2 курс / Нормальная физиология / ФИЗИОЛОГИЯ_ОБМЕНА_ВЕЩЕСТВ_И_ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ

Энерготраты клеток на синтез молекул АТФ в митохондриях составляют около 900 ккал. Энергия, затраченная на синтез молекул АТФ, превращается затем в тепловую энергию, выделяемую в виде первич-

ного тепла (рис.3).

Рис.3. Схематическое изображение взаимосвязи превращений веществ и энергии в организме

Энергия, аккумулированная в макроэргических связях АТФ далее расходуется клетками на обеспечение процессов синтеза, осмотическую, механическую и электрическую работу. Например, образование одной пептидной связи в белке «стоит» около 30 ккал/моль, а число этих связей в белковой молекуле колеблется от 120 до 10000. Синтез одной молекулы белка с молекулярной массой 60кДа требует энергии 1500 молекул АТФ, одной молекулы РНК – 6000 молекул АТФ, ДНК – 120 млн молекул АТФ.

Такие значительные энерготраты обусловлены тем, что продолжительность жизни клеток внутренних органов в организме человека колеблется от 1,3 суток в тонкой кишке до 10-20 суток в печени, что требует непрерывного формирования новых клеток. За сутки у человека обновляется 3% всех белков тела, при этом ферменты обновляются в 10 раз быстрее, чем белки стромы и цитозоля. 50% белков печени обновляется за 9 дней.

В клетку поступают энергоносители – углеводы, жиры, белки и О2. Из клетки выходят потоки СО2 (результат декарбоксилирования углеводов, жиров, белков), Н2О, первичное тепло и энергия, заключенная в

11

молекулах АТФ. После гидролиза молекул АТФ, обеспечивающих разные виды работы, энергия рассеивается в виде вторичного тепла.

Причина непрерывного разрушения всех биоструктур организма состоит в следующем. Молекулы воды благодаря их тепловым колебаниям в живой клетке разрывают слабые связи (силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи, диполь-дипольные связи, гидрофобные взаимодействия), обеспечивающие молекулярные взаимодействия в структурах белка, комплексах ферментов с лигандами, взаимодействие между липидами и цепями нуклеиновых кислот и т. д. В результате возникает дезагрегация данных структур. При этом кинетическая энергия молекул воды, т.е. их тепловые колебания в живой клетке возрастают при росте энерготрат, например, при физической нагрузке, что усиливает разрушение и последующее обновление биомолекул.

Осмотическая работа в клетках организма в условиях основного обмена требует до 215 ккал в сутки. Эта энергия расходуется на поддержание ионного градиента между цитоплазмой клетки и жидкими средами организма ионными насосами и обменниками, например, Na+/K+-АТФазы (при реабсорбции ионов натрия в нефронах почек), Са2+-АТФазы (поддержание физиологической концентрации ионов кальция в различных клетках).

На механическую работу (работу сердца, скелетных мышц, обеспечивающих движения грудной клетки при дыхании), электрическую работу (в нервной системе) в условиях основного обмена необходимо еще ~ 260 ккал. Энергия, затраченная на синтез, выполнение осмотической, механической и электрической работы, переходит в тепловую энергию или вторичное тепло. Сумма первичного и вторичного тепла характеризует общие энерготраты организма.

На величину основного обмена влияют пол и возраст человека. Так,

уженщин детородного возраста величина основного обмена в среднем на 6– 10% ниже, чем у мужчин, что объясняется, влиянием мужских половых гормонов и большей мышечной массой тела. У детей основной обмен выше, чем у стариков, вследствие интенсивного роста тка-

ней, большей метаболической и мышечной активности (у 5-летнего мальчика энерготраты составляют 52,7 ккал/час/м2 поверхности тела, а

у75-летнего мужчины – 34,2 ккал/час/м2).

Уровень основного обмена зависит от калорийности пищи и содержания в ней белков (при снижении в рационе их содержания основной обмен снижается на 27–32 %). Интенсивность обмена возрас-

12

тает на 30% в течение часа после приема пищи и удерживается на более высоком уровне еще в течение 3–12 часов. Такое влияние пищи на основной обмен называется специфическим динамическим действием пищи и связано с затратами энергии АТФ на обеспечение активного переноса аминокислот из межклеточной среды в клетки, превращением азота аминогрупп аммиака в глутамин, пуриновые и другие соединения. Это увеличение может продолжаться в течение 12 ч.

При перегревании и переохлаждении организма ОО также повышается. Увеличение температуры «ядра» тела у человека на 1 °С повышает основной обмен на 12–13%, поэтому при лихорадке резко увеличивается расход эндогенных энергоресурсов (гликогена, жира и белков). Повышение температуры среды на 10 °С снижает основной обмен на 2,5%, а понижение на 10 °С – увеличивает на такую же величину, что обусловлено изменением процессов термогенеза. По этой же причине у жителей экваториальной зоны величина основного обмена на 10– 20% ниже, чем у жителей Заполярья.

Величина энерготрат снижается во время сна из-за уменьшения тонуса скелетной мускулатуры и активности симпатического отдела вегетативной нервной системы. Гипокинезия, вызванная длительным постельным режимом, значительно уменьшает энерготраты из-за снижения тонуса антигравитационной мускулатуры (в среднем на 10% к 20- м суткам). Снижение основного обмена наблюдается при шоке (при критическом падении АД, например, в результате тяжелой кровопотери), причем степень падения ОО позволяет судить о тяжести шокового состояния.

На уровне ОО отражается также нарушение функции щитовидной железы: при гипертиреозе интенсивность обменных процессов повышается, при гипотиреозе – падает, причем величина отклонений колеблется от +100% до –40%. До разработки методов определения уровня гормонов щитовидной железы, определение ОО использовали для диагностики заболеваний щитовидной железы.

Величина ОО зависит от пола, возраста, роста и массы тела и равна примерно 1 ккал/кг массы в час. Энергетические траты в условиях основного обмена у взрослого мужчины составляют 1800 ккал, у женщин

– 1700 ккал/сутки.

Общий обмен веществ организма складывается из величины основного обмена и рабочей прибавки – затрат энергии на выполнение фи-

13

зической работы, осуществления процессов пищеварения, специфическое динамическое действие пищи, обеспечение процессов роста.

Для лиц, занятых очень тяжелым физическим трудом, величина энерготрат возрастает до 4800 ккал/день (для мужчин) и 3700 (для женщин). При выполнении тяжелой физической работы (лесорубы, косцы) общий обмен веществ может достигать 5000 ккал. В то же время, предельно допустимая рабочая прибавка даже при тяжелых формах постоянно выполняемого труда не должна превышать уровень основного обмена более чем в 3 раза.

При умственной работе также происходит повышение энергетических трат, связанное с рефлекторным увеличением мышечного тонуса (сам мозг отличается постоянно высоким и практически постоянным уровнем обмена).

Использование энергии разными тканями организма неодинаково, о чем свидетельствует разница в потреблении ими кислорода. Так, в условиях основного обмена на нервную ткань приходится 20–25% потребляемого кислорода – столько же, сколько потребляет вся скелетная мускулатура. На работу кишечника также расходуется до 25% кислорода. Примерно ½ всего ОО обусловливают печень и расслабленная скелетная мускулатура (табл. 1)

Высокая потребность мозга в кислороде объясняет его чувствительность к гипоксии (при прекращении кровообращения нейроны гибнут раньше, чем клетки других тканей организма). Временное сохранение жизни человека при уменьшении энерготрат ниже величин основного обмена возможно лишь при глубокой гипотермии. Так, при снижении температуры «ядра» с 37 °С до 27 °С (в условиях искусственной гипотермии) потребление энергии организмом снижается с 1800 до 600-900 ккал/сутки, и в этих условиях ткани головного мозга в течение нескольких десятков минут могут сохранить жизнеспособность при прекращении кровообращения с последующим восстановлением всех функций после прекращения гипотермии.

14

Энергетический баланс организма

Энергетический баланс организма – это разность между поступле-

нием энергии, получаемой человеком с пищей за определенный отрезок времени, и расходом энергии за этот же время. Количество энергии

вразличных пищевых веществах характеризуется калорической ценностью белков, жиров и углеводов. Так, калорическая ценность 1 г углеводов при их сжигании в калорической бомбе составляет 4,1 ккал, 1 г жира – 9,3 ккал, 1 г белка – 5,7 ккал. При окислении 1 г белка в организме выделяется только 4,1 ккал, т.к. часть конечных продуктов азотистого обмена – мочевина и др. – выводится из организма, сохраняя некоторое количество энергии.

Количество энергии, расходуемой человеком, можно определить методами прямой и непрямой калориметрии. При прямой калоримет-

рии определяется тепло, выделяемое человеком во внешнюю среду. Оно измеряется в специальной камере – калориметре в ккал. Непрямая

калориметрия основана на определении количество поглощенного О2 и выделенного СО2. Дело в том, что окисление 1 белка, углеводов или жира требует разного количества кислорода – 0,84 л при окислении углеводов, 2,0 л при окислении жиров и 0,96 л при окислении белков. При этом высвобождается и разное количество тепла. Так, на 1 л потребленного кислорода при окислении углеводов высвобождается 5,05 ккал тепла, жиров – 4,69 ккал, белков – 4,6 ккал. Эти величины полу-

чили название калорического эквивалента О2. Зная количество потребленного кислорода, тип использованного энергоресурса – углеводов,

жиров или белков и их калорический эквивалент О2, можно определить энергетические траты организма.

Опреимущественном использовании углеводов, жиров или белков

вкачестве энергоресурса можно судить, определяя дыхательный коэффициент (ДК) – отношение объема выделенной углекислоты к объ-

ему поглощенного кислорода, т.е. ДК=СО2/О2.

Например, если в энергетическом обмене используется глюкоза:

С6Н12О6 = 6СО2 + 6Н2О;

ДК = 6СО2/6О2 = 1;

если жирная кислота (трипальмитин):

2С3Н5(С15Н31СОО)3 + 145О2 = 102СО2 + 98Н2О; ДК = 102СО2/145О2 = 0,7.

15

При окислении белков ДК = 0,8; при окислении смешанной пищи, когда в качестве источника энергии используются разные энергоре-

сурсы, ДК = 0,85-0,89.

Таким образом, зная тип окисляемого вещества и рассчитав ДК, и учитывая количество потребленного кислорода, можно определить величину энерготрат организма как в условиях основного обмена, так и при трудовой деятельности.

Регуляция обмена веществ и энергии

Энергетический обмен присущ каждой живой клетке. Богатые энергией питательные вещества химически преобразуются с выделением энергии, которая используется на нужды клетки. Обменные процессы, в ходе которых из поглощенных пищевых продуктов синтезируются специфические элементы организма, называются анаболизмом; соответственно те метаболические процессы, в ходе которых структурные элементы организма или поглощенные пищевые продукты подвергаются распаду, называются катаболизмом.

Обмен жиров и углеводов служит главным образом для энергетического обеспечения физиологических функций (функциональный метаболизм), тогда как белковый обмен служит для создания и поддержания структур организма (пластический или структурный метаболизм). Традиционно энергетический обмен выражают в ккал на ед. времени. В системе СИ в качестве основной единицы принят джоуль

(Дж): 1 Дж = 1 ватт 1 сек = 2,39 10-4 ккал (1 ккал = 4,19 кДж).

Интенсивность обменных процессов в клетках различных органов в каждый момент времени разная. В связи с этим принято выделять три основных уровня метаболической активности:

–уровень активности характеризует интенсивность обменных процессов в активной клетке;

–уровень готовности – это такая интенсивность обменных процессов, которую неактивная в данный момент клетка должна поддер-

живать, чтобы сохранять способность к немедленному и неограниченному выполнению функции (например, работа Na+/K+-насоса).

–уровень поддержания целостности – минимальная интенсив-

ность энергетического обмена, достаточная для сохранения структуры

клеток. При снижении обмена за эту величину клетка гибнет (рис. 4). Уровень обменных процессов для организма в целом имеет иное

значение, нежели для изолированного органа. Так, если обменные

16

процессы дыхательной мускулатуры или сердечной мышцы снизятся до уровня готовности, соответствующие органы перестанут выполнять свою функцию и погибнут все клетки организма.

Прекращение доставки энергии не приводит к немедленному прекращению клеточной активности. Время, в течение которого клетка может сохранять свою функциональную активность, зависит от того, к какому органу она принадлежит. Если это головной мозг, то через 10 сек наступит потеря сознания, а через 3 – 8 мин – необратимые изменения. Клетки скелетной мускулатуры способны поддерживать обменные процессы на уровне сохранения целостности в течение 1-2 ч.

Рис.4. Диаграмма, характеризующая различные уровни интенсивности клеточного обмена веществ: уровень активности, уровень готовности и уровень поддержания целостности. Указано примерное соотношение между уровнями в %

17

Голод и насыщение

Потребление человеком питательных веществ с пищей регулируется чувствами голода и насыщения. Они регулируются центрами, расположенными в латеральных и вентромедиальных ядрах гипоталамуса, нейроны которых реагируют на изменение концентрации глюкозы в крови, водородных ионов, температуры тела, на воздействие адипокинов, грелина.

Постоянный уровень глюкозы в крови чрезвычайно важен для метаболизма многих клеток организма. Поглощение глюкозы нервными клетками, эритроцитами, кроветворными клетками поддерживается благодаря большему содержанию глюкозы в крови и межклеточной жидкости, чем в цитозоле клеток. Гипергликемия активирует формирование в мембране клеток дополнительного количества переносчиков глюкозы (ГЛЮТ-1 и др.), синтез ферментов (гексогеназы и др.), образование глюкозо-6-фосфата, используемого как для синтеза гликогена, так и для окисления (гликолиза) с образованием АТФ. При гипергликемии все клетки депонируют в цитозоле глюкозу в форме гликогена.

Увеличение содержания D-глюкозы в крови, притекающей к β- клеткам островков Лангерганса поджелудочной железы, активирует в них синтез инсулина. Повышение уровня глюкозы в крови выше 1,2 г/л активирует глюкорецепторы переднего гипоталамуса, который через парасимпатический отдел вегетативной нервной системы усиливает секрецию инсулина. Считается, что инсулин – единственный гормон, под влиянием которого формируется эндогенный запас энергоресурсов в форме гликогена и триглицеридов в адипоцитах и миоцитах. Инсулин стимулирует транспорт глюкозы в адипоциты, активируя транслокацию транспортера GLUT4 из цитоплазмы в мембрану клетки, активирует синтез ферментов биосинтеза жирных кислот (адипогенез).

При снижении уровня глюкозы в крови под влиянием глюкагона активируется гидролиз гликогена – гликогенолиз и глюконеогенез. Результатом является повышение уровня глюкозы в крови и поглощение ее клетками.

Жировой тканью (наиболее интенсивно – жировой и подкожной клетчаткой) секретируются в кровь гормоны-адипокины – лептин, адипонектин, регулирующие обмен веществ и энергии. Лептин активно секретируется при избыточном поступлении пищи и регулирует пищевое поведение, снижая аппетит. Он стимулирует также сгорание

18

жира в организме, увеличивая энергетический обмен. При прекращении секреции лептина развивается ожирение. Молекулы лептина легко проникают в ткани головного мозга из крови через гематоэнцефалический барьер с помощью специализированной транспортной системы. Кроме того, лептин синтезируется и в структурах головного мозга – в

аркуатном, вентромедиальном, паравентрикулярном ядрах гипотала-

муса, в гиппокампе и других структурах.

Главным органом-мишенью лептина является гипоталамус, в котором гормон активирует секрецию кортиколиберина и проопиомеланокортина. Из проопиомеланокортина образуются меланоцитстимули-

рующие гормоны, которые через меланокортиновые рецепторы 4-го типа, расположенные в паравентрикулярном ядре гипоталамуса (центр регуляции пищевого поведения), подавляют аппетит и повышают расход энергии. Механизм влияния меланоцитстимулирующих гормонов основан на стимуляции симпатического отдела вегетативной нервной системы, подавлении синтеза инсулина и повышению чувствительности к нему тканей, усилении процессов катаболизма. Антагонистами меланоцитстимулирующих гормонов, т. е. стимуляторами аппетита, являются нейропептид Y и нейропептид, обозначаемый как белок, родственный белку Агути, которые интенсивно синтезируются в аркуатном ядре.

Белок, родственный белку Агути, поступая в гипоталамус, блокирует связывание меланоцитстимулирующих гормонов с их рецепторами и тем самым активирует центр регуляции пищевого поведения, повышая аппетит и снижая расход энергии. Лептин подавляет экспрессию и секрецию обоих нейропептидов. Чувство голода вызывает увеличение секреции в кровь слизистой оболочкой желудка грелина, усиливающего синтез нейропептида Y, действие которого на центр пищевого поведения приводит к повышению аппетита. Лептин подавляет этот эффект грелина.

Таким образом, можно предполагать, что причинами ожирения у человека могут быть: 1) снижение синтеза и секреции лептина жировой тканью; 2) уменьшение синтеза рецепторов лептина в органахмишенях; 3) нарушенная способность молекул лептина проникать в мозг через гематоэнцефалический барьер.

Адипонектин в мышечной ткани активирует синтез ферментов, катализирующих сгорание жирных кислот (оксидазы АцКоА и др.), белков, участвующих в переносе жирных кислот (CD36), «белка 2», инду-

19

цирующего разобщение окислительного фосфорилирования и усиливающего рассеивание энергии в виде первичного тепла. Под влиянием адипонектина снижается содержание триглицеридов в мышцах и повышается их окисление. С уменьшением концентрации адипонектина в крови также может быть связано развитие ожирения.

Чувство голода или насыщения меняет поведение, изменяет направленность обмена веществ и энергии либо в сторону катаболизма накопленных энергетических ресурсов и усиления энерготрат, либо в сторону анаболизма и накопления запасов гликогена и жиров в тканях. Пищевое поведение регулируют гормоны, а также симпатический и парасимпатический отделы вегетативной нервной системы. Мобилизация энергоресурсов (усиление поступления в кровь жиров, депонированных в адипоцитах, и глюкозы из углеводного депо в печени) происходит под влиянием катехоламинов и глюкокортикоидов. В результате увеличение в крови триглицеридов позволяет клеткам миокарда и скелетным мышцам резко активировать использование жиров в качестве основного источника энергии. В то же время углеводзависимые ткани – клетки головного мозга, эритроциты, кроветворная ткань получают возможность в достаточном количестве использовать глюкозу, поступающую из углеводных депо в плазму крови.

ПИТАНИЕ

Физиология питания лежит в основе понятия о здоровом образе жизни и имеет большое значение для профилактической медицины. В прежние времена медикам чаще всего приходилось иметь дело с недостаточным питанием, в настоящее время – с перееданием, ведущим к ожирению и множеству болезней сердечно-сосудистой системы, эндокринной системы и опорно-двигательного аппарата.

Пищевые продукты состоят из богатых энергией питательных веществ, витаминов, солей, микроэлементов, приправ, клетчатки и воды. Регуляция приема пищи опосредована чувством голода и жажды.

В пище энергия содержится в виде питательных веществ – белков, жиров и углеводов. В организме все они расщепляются на более простые вещества с выделением энергии. Калорическая ценность питательных веществ определяется количеством энергии, выделяемой при окислении 1г вещества. Наиболее высокой калорической ценностью обладают жиры – 9,3 ккал/г, белки и углеводы – по 4,1 ккал/г.

20