Физиология энергетического обмена: Методические указания. Тема: Физиология энергетического обмена
Обменом веществ и энергии называют совокупность химических и физических превращений, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.
Единственным источником энергии для организма является окисление органических веществ, поступивших с пищей. В процессе обмена веществ органические соединения превращаются в более простые с выделением энергии. По количеству тепла, выделенного организмом во внешнюю среду, можно точно определить энергетические затраты организма. А так как источником энергии и пластических веществ является пища, то для нормального функционирования всех процессов питание должно быть рациональным, т.е. точно соответствовать потребностям организма в пластических и энергетических веществах, в минеральных веществах, витаминах, воде. Пищевой рацион должен обеспечивать нормальную жизнедеятельность организма, его высокую работоспособность, хорошее самочувствие, высокую устойчивость к инфекционным заболеваниям, правильный рост и развитие детского организма. Указанные превращения пищевых веществ внутри организма составляют обмен веществ, который делится на обмен белков, жиров и углеводов.
Белки - это сложные органические соединения жизненно необходимые для организма. Они используются как пластический материал, из которого строятся различные клетки и ткани тела и как источник энергии. Белки входят в состав гемоглобина, ферментов и гормонов. Белок фибриноген необходим для свертывания крови, сложные белки - нуклеопротеиды - являются носителями наследственности.
В организме постоянно происходит распад белков. Разрушаются старые клетки, образуются новые. Поэтому организм нуждается в постоянном поступлении белка с пищей.
Белки расщепляются в пищеварительном тракте до аминокислот, которые всасываются в кровь. С током крови они поступают в печень, где часть из них подвергается дезаминированию и переаминированию. Эти процессы обеспечивают синтез некоторых аминокислот и белков. Из печени аминокислоты поступают в ткани тела, где используются для синтеза белка. Избыток белка, поступившего с пищей, превращается в углеводы. Конечные продукты распада белков - мочевина, аммиак, мочевая кислота, креатинин и другие - выводятся из организма с мочой и потом.
Об использовании белков в организме судят по азотистому балансу. Его можно рассчитать по количеству азота, выделенного с мочой, потом и калом.
Углеводы - основной источник энергии в организме. Они поступают с пищей, а также синтезируется в самом организме из белков и жиров. При окислении 1 г углеводов освобождается 4,1 ккал тепла. Для окисления углеводов требуется меньше кислорода, чем для окисления жиров. Это имеет значение при мышечной работе, когда возрастает потребность организма в кислороде.
Крахмал, содержащийся в пище, расщепляется в пищеварительном канале до глюкозы, которая всасывается в кровь. Часть глюкозы используется тканями, но большая часть - превращается в сложный углевод - гликоген, который откладывается в запас в мышцах и печени. При необходимости запасенный гликоген вновь распадается до глюкозы и используется тканями организма. Концентрация глюкозы в крови служит показателем всех этапов углеводного обмена.
Жиры пищи расщепляются в пищеварительном тракте на глицерин и жирные кислоты, которые всасываются в лимфу, а из лимфы попадают в кровь. Жиры являются пластическим материалом - для образования тканевых структур, а также являются источником энергии. При окислении 1 г жира освобождается 9,1 ккал тепла. Жиры в печени могут превращаться в гликоген, а также откладываются в жировых депо.
Вместе с пищей в организм поступают минеральные вещества, которые имеют большое физиологическое значение, так как входят в состав белков, ферментов, гормонов, медиаторов; поддерживают РН крови; участвуют в деятельности нервной системы, сокращении мышц, секреции, всасывании, выделительных процессах, кроветворении, дыхании и т.д. Минеральные вещества выводятся из организма с калом, мочой и потом. Поэтому их потеря должна восполняться поступлением с пищей.
Вода входит в состав всех тканей организма и составляет 70% массы тела. Количество воды в организме поддерживается на строго определенном уровне. Водный обмен обеспечивает тесную взаимосвязь всех обменных процессов в организме. Избыток воды выводится через почки.
Для нормального обмена веществ необходимы витамины - органические соединения, содержащиеся в растительных и животных продуктах. Роль витаминов многообразна: ускоряют биохимические реакции в организме, взаимодействуют с гормонами и ферментами, повышая их эффективность, участвуют в образовании пищеварительных ферментов.
Энергетический обмен выражают в килокалориях (ккал) на единицу времени или по системе СИ в джоулях (Дж). 1 Дж = 2,39 х 10 -4 ккал; 1 ккал = 4,19 кДж.
Различают основной и общий обмен. Основной обмен – минимальные энергетические затраты организма, необходимые для поддержания жизнедеятельности. Определяется основной обмен в стандартных условиях:
1) утром; 2) в покое (в лежачем положении); 3) натощак; 4) в условиях температурного и барометрического комфорта.
Нормальные показатели основного обмена, измеренные у различных здоровых испытуемых, будут варьировать. Эта вариабельность связана с возможными различиями в возрасте, поле, росте и массе тела.
Рабочий обмен составляют энергетические затраты организма во время активной деятельности. Он значительно больше, чем основной обмен, особенно при мышечной работе. Это увеличение энергетических затрат составляет рабочую прибавку.
В регуляции обмена веществ различают три уровня: автоматическую регуляцию на уровне клетки, нервную и гуморальную регуляцию. В основе автоматической регуляции (саморегуляции) обмена веществ лежит принцип обратной связи, т.е. концентрация веществ в клетке регулирует направленность химического процесса.
Нервная регуляция связана преимущественно с деятельностью вегетативной нервной системы.
Гуморальная регуляция связана с гормонами и биологически активными веществами, которые активируют или тормозят действие ферментов.
Интенсивность обменных процессов измеряют по количеству выделенного тепла – калориметрически. Различают методы прямой калориметрии, когда непосредственно определяется количество выделенного тепла, для чего в 19 веке В.В. Пашутиным была создана специальная калориметрическая камера для человека.
Непрямое измерение интенсивности обменных процессов основано на измерении количества поглощенного организмом кислорода. Количество тепла, освобождающегося при потреблении организмом 1 л кислорода, называется калорическим эквивалентом кислорода.
Дыхательный коэффициент (или соотношение легочного газообмена) характеризует тип использованных пищевых веществ (белков, жиров, углеводов). Этот показатель определяется соотношением объема выделенного углекислого газа, к объему поглощенного кислорода.
Дыхательный коэффициент (ДК) = -----------
При окислении смешанной пищи у человека ДК = 0,85 – 0,9; для углеводов ДК= 1,0; для белков ДК = 0,8; для жиров ДК =0,7.
Непрямой метод и закрытые системы измерения интенсивности обменных процессов являются наиболее распространенными.
Процессы обмена веществ связаны с выработкой тепла. Температура органов и тканей, как и организма в целом, зависит от интенсивности образования тепла и от величины теплопотерь.
Постоянство температуры тела у человека может сохраниться лишь при условии равновесия между теплообразованием и теплоотдачей всего организма. Организм человека И.П. Павлов условно разделил на оболочку и ядро.
Оболочка пойкилотермна, т.к. ее температура меняется в достаточно широком диапазоне в зависимости от температуры окружающей среды и зависит от индивидуальных особенностей. На оболочку возложены функции теплоизоляции и теплоотдачи.
Температура ядра в норме поддерживается на постоянном уровне.
Теплообразование или термогенез принято делить на сократительный и несократительный.
Сократительный термогенез есть теплопродукция при сокращении мышц. Различают: 1) терморегуляторный мышечный тонус – постоянное тоническое сокращение глубоко лежащих мышц (у ядра);
2) произвольная мышечная деятельность;
3) мышечная дрожь, она в 5 раз эффективнее произвольной мышечной деятельности.
Несократительный термогенез осуществляется за счет:
1) усиления окислительных процессов в тканях под влиянием симпатической нервной системы, адреналина, гормонов щитовидной железы, при увеличении притока крови к тканям, т.к. увеличивается приток кислорода;
2) разобщения окисления и фосфорилирования, когда большая часть энергии рассеивается (гормоны щитовидной железы, яды змей, бактериальные токсины).
Несократительный термогенез может быть базисным, как результат основного обмена, и регулируемым – изменение тепла под влиянием нервных и гуморальных факторов.
Теплоотдача осуществляется путем:
1) проведения;
2) конвекции естественной и форсированной;
3) радиации (инфракрасное излучение);
4) испарения (влажная теплоотдача), может быть неощутимой и ощутимой (сильное потоотделение).
Колебания температуры воспринимаются терморецепторами:
а) оболочки (холодовые и тепловые);
б) ядра, которые могут быть расположены в кровеносных сосудах, брыжейке, слизистой желудка, прямой кишке;
в) центральные терморецепторы – это нервные клетки межуточного мозга, которые воспринимают температуру крови.
От рецепторов информация поступает в центр терморегуляции по соматическим и вегетативным нервам. Центр терморегуляции расположен в гипоталамусе.
УЧЕБНЫЕ ЦЕЛИ ЗАНЯТИЯ.
Студент должен знать: назначение обмена веществ и энергии; виды обмена веществ; классификацию методов измерения обменных процессов; дыхательный коэффициент в норме для разных видов пищевых веществ; калорический эквивалент кислорода; уровни регуляции обмена веществ; значение постоянства температуры внутренней среды для организма; механизмы теплопродукции и теплоотдачи; механизмы терморегуляции.
Студент должен уметь: объяснить принципы определения энергозатрат; рассчитать должные величины основного обмена; уметь пользоваться таблицами для определения должных величин основного обмена; объяснить величину дыхательного коэффициента.
ТЕСТОВЫЙ КОНТРОЛЬ ИСХОДНОГО УРОВНЯ ЗНАНИЙ
1. Назовите основные составные части теплорегуляции организма.
2. Какое значение имеет мышечная система в терморегуляции?
3. Какое значение имеет сердечно-сосудистая система в терморегуляции?
4. Какое значение имеет дыхательная система в терморегуляции?
5. Что такое гипотермия?
6. Что такое гипертермия?
7. Что такое основной обмен?
8. Что такое общий обмен?
9. Что такое рабочая прибавка?
ОСНОВНЫЕ ВОПРОСЫ ТЕМЫ
1. Понятие об энергетическом балансе организма.
2. Основной обмен и факторы его определяющие.
3. Общий обмен.
4. Способы определения интенсивности обменных процессов. Характеристика методов прямой и непрямой калориметрии.
5. Механизм теплопродукции, ее регуляция.
6. Механизм теплоотдачи, ее регуляция.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РАБОТЫ
Представлены в формате видеоматериалов, содержащих соответствующие эксперименты.
ФИЗИОЛОГИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. РАЦИОНАЛЬНОЕ ПИТАНИЕ.
План лекции.
- Понятие об обмене веществ в организме животных и человека. Источники энергии в организме.
Организм человека представляет собой открытую термодина-мическую систему, которая характеризуется наличием обмена веществ и энергии.
Обмен веществ и энергии это совокупность физических, биохимических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Указанные процессы, протекающие в организме человека изучают многие науки: биофизика, биохимия, молекулярная биология, эндокринология и, конечно же, физиология.
Обмен веществ и обмен энергии тесно взаимосвязаны между собой, однако, с целью упрощения понятий, их рассматривают раздельно.
Обмен веществ (метаболизм) совокупность химических и физических превращений, происходящих в организме и обеспечивающих его жизнедеятельность во взаимосвязи с внешней средой.
В обмене веществ различают две направленности процессов по отношению к структурам организма: ассимиляцию или анаболизм и диссимиляцию или катаболизм.
Ассимиляция (анаболизм) совокупность процессов создания жи-вой материи. Указанные процессы потребляют энергию.
Диссимиляция (катаболизм) совокупность процессов распада жи-вой материи. В результате диссимиляции энергия воспроизводится.
Жизнь животных и человека представляет из себя единство процес-сов ассимиляции и диссимиляции. Факторами, сопрягающими данные процессы, являются две системы:
- АТФ АДФ (АТФ - аденозин три фосфат, АДФ аденозин ди фосфат;
- НАДФ (окисленный) НАДФ (восстановленный), где НАДФ никотин амид ди фосфат.
Посредничество указанных соединений между процессами ассимиляции и диссимиляции обеспечивается тем, что молекулы АТФ и НАДФ выступают в роли универсальных биологических аккумуляторов энергии, ее переносчика, своеобразной «энергетической валютой» организма. Вместе с тем, прежде чем энергия аккумулируется в молекулах АТФ и НАДФ, ее необходимо извлечь из питательных веществ, которые поступают с пищей в организм. Такими пищевыми веществами являются известные вам белки, жиры и углеводы. К этому же следует добавить, что питательные вещества выполняют не только функцию поставщиков энергии, но и функцию поставщиков строительного материала (пластическая функция) для клеток, тканей и органов. Роль различных питательных веществ в реализации пластических и энергетических потребностей организма неодинакова. Углеводы в первую очередь выполняют энергетическую функцию, пластическая функция углеводов незначительна. Жиры в равной степени выполняют и энергетические и пластические функции. Белки являются основным строительным материалом для организма, но при определенных условиях могут являться и источниками энергии.
Источники энергии в организме.
Как уже отмечалось выше, основными источниками энергии в организме являются пищевые вещества: углеводы, жиры и белки. Освобождение энергии, содержащейся в пищевых веществах, в организме человека протекает в три этапа:
1 этап. Белки расщепляются до аминокислот, углеводы - до гексоз, например, до глюкозы или фруктозы, жиры до глицерина и жирных кислот. На данном этапе организм в основном тратит энергию на расщепление веществ.
2 этап. Аминокислоты, гексозы и жирные кислоты в ходе биохимических реакций превращаются в молочную и пировиноградную кислоты, а также в Ацетил коэнзим А. На данном этапе из пищевых веществ высвобождается до 30% потенциальной энергии.
3 этап. При полном окислении все вещества расщепляются до СО 2 и Н 2 О. На данном этапе, в метаболическом котле Кребса, высвобождается оставшаяся часть энергии, около 70%. При этом не вся высвобождающаяся энергия аккумулируется в химическую энергию АТФ. Часть энергии распыляется в окружающую среду. Эта теплота получила название первичной теплоты ( Q 1 ) . Энергия аккумулированная АТФ в дальнейшем расходуется на различные виды работы в организме: механическую, электрическую, химическую и активный транспорт. При этом часть энергии теряется в виде так называемой вторичной теплоты Q 2 . Смотри схему 1.
Н 2 О + СО 2 + Q 1 + АТФ
Схема 1. Источники энергии в организме, результаты полного окисления пищевых веществ и виды выделяемой теплоты в организме.
Следует добавить, что количество выделяемой при окислении пищевых веществ не зависит от количества промежуточных реакций, а зависит от начального и конечного состояния химической системы. Данное положение было впервые сформулировано Гессом (закон Гесса).
Более подробно данные процессы вы рассмотрите на лекциях и занятиях, которые будут проводить с вами преподаватели кафедры биохимии.
Энергетическая ценность пищевых веществ.
Энергетическая ценность пищевых веществ оценивается при помощи специальных устройств оксикалориметрах. Установлено, что при полном окислении 1 г. углеводов выделяется 4,1 ккал (1 ккал=4187 Дж.), 1 г. жиров - 9.45 ккал., 1 г. белков 5,65 ккал. Следует добавить, что часть пищевых веществ, поступающих в организм, не усваивается. Например, в среднем не усваивается около 2% углеводов, 5% жиров и до 8% белков. К тому же, не все пищевые вещества в организме расщепляются до конечных продуктов углекислого газа (диоксида углерода) и воды. Например, часть продуктов неполного расщепления белков в виде мочевины выделяется с мочой.
С учетом вышеизложенного можно отметить, что реальная энерге-тическая ценность пищевых веществ несколько ниже, чем установлен-ная в экспериментальных условиях. Реальная энергетическая ценность 1 г. углеводов составляет 4,0 ккал, 1 г. жиров 9,0 ккал, 1 г. белков 4,0 ккал.
- Основные понятия и определения физиологии обмена веществ и энергии.
Интегральной (общей) характеристикой энергетического обмена организма человека являются суммарные энергетические траты или валовый энергетические траты.
Валовые энергетические траты организма - совокупность энергетических трат организма в течение суток в условиях его обычного (естественного) существования. Валовые энергетические траты включают три компонента: основной обмен, специфическое динамическое действие пищи и рабочую прибавку. Валовые энергетические траты оценивают в кдж/кг/сутки или ккал/кг/сутки(1 кдж=0,239 ккал).
Основной обмен.
Начало учению об основном обмене положили работы ученых Тартусского университета Биддера и Шмидта ( Bidder and Schmidt, 1852).
Основной обмен минимальный уровень энергетических трат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма.
Представление об основном обмене, как минимальном уровне энергетических трат организма предъявляет и ряд требований к условиям, в которых должен оцениваться данный показатель.
Условия, в которых должен оцениваться основной обмен:
- состояние полного физического и психического покоя (желательно в положении лежа);
- температура комфорта окружающей среды (18-20 градусов по Цельсию);
- спустя 10 12 часов после последнего приема пищи, чтобы избежать увеличения энергетического обмена, связанного с приемом пищи.
Факторы, влияющие на основной обмен.
Основной обмен зависит от возраста, роста, массы тела и половой принадлежности.
Влияние возраста на основной обмен.
Самый высокий основной обмен в пересчете на 1 кг. Массы тела у новорожденных (50-54 ккал/кг/сутки), самый низкий у пожилых людей (после 70 лет основной обмен составляет в среднем 30 ккал/кг/сутки). На постоянный уровень основной обмен выходит к моменту полового созревания к 12 14 годам и остается стабильным до 30-35 лет (около 40 ккал/кг/сутки).
Влияние роста и массы тела на основной обмен.
Между массой тела и основным обменом существует практически линейная, прямая зависимость чем больше масса тела, тем больше уровень основного обмена. Однако, эта зависимость не абсолютна. При повышении массы тела за счет мышечной ткани указанная зависимость практически линейна, однако, если увеличение массы тела связано с увеличением количества жировой ткани эта зависимость приобретает нелинейный характер.
Поскольку масса тела при прочих равных условиях зависит от роста (чем больше рост тем больше масса тела), между ростом и основным обменом существует прямая зависимость чем больше рост, тем больше основной обмен.
Учитывая тот факт, что рост и масса тела влияют на общую площадь тела, М. Рубнер ( M.Rubner) сформулировал закон, в соответствии с которым основной обмен зависит от площади тела: чем больше площадь тела, тем больше основной обмен. Однако, указанный закон практически перестает работать в условиях, когда температура окружающей среды равна температуре тела. Кроме того, неодинаковая волосистость кожи существенно изменяет теплообмен между организмом и окружающей средой и поэтому закон Рубнера в этих условиях также имеет ограничения.
Влияние половой принадлежности на уровень основного обмена.
У мужчин уровень основного обмена на 5-6% выше, чем у женщин. Это объясняется различным соотношением жировой и мышечной ткани на 1 кг массы тела, а также различным уровнем метаболизма в связи с различиями химической структуры половых гормонов и их физиологическими эффектами.
Специфическое динамическое действие пищи.
Термин специфическое динамическое действие пищи впервые ввел в научный обиход М.Рубнер в 1902 году.
Специфическое динамическое действие пищи это повышение энергетического обмена организма человека, связанное с приемом пищи. Специфическое динамическое действие пищи это энергетические траты организма на механизмы утилизации принимаемой пищи. Указанный эффект в изменении энергетического обмена отмечается с момента подготовки к приему пищи, во время приема пищи и продолжается 10-12 часов после приема пищи. Максимальное увеличение энергетического обмена после приема пищи отмечаеся через 3 3,5 часа. Специальные исследования показали, что на утилизацию пищи затрачивается от 6 до 10% ее энергетической ценности.
Рабочая прибавка.
Рабочая прибавка является третьим компонентом валовых энергетических трат организма. Рабочая прибавка является частью энергетических трат организма на мышечную деятельность в окружающей среде. При тяжелой физической работе энергетические траты организма могут повышаться в 2 раза по сравнению с уровнем основного обмена.
- Методы изучения энергетического обмена у человека.
Для изучения энергетического обмена у человека разработан целый ряд методов объединенный общим названием калориметрия.
МЕТОДЫ КАЛОРИМЕТРИИ
Прямые Непрямые
Прямые методы калориметрии методы непосредственного измерения теплоты, производимой организмом в тех или иных условиях. Принцип метода основан на том, что чем выше энергетический обмен в организме, тем большее количество теплоты рассеивается в окружающей среде. В этой связи, если исследуемый биологический объект поместить в теплоизолирующее помещение, содержащее теплопоглащающее вещество, замерить начальную, а по истечении определенного отрезка времени и конечную температуру, а также зная удельную теплоемкость теплопоглащающего вещества и его массу, можно рассчитать количество рассеянной организмом теплоты ( Q) по известной формуле.
Q = c x m x t , где
c удельная теплоемкость теплопоглащающего вещества;
m масса теплопоглащающего вещества;
t температурный сдвиг .
Недостатки метода заключаются в его сложности, относительно длительном времени реализации и невозможности использовать в естественных условиях, в т.ч. в условиях реального производства.
Методы непрямой калориметрии.
Методы непрямой калориметрии основаны на косвенной оценке энергетических трат организма. К методам непрямой калориметрии относят метод пищевых рационов, хронометражно-табличный метод, анализа газов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха.
Метод пищевых рационов основан на положении о том, что энерге-тический обмен можно оценить, зная соотношение пищевых веществ в потребляемых продуктах питания и их энергетическую ценность. Дан-ный метод весьма неточен, поскольку не учитывает индивидуальную усвояемость питательных веществ, степень их расщепления в организме, а следовательно и их энергетический эффект.
Хронометражно-табличный метод основан на хронометрировании деятельности человека в течение заданного отрезка времени с целью выявления доли тех или иных действий, имеющих определенную энергетическую «цену». Энергетическая «цена» тех или иных действий оценивается по специальным таблицам, которые составлены на основе большого числа исследований энергетического обмена деятельности человека.
Методы анализа газов вдыхаемого и выдыхаемого воздуха .
Основная часть энергии в организме животных и человека воспро-изводится в ходе окисления питательных веществ с участием кислорода (О 2 ) до конечных продуктов диоксида углерода (СО 2 ) и воды (Н 2 О). При этом при окислении тех или иных питательных веществ выделяется неодинаковое количество энергии, в связи с их неодинаковой энергетической ценностью. Таким образом, зная количество пот-ребленного кислорода и выделенного диоксида углерода, можно оценить энергетический обмен организма. Для оценки энергетического обмена методом анализа концентрации газов в выдыхаемом воздухе на первом этапе рассчитывают дыхательный коэффициент. Дыхательный коэффициент (ДК) это отношение объема выделенного диоксида углерода к объему поглощенного за то же время кислорода.
ДК = V СО 2 / V О 2
Исследования показали, что ДК, как правило, колеблется в диапазоне от 0,7 до 1,0. Максимальное значение ДК приобретает при окислении углеводов:
С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 = 6СО 2 + 6Н 2 0 + Q
Поскольку объем грамм молекулы любого газа одинаков, ДК в этом случае равен:
ДК = 6СО 2 / 6О 2 = 1,0
ДК жиров составляет 0,7; ДК белков составляет около 0,8; ДК смешанной пищи составляет 0,85.
Определенному дыхательному коэффициенту соответствует опреде-ленный калорический эквивалент по кислороду (КЭО 2 ). КЭО 2 для соответствующего ДК находят по специальным таблицам.
Калорический эквивалент по кислороду это количество энергии, которое выделяется при окислении питательных веществ в 1,0 литре кислорода. Зная КЭО2 и объем потребленного кислорода можно легко рассчитать общее количество выделенной энергии в данных условиях
А = КЭО 2 х V О 2 / 1000
Данный метод достаточно прост, надежен и, в связи с этим широко применяется в медицине для оценки энергетического обмена человека.
5. Понятие о рациональном питании. Правила составления пищевых рационов.
Термин рациональное питание буквально означает разумное питание. Поскольку фактор питания во многом определяет уровень индивидуального здоровья, на сегодняшней лекции затронем некоторые принципы рационального питания человека.
Первый принцип рационального питания принцип энергетической адекватности.
В соответствии с данным принципом энергетическая ценность пищевых веществ, входящих в состав принимаемой пищи, должна соответство-вать валовым энергетическим тратам организма. При увеличении валовых энергетических трат организма в связи с производственной деятельностью (увеличение рабочей прибавки), должна в обязательном порядке возрастать энергетическая ценность получаемой пищи.
Второй принцип рационального питания принцип оптимальной сбалансированности питательных веществ, входящих в состав принимаемой пищи. На сегодняшний день В Российской школе физиологии питания принято считать, что оптимальным соотношением между белками, жирами и углеводами, получаемыми с пищей, является отношение 1: 1: 4. Это соотношение говорит о том, что в количествен-ном отношении в рациональном пищевом рационе белки должны составлять 1 часть, жиры - 1часть, а углеводы 4 части.
Третий принцип рационального питания гласит о том, что потребляема пища в биологическом плане должна быть полноценной, т.е. с пищей в полном объеме должны поступать незаменимые аминокислоты, предельные и непредельные жирные кислоты, витамины, пищевые волокна, все необходимые минеральные соли. В практическом плане этот вопрос решается следующим образом: белки должны быть не только животного, но и растительного происхождения (55% должны составлять белки животного происхождения, 45% - белки растительного происхождения). Белки растительного происхождения содержатся в плодах бобовых растений. Необходимо, чтобы 60% жиров в пищевом рационе составляли жиры растительного происхождения (подсолнечное, оливковое и другие растительные масла), а 40% жиров животного происхождения. Это требование связано с тем, что в жирах растительного происхождения содержатся непредельные жирные кислоты. Для обеспечения пищевого рациона витаминами и минеральными солями необходимо в него включать достаточное количество сырых фруктов и овощей.
Четвертый принцип рационального питания требует оптимальной кратности питания и оптимального распределения объема потребляемой пищи в течение дня. Наиболее оптимальным считается четырехкратный прием пищи, включающий завтрак, обед, полдник и ужин. При этом в течение завтрака должно потребляться 20-25% всего объема пищи, исходя из ее калорийности, 40-45% - в течение обеда, 5-10% - в течение полдника, 15-20% - в течение ужина.
Пятый принцип рационального питания требует учета националь-ных, культурных и религиозных традиций населения, для которых специалист в области рационального питания разрабатывает пищевой рацион.
Обмен веществ и энергии - совокупность процессов превращения веществ и энергии происходящая в живых организмах.
И обмен веществ и энергией между организмом и окружающей средой.
Катаболизм - ферментативное расщепление пищевых и собственных молекул с освобождением заключенных в них энергии.
Анаболизм - ферментативный синтез клеточных компонентов совершающийся с потреблением энергии фосфатных связей АТФ.
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ РАСЩЕПЛЕНИЯ ВЕЩЕСТВ:
1. Пищеварительный гидролиз и всасывание веществ в ЖКТ:
углеводы - моносахариды
белки - аминокислоты
жиры - жирные кислоты и глицерин
2. Промежуточный обмен - образуются продукты, общие для всех видов обмена:
ацетил-КоА
a-кетоглутарат
Высвобождается 1/3 энергии, заключенной в химических связях питательный веществ.
3. Терминальное окисление (цикл Кребса) - освобождается 2/3 энергии, заключенной в пищевых веществах.
Энергия частично используется в сопряженном фосфорилировании и образовании макроэргов (АТФ и др.).
Биологическое значение:
При катаболизме освобождается заключенная в нем энергия, обеспечивающая все функциональные возможности организма.
Нарушения катаболизма:
а) нарушение обмена макроэргов (АТФ)
б) нарушение поступления пластических веществ, обеспечивающих анаболизм.
Анаболизм:
Образование видоспецифических углеводов, жиров, белков, структурных элементов ® рост, размножение и сохранение морфологической целостности.
При нарушении анаболизма:
Нарушение синтеза ферментов, гормонов, необходимых для катаболизма.
При отравлении цианидами инактивация цитохромоксидазы приводит к смерти в течение 5-7 мин.
Суммарный показатель, отражающий состояние обмена веществ - основной обмен (количество энергии, освобождающееся в организме при полном покое, натощак через 12-18 часов после последнего приема пищи, при температуре 16-18 о С; то количество энергии, необходимое организму в состоянии покоя для поддержания его жизнедеятельности).
Понижение основного обмена:
При торможении КБП: сон, наркоз.
Разрушение и атрофии гипофиза гипофункции щитовидной железы
удалении надпочечников, половых желез
избытке инсулина
голодании, коллапсе, почечных отеках
повышении температуры окружающей Среды
Повышение основного обмена:
при резком возбуждении ЦНС
при повышении функции щитовидной железы (гипертиреоидизм)
при введении тироксина, аденамина, СТГ
при опухолях гипофиза
при приеме пищи
при понижении температуры окружающей Среды
при лихорадке
при усилении сердечной деятельности и дыхания
Наибольшее повышение основного обмена в возрасте 5-7 лет.
У женщин основной обмен меньше, чем у мужчин.
Значение:
Нарушение обмена веществ и энергии лежит в основе всех заболеваний.
Причины нарушений обмена веществ:
I. Эндогенного происхождения:
1. Нарушения в генетическом аппарате клеток.
2. Нарушения деятельности нервной и эндокринной систем.
1. Нарушение в генетическом аппарате:
Нарушение синтеза ферментов (энзимопатии)
Нарушение синтеза транспортных белков (Нb - гемоглобинпатии; церулоплазмина - болезнь Вильсона).
Нарушение синтеза иммунных белков.
Нарушение синтеза белковых и пептидных гормонов, структурных белков, биомембран, кофакторов витаминов (Д 3 , В 1 , В 6 , В 12 , Н, a-токоферола)
II. Экзогенного происхождения:
1. Количественные и качественные изменения в составе пищи:
Недостаток незаменимых аминокислот (аргинина - нарушение сперматогенеза); Недостаток жирных кислот, микроэлементов, витаминов).
Несоответствие количества и качества состава пищи энерготратам организма.
2. Поступление в организм чужеродных токсических веществ.
3. Проникновение патогенных микроорганизмов в организм.
4. Сдвиги в величине парциального давления О 2 и СО 2 в воздухе.
5. Появление в атмосфере СО (угарного газа), окислов азота, токсических газов.
6. Накопление в организме тяжелых металлов (As, Cn), канцерогенов.
Конечная точка приложения всех факторов - ферменты.
Нарушения обмена веществ могут быть на 4-х уровнях организации живых существ:
1) Молекулярный уровень (на нем реализуются нарушения обмена на всех других уровнях организации живого).
Причины нарушений обмена на этом уровне:
1. Нарушения в генетическом аппарата
2. Действие ингибиторов ферментов эндо- и экзогенного происхождения.
3. Недостаточное поступление незаменимых аминокислот, жирных кислот, витаминов, микроэлементов.
4. Нарушения обмена веществ на других уровнях.
Характер нарушений:
1. Изменение концентрации участников метаболических реакций.
2. Изменение активности ферментов и скорости их образования.
3. Изменения кофакторов ферментных реакций.
Показатели:
1. Определение активности ферментов в биологических жидкостях и биопсийном материале.
2. Обнаружение сдвигов в химическом составе крови и других биологических жидкостях.
2) Клеточный уровень организации живого.
причины нарушений обмена:
1. Нарушения биомембран, нуклеиновых кислот и белков, липидов.
2. Активация процессов ПОЛ (перекисного окисления липидов).
3. Действие тропных к биомембранам ядов и токсинов.
4. Осмотический шик.
5 Нарушение постоянства внутренней Среды организма.
6. Нарушение нервной и гуморальной регуляции на клеточном уровне.
Характер нарушений:
Повреждение ультраструктур клетки:
митохондрий, лизосом, эндоплазматического ретикулума, плазматической мембраны, нарушения митоза хроматина.
Показатели:
1. Электронная микроскопия.
2. Изменения маркерных ферментов, специфичных для различных органелл клеток.
3. Гистохимическое исследование клеток крови и биопсийного материала.
Изменение цитохромоксидазы - нарушение митохондрий.
3) Органный и тканевой уровень.
Причины нарушения обмена:
1. Органная и тканевая гипоксия (нарушение регионарного кровообращения)
2. Повреждение специфичных метаболических процессов, обеспечивающих сократительную, выделительную, секреторную, обезвреживающую функции.
Характер нарушений:
1. Нарушение специализированной функции.
2. Нарушение адаптации.
Показатели:
1. Биохимический состав крови, ликвора, мочи.
2. Изоферментный спектр и маркерные ферменты.
3. Исследование биологических жидкостей.
4. Анализ крови.
5. Функциональные пробы.
4) Целостный организм.
Причины нарушений обмена:
1. Повреждения НС и желез внутренней секреции.
2. Нарушения иннервации.
3. Повреждения органов, обеспечивающих постоянство внутренней Среды.
Характер нарушений:
1. Нарушение регуляторной функции нервной и эндокринной системы.
2. Сдвиги метаболизм. со
Показатели:
1. Исследование сдвигов ионов, метаболитов в крови и биологических жидкостях.
2. Определение гормонов, медиаторов в биологических жидкостях.
3. Исследование циклических нуклеотидов, простагландинов, кининовой системы.
ТИПОВЫЕ НАРУШЕНИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
Основой живой материи является белок. Поэтому наше тело нуждается в непрерывном притоке белка из внешней среды взамен распадающегося в ходе диссимиляции. В отличие растений, мы, как уже говорилось, не только не можем создавать аминокислот, но не можем даже в достаточной степени превращать их друг в друга. Нам нужны готовые , из которых формирует , родственные белкам наших тканей. Основными видами пищи, содержащими белок, являются мясо, молоко, яйца. По характеру своих «кирпичиков», т. е. аминокислотному составу, эти белки сходны с нашими и отличаются лишь иным порядком соединения аминокислот.
Такими же белками, входящими в группу полноценных для нас, являются белки некоторых растений: картофеля, сои. В , крупах содержатся белки, в которых имеются не все необходимые нам аминокислоты. Однако если разнообразить питание, то несколько белков, входящих в группу неполноценных, дадут вместе полный набор нужных нам аминокислот.
Важнейшей особенностью белков является то, что они не могут откладываться в организме про запас. Каждый день мы должны получать столько белков, сколько необходимо для обмена веществ. Поступающий сверх этого белок все равно разрушается и этим только раздувает пламя метаболизма. В результате этого может ускориться организма. Взрослому человеку в сутки требуется около 100 г белка, при тяжелом физическом труде и спортивной тренировке - до 130- 140 г.
О витамине К мы уже говорили, когда разбирали механизм . Витамин РР родствен группе витамина В и нужен для правильной работы нервной системы, кожи, кишечника.
Поскольку центральной лабораторией нашего тела и тела животных является печень, в этом органе имеются наибольшие запасы всех витаминов. Употребление печени в пищу - средство от любого авитаминоза. Любопытно, что в древности у некоторых первобытных племен, еще не порвавших с каннибализмом, существовало мнение об особой ценности печени. Считалось, что съесть печень храброго и сильного человека из поверженных врагов - лучший способ стать сильным и храбрым.
Обмен веществ в организме. Пластическая и энергетическая роль питательных веществ
Постоянный обмен веществ и энергии между организмом и окружающей средой является необходимым условием его
существования и отражает их единство. Сущность этого обмена заключается в том, что поступающие в организм питательные вещества после пищеварительных превращений используются как пластический материал. Энергия, образующаяся при этих превращениях восполняет энергозатраты организма. Синтез сложных специфичных веществ организма из
простых соединений, всасывающихся в кровь из пищеварительного канала, называется ассимиляцией или анаболизмом, Распад веществ организма до конечных продуктов, сопровождающийся выделением энергии называется диссимиляцией или катаболизмом. Два этих процесса неразрывно связаны. "Ассимиляция обеспечивает аккумуляцию энергии, а энергия выделяющаяся при диссимиляции необходима для синтеза веществ. Анаболизм и катаболизм объединены в единый процесс с помощью АТ.Ф и НАДФ. С их помощью энергия образующаяся в результате диссимиляции передается для процессов ассимиляции. Белки в основном являются пластическим материалом. Они входят в состав клеточных мембран, органел. Белковые молекулы постоянно обновляются. Но это обновление происходит не только за счет белков пищи, но и посредством реутилизации собственных белков организма. Из 20 аминокислот, образующих белки 10 являются незаменимыми. Т.е. не могут образовываться в организме. Конечными продуктами распада белков являются такие азотсодержащие соединения, как мочевина, мочевая кислота, креатинин. Состояние белкового обмена оценивается по азотистому балансу. Это соотношение количества азота поступающего с белками пищи и выделенного из организма с азотсодержащими продуктами обмена. В белке содержится около 16 г азота. Следовательно выделение 1 г азота свидетельствует о распаде в организме 6,25 г белка. Если количество выделяемого азота равно количеству поглощенного организмом имеет место азотистое равновесие. Если поступившего.азота больше, чем выделенного, это называется положительным.азотистым балансом. В организме происходит задержка или ретенция азота. Положительный азотистый баланс наблюдается при росте организма, при выздоровлении после тяжелых заболевания, сопровождавшихся похуданием и после длительного голодания. Когда количество азота, выделенного организмом больше, чем поступившего, имеет место отрицательный азотистый баланс. Его возникновение объясняется распадом собственных белков организма. Он возникает при голодании, отсутствии в пище незаменимых аминокислот, нарушениях переваривания и всасывания белка, тяжелых заболеваниях. Количество белка которое полностью обеспечивает потребности организма называется белковым оптимумом. Минимальное, обеспечивающее лишь сохранение азотистого баланса - белковым минимумом. ВОЗ рекомендует потребление белка не менее 0,75 г на кг веса в сутки. Энергетическая роль белков относительно небольшая.
Жирами организма являются триглицериды, фосфолипиды и стерины. Они также имеют определенную пластическую роль, так как фосфолипиды, холестерин, жирные кислоты входят в состав клеточных мембран и органел. Основная их роль энергетическая. При окислении липидов выделяется наибольшее количество энергии, поэтому около половины энергозатрат организма обеспечивается липидами. Кроме того, они являются аккумулятором энергии в организме, потому что откладываются в жировых депо и используются по мере необходимости. Жир депо составляют около 15% веса тела. Покрывая внутренние органы, жировая ткань выполняет и пластическую функцию. Например, околопочечный жир способствует фиксации почек и предохранению их от механических воздействий. Липиды являются источниками воды, потому что при окислении 100 г жира образуется около 100 г воды. Особую функцию выполняет бурый жир, располагающийся вдоль крупных сосудов. Содержащийся в его жировых клетках полипептид тормозит ре-синтез АТФ за счет липидов. В результате резко усиливается теплопродукция. Большое значение имеют незаменимые жирные кислоты - линолевая, линоленовая и арахидоновая. Они не образуются в организме. Без них невозможен синтез фосфолипидов клеток, образование простагландинов и т.д. При их отсутствии задерживается рост и развитие организма.
Углеводы в основном играют энергетическую роль так как служат основным источником энергии для "клеток.
Потребности нейронов покрываются исключительно глюкозой. Углеводы аккумулируются в виде гликогена в печени
и мышцах. Углеводы имеют определенное пластическое значение. Глюкоза необходима для образования нуклеотидов
и синтеза некоторых аминокислот.
Методы измерения энергетический баланса организма
Соотношение между количеством энергии, поступившей в организм с пищей, и энергии, выделенной организмом во
внешнюю среду называется энергетическим балансом.организма. Существует 2 метода определения выделяемой
организмом энергии.
1. Прямая калориметрия. Принцип прямой калориметрии основан на том, что все виды энергии в конечном итоге переходят в тепловую. Поэтому при прямой калориметрии определяют количество тепла выделяемого организмом в окружающую среду за единицу времени. Для этого используют специальные камеры с хорошей теплоизоляцией и системой теплообменных труб, в которых циркулирует и нагревается вода.
2. Непрямая калориметрия. Она заключается в определении соотношения выделенного углекислого газа и поглощенного кислорода за единицу времени. Т.е. полном газовом анализе. Это соотношение называется дыхательным коэффициентом (ДК). УС02 ДК=-У02
Величина дыхательного коэффициента определяется тем, какое вещество окисляется в клетках организма. Например в молекуле углеводов атомов кислорода много, Поэтому на их окисление кислорода идет меньше и их дыхательный коэффициент равен 1. В молекуле липидов кислорода значительно меньше, поэтому дыхательный коэффициент при их окислении 0,7. Дыхательный коэффициент белков 0,8. При смешанном питании его величина 0,85-0,9. Дыхательный коэффициент становится больше 1 при тяжелой физической работе, ацидозе, гипервентиляции и преобразовании в организме углеводов в жиры. Меньше 0,7 он бывает при переходе жиров в углеводы. Исходя из дыхательного коэффициента рассчитывается калорический эквивалент кислорода, т.е. количество энергии выделяемой организмом при потреблении 1 л кислорода. Его величина также зависит от характера окисляемых веществ. Для углеводов он составляет 5 ккал, белков 4,5 ккал, жиров 4,7 ккал. Непрямая калориметрия в клинике производится с помощью аппаратов "Метатест-2", "Спиролит".
величина поступившей в организм энергии определяется количеством и энергетической ценностью пищевых веществ. Их энергетическую ценность определяют путем сжигания в бомбе Бертло в атмосфере чистого кислорода. Таким путем получают физический калорический коэффициент. Для белков он равен 5,8 ккал/г, углеводов 4,1 ккал/г, жиров 9,3 ккал/г. Для расчетов используют физиологический калорический коэффициент. Для углеводов и жиров он соответствует физическому, а для белков составляет 4,1 ккал/г. Его меньшая величина для белков объясняется тем, что в организме они расщепляются не до углекислого газа и воды, а да азотсодержащих продуктов. Основной обмен
Количество энергии, которое затрачивается организмом на выполнение жизненно важных функций называется основным обменом. Это затраты энергии на поддержание постоянства температуры тела, работу внутренних органов, нервной системы, желез. Основной обмен измеряется методами прямой и непрямой калориметрии при базисных условиях, т.е. лежа с расслабленными мышцами, при температуре комфорта, натощак. Согласно закону поверхности, сформулированному в 19 веке Рубнером и Рише, величина основного прямопропорциональна площади поверхности тела. Это связано с тем, что наибольшее количество энергии тратится на поддержание постоянства температуры тела. Помимо этого на величину основного обмена влияют пол, возраст, условия окружающей среды, характер питания, состояние желез внутренней секреции, нервной системы. У мужчин основной обмен на 10% больше, чем у женщин. У детей его величина относительно веса тела больше, чем в зрелом возрасте, а у пожилых наоборот меньше. В холодном климате или зимой он возрастает, летом снижается. При гипертиреозе он значительно увеличивается, а гипотиреозе снижается. В среднем величина основного обмена у мужчин 1700 ккал/сут., а у женщин 1550.
Общий обмен энергии
Общий обмен энергии это сумма основного обмена, рабочей прибавки и энергии специфически динамического действия пищи. Рабочая прибавка это энергетические затраты на физическую и умственную работу. По характеру производственной деятельности и энергозатратам выделяют следующие группы работающих:
1. Лица умственного труда (преподаватели, студенты, врачи и т.д.). Их энергозатраты 2200-3300 ккал/сут.
2. Работники занятые механизированным трудом (сборщики на конвейере). 2350-3500 ккал/сут.
3. Лица занятые частично механизированным трудом (шофера). 2500-3700 ккал/сут. .
Занятые тяжелым немеханизированным трудом (грузчики). 2900-4200 ккал/сут. Специфически динамическое действие пищи это энергозатраты на усвоение питательных веществ. Наиболее выражено это действие у белков, меньше у жиров и углеводов. В частности белки повышают энергетический обмен на 30%, а жиры и углеводы на 15%. Физиологические основы питания.
Режимы питания. В зависимости от возраста, пола, профессии потребление белков, жиров и углеводов должно составлять:
В прошлом веке Рубнер сформулировал закон изодинамии, согласно которому пищевые вещества могут взаимозаменяться по своей энергетической ценности. Однако он имеет относительное значение, так как белки, выполняющие пластическую роль, не могут синтезироваться из других веществ. Это же касается незаменимых жирных кислот. Поэтому требуется питание сбалансированное по всем питательным веществам. Кроме того необходимо учитывать усвояемость пищи. Это соотношение всосавшихся и выделившихся с калом питательных веществ. Наиболее легко усваиваются животные продукты. Поэтому животный белок должен составлять не менее 50% суточного белкового рациона, а жиры не более 70% жирового.
Под режимом питания подразумевается кратность приема пищи и распределение ее калорийности на каждый прием. При трехразовом питании на завтрак должно приходится 30% калорийности суточного рациона, обед 50%, ужин 20%. При более физиологичном четырехразовом, на завтрак 30%, обед 40%, полдник 10%, ужин 20%. Интервал между завтраком и обедом не более 5 часов, а ужин должен быть не менее чем за 3 часа до сна. Часы приема пищи должны быть постоянными.
Обмен воды и минеральных веществ
Содержание воды в организме в среднем 73%. Водный баланс организма поддерживается путем равенства потребляемой и выделяемой воды. Суточная потребность в воде составляет 20-40 мл/кг веса. С жидкостями поступает около 1200 мл воды, пищей 900 мл и 300 мл образуется в процессе окисления питательных веществ. Минимальная потребность в воде составляет 1700 мл. При недостатке воды наступает дегидратация и если ее количество в организме снижается на 20% наступает смерть. Избыток воды сопровождается водной интоксикацией с возбуждением ЦНС и судорогами.
Натрий, калий, кальций, хлор необходимы для нормального функционирования всех клеток, в частности обеспечения механизмов формирования мембранного потенциала и потенциалов действия. Суточная потребность в натрии и калии 2-3 г, кальции 0,8 г, хлоре 3-5 г. Большое количество кальция находится в костях. Кроме того он нужен для свертывания крови, регуляции клеточного метаболизма. Основная масса фосфора также сосредоточена в костях. Одновременно входит а состав фосфолипидов мембран, участвует в процессах метаболизма. Суточная потребность в нем 0,8 г. Большая часть железа содержится в гемоглобине и миоглобине. Оно обеспечивает связывание кислорода. Фтор входит в состав эмали зубов. Сера в состав белков и витаминов. Цинк является компонентом ряда ферментов. Кобальт и медь необходимы для эритропоэза. Потребность во всех этих микроэлементах от десятков до сотен мг в сутки.
Регуляция обмена веществ и энергии
Высшие нервные центры регуляции энергетического обмена и обмена веществ находятся в гипоталамусе. Они влияют на эти процессы через вегетативную нервную систему и гипоталамо-гипофизарную систему. Симпатический отдел ВНС стимулирует процессы диссимиляции, парасимпатический ассимиляцию. В нем же находятся центры регуляции водно-солевого обмена. Но главная роль в регуляции этих базисных процессов принадлежит железам внутренней секреции. В частности инсулин и глюкагон регулируют углеводный и жировой обмены. Причем инсулин тормозит выход жира из депо. Глюкокортикоиды надпочечников стимулируют распад белков. Соматотропин наоборот усиливает синтез белка. Минералокортикоиды натрий калиевый. Основная роль в регуляции энергетического обмена принадлежит тиреоидным гормонам. Они резко усиливают его. Они же главные регуляторы белкового обмена. Значительно повышает энергетический обмен и адреналин. Большое его количество выделяется при голодании.
ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ
Филогенетически сложились два типа регуляции температуры тела. У холоднокровных или пойкилотермных организмов интенсивность обмена веществ небольшая, поэтому низка теплопродукция. Они неспособны поддерживать постоянство температуры тела и она зависит от температуры окружающей среды. Вредные сдвиги температуры компенсируются изменением поведения (зимняя спячка). У теплокровных животных интенсивность обменных процессов очень высока и имеются специальные механизмы терморегуляции. Поэтому они имеют независимый от окружающей температуры уровень активности. Изотермия обеспечивает высокую приспособляемость теплокровных. У человека суточные колебания температуры 36,5-36,9°С. Наиболее высока температура тела человека в 16 часов. Наименьшая в 4 часа. его организм очень чувствителен к изменениям температуры тела. При ее снижении до 27-3 0°С наблюдаются тяжелые
нарушения всех функций, а при 25° наступает холодовая смерть (имеются сообщения о сохранении жизнеспособности при 18° С). Для крыс летальной является температура 12° С (специальные методы 1° С). При повышении температуры тела до 40° также возникают тяжелые нарушения. При 42° может наступить тепловая смерть. Для человека зона температурного комфорта 18-20°. Существуют и гетеротермные живые существа, которые могут временно снижать температуру тела (животные впадающие в спячку).
Терморегуляция это совокупность физиологических процессов теплообразования и теплоотдачи, обеспечивающих поддержание нормальной температуры тела. В основе терморегуляции лежит баланс этих процессов. Регуляция температуры тела посредством изменения интенсивности обмена веществ называется химической терморегуляцией. Термогенез усиливает непроизвольная мышечной активность в виде дрожи, произвольная моторной активность. Наиболее активно теплообразование идет в работающих мышцах. При тяжелой физической работе оно возрастает на 500%. Образование тепла усиливается при интенсификации обменных процессов, это называется не дрожательным термогенезом и обеспечивается за счет бурого жира. Его клетки содержат много митохондрий и специальный пептид, стимулирующий распад липидов с выделением тепла. Т.е. происходит разобщение процессов окисления и фософрилирования.
Теплоотдача служит для выделения избытка образующегося тепла и называется физической терморегуляцией. >"0на осуществляется посредством теплоизлучения, посредством которого выделяется 60% тепла, конвекции (15%),
теплопроводности (3 °/о), испарения воды с поверхности тела и из легких (20%). Баланс процессов теплообразования и теплоотдачи обеспечивается нервным» и гуморальными механизмами. При отклонении температуры тела от нормальной величины, возбуждаются терморецепторы кожи, сосудах, внутренних органах, верхних дыхательных путях. Этими рецепторами являются отростки сенсорных нейронов, а также тонкие волокна типа С. Холодовых рецепторов в коже больше, чем тепловых и они расположены более поверхностно. Нервные импульсы от этих нейронов по спиноталамическим трактам поступают в гипоталамус и кору больших полушарий. Формируется ощущение холода или тепла. В заднем гипоталамусе и препоптической области переднего находится центр терморегуляции. Нейроны заднего, в основном обеспечивают химическую терморегуляцию. Переднего физическую. В этом центре имеется три типа нейронов. Первым являются термочувствительные нейроны. Они расположены в препоптической области и реагируют на изменение температуры крови проходящей через мозг. Такие же нейроны имеются в спинном и продолговатом мозге. Вторая группа, является интернейронами и получает информацию от температурных рецепторов и терморецепторных нейронов. Эти нейроны служат для поддержания установочной точки, т.е. определенной температуры тела. Одна часть таких нейронов получает информацию от холодовых, другая от тепловых периферических рецепторов и терморецепторных нейронов. Третий тип нейронов - эфферентные. Они находятся в заднем гипоталамусе и обеспечивают регуляцию механизмов теплообразования. Свои влияния на эффекторные механизмы, центр терморегуляции осуществляет через симпатическую и соматическую нервную системы, железы внутренней секреции. При повышении температуры тела возбуждаются тепловые рецепторы кожи, внутренних органов, сосудов и терморецепторные нейроны гипоталамуса. Импульсы от них поступают к интернейронам, а затем эффекторным. Эффекторными являются нейроны симпатических центров гипоталамуса. В результате их возбуждения активируются симпатические нервы, которые расширяют сосуды кожи и стимулируют потоотделение. При возбуждении холодовых рецепторов наблюдается обратная картина. Частота нервных импульсов идущих к кожным сосудам и потовым железам уменьшается, сосуды суживаются, потоотделение тормозится. Одновременно расширяются сосуды внутренних органов. Если это не приводит к восстановлению температурного гомеостаза, включаются другие механизмы. Во-первых, симпатические нервная система усиливает процессы катаболизма, а следовательно теплопродукцию. Выделяющийся из окончаний симпатических нервов норадреналин стимулирует процессы липолиза. Особую роль в этом играет бурый жир. Это явление называется не дрожательным термогенезом. Во-вторых, от нейронов заднего гипоталамуса начинают идти нервные импульсы к двигательным центрам среднего и продолговатого мозга. Они возбуждаются и активируют а-мотонейроны спинного мозга. Возникает непроизвольная мышечная активность в виде холодовой дрожи. Третий путь - это усиление произвольной двигательной активности. Большое значение имеет соответствующее изменение поведения, которое обеспечивается корой. Из гуморальных факторов наибольшее значение имеют адреналин, норадреналин и тиреоидные гормоны. Первые два гормона вызывают кратковременное повышение теплопродукции за счет усиления липолиза и глико-лиза. При адаптации к длительному охлаждению усиливается синтез тироксина и трийодтиронина. Они значительно повышают энергетический обмен и теплопродукцию посредством увеличения количества ферментов в митохондриях.
Понижение температуры тела называется гипотермией, повышение гипертермией. Гипотермия возникает при переохлаждении. Гипотермия организма или мозга используется в клинике для продления жизнеспособности организма или мозга человека при проведении реанимационных мероприятий. Гипертермия возникает при тепловом ударе, когда температура повышается до 40-41°. Одним из нарушений механизмов терморегуляции является лихорадка. Она развивается в результате усиления теплообразования и снижения теплоотдачи. Теплоотдача падает из-за сужения периферических сосудов и уменьшения потоотделения. Теплообразование возрастает вследствие воздействия на центр терморегуляции гипоталамуса бактериального и лейкоцитарного пирогенов, являющихся липополисахаридами. Это воздействие сопровождается и лихорадочной дрожью. В период выздоровления нормальная температура восстанавливается за счет расширения сосудов кожи и проливного пота.
ФИЗИОЛОГИЯ ПРОЦЕССОВ ВЫДЕЛЕНИЯ
Функции почек. Механизмы мочеобразования В паренхиме почек выделяется корковое и мозговое вещество. Структурной единицей почки является нефрон. В каждой почке около миллиона нефронов. Каждый нефрон состоит из сосудистого клубочка, находящегося в" капсуле Шумлянского-Боумена, и почечного канальца. К капиллярам клубочка подходит приносящая артериола, а от него отходит выносящая. Диаметр приносящей больше, чем выносящей. Клубочки расположенные в корковом слое относятся к корковым, а в глубине почек - юкстамедуллярными. От капсулы Шумлянского-Боумена отходит проксимальный извитой канадец, переходящий в петлю Генле. В свою очередь она переходит в дистальный извитой мочевой канадец, который открывается в собирательную трубочку. Образование мочи происходит с помощью нескольких механизмов.
1. Клубочковая ультрафильтрация. Находящийся в полости капсулы капиллярный клубочек состоит из 20-40 капиллярных петель. Фильтрация происходит, через слой эндотелия капилляра, базальную мембрану и внутренний слой эпителия капсулы. Главная роль принадлежит базальной мембране. Она представляет собой сеть, образованную тонкими коллагеновыми волокнами, которые играют роль молекулярного сита. Ультрафильтрация осуществляется благодаря высокому давлению крови в капиллярах клубочка - 70 - 80 мм.рт.ст. Его большая величина обусловлена разностью диаметра приносящей и выносящей артериол. В полость капсулы фильтруется плазма крови со всеми растворенными в ней низкомолекулярными веществами, в том числе низкомолекулярными белками. В физиологических условиях не фильтруются крупные белки и другие большие коллоидные частицы плазмы. Остающиеся в плазме белки создают онкотическое давление 25-30 мм.рт.ст., которое удерживает часть воды от фильтрации в полость капсулы. Кроме того, ему препятствует гидростатическое давление фильтрата, находящегося в капсуле величиной 10-20 мм.рт.ст. Поэтому скорость фильтрации определяется эффективным фильтрационным давлением. В норме оно составляет: Рэфф.=Рдк. -(Роем.- Ргидр.)= 70 - (25 + 10) = 35 мм.рт.ст. Скорость клубочковой фильтрации равна 110-120 мл/мин. Поэтому в сутки образуется 180 л фильтрата или первичной мочи. 2. Канальцевая реабсорбция. Вся образующаяся первичная моча поступает в канальцы и петлю Генле, где подвергается реабсорбции 178 л воды и растворенных в ней веществ. Вместе с водой в кровь возвращаются не все они. По способности к реабсорбции все вещества первичной мочи делятся на три группы:
1. Пороговые. В норме они реабсорбируются полностью. Это глюкоза, аминокислоты.
2. Низкопороговые. Реабсорбируются частично. Например, мочевина.
3. Непороговые. Они не реабсорбируются. Креатинин, сульфаты. Последние 2 группы создают осмотическое давление и обеспечивают канальцевый диурез, т.е. сохранение определенного количества мочи в канальцах, Реабсорбция глюкозы и аминокислот происходит в проксимальном извитом канальце и осуществляется с помощью транспортной системы сопряженной с натрием. Они транспортируются против концентрационного градиента. При сахарном диабете содержание глюкозы в крови становится выше порога выведения и глюкоза появляется в моче. При почечном диабете нарушается система транспорта глюкозы в эпителии канальцев и она выделяется с мочой, несмотря на нормальное содержание в крови. Реабсорбция других пороговых и непороговых веществ происходит путем диффузии. Облигатная реабсорбция основных ионов и воды происходит в проксимальном канальце, петле Генле. Факультативная в дистальном канальце. Они образуют поворотно-противоточную систему, так как в них происходит взаимный обмен ионов. В проксимальном канальце и нисходящем колене петли Генле происходит активный транспорт большого количества ионов натрия. Он осуществляется натрий-калиевой АТФазой. За натрием в межклеточное пространство происходит пассивная реабсорбция большого количества воды. В свою очередь эта вода способствует дополнительной пассивной реабсорбции натрия в кровь. Одновременно с ними реабсорбируются и гидрокарбонат анионы. В нисходящем колене петли и дистальном канальце реабсорбируется относительно небольшое количество натрия, а вслед за ним и вода. В этом отделе нефрона ионы натрия реабсорбируются с помощью сопряженного натрий-протонного и натрий-калиевого обмена. Ионы хлора переносятся здесь из мочи в тканевую жидкость с помощью активного хлорного транспорта. Низкомолекулярные белки реабсорбируются в проксимальном извитом канальце.
3. Канальцевая секреция и экскреция. Они происходят в проксимальном участке канальцев. Это транспорт в мочу из.крови и клеток эпителия канальцев веществ, которые не могут фильтроваться. Активная секреция осуществляется -тремя транспортными системами. Первая транспортирует органические кислоты, например парааминогиппуровую. Вторая органические основания. Третья этилендиаминтетраацетат (ЭДТА). Экскреция слабых кислот и оснований происходит с помощью не ионной диффузии. Это их перенос в недиссоциированном состоянии. Для осуществления экскреции слабых кислот необходимо, чтобы реакция канальцевой мочи была щелочной, а для выведения щелочей кислой. В этих условиях они находятся в недиссоциированном состоянии и скорость их выделения возрастает. Таким путем таюке секретируются протоны и катионы аммония. Суточный диурез составляет 1,5-2 л. Конечная моча имеет слабокислую реакцию с рН=5,0 - 7,0. Удельный вес не менее 1,018. Белка не более 0,033 г/л. Сахар, кетоновые тела, уробилин, билирубин отсутствуют. Эритроциты, лейкоциты, эпителий единичные клетки в поле зрения. Цилиндрический эпителий 1. Бактерий не более 50.000 в 1 мл. Регуляция мочеобразования.
Почки имеют высокую способность к саморегуляции. Чем ниже осмотическое давление крови, тем выраженное процессы фильтрации и слабее реабсорбция и наоборот. Нервная регуляция осуществляется посредством симпатических нервов, иннервирующих почечные артериолы. При их возбуждении суживаются выносящие артериолы, кровяное давление в капиллярах клубочков, а как следствие эффективное фильтрационное давление, растут, клубочковая фильтрация ускоряется. Таюке симпатические нервы усиливают реабсорбцию глюкозы, натрия и воды. Гуморальная регуляция осуществляется группой факторов.
1. Антидиуретический гормон (АДГ). Он начинает выделяться из задней доли гипофиза при повышении осмотического давления крови и возбуждения осморецепторных нейронов гипоталамуса. АДГ взаимодействует с рецепторами эпителия собирательных трубочек, которые повышают содержание циклического аденозинмо-нофосфата в них цАМФ активирует протеинкиназы, которые увеличивают проницаемость эпителия дистальных канальцев и собирательных трубочек для воды. В результате реабсорбция воды возрастает и она сохраняется в сосудистом русле.
2. Альдостерон. Стимулирует активность натрий-калиевой АТФазы поэтому увеличивает реабсорбцию натрия, но одновременно выведения калия и протонов в канальцах. В результате возрастает содержание калия и протонов в моче. При недостатке адьдостерона организм теряет натрий и воду.
3. Натрийуретический гормон или атриопептид. Образуется в основном в левом предсердии при его растяжении, а также в передней доле гипофиза и хромаффинных клетках надпочечников. Он усиливает фильтрацию, снижает реабсорбцию натрия. В результате возрастают выведение натрия и хлора почками, повышает суточный диурез.
4. Паратгормон и кальцитонин. Паратгормон усиливает реабсорбциюкальция, магния и снижает обратное всасывание фосфата. Кальцитонин уменьшает реабсорбцию этих ионов.
5. Ренин-ангиотензин-альдостероновая система. Ренин это протеаза, которая вырабатывается юкстагломерулярными клетками артериол почек. Под влиянием ренина от белка плазмы крови а2-глобулина-ангиотензина отщепляется ангиотензин I. Затем ангиотензин I превращается ренином в ангиотензин II. Это самое сильное сосудосуживающее вещество. Образование и выделение ренина почками вызывают следующие факторы:
а) Понижение артериального давления.
б) Снижение объема циркулирующей крови.
в) при возбуждении симпатических нервов, иннервирующих сосуды почек. Под влиянием ренина суживаются артериолы почек и уменьшается проницаемость стенки капилляров клубочка. В результате скорость фильтрации снижается. Одновременно ангиотензин II стимулирует выделение альдостерона надпочечниками. Альдостерон усиливает канальцевую реабсорбцию натрия и реабсорбцию воды. Происходит задержка воды и натрия в организме. Действие ангиотензина сопровождается усилением синтеза антидиуретического гормона гипофиза. Увеличение воды и хлорида натрия в сосудистом русле, при прежнем содержании белков плазмы, приводит к выходу воды в ткани. Развиваются почечные отеки. Это происходит на фоне повышенного артериального давления.
6. Калликреин-кининовая система. Является антагонистом ренин-ангиотензиновой. При снижении почечного кровотока в эпителии дистальных канальцев начинает вырабатываться фермент калликреин. Он переводит неактивные белки плазмы кининогены в активные кинины. В частности брадикинин. Кинины расширяют почечные сосуды, увеличивают скорость клубочковой ультрафильтрации и уменьшают интенсивность процессов, реабсорбции. Диурез возрастает.
7. Простагландины. Они синтезируются в мозговом веществе почек простаглан-динсинтетазами и стимулируют выведение натрия и воды. Нарушения экскреторной функции почек возникают при острой или хронической почечной недостаточности. В крови накапливаются азотсодержащие продукты обмена - мочевая кислота, мочевина, креатинин. Повышается содержания в ней
калия и снижается натрия. Возникает ацидоз. Это происходит на фоне повышения артериального давления, отеков и снижения суточного диуреза. Конечным итогом почечной недостаточности является уремия. Одним из ее проявлений является прекращение мочеобразования анурия. Невыделительнные функции почек:
1.Регуляция постоянства ионного состава и объема межклеточной жидкости организма. Базисным механизмом регуляции объема крови и межклеточной жидкости является изменение содержания натрия. При увеличении его количества в крови увеличивается прием воды и происходит ее задержка в организме. Т.е. наблюдается положительный натриевый и водный баланс. В этом случае изотоничность жидких сред организма сохраняется. При низком содержании хлорида натрия в рационе выведение натрия из организма преобладает, т.е. имеет место отрицательный натриевый баланс. Но благодаря почкам устанавливается и отрицательный водный баланс и/ выведение воды начинает превышать ее потребление. В этих случаях через 2-3 недели устанавливается новый натрио-водный баланс. Но выведение натрия и воды почками будет или больше или меньше исходного. При увеличении объема циркулирующей крови (ОЦК) или гиперволемии повышается артериальное и эффективное фильтрационное давление. Одновременно начинает в предсердиях начинает выделяться натрийуретический гормон. В результате выведение натрия и воды почками возрастает. При снижении объема циркулирующей крови или гипо-волемии артериальное давление падает, уменьшается эффективное фильтрационное давление и включается ряд дополнительных механизмов, обеспечивающих сохранение натрия и воды в организме. В сосудах печени, почек, сердца и каротидных синусах имеются периферические осморецепторы, а в гипоталамусе осморецепторные нейроны. Они реагируют на изменение осмотического давления крови. Импульсы от них идут в центр осморегуляции, находящийся в области супраоптического и паравентрикулярного ядер. Активируется симпатическая нервная система. Сосуды, в том числе и почек, суживаются. Одновременно начинается образование и выделение гипофизом антидиуретического гормона. Выделяющиеся надпочечниками адреналин и норадреналин также суживают приносящие артериолы. В результате фильтрация в почках уменьшается, а реабсорбция усиливается. Одновременно активируется ренин-ангиотензиновая система. В этот же период развивается чувство жажды. Соотношение содержания ионов натрия и калия регулируется минералокортикоидами, кальция и фосфора партгормоном и кальцитонином.
2. Участие в регуляции системного артериального давления. Они осуществляют эту функцию посредством поддержания постоянства объема циркулирующей крови, а также ренин-ангиотензиновой и калликреин-кининовой систем.
3. Поддержание кислотно-щелочного равновесия. При сдвиге реакции крови в кислую сторону в канальцах выводятся анионы кислот и протоны, но одновременно реабсорбируются ионы натрия и гидрокарбонат анионы. При алкалозе выводятся катионы щелочей и гидрокарбонат анионы.
Регуляция кроветворения. В них вырабатываются эритропоэтин. Это кислый гликопротеин, состоящий из белка и гетеросахарида. Выработку эритропоэтина стимулирует низкое напряжение кислорода в крови.
Мочевыведение
Моча постоянно вырабатывается в почках и по собирательным трубочкам поступает в лоханки, а затем мочеточникам в мочевой пузырь. Скорость наполнения пузыря около 50 мл/час. В это время, называемое периодом наполнения, мочесипус-кание или затруднено или невозможно. Когда в пузыре накапливается 200-300 мл мочи возникает рефлекс мочеиспускания. В стенке пузыря имеются рецепторы растяжения. Они возбуждаются и импульсы от них по афферентным волокнам тазовых парасимпатических нервов поступают в центр мочеиспускания. Он расположен в 2-4 крестцовых сегментах спинного мозга. От импульсы поступают в таламус, а затем кору. Возникают позывы на мочеиспускание, и начинается период опорожнения пузыря. От центра мочеиспускания, по эфферентным парасимпатическим тазовым нервам, начинают поступать импульсы к гладким мышцам стенки пузыря. Они сокращаются и давление в пузыре растет. В основании пузыря эти мышцы образуют внутренний сфинктер. Благодаря особому направлению гладкомышечных волокон в нем, их сокращение приводит к пассивному раскрытию сфинктера. Одновременно открывается наружный мочиспучкательный сфинктер, образованный поперечнополосатыми мышцами промежности. Они иннервируются ветвями срамного нерва. Пузырь опорожняется. С помощью коры регулируется начало и течение процесса мочеиспускания. В то же время может наблюдаться
психогенное недержание мочи. При накоплении в пузыре более 500 мл мочи может возникать защитная реакция непроизвольное мочеиспускание. Нарушения, циститы, задержка мочи.
