Механизмы термостабилизации организма

Как уже отмечалось, постоянство температуры служит примером одного из важнейших стационарных состояний в организме. Поскольку жизнедеятельность обеспечивается химическими реакциями, сильно зависящими от температуры, при ее колебаниях в среде должны в достаточно широких пределах изменяться и скорости биологических процессов. Для исключения влияния температуры среды на биологические процессы в ходе эволюции сформировалась специальная физиологическая система термостабилизации.

Из теории стационарных состояний следует, что постоянство параметров системы должно обеспечиваться противоположно направленными процессами В данном случае такими процессами являются теплопродукция и теплопотеря организма в окружающую среду.

Механизмы теплопродукции организма

В процессе окисления поступивших в организм питательных веществ выделяется энергия, которая запасается в форме, удобной для дальнейшего использования. Наиболее часто в качестве энергетического субстрата используются углеводы. Например, при окислении одного моля глюкозы в присутствии кислорода выделяется около 680 ккал, или 2.7´10⁶ Дж. Общая химическая реакция этого процесса, учитывающая энергетический выход, может быть представлена в следующем виде:

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ® 6Н₂О + 6СО₂ + 680 ккал/моль

Освобожденная энергия запасается в химических связях молекулы АТФ в результате присоединения третичного остатка фосфорной кислоты к молекуле аденозиндифосфорной кисло-ты (АДФ). Присоединение фосфата называется фосфорилированием и поэтому результирующий процесс освобождения и запасения энергии называется окислительным фосфори-лированием. Как следует из второго закона термодинамики, все реальные процессы протекают с увеличением энтропии. Не является исключением и окислительное фосфорилирование. Следовательно, в этом процессе выделяется тепло Q₁ = ST, которое получило название первичной теплопродукции. Как показывают расчеты, первичное тепло составляет около половины от освобожденной энергии (см. рис.. Количество первичного тепла пропорционально массе окисленных питательные вещества и поэтому с повышением интенсивности энергетического обмена (скорости окисления питательных веществ) организм нагревается. Энергия, запасенная в АТФ, в дальнейшем используется для совершения всех видов физиологической работы: сокращения мышц, синтеза белков, деления клеток, совершение мышечной работы также должно сопровождаться увеличением энтропии и соответственно выделением тепла. Это тепло получило название вторичной теплопродукции. Механизмы выделения тепла можно проиллюстрировать схемой, представленной на рисунке 8.

На этой схеме обозначено: Е_о - количество энергии в ходе окисления питательных веществ, Q₁ , Q₂ - первичная и вторичная теплопродукция, Е₁ - энергия, запасенная в химических связях молекулы АТФ, А - количество совершенной работы. Результирующее выделение тепла равно сумме первичной и вторичной теплопродукции. Эффективность любого энергетического процесса принято оценивать с помощью коэффициента полезного действия - , который, как известно

Рис. 8 из физики, представляет собой отношение совершенной работы ко всему количеству затраченной энергии. В данном случае:

h = А/E_о = (E_о - Q) / E_о ; Q = E_о(1 -)

Из последнего соотношения следует, что тепловыделение в организме будет тем сильнее, чем больше интенсивность энергетического обмена (выделение энергии в процессе окисления питательных веществ Е_о) и чем меньше эффективность полезного использования энергии (чем меньше КПД). Как показывает более детальный анализ энергетического обмена, Q₁ = 0,5Е_о и А = 0,5Е_АТФ. Поэтому коэффициент полезного действия большинства биологических процессов (например, мышечного сокращения) не превосходит 25%.