориметра окружающей средой.

В конечном итоге баланса энергии в организме животного остается чистая энергия (энергия отложений), (табл.2). Следовательно, часть энергии, используемой организмом для образования продукции, называется продуктивной энергией.

Заключение

Неправильное питание существенно снижает защитные силы организма и работоспособность, нарушает процессы обмена веществ, приводит к преждевременному старению и может привести к возникновению многих заболеваний, в частности инфекционного характера.

Рациональным считается питание, обеспечивающее нормальную жизнедеятельность организма, высокий уровень работоспособности и сопротивления воздействию неблагоприятных факторов окружающей среды, максимальную продолжительность активной жизни.