التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

The heat released by combustion of the fuse is accounted for

by recognizing that

∆U= ∆Usample·msample + ∆U burned fuse·mburned

fuse = -Cv ∆U T

where the mass of the burned fuse is determined by weighing the fuse before and after firing the bomb.

5. B. Nonadiabaticity of calorimeter

A bomb calorimeter is only approximately adiabatic. In reality, there is a small heat leak through the dewar (qcalorimeter ∆.) and the stirrer does work on the calorimeter (wcalorimeter ∆.). Nonadiabaticity is corrected for with an

empirical radiative correction, RC.

RC attempts

to make

areas equal

T

0

3

∆T

6

9

12

15

18

time (min)

:(٣٩) شكل رقم

The time at which the bomb is considered to be fired is the time that makes the areas indicated in the above figure equal. For the Parr calorimeter, this is estimated to be at t = 7 minutes. Thus, the temperature at t = 6 minutes must be extrapolated forward 1 minute by the pre-firing slope, and the temperature at t = 12 minutes must be extrapolated backward 5 minutes by the postfiring slope. Mathematically, this is done as follows

-٥٦٦-

تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية-""التمثيل الغذائي للطاقة- المواد الحاملة للطاقة

T −T  

T − T0 



∆T =  T12 + (−5 min) 18 12  −  T6 + (1 min) 6



6 min  

6 min 



T −T

T − T0

= T12 − T6 + (−5 min) 18 12 − (1 min) 6

6 min

6 min

5(T18 − T12 ) + (T6 − T0 )

= T12 − T6 −

6

= T12 − T6 − RC

5. C. Nitric acid formation

At high temperatures, nitrogen can form nitric acid in the presence of oxygen and water. (This reaction also occurs in automobile engines and is partially responsible for smog

production.)

5

N2 + 2 O2 + H2O ∆ 2HNO3

Flushing the bomb with oxygen prior to firing, thereby displacing all nitrogen, eliminates nitric acid formation.

6. Application of ∆UcombH

In addition to measuring the energy release of one particular reaction, calorimetry is an important tool for determining the enthalpy of formation for the compound under study. This information can then be applied to any reaction involving the

compound.

The enthalpy of combustion for the reaction

can be written as

∆combH(CxHyOz)

=

v(CxHyOz)∆fH°(CxHyOz) + v(O2)∆fH°(O2) +

v(CO2)∆fH°(CO2) + v(H2O)∆fH°(H2O)

∆combH(CxHyOz)

=

v(CxHyOz)∆fH°(CxHyOz)

v(O2)∆fH°(O2) + v(CO2)∆fH°(CO2) + v(H2O)∆fH°(H2O)

+

where v(i) is the stoichiometric coefficient of i. Since ∆fH°(CxHyOz) and ∆fH°(H2O) are known (and ∆fH°(O2) equals zero), measurement of ∆combH(CxHyOz) allows calcualtion of

∆fH°(CxHyOz).

-٥٦٧-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

7. Other Types of Calorimeters

There are many kinds of calorimeters, each designed for measuring the heat released by a particular chemical process.

Some examples include:

:(٤٠) شكل رقم

Flame Calorimeter

The combustible gas is

metered into the calorimeter.

Temperatures of all reactants

must be controlled. Since the

reaction occurs at constant

pressure, combH is measured

directly.

:(٤١) شكل رقم

Solution Calorimeter

Reactants

are

initially

separated.

The temperature

change is measured when they are

allowed to mix. Quantities that

can be determined include

mixH,

dilutionH,

and

solvationH.

Calorimeter design is very tricky, especially for processes involving very small energy changes, e.g., protein folding, or energy changes on top of a large background, e.g., excess heat from"cold fusion". Heat leaks must be minimized, and all other heat generating

processes must be accounted for.

التقدير غير المباشر لطاقة المواد وتحويالتها

The indirect estimation of heat from material transformations يشمل التقدير المباشر للح اررة الناتجة من اكسدة الغذاء بواسطة الحيوان استخدام وهذه الطرق،الاجهزة المتخصصة اما الطرق غير المباشرة فلا تقدير للح اررة مباشرة

-٥٦٨-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية تشمل تقدير مقدار الاكسجين المستهلك بواسطة الحيوان وبمقدار ثانى اكسيد الكربون الناتج والنتروجين المفرز في البول ومن ذلك يمكن حساب الطاقة الناتجة ،وهذه الطرق مناسبة لل .short-term observation of metabolism

طاقة الروابط :Bond energies

من الواضح أن ح اررة انقسام جزئى معقد لمكوناته الذرية ولا بد أن تساوي طاقة

معا ،ويمكن حساب ح اررة الحرق من تركيب

الروابط التي تربط الذرات في الجزئ

المادة وح اررة تكوينها من مكوناتها العنصرية أو الذرية ،والطرق المستخدمة امتداد لقانون Hessفاذا عرف التركيب الكيماوي للمادة فح اررة تكوينها وح اررة حرقها ممكن تقديرها من الطاقة المعروفة للروابط الكيماوية المحتوية عليها ،وهذه الطريقه اكتشفها

.linus pauling

وقد وجد أن طاقة الروابط الكيماوية للروابط البسيطه مثل C = Cأو C – H قيم متوسطة وبالنسبة إلى التراكيب المترددة مثل حلقة البنزين ،مجموعة الكربوكسيل أو مجموعة الاميد فان المركبات المحتوية هذه المجاميع لها طاقة عالية مقارنة بالطاقة المتوقعة من طاقة الروابط بمفردها .ويجب عمل تصحيح للتردد حيث التباين بين القيم المحسوبة والملاحظة لا يتعدى %٠,٠١من القيمة الحقيقية .والافضل حاليا أن نستنتج ح اررة تكوين الجزيئات من اعتبارات الطول وزوايا الروابط الكيماوية

من هندسة الجزيئات .ومن المعروف انه يوجد علاقة قوية بين التركيب الجزئى وح اررة تكوينة وح اررة حرقة ولا يمكن حساب ح اررة التكوين والحرق بدقة بواسطة معرفة عدد مختلف أنواع الزرات المكونة للجزيء فقط بل من الضروري معرفة

التركيب بدقة.

الطرق الفسيولوجية للتقدير :The physiological approach لا تتضمن الطرق الفسيولوجية التقليدية لتقدير الح اررة من التركيب الكيماوي الإعتبارات المفصله للتركيب الجزئى ،على عكس ذلك فإن ح اررة الحرق ممكن

-٥٦٩-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

حسابها فقط من التركيب العنصري الأولي للمادة.

ويعتمد الطرق الفسيولوجية على أن الجسم يتكون من ٣مركبات كيماوية أساسية يتم اكسدتها وهي كربوهيدرات – دهن – بروتين ،وتبني الحسابات على أساس الاكسجين المستهلك وكمية ك أ ،٢النتروجين المفرز بواسطة الحيوان عند اكسدة هذه المركبات الثلاث ،ويطلق على النسبة بين حجمي ك أ ٢النالتج إلى أ ٢المستهلك النسبة التنفسية ) respiratory quotient (R.Qوهي تختلف عند أكسدة المركبات الكيماوية الثلاث، وتعتمد تقدير الطاقة على الاقسام الرئيسية للمركبات الكيميائية المؤكسدة في الجسم والتى لا تحتوي نتروجين )كربوايدرات ودهون( المثال التالى اكسدة الكربوهيدرات )جلوكوز(،

الدهون )حمض بالمتيك( في الجسم.

G – Glucose C6H12O6 + 6O2-------- 6 CO2 + 6 H2O

- ∆ Hc = 673.0

Kcal.

P - Palmitic acid CH3 (CH2)14 COOH + 23 O2 ------ 16

CO2 + 16 H2O

- ∆ Hc = 2398.4 Kcal.

جدول رقم ) :(٥٣كمية أ ٢المستهلك ،ك أ ٢والحرارة الناتجة ممكن كتابتها في المعادلات التالية

Molar ratio

= of CO2 to O2

Respiratory

Quotient

1.0

0.7

Heat

Envolved

))- ∆Hc

Moles CO2

Produced

)(Y

Moles O2

Consumed

)(X

Compound

673.0

2398.4

6Y

16 Y

6X

23 X

Glucose

Palmitic acid

ولحساب المعادلة العامة لتقدير ∆Hcيكون حاصل ضرب المعادلة الأولي ×

١٦أو حاصل ضرب المعادلة اللثانية × :٦

)- ∆Hc = 25.91 CO2 Produced+ 86.25 O2 consumed (moles هذه المعادلة تأخذ الكربوهيدرات الأخرى أو الأحماض الدهنية الأخرى أو الدهون كنقطة بداية ويمكن بذلك حساب ∆Hcلاى مخلوط من اثنين من المركبات المختارة وذلك بواسطة معرفة الأكسجين )(O2المستهلك ،ثاني اكسيد الكربون CO2

-٥٧٠-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية الناتج من خلال عمليات الاكسدة للمركبات ،وتوجد جداول تبين قيم ح اررة احتراق المركبات الموجودة في الغذاء بواسطة Bomb calometeryبحساب كمية الح اررة الناتجة من الاحتراق للمركب محسوبة من كمية أ ٢المستهلك ،كمية ك أ ٢الناتجة من احتراقها وذلك باستعمال المعادلة وباتخاذ الجلوكوز وحمض البالمتيك reference وقد وجد في حالة سعرات البنتوزات والهكسوزات البسيطة والسكرات الثنائية والثلاثية أن خطأ تقدير ح اررة الاحتراق بسيطة اقل من %٠.٥بينما السكرات العديدة مثل النشا والسليلوز فيكون ح اررة احتراقها Underestimated by 60%وهذا فرق

جدا.

محسوس

بالنسبة للأحماض الدهنية ذات طول سلسلة اقل من البالمتيك فان ح اررة الاحتراق تكون Overestimatedوهذا التناقض اكبر من %٢فقط في حالة الأحماض الاقل من ٤ذرات كربون ،وعدم التشبع للأحماض تؤدى إلى overestimation of its calorific valueالأخطاء البسيطة في الاتجاه العكسى تحدث مع الأحماض الدهنية ذات سلسلة اكبر من البالمتيك وفي حالة الكميات البسيطة للغذاء فان ح اررة الحرق للجليسرول تكون underestimatedوبالنسبة

للأحماض

الثنائية

الكربوكسيل

المشبعة

overestimated saturated

dicarlioxulic acidsومدى the overestimationيقل بزيادة حجم الجزئى.

كما أن عدم التشبع يؤدى إلى اخطاء كثيرة ،واى محاولة للتنبأ بح اررة احتراق المركبات بواسطة معرفة فقط ك أ ٢المستهلك في عملية الاكسدة سواء بواسطة الحيوانات أو In-vitroلا تتم وذلك لسبب بسيط لان هذا يؤدى إلى تجاهل في التركيب الهندسى للمركبات ،وحتى الآن فان الخطأ في تقدير الح اررة من حجم

ك أ٢

الناتج وحجم أ ٢المستهلك بواسطة الحيوان الذى يتغذى غذاء طبيعى ليس كبير كما هو متوقع ،حيث molecular speciesوتكون الاخطاء اكبر من مكونات الغذاء

الصغرى.

-٥٧١-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

ويمكن تقليل الاخطاء باختيار سليم للمواد القياسية reference substances وبالنسبة للكربوهيدرات والدهون فمن الممكن اختيار ٢ممثلين عنهما لتمثلا المواد

عند هدمها:

عند تقدير الح اررة الناتجة من عجل رضيع يتغذى على اللبن فان

the

reference carbohydrateتكون سكر اللاكتوز ،كذلك the reference fatty acidيكون واحد من الأحماض ذات طول سلسلة اقصر من ١٨ذرة كربون وذلك بسبب العدد الكبير للأحماض الدهنية ذات السلسلة القصيرة في دهن اللبن.

بالنسبة للمجترات الكبيرة السن ،فان the reference carbohydrateيكون النشا أو السيليوز وممكن في حالة الأحماض الدهنية استخدام حمض سيتاريك أو

بالمتيك بدون خطأ كبير.

في بعض الحالات مثل التجارب التي بها حمض الخليك هو المصدر الوحيد للطاقة فلا يوجد خطأ اذا اهمل حساب ك أ ٢الناتج من الاكسدة ويكون الحساب على أساس أن كل مول اوكسجين مستهلك يرتبط مع انتاج 105 Kcalح اررة .وتعتبر كل حالة منفصلة عن الاخرى ويفضل استخدام الأحماض الدهنية عن مخلوط الجلسريدات الثلاثية لدهن الجسم كمصدر للطاقة حيث ح اررة الاحتراق لها صغيرة

بدرجة عير كافية لاستخدامها في التقدير.

-٥٧٢-

تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية-""التمثيل الغذائي للطاقة- المواد الحاملة للطاقة The heat of combustion of compounds of C, H and O likely :(٥٤) جدول رقم to be present in food, and the prediction of their heats of consumed from the amounts of CO2 produced and consumed in their combustion

Determined

Calculated

Calculated heat

Heat of

x100

Compound

Of combustion

combustion

Determined

(Kcal/mole*)

(Kcal/mole)

Carbohydrates

Xylose

561.5

560.8

99.9

Glucose

673.0

673.0

100.0

Galactose

670.7

673.0

100.3

Fructose

675.6

673.0

99.6

Sucrose

1349.6

1345.9

99.7

Lactose

1350.8

1345.9

99.6

Maltose

1350.2

1345.9

99.7

Raffinose

2025.5

2018.9

99.7

Glycogen (/ g)

4.116

3.913

95.0

Starch (/ g)

4.179

3.913

93.6

Cellulose (/ g)

4.181

3.913

93.6

Fatty acids

C1 formic

65.1

69.1

106.1

C2 acetic

209.4

224.3

107.1

C3 propionic

367.2

379.6

103.2

C4 n-butric

524.3

534.9

102.0

C5 n-valeric

681.6

690.2

101.3

C6 caprioc

831.0

845.5

101.7

C12 lauric

1771.7

1777.2

100.3

C14 myristic

2085.8

2087.7

100.1

C16 palmitic

2398.4

2398.4

100.0

C18 stearic

2711.8

2708.9

99.9

C22 arachidic

3025.9

3019.6

99.8

C22 behenic

3338.4

3330.1

99.8

C18 oleic

2657.0

2665.8

100.3

Poly alcohols

397.0

379.6

95.6

glycerol

Dicarboxylic acids (saturated)

Oxalic acid

60.2

94.9

157.6

Succinic acid

357.1

405.5

113.6

Glutaric acid

514.9

560.8

108.9

• Using as reference substances glucose and palmitic acid.

-٥٧٣-

التمثيل الغذائي للمواد الحاملة للطاقة

The oxidation of protein:

يختص الجزء الثاني من المناقشة الفسيولوجية بتقدير ح اررة احتراق الغذاء من نواتج الحرق واستهلاك الأكسجين المختص بتقدير الح اررة المرتبطة بهدم البروتين والمركبات الاخرى المحتوية على نيتروجين وكمثال لذلك اكسدة حامض امينى

كاملا إلى ك أ + ٢ماء +

الانين ،وح اررة احتراق الأحماض الأمينية تمثل اكسدتها

غالبا على صورة يوريا،

غاز نيتروجين في الجسم ولا يتأكسد النتروجين

كاملا ويفرز

وح اررة التفاعل ممكن تقديرها بواسطة قانون Hessحيث الأحماض الأمينية لا

تتأكسد كلية.

مثال :الالآنين كمثال للأحماض الأمينية من اكسدتها اكسدة كاملة.

4 CH3 – CH – CooH + 15 O2 ------ 12 CO2 + 14 H2O + 2 N2

NH2

- Hc/mole alanine = 387.7 Kcal (1550.8 / 4 = 387.7) .

اليوريا عند الاكسدة الكاملة.

2 Co (NH2)2 + 3 O2 ------ 2 CO2 + 4 H2O + 2 N2 - Hc/mole Urea = 151.6 Kcal (303.2 / 2mole = 151.6) .

بالطرح ينتج ح اررة اكسدة الالآنين إلى ك أ + ٢يد ٢أ +يوريا.

NH2

4CH3CH (NH2) CooH+12O2---=10CO2+10H2O+2CO

NH2

)- ∆ Hc/mole alanine = 311.9 (1550.8-303.2= 1247.6/ 4=311.9

Then 1247.6 + 303.2 = 1550.8 Kcal.

Constant heat summation = hess low.

Incomplete oxidation of carbohydrate:

استنتاج ال Factorsلحساب الح اررة من التبادل الغازى وافراز النتروجين في البول كجزء من افراز اليوريا والاكسدة اذا كانت كاملة تنتهي بتكوين ك أ + ٢يد ٢أ.

-٥٧٤-

المواد الحاملة للطاقة "-التمثيل الغذائي للطاقة" -تمثيل الطاقة وعلاقته بالتغذية في حالة المجترات تتم العمليات المعقدة لهدم الكربوهيدرات حيث المراحل الأولية بكتيرية وينتج الميثان بكميات كبيرة تعادل 40 litre/Kg dry food eaten

في المتوسط.

توجد طرق مشابهة تختص ب the incomplete oxidationلنيتروجين البروتينات لعمل تصحيح للأكسدة غير الكاملة the incomplete oxidation وهذا التصحيح صغير ويشمل خصم 0.5 Kcal / litre methane في حالة الحرق غير الكامل Incomplete oxidationيظهر حالة Ketosis

في الحيوانات وبمعرفة كميات

aceto-acetic acid, B-hydroxy-butyric

acid and acetoneالمفرزة تضاف عامل تصحيح آخر للمعادلة الآتية:

Heat produced (Kcal) = O2 consumed + CO2 producedNexoreted – CH4 produced

)(Littres

)(Littres

)In unine (g

في حالة الاغراض العلمية فان الفقد الحراري يقدر بضرب أ ٢المستهلك )لتر( × = ٤,٨الح اررة المنتجة Kcalباهمال كلا من ك أ ٢المفقود والنتروجين المفرز.

:Synthesis

من الممكن أن يؤثر الإنسان والحيوان على التكوين الصافي للمواد الجديدة

أيضا تكوين

فالحيوان يكون دهن الجسم من الكربوهيدرات الموجودة في الغذاء و

يجيا من 2 carbon

البالمتيك من الجلوكوز حيث تتكون الأحماض الدهنية تدر ) fragments (acetyl COAومن المعروف أن جزئ واحد من الجلوكوز ينتج

2 – carbon fragments

8 C6H12O6 + 25 O2 ---- CH3 (CH2)14 CooH + 32 CO2 + 32 H2O وح اررة هذا التفاعل - ∆ H = 2986 Kcalواذا استخدمت المعادلة 25.91 Kcal/mole CO2 + 86.25 Kcal/mole O2فإن الح اررة المحسوبة بهذين العاملين تكون 2986 Kcalوهي نفس القيمة السابقة بالضبط.

-٥٧٥-