ГЛАВА 21. МЕТАБОЛИЗМ И ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ

Живые организмы - термодинамически полуоткрытая система - находятся в постоянной связи с окружающей средой. Эта связь осуществляется в процессе обмена веществ и энергии.

Обмен веществ

Обмен веществ (рис. 21-1, А) включает три этапа: поступление веществ в организм (дыхание и питание), метаболизм (катаболизм и анаболизм) и выделение конечных продуктов из организма.

•  Катаболизм - процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ - СО₂, Н₂О и мочевина. В процессы катаболизма включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клеток. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции).

•  Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, когда строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции).

•  Интенсивность метаболизма. На интенсивность метаболизма влияют:

Φ мышечная работа (Т);

Φ недавнее употребление пищи (Т);

Φ высокая и низкая температура окружающей среды (Т);

Φ рост, масса и площадь поверхности тела (Т);

Φ пол (Т у мужчин);

Φ эмоциональное состояние (Т или i);

Φ возраст (i после 30 лет жизни);

Рис. 21-1. Общая схема обмена веществ и энергии (А). Биологические превращения энергии (Б). 1 - пищеварение; 2 - катаболизм; 3 - анаболизм; 4 - распад структурно-функциональных компонентов клеток; 5 - выведение из организма [9].

Φ температура тела (прямо пропорционально Т или i); Φ йодсодержащие гормоны щитовидной железы и адреналин (Т).

Баланс энергии

В организме насчитывается пять форм энергии: химическая, механическая, осмотическая, электрическая и тепловая. Клетки тела способны использовать энергию только из одного источника - химическую энергию, выделяющуюся при экзергонических реакциях. Химическая энергия организма может превращаться во все другие формы энергии (рис. 21-1, Б).

•  В соответствии с первым законом термодинамики энергия не может возникать из ничего и исчезать бесследно. Этот закон применим к живым системам в том смысле, что энергия, получаемая организмом, должна быть сопоставима с энергией, выделяемой им. Взаимоотношения между компонентами, которые вовлекаются в баланс между получаемой и затраченной энергией, можно представить уравнением:

Химическая энергия пищи = Тепловая энергия + Энергия работы (затраты на физическую активность) ? Химический запас энергии.

•  Стандартная единица энергии в Международной системе единиц (СИ) - джоуль (Дж, размерность - м²хкгхс^-2), но издавна применяется и не входящая в СИ единица тепловой энергии - калория (кал), а в физиологии и медицине - килокалория (ккал). Калорию определяют как количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 градус Цельсия (1 калория = 4,187 Дж).

•  Калориметрия

Φ Прямая калориметрия - непосредственное измерение тепла, выделяемого при сжигании пищевых веществ в специальных калориметрах (калориметрическая бомба), или тепла, выделяемого за определённый промежуток времени живыми организмами, помещёнными в сложное калориметрическое устройство.

Φ Калорическая величина основных компонентов пищи, измеренная в калориметрической бомбе, в расчёте на 1 г вещества составляет для углеводов 4,1 ккал/г, для белков - 5,3 ккал/г, для жиров - 9,3 ккал/г.

В организме при окислении углеводов и жиров образуется такое же количество энергии, как и при сжигании в кало- риметрической бомбе. При окислении белков образуется не 5,3 ккал/г, а только 4,1 ккал/г, так как в организме белки окисляются лишь частично. Кроме воды и углекислого газа конечным продуктом обмена белков является мочевина, которая содержит значительное количество энергии.

•  Непрямая калориметрия. Количество выделенной энергии можно подсчитать, измерив количество конечных продуктов окисления в организме (H₂O и CO₂) и конечных продуктов белкового катаболизма или измерив потребляемый кислород при помощи спирографа и специального аппарата, называемого «метаболической тележкой». Данное устройство можно использовать у постели больного и подключать поочерёдно с вентиляционной трубкой для измерения газообмена в лёгких. Этот способ называется непрямой калориметрией.

•  Дыхательный коэффициент (ДК) - соотношение объёма выделяемого CO₂ и объёма потребляемого O₂ в единицу времени. ДК можно рассчитать для реакций вне организма, для отдельного органа или ткани и целого организма. В состоянии физического покоя ДК для углеводов составляет 1,0, для жиров - 0,70, для белков - 0,80. Эти результаты определяются тем, что водород и кислород находятся в углеводах в одинаковых соотношениях к образуемой воде, а в различных жирах требуется дополнительное количество O₂ для образования воды.

Основной обмен

Интенсивность метаболизма, определяемую в стандартных условиях: лёжа, в комфортных условиях температуры (18-20 ?C), через 12-14 ч после приёма пищи, - называют основным обменом.

•  Основной обмен у мужчины среднего возраста массой 75 кг колеблется в пределах 1800-2000 ккал в день. У женщины основной обмен примерно на 10% ниже, чем у мужчины. Величина основного обмена в пересчёте на 1 кг массы тела у детей выше, чем у взрослых. С возрастом основной обмен понижается.

•  Основной обмен коррелирует с площадью поверхности тела, что позволяет производить ориентировочные расчёты вы-

свобождения энергии в организме. Взаимоотношения между массой, ростом и поверхностью тела человека выражаются следующей формулой:

S = 0,007184 х W^0,425 х H^0,725, где S - площадь поверхности тела в м², W - масса тела в кг, H - рост в см.

•  Тревога и напряжение усиливают основной обмен за счёт увеличения секреции адреналина и повышения тонуса мышц. Апатия, депрессия приводят к уменьшению основного обмена. С повышением температуры тела основной обмен усиливается в среднем на 14% на каждый градус по Цельсию.

Промежуточный метаболизм

Конечные продукты пищеварения: аминокислоты, производные жиров и гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза) - абсорбируются и метаболизируются различными путями.

•  Общий план метаболизма. Короткие цепочки фрагментов гексоз, аминокислот и продуктов жирового катаболизма из общего метаболического пула могут синтезироваться или поступать в цикл лимонной кислоты в процессе сортировки в конечном общем пути катаболизма, где они расщепляются до атомов водорода и CO₂. Атомы водорода, окисляясь, образуют воду в цепи флавопротеиновых и цитохромных ферментов.

•  Макроэргические соединения. Большая часть энергии, выделяемой при катаболизме, идёт на образование связей между фосфорной кислотой и некоторыми органическими веществами. При гидролизе этих связей выделяется много энергии (10-12 ккал/моль). Соединения с такими связями называются высокоэнергетическими (макроэргическими). Не все органические фосфаты принадлежат к этому классу. Многие вещества (например, глюкозо-6-фосфат) выделяют при гидролизе не более 2-3 ккал/моль.

Φ АТФ. Наиболее важным высокоэнергетическим фосфатом является АТФ. При гидролизе АТФ и превращении её в АДФ выделяемая энергия используется для таких процессов, как мышечное сокращение, активный транспорт, а также для синтеза многих химических соединений.

Φ Креатинфосфат. Энергетически богатое соединение креатинфосфат содержится в мышечных клетках. Ряд фосфо-

рилированных соединений, производных пиримидиновых и пуриновых оснований, выполняющих функцию донора энергии, включает гуанозинтрифосфат, цитидинтрифосфат, уридинтрифосфат, инозитолтрифосфат. Φ Ацетилкоэнзим А - высокоэнергетическое соединение, содержащее аденин, рибозу, пантотеновую кислоту и тиоэтаноламин. Образование одной молекулы ацетилкоэнзима А эквивалентно образованию молекулы АТФ.

•  Биологическое окисление. Окисление - соединение вещества с O₂, потеря водорода или электронов. Биологическое окисление катализируют ферменты. Кофакторы или коферменты - дополнительные вещества, выполняющие роль переносчиков продуктов реакции. Многие коферменты акцептируют водород. Одной из наиболее общих реакций биологического окисления является реакция удаления водорода. Водород переносится во флавопротеин-цитохромную систему, соединяется с O₂ и превращается в воду.

•  Окислительное фосфорилирование. Образование АТФ связано с окислением посредством флавопротеин-цитохромной системы и носит название окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование - хемоосмотический процесс, вовлекающий перенос протонов через мембрану митохондрий. Мембранная АТФ-синтаза превращает АДФ и неорганический фосфат в АТФ. Фосфорилирование зависит от адекватного поступления АДФ и находится под контролем механизма обратной связи. Чем быстрее используется АТФ в тканях, тем больше накапливается АДФ и, соответственно, увеличивается скорость окислительного фосфорилирования.

•  Разобщение дыхания и фосфорилирования. Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФсинтетазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ уменьшается, а АДФ увеличивается. Примерами разобщителей могут быть некоторые ЛС (например, антикоагулянт дикумарол) или метаболиты (например, билирубин и тироксин).

ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Обмен углеводов

В пищеварительном тракте конечными продуктами переваривания углеводов являются глюкоза, фруктоза и галактоза. Основной углевод, циркулирующий в крови, - глюкоза [нормальный уровень глюкозы в плазме венозной крови 70-110 мг% (3,9-6,1 ммоль/л), артериальной крови - на 15-20 мг% выше].

•  Транспорт глюкозы через клеточную мембрану. Глюкоза присоединяется к белкам-переносчикам, которые транспортируют глюкозу через клеточную мембрану внутрь клетки посредством облегчённой диффузии. Главный активатор трансмембранного переноса глюкозы - инсулин. Количество глюкозы, которое может поступить в клетки без инсулина (за исключением печени и мозга), слишком мало, чтобы обеспечить энергией нормальный уровень метаболизма. Под влиянием инсулина скорость и количество глюкозы, транспортируемой через клеточные мембраны, значительно возрастают.

•  Фосфорилирование глюкозы. Поступившая в клетки глюкоза фосфорилируется ферментом глюкокиназой. Фосфорилирование глюкозы - процесс необратимый, за исключением клеток печени, эпителия почечных трубочек и эпителиальных клеток кишечника. В этих клетках имеется специальный фермент фосфатаза, способная реверсировать реакцию фосфорилирования. Следовательно, в большинстве клеток глюкоза не может диффундировать наружу.

•  Накопление гликогена и гликогенолиз. После поступления в клетки глюкоза сразу же используется для образования энергии или накапливается в виде гликогена (большой полимер из молекул глюкозы). Все клетки тела способны запасать некоторое количество гликогена, но только гепатоциты, скелетные мышечные волокна и кардиомиоциты могут депонировать большие запасы гликогена. Крупные гликогеновые молекулы преципитируются в форме плотных гранул. Процесс образования гликогена - гликогенез. Гликогенолиз - процесс расщепления гликогена с образованием глюкозы. Гликогенолиз - не реверсия гликогенеза, так как отщепление молекулы глюкозы от гликогена осуществляется ферментом фосфорилазой. В состоянии покоя этот фермент находится в неакти-

вированном состоянии. Активация фосфорилазы происходит под влиянием адреналина и глюкагона.

•  Выделение энергии из глюкозы. При полном окислении одной молекулы глюкозы выделяется 686 000 калорий энергии, и только 12 000 калорий необходимо для образования одной молекулы АТФ. Однако клетки содержат много ферментов, которые вызывают постепенное расщепление молекулы глюкозы на ряде последовательных этапов. Энергия в процессе утилизации глюкозы выделяется небольшими порциями в форме одной молекулы АТФ за один период. В итоге из каждой молекулы глюкозы может образоваться 38 молекул АТФ, из них две в ходе гликолиза, две в цикле лимонной кислоты и 34 при окислительном фосфорилировании. Таким образом, из общего количества энергии в 686 000 калорий, которая может выделиться при полном окисления молекулы глюкозы, 456 000 калорий депонируется в форме АТФ, т.е. общее количество энергии, используемой на нужды организма, составляет 66%. Остающиеся 34% переходят в тепло.

•  Регуляция расщепления глюкозы. Гликолиз и окислительное фосфорилирование - процессы регулируемые. Оба процесса постоянно контролируются в соответствии с потребностями клеток в АТФ. Этот контроль имеет отношение к механизмам обратной связи между концентрациями АТФ и АДФ. Одним из элементов контроля энергии является ингибирующее влияние АТФ на ферментативные процессы, протекающие на начальных этапах гликолиза. Излишки АТФ останавливают гликолиз с последующим торможением углеводного метаболизма. АДФ же, напротив, повышает активность гликолитических процессов. Как только АТФ используется тканями, ингибирующее влияние АТФ на ферменты гликолиза уменьшается. Одновременно с этим возрастает активность ферментов вследствие формирования АДФ. Когда клеточные запасы АТФ вновь переполняются, ферментативные процессы замедляются.

•  Глюконеогенез. Когда запасы углеводов в организме становятся ниже нормального уровня, умеренное количество глюкозы может образовываться из аминокислот и из глицериновой части жиров в процессе глюконеогенеза. Приблизительно 60% аминокислот в белках организма может легко превращаться в

углеводы. Низкий уровень углеводов в клетках и уменьшение содержания глюкозы в крови - главные стимулы к увеличению интенсивности глюконеогенеза.

Обмен жиров

К липидам относятся нейтральные жиры (триглицериды), фосфолипиды и холестерин. Химическая основа большей части липидов -жирные кислоты - длинные цепи гидрокарбоновых органических кислот. Три жирные кислоты (стеариновая, пальмитиновая и олеиновая) обязательно входят в состав триглицеридов. Холестерин не содержит жирных кислот, но его стероидное ядро образовано из продуктов расщепления жирных кислот, и холестерин по своим физическим и химическим свойствам напоминает другие липидные вещества. Триглицериды используются в организме для обеспечения энергией различных метаболических процессов. Жиры обладают максимальной энергетической плотностью, давая наибольшее количество калорий в пересчёте на массу. Некоторые липиды (особенно холестерин, фосфолипиды и продукты распада этих веществ) участвуют в различных внутриклеточных функциях.

•  Транспорт липидов. Практически все жиры, поступающие с пищей, абсорбируются в лимфу в форме хиломикронов - мельчайших жировых частиц, заключённых в жировую оболочку. Хиломикроны поступают в грудной проток и оттуда в венозную кровь. Хиломикроны удаляются из плазмы, когда они проходят по капиллярам жировой ткани и печени. Мембраны гепатоцитов и жировых клеток содержат липопротеиновую липазу. Этот фермент расщепляет триглицериды хиломикронов на жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты немедленно диффундируют в клетки, где вновь ресинтезируются в триглицериды. Для того чтобы жир, запасённый в жировых клетках, мог своевременно использоваться в организме, он должен поступить в другие ткани в виде свободных жирных кислот. Покидая жировые клетки, жирные кислоты в плазме крови ионизируются и образуют соединения с альбумином. Жирные кислоты, прикреплённые к белкам таким способом, называются свободными жирными кислотами.

•  Липопротеины. В печени образуются липопротеины - частицы значительно меньшего размера, чем хиломикроны, но

имеющие тот же состав. Липопротеины содержат смесь триглицеридов, фосфолипидов, холестерина и белков. Различают три класса липопротеинов:

Φ липопротеины очень низкой плотности (ЛПОНП), содержащие высокую концентрацию триглицеридов и умеренную концентрацию фосфолипидов и холестерина; Φ липопротеины низкой плотности (ЛПНП), содержащие немного триглицеридов и очень много холестерина; Φ липопротеины высокой плотности (ЛПВП), содержащие 50% белков с небольшим содержанием липидов. Основная функция липопротеинов - транспорт липидов в раз- личные ткани организма. Триглицериды синтезируются в печени главным образом из углеводов и доставляются в жировую и другие ткани в форме ЛПОНП. ЛПНП образуются из остатков ЛПОНП, когда ЛПОНП передадут основную массу триглицеридов в жировую ткань, оставив большие концентрации холестерина и фосфолипидов в ЛПНП. ЛПВП транспортируют холестерин из периферических тканей в печень. Этот тип липопротеинов играет очень важную роль в предотвращении развития атеросклероза.

•  Депонирование жиров. Большое количество жиров накапливается в жировой ткани. Первая функция жировой ткани - накопление триглицеридов для энергетических нужд организма. Вторая функция жировой ткани - обеспечение теплоизоляции тела. Адипоциты жировой ткани способны запасать почти чистые триглицериды в количестве 80-95% их объёма. В жировой ткани имеется большое количество липаз. Некоторые из этих ферментов катализируют расщепление триглицеридов, поступивших из хиломикронов и других липопротеинов. Другие липазы активируются гормонами и вызывают расщепление триглицеридов в жировых клетках, приводя к выделению свободных жирных кислот. Поскольку жирные кислоты обмениваются очень быстро, триглицериды в жировых клетках обновляются через каждые 2-3 нед, делая жировую ткань очень динамичной.

•  Печень и жировой обмен. Печень содержит много триглицеридов, фосфолипидов и холестерина. Во время голодания большое количество триглицеридов извлекается из жировой ткани и поступает в печень, где подвергается процессам расщепления. В норме количество триглицеридов в печени определяет-

ся скоростью использования липидов для продукции энергии. Функции печени в жировом обмене многозначны. Печень осуществляет:

Φ преобразование жирных кислот в небольшие соединения,

пригодные для образования энергии; Φ синтез триглицеридов из углеводов и белков; Φ синтез холестерина, фосфолипидов и других соединений из

жирных кислот.

•  Использование триглицеридов для образования энергии. Первой стадией использования триглицеридов для энергии является гидролиз триглицеридов на жирные кислоты и глицерин. Жирные кислоты и глицерин доставляются в ткани, где они окисляются, выделяя энергию. Почти все клетки организма, исключая ткань мозга, могут использовать жирные кислоты в качестве источника энергии практически в неизменённом виде. В клетках происходит транспорт жирных кислот в митохондрии с помощью вещества - переносчика карнитина. Проникнув в митохондрии, жирные кислоты отсоединяются от переносчика, расщепляются и окисляются.

•  Гормональная регуляция жирового обмена. На процессы утилизации жира воздействует несколько гормонов.

Φ Адреналин и норадреналин усиливают утилизацию жира во время интенсивной мышечной работы. Эти гормоны активируют гормончувствительные триглицеридные липазы, находящиеся в жировых клетках. Происходит быстрое расщепление триглицеридов и высвобождение жирных кислот. Различного рода стрессорные факторы, возбуждающие симпатическую систему, оказывают аналогичное воздействие.

Φ Кортикотропин (АКТГ), выделяемый передней долей гипофиза в ответ на стресс, стимулирует секрецию в корковом слое надпочечников глюкокортикоидов (кортизол). Кортизол и кортикотропин активируют гормончувствительную триглицеридную липазу, которая увеличивает выход жиров из жировой ткани.

Φ Гормон роста действует подобно действию АКТГ и кортизола, но его эффект выражен в меньшей степени.

Φ Снижение концентрации инсулина активирует гормончувствительную липазу и обусловливает мобилизацию жирных кислот.

Φ Гормоны щитовидной железы вызывают быстрое высвобождение жирных кислот.

•  Фосфолипиды. Различают три основных типа фосфолипидов: лецитины, кефалины и сфингомиелины. Фосфолипиды участвуют в образовании структурных элементов (главным образом мембран) и входят в состав липопротеинов крови. Тромбопластин - вещество, необходимое для свёртывания крови, состоит из кефалинов. В нервной системе находится большое количество сфингомиелинов. Эти вещества действуют как изоляторы в миелиновой оболочке, окружающей нервные волокна.

•  Холестерин входит в состав пищевых продуктов, в ЖКТ он всасывается и поступает в лимфу. Дополнительно к экзогенному холестерину, который каждый день абсорбируется из ЖКТ, большое количество эндогенного холестерина образуется в клетках. Эндогенный холестерин, циркулирующий в форме липопротеинов плазмы, образуется в печени. Холестерин входит в состав клеточных мембран. До 80% всего холестерина превращается в печени в холевую кислоту, которая, соединяясь с другими веществами, образует желчные соли, которые способствуют пищеварению и абсорбции жиров. Холестерин используется в синтезе гормонов коркового слоя надпочечников (минерало- и глюкокортикоиды), яичника (эстроген и прогестерон), яичек (тестостерон).

Обмен белков

Три четверти плотной массы тела составляют белки. Более 20 аминокислот входят в состав белков. Аминокислоты агрегируются в длинные цепочки посредством пептидных связей. Сложные белковые молекулы могут иметь до 100 000 аминокислот. Некоторые белковые молекулы состоят из нескольких пептидных цепей, соединённых между собой водородными связями, электростатическими силами или сульфгидрильными, фенольными и другими группами.

•  Заменимые и незаменимые аминокислоты. 10 из 20 аминокислот, существующих в организме, могут синтезироваться в клетках. Другие десять аминокислот не могут синтезироваться, они должны поступать в организм с пищей. Эта группа не-

заменимых аминокислот включает аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан, фенилаланин.

• Транспорт и депонирование аминокислот. Конечным продуктом переваривания белков в ЖКТ являются аминокислоты. Нормальное содержание аминокислот в крови составляет от 35 до 65 мг%. Аминокислоты, находящиеся в крови, поступают в клетки в течение 5-10 мин (рис. 21-2). Молекулы аминокислот транспортируются через мембрану клеток посредством активного транспорта или облегчённой диффузии. Сразу же после проникновения в клетку аминокислоты под влиянием внутриклеточных ферментов объединяются в клеточные белки, и поэтому концентрация свободных аминокислот в клетке низка. Многие внутриклеточные белки могут быстро превращаться в аминокислоты под влиянием лизосомальных пищеварительных ферментов и поступать обратно в кровь. Особое исключение из этого правила составляют белки хромосомного аппарата ядра и структурные белки (коллаген и сократительные белки). Эти белки не принимают участия в процессе обратимого превращения в аминокислоты. Если концентрация аминокислот в плазме становится ниже нормального уровня, то свободные аминокислоты выходят из клеток, пополняя их концентрацию в плазме. Одновременно внутриклеточные белки распадаются на аминокислоты. Каждый тип клеток име-

Рис. 21-2. Обратимое равновесие между белками тканей, белками плазмы и аминокислотами плазмы.

ет свой верхний предел для количества белка, который они могут депонировать. После того как клетки обеспечат свою потребность в белках, излишки аминокислот превращаются в жиры или в гликоген.

•  Функция белков плазмы. Основные белки плазмы - альбумин, глобулин и фибриноген. Альбумины обеспечивают коллоидное осмотическое давление, глобулины участвуют в формировании иммунитета, фибриноген при гемокоагуляции полимеризируется в фибриновые нити.

Φ Ежедневно в организме синтезируется и расщепляется 400 г белка. Даже во время голодания или тяжёлой, истощающей болезни соотношение общего тканевого белка и общего содержания белков плазмы остаётся относительно постоянным - 33:1.

Φ Существует состояние обратимого равновесия между белками плазмы, аминокислотами плазмы и тканевыми белками (см. рис. 21-2). Это обстоятельство позволяет использовать внутривенное введение белков как один из наиболее эффективных способов лечения белковой недостаточности организма (парентеральное питание).

•  Азотистый баланс. О равновесии белкового обмена организма судят по содержанию мочевины (азот мочевины), так как в норме потери белка с калом минимальны. Поэтому количество азота в моче является реальным показателем катаболизма белков. Если количество азота в моче равно количеству азота белков, поступающих с пищей, то человек находится в состоянии азотистого равновесия (баланса). Если в организм начинает поступать повышенное количество белка, то излишнее количество аминокислот дезаминируется и концентрация мочевины возрастает, поддерживая азотистый баланс. Однако в условиях повышенной секреции катаболических гормонов коры надпочечников или при недостаточной секреции инсулина, а также во время голодания или принудительного ограничения движений потери азота превышают его поступление в организм и азотистый баланс становится отрицательным. Отсутствие в диете какой-либо из незаменимых аминокислот приводит к тому, что белок, для которого она предназначена, не синтезируется. Все другие аминокислоты, которые должны

• участвовать в синтезе данного белка, дезаминируются и их азот выделяется с мочой. В период роста или восстановления после перенесённой тяжёлой болезни или в результате применения анаболических стероидов (таких, как тестостерон) поступление азота превышает его выделение и азотистый баланс становится положительным. В среднем, чтобы предотвратить потери белка, организм нуждается в 20-30 г белка ежедневно. Минимум белка, который должен поступать с пищей ежедневно, составляет 60-75 г, необходимых для сохранения белкового баланса. Гормональная регуляция белкового обмена Φ Гормон роста интенсифицирует белковый синтез за счёт увеличения транспорта аминокислот через клеточные мембраны и ускорения процессов транскрипции и трансляции. Φ Инсулин ускоряет транспорт некоторых аминокислот в клетки. Увеличивая потребление глюкозы клетками, инсулин уменьшает использование аминокислот для пополнения энергетических затрат. Φ Тестостерон увеличивает накопление белков в организме,

особенно сократительных белков мышц. Φ Эстрогены способствуют накоплению белков, но менее значительно в сравнении с тестостероном. Φ Глюкокортикоиды уменьшают количество белков во многих тканях, но увеличивают концентрацию аминокислот в плазме, а также количество белков печени и плазмы. Φ Tироксин усиливает интенсивность метаболизма во всех клетках и повышает обмен белков.

ПИТАНИЕ

Цель физиологии питания - определение качественного и количественного состава пищи, необходимой для обеспечения здоровья и работоспособности. Стабильность массы тела и его состава в течение продолжительного времени нуждается в балансе потребляемой и выделяемой человеком энергии. Поскольку разнообразные виды пищи содержат разные пропорции белков, углеводов, жиров, минералов и витаминов, следует установить необходимый баланс, позволяющий снабжать различные метаболические системы организма соответствующими питательными веществами.

Калорийность пищевых продуктов

•  При основном обмене в покое около 2000 ккал в день в зависимости от энергозатрат требуется дополнительно 500-2500 ккал или более. Распределение калорий между углеводами, белками и жирами определяется частично физиологическими факторами и частично вкусовыми предпочтениями и экономическими соображениями.

•  Белок. Ежедневное потребление белка должно быть по крайней мере не менее 1 г/кг массы тела. Необходимо, чтобы белок содержал незаменимые аминокислоты. Источником незаменимых аминокислот являются животные продукты (мясо, рыба и яйцо), содержащие аминокислоты в пропорциях, примерно соответствующих необходимым для синтеза белков. Некоторые растительные продукты также содержат белки, но создать необходимые пропорции всех необходимых незаменимых аминокислот в диете из одних растительных продуктов трудно.

•  Жиры. Требуется около 100 г/сут. Преобладание в диете насыщенных жирных кислот (очищенных от холестерина) не представляет угрозы жировому обмену человеческого организма.

•  Углеводы - наиболее «дешёвый» источник калорий, в большинстве диет они составляют 50% и более от калорийности принимаемой пищи.

•  Расчёты. Когда возникает необходимость расчёта диеты, на первом месте всегда находятся белки. Остающиеся калории делятся в зависимости от вкуса, экономических возможностей и других факторов. Например, мужчина 65 лет с умеренной физической активностью нуждается в 2800 ккал в день. Он должен получать с пищей не менее 65 г белка ежедневно (267 ккал), 50-60 г жиров в день (825 ккал). Остающиеся калории приходятся на 500 г углеводов в день. В табл. 21-1 показано содержание белка, жиров и углеводов в некоторых видах пищи.

Витамины

Витамины - несинтезируемые в организме соединения, необходимые в минимальных количествах для обеспечения нормаль- ного обмена. Термин «витамин» предложил Функ в связи с на-

Таблица 21-1. Содержание (%) белков, жиров, углеводов в пище и кало- рийность (на 100 г)

•  Витамин A [ретинол (провитамин - β-каротен), ретиналь (провитамин - криптоксантин), ретиноевая кислота] находится в тканях в виде ретинола. С растительной пищей поступают провитамины (красные и жёлтые каротиноиды). Основные функции витамина A - участие в построении зрительных пигментов, в нормальном росте эпителия и костной ткани. Многие клетки имеют рецепторы к ретиноидам - производным витамина А - модификаторам многих клеточных функций. Суточная потребность (дозу измеряют в МЕ: 1 МЕ = 0,3 мкг) взрослых - 1,5 мг (5000 МЕ), беременных - 2 мг (6600 МЕ), кормящих женщин - 2,5 мг (8250 МЕ); детей до 1 года - 0,5 мг (1650 МЕ), 1-6 лет - 1 мг (3300 МЕ), старше 7 лет - 1,5 мг (5000 МЕ). Недостаток витамина приводит к нарушению сумеречного зрения, появлению сухости коньюнктивы и изъязвлению роговицы, нарушению роста, развития и размножения.

•  Витамин B₁ (тиамин) участвует в метаболизме в форме тиаминфосфата. После всасывания из ЖКТ тиамин фосфорилируется в тиаминпирофосфат - кофермент декарбоксилаз, участвующих в декарбоксилировании кетокислот (пировиноградной, α-кетоглутаровой), а также транскетолазы, участвующей в пентозофосфатном пути распада глюкозы. Суточная потребность - 1,5 мг. При недостатке витамина В₁ в крови увеличивается содержание пирувата и лактата. Недостаток витамина приводит к заболеванию бери-бери, полиневриту и нарушениям деятельности сердца и ЖКТ.

•  Витамин B₂ (рибофлавин) в тканях соединяется с АТФ, превращается в флавинмононуклеотид и флавинадениннуклеотид - коферменты дегидрогеназ и оксидаз, участвующих в окислительно-восстановительных процессах. Рибофлавин необходим для осуществления зрительной функции и синтеза гемоглобина. Суточная потребность - 1,8 мг. Недостаток ви-

тамина вызывает светобоязнь и поражение слизистых оболочек рта и языка.

•  Витамин B₃ - пантотеновая кислота (пантотеновая кислота) включена в обменные процессы в виде коэнзима A, участвующего в обмене углеводов и жиров. У человека не бывает дефицита пантотеновой кислоты, которая имеется почти во всех пищевых продуктах и может синтезироваться в организме. Суточная потребность - 10 мг. Недостаток витамина приводит к общей слабости, нейромоторным нарушениям, воспалению кожи и слизистых оболочек.

•  Витамин B₆ (пиридоксол, пиридоксаль, пиридоксамин) - водорастворимый витамин, содержащийся в продуктах животного и растительного происхождения, предшественник некоторых коферментов, участвующих в азотистом и жировом обмене, в синтезе серотонина. Суточная потребность - 2 мг. Недостаток витамина обусловливает нарушения функции нервной системы, гипохромную анемию.

•  Витамин B₁₂ (кобаламин) действует как коэнзим для рибонуклеотидов, способствует росту и образованию эритроцитов. Активные коферментные формы витамина B₁₂ - метилкобаламин и дезоксиаденозинкобаламин, основная функция которых заключается в переносе подвижных метильных групп (трансметилирование) и водорода. Суточная потребность - 2-5 мкг. Дефицит витамина B₁₂ вызывает анемию и нарушение миелинизации проводящих путей в задних и боковых столбах спинного мозга. Недостаток витамина является причиной злокачественной анемии.

•  Витамин C (аскорбиновая кислота, дегидроаскорбиновая кислота) - водорастворимый витамин, содержащийся в продуктах растительного происхождения, - участвует во внутриклеточных окислительно-восстановительных процессах (обладает сильными восстановительными свойствами), он необходим для синтеза коллагена, гиалуроновой и хондроитинсерной кислоты, кортикостероидов, обмена тирозина, фенилаланина и фолиевой кислоты. Суточная потребность взрослых - 70-100 мг; детей в возрасте 6 мес-1 год - 20 мг, 1-1,5 года - 35 мг, 1,5-2 года - 40 мг, 3-4 года - 45 мг, 5-10 лет - 50 мг, 11-13 лет - 60 мг. Недостаток витамина приводит к цинге.

•  Витамины D (холекальциферол - D₃, эргокальциферол - D₂) - жирорастворимые стероиды, необходимые для развития костей и зубов, всасывания кальция и фосфатов в кишечнике. Биологически малоактивные формы провитаминов растительного (эргостерол, провитамин D₂) и животного (провитамин D₃) происхождения превращаются в коже (фотолиз под влиянием ультрафиолета), в печени (гидроксилирование) и затем в почках (повторное гидроксилирование) в биологически активную форму - кальцитриол (1,25-(OH)₂-D₃). Рецепторы витамина D₃ - ядерные факторы транскрипции. Недостаток витамина в детском возрасте становится причиной рахита.

•  Витамин E (α-токоферол, γ-токоферол) предотвращает окисление ненасыщенных жирных кислот, участвует в синтезе гема и белков, в тканевом дыхании. Суточная потребность - 15 МЕ. Недостаточность витамина E нарушает структуру и функцию митохондрий, лизосом и клеточных мембран, приводит к дегенерации сперматогенного эпителия и гибели плода.

•  Витамин К [филлохиноны (K₁), менахиноны (K₂), менадион (K₃)] - общее название жирорастворимых термостабильных соединений, обладающих биологической активностью филлохинонов, - важен для свёртывания крови и метаболизма кальция. Суточная потребность - 70 мкг. Вследствие недостатка витамина замедляется свёртывание крови.

•  Витамин H - биотин (биотин) входит в состав активного центра биотинзависимых ферментов, ответственных за включение CO₂ в различные органические кислоты (реакции карбоксилирования). Суточная потребность - 120 мкг, обеспечивается синтезом витамина в кишечнике. Эффекты избыточного поступления биотина в организм изучены мало. В эксперименте показано наличие у биотина иммуностимулирующих свойств. Недостаток витамина приводит к дерматиту с гиперфункцией сальных желёз.

•  Витамин PP - ниацин (никотиновая кислота, никотинамид) - водорастворимый витамин, содержащийся в мясных и рыбных продуктах, - кофермент в форме никотинамиддинуклеотида (НАД) и никотинадениндинуклеотидфосфата (НАДФ). НАД и НАДФ, являясь акцепторами водорода и электронов, участвуют в окислительно-восстановительных процессах, т.е. принимают участие в клеточном дыхании. Суточная потреб-

• ность взрослых - 18-24 мг, детей в возрасте 6 мес-1 год - 6 мг, 1-1,5 года - 9 мг, 1,5-2 года - 10 мг, 3-4 года - 12 мг, 5-6 лет - 13 мг, 7-10 лет - 15 мг, 11-13 лет - 19 мг. Недостаток витамина приводит к воспалению кожи (пеллагра) и расстройству ЖКТ. Фолиевая кислота [фолиевая кислота, фолацины (полиглутамилфолацины)]. В печени фолиевая кислота превращается в активную форму - фолиновую, или тетрагидрофолиевую, кислоту и участвует в синтезе пуринов, пиримидинов, в превращениях ряда аминокислот, в обмене гистидина, синтезе метионина, обмене холина. Суточная потребность 0,1-0,2 мг. Приём фолатов абсолютно необходим в I триместре беременности, чтобы предупредить развитие уродств плода. Недостаток витамина приводит к анемии. Антивитамины. Под антивитаминами понимают химические вещества, предупреждающие биологические эффекты витаминов. Большинство антивитаминов имеют химическую структуру, сходную с таковой витаминов (например, пиридоксин и его конкурентный антагонист - дезоксипиридоксин). К антивитаминам относят также некоторые соединения (например, ферменты, разрушающие витамины), не являющиеся структурными антагонистами витаминов.

Минералы

В табл. 21-2 приведены сведения о количестве минералов, необходимых для ежедневного употребления.

Таблица 21-2. Ежедневная потребность в минералах

• Натрий (Na+) - катион внеклеточной жидкости, определяющий кислотно-щелочное равновесие и осмотическое давление; участвует в переносе разных веществ через клеточные

мембраны, определяет формирование процесса возбуждения и проведение ПД. Избыточное потребление натрия способствует задержке воды в организме, увеличивает объём циркулирующей крови, повышает АД.

•  Калий (K+) - катион внутриклеточной жидкости, создающий МП, определяющий возбудимость клеточных мембран. Изменения концентрации калия внутри мышечных и нервных клеток влияют на функции мышечной и нервной системы.

•  Хлор (Cl^-) участвует в поддержании осмотического давления, в образовании соляной кислоты желудочного сока, в синаптическом торможении.

•  Кальций (Ca²+) находится в организме в виде фосфата кальция в костях. Физиологическая роль Ca²+ в различных функциях организма обсуждается в соответствующих разделах. Излишне высокий уровень ионов Ca²+ во внеклеточной жидкости способен вызвать остановку сердца. Очень низкая концентрация внеклеточных ионов Ca²+ порождает спонтанные разряды нервных волокон и тетанус.

•  Фосфат (PO₄^3-) - основной анион внутриклеточной жидкости. Фосфаты обладают способностью к образованию обратимых соединений со многими коэнзимами, имеют отношение к функции АТФ, АДФ, цАМФ и других веществ. Фосфаты находятся в больших количествах в костях.

•  Железо (Fe²+) участвует в образовании Hb, небольшие количества находятся в печени и трубчатых костях. Переносчики электронов находятся в митохондриях. Железо абсолютно необходимо для транспорта кислорода к тканям и для внутриклеточных окислительных систем.

•  Магний (Mg²+) требуется клеткам как катализатор многих ферментативных реакций. Повышение внеклеточной концентрации магния подавляет активность нервной системы и скелетных мышц. Низкая концентрация магния повышает возбудимость нервной системы, вызывает расширение кровеносных сосудов, нарушения ритма сердца.

•  Йод (I) необходим для образования T₃ и T₄. Более половины населения России проживает в условиях хронического йодного дефицита.

•  Кобальт (Co²+) является составной частью витамина B₁₂ Дефицит этого витамина вызывает анемию.

•  Медь (Cu²+) участвует в окислительньгх процессах в клетках, входя в состав цитохромоксидазы, моноаминоксидазы, лизилоксидазы, супероксиддисмутазы. Дефицит меди обусловливает анемию, дефекты окостенения и гиперхолестеринемию.

•  Марганец (Mn²+) - кофактор многих ферментов (аргиназы, фосфатазы, РНК- и ДНК-полимеразы, пируваткарбоксилазы и др.); необходим для формирования костной структуры, поддержания репродуктивной функции и метаболизма соединительной ткани.

•  Цинк (Zn²+) - интегральная часть карбоангидразы - фермента, участвующего в обмене CO₂ в эритроцитах и других клетках.

•  Хром (Cr^2-) повышает чувствительность глюкозы к инсулину. Дефицит хрома вызывает резистентность к инсулину.

•  Селен участвует в окислении восстановленного глутатиона и превращении тироксина в трийодтиронин.

•  Фтор (F^-). Небольшое количество фтора необходимо для формирования костей и зубной эмали. Избыточное потребление фтора вызывает флюороз, проявляющийся пятнистостью зубов и иногда увеличением их размеров.

Регуляция питания

Поддержание массы тела и постоянства его состава в течение продолжительного времени определяется равновесием между по- ступающей и расходуемой энергией. Потребление пищи зависит от многих факторов: от окружающей среды, наследственности, привычек, традиций, уровня культуры, экономического положения, состояния физиологических систем контроля. Одной из сложнейших функций нервной и эндокринной системы является поддержа- ние массы тела на определённом уровне.

Голод и насыщение

•  Чувство голода (потребность в приёме пищи) возникает в результате мотивации, направленной на устранение дискомфортных субъективных ощущений, которые возникают в результате недостатка питательных веществ в организме. К таким ощущениям относятся «голодные боли в области желудка», связанные с ритмическими сокращениями желудка, тошнота, общая слабость и иногда головная боль.

•  Насыщение. Приём пищи устраняет чувство голода и вызывает состояние насыщения. Субъективно насыщение проявляется чувством удовольствия, повышенным настроением и ощущением приятного наполнения желудка. Различают насыщение первичное (сенсорное), вызываемое раздражением обонятельных, вкусовых рецепторов, механорецепторов полости рта, глотки, пищевода, желудка и двенадцатиперстной кишки. Вторичное (обменное, истинное) насыщение возникает после того, как продукты расщепления пищевых веществ поступают в кровь. Аппетит - эмоциональное ощущение, связанное со стремлением к потреблению пищи. Это ощущение может быть компонентом чувства голода, но может возникать и самостоятельно, независимо от физиологических потребностей. В последнем случае аппетит является проявлением врождённой или приобретённой индивидуальной склонности к определённому виду пищи и способствует выбору пищи необходимого качества.

•  Гипоталамические центры голода и насыщения

Φ Латеральное ядро гипоталамуса выполняет функцию центра голода. Стимуляция этой области вызывает у подопытных животных неудержимое желание есть (гиперфагия). Разрушение ядер приводит к отказу от пищи.

Φ Вентромедиальное ядро гипоталамуса является центром насыщения. При электрическом раздражении ядра животные отказываются есть. Разрушение ядер порождает прожорливость, у животных развивается ожирение.

Φ Паравентрикулярное, дорсомедиальное и дугоообразное ядра гипоталамуса также принимают участие в регуляции пи- щевого поведения, регулируя секрецию гормонов, которые влияют на баланс энергии и метаболизм (тироксин, глюкокортикоиды, инсулин).

Φ Сигналы к гипоталамусу. Гипоталамус получает сигналы от рецепторов желудка (сигнализация о его наполнении), регистрирует концентрацию находящихся в крови аминокислот, глюкозы и жирных кислот, а центры голода и насыщения содержат рецепторы для нейромедиаторов и гормонов, стимулирующих (нейропептид Y, меланинконцентрирующий гормон, эндорфины, галанин, глутамат, ГАМК, кортизол) или подавляющих (холецистокинин, ин-

• сулин, α-меланоцитостимулирующий гормон, кортиколиберин, лептин, серотонин, норадреналин, глюкагоноподобный пептид) пищевое поведение. Регуляцию количества пищи, поступающей в организм, можно

подразделить на кратковременную и долговременную.

Φ Кратковременная регуляция заключается в том, что при приёме пищи возникает чувство насыщения, создаваемое рядом быстрых сигналов обратной связи (холецистокинин, инсулин, глюкагон, растяжение стенки желудка, сигналы от рецепторов ротовой полости).

Φ Долговременная регуляция - механизм поддержания трофического уровня клеток и тканей. Уменьшение в крови концентрации глюкозы, аминокислот или жирных кислот автоматически увеличивает их потребление. Эти факты обусловили создание глюкостатической, аминоацидостатической и липостатической теорий насыщения. Например, повышение концентрации глюкозы в плазме крови стимулирует активность нейронов вентромедиальных (центр насыщения) и паравентрикулярных ядер гипоталамуса и одновременно уменьшает частоту разрядов глюкозочувствительных нейронов центра голода.

Лептин - регулятор потребления пищи

Основные запасы энергии находятся в жировых клетках. Эти же клетки секретируют пептидный гормон лептин, проникающий через гематоэнцефалический барьер путём облегченной диффузии и взаимодействующий со своими рецепторами в дугообразном и паравентрикулярном ядрах гипоталамуса. Стимуляция лептином рецепторов гипоталамуса порождает различные эффекты, уменьшающие запасы жира. Таким образом, лептин сигнализирует в гипоталамус о необходимости корректировать пищевое поведение (увеличивать или уменьшать количество потребляемой пищи). Уменьшение массы жировой ткани и (как следствие) выработки лептина приводит к компенсаторному повышению чувства голода и снижению расхода энергии. Прямым следствием гиполептинемии является ожирение. За долговременную регуляцию процессов усвоения пищи и массы тела отвечает гормон грелин, синтезтируемый в кишечнике.

Расстройства питания

Из расстройств питания наибольшее социальное и клиническое значение имеет ожирение, поскольку оно сочетается с высоким риском развития сердечно-сосудистых заболеваний (основной причиной смертности) и сахарного диабета.

Ожирение

Ожирение - избыточное накопление жира в организме, при котором индекс массы тела (ИМТ) составляет 30 кг/м² и выше.

•  Индекс массы тела подсчитывают как отношение массы тела (выраженной в килограммах) к росту (выраженному в метрах), возведённому в квадрат. Нормой следует считать ИМТ в пределах 18,5-24,9 кг/м². Ожирение необходимо отличать от избыточной массы тела, при которой ИМТ составляет 25- 29,9 кг/м². ИМТ менее 18,5 кг/м² свидетельствует о дефиците массы тела.

•  Степени ожирения. В зависимости от величины ИМТ выделяют три степени ожирения (табл. 21-3). Чем больше степень, тем выше риск для здоровья.

Таблица 21-3. Классификация ожирения

Теплопродукция. Тепло образуется в процессе обмена веществ. В состоянии покоя около 56% общего количества тепла образуется во внутренних органах и около 18% - в мышцах и коже. Во время мышечной работы теплопродукция возрастает в несколько раз и может достигать 90%.

Уровень теплообразования зависит от:

•  основного обмена;

•  мышечной активности (сократительный термогенез), включая мышечные сокращения при дрожи;

•  эффекта гормонов (T₄, адреналин, норадреналин, СТГ, тестостерон);

•  симпатической стимуляции;

•  несократительного термогенеза, т.е. образования тепла при разобщении окисления и фосфорилирования, в том числе в клетках бурого жира.

Теплоотдача. Тепло, производимое в организме, адсорбируется кровотоком и передаётся к коже, где оно теряется в воздухе и окружающей среде. Скорость теплоотдачи зависит от двух факторов - скорости проведения тепла (в основном с кровотоком) от мест его образования к коже и скорости отдачи тепла кожей в окружающую среду.

•  Кожа как теплоизолятор. Кожа, особенно подкожная жировая ткань, - тепловые изоляторы. Теплопроводность жировой ткани составляет лишь одну треть от теплопроводности других тканей. Поэтому кожа эффективно поддерживает постоянную внутреннюю температуру, даже если температура на поверхности кожи близка к температуре среды.

•  Кожа как теплообменная система. Величина кровотока в коже варьирует от 0 до 30% всего сердечного выброса. Кожа - эффективная управляемая теплообменная система, в которой ток крови в коже - основной механизм переноса тепла от тела к коже.

Если температура тела превышает температуру среды, то тело будет отдавать тепло в среду. Отдача тепла в окружающую среду осуществляется излучением, теплопроведением, конвекцией и испарением (рис. 21-3).

•  Излучение. При комнатной температуре человек теряет около 61% отдаваемого тепла за счёт излучения инфракрасных волн длиной от 760 нм.

•  Конвекция - потеря тепла путём переноса движущимися частицами воздуха или воды. Количество тепла, теряемого конвекционным способом, возрастает с увеличением скорости движения воздуха (вентилятор, ветер). В воде величина отдачи тепла путём проведения и конвекции во много раз больше, чем на воздухе. В условиях комнатной температуры человек теряет 26% отдаваемого тепла посредством конвекции и проведения.

•  Проведение - контактная передача тепла при соприкосновении поверхности тела с какими-либо физическими телами (стул, пол, подушка, одежда и др.).

Испарение - в условиях комнатной температуры человек теряет 13% отдавемого тепла посредством испарения.

Излучение, конвекция и проведение происходят, когда температура тела выше температуры окружающей среды. Если темпера-

Рис. 21-3. Способы теплообмена с внешней средой.

тура поверхности тела равна или ниже температуры окружающей среды, то эти способы потери тепла организмом становятся неэффективными.

• Испарение - необходимый механизм выделения тепла при высоких температурах. Испарение воды с поверхности тела приводит к потере 0,58 ккал тепла на каждый грамм испарившейся воды. Даже без видимого потоотделения вода испаряется с поверхности кожи и лёгких в пределах от 450 до 600 мл в день, вызывая потерю тепла порядка 12-16 ккал/ч. Неощутимое испарение - результат непрерывной диффузии молекул воды через кожу и дыхательные поверхности, оно не контролируется системой температурной регуляции. Повышение температуры среды выше температуры тела приводит к приросту температуры тела за счёт действия излучения и проведения из окружаюшей среды. В этих условиях освобождение от излишков тепла и охлаждение осуществляются только за счёт потоиспарения. Движение воздуха около кожи усиливает скорость испарения и тем самым увеличивает

эффективность потери тепла (охлаждающий эффект вентилятора).

Потоотделение - один из важных приспособительных механизмов организма к изменениям условий внешней среды. В повседневной жизни встречаются два вида потоотделения - терморегуляторное (возникает на всей поверхности тела в ответ на повышение температуры окружающей среды и при физической нагрузке) и психогенное (в ответ на эмоциональный стресс, обычно локально, но иногда генерализованно).

•  Эккриновые потовые железы (20 млн по всей поверхности кожи) выделяют раствор хлорида натрия, они равномерно распределены по поверхности тела и обеспечивают терморегуляцию.

•  Апокриновые потовые железы (подмышечные и паховые) выделяют феромоны и участвуют в создании запаха тела.

•  Секреторный отдел потовой железы образует первичный секрет, по составу аналогичный плазме крови, но без белков. По мере движения секрета по направлению к коже большая часть электролитов реабсорбируется. Активация потовых же- лёз вызывает усиленное образование секрета, но интенсивность реабсорбции остаётся без изменений. Это приводит к потерям электролитов (прежде всего, хлорида натрия).

Выделение пота варьирует в зависимости от вида работы и окружающей температуры (рис. 21-4).

•  Потоотделительный механизм начинает работать при температуре 32-34 ?C, у новорождённых доношенных - при 35-37 ?C, у недоношенных механизм потоотделения не сформирован.

•  Механизм потоотделения адаптируется к температурным условиям среды. У неакклиматизированных людей, пребывающих в жарком климате, выделяется около 1 л пота в час, у акклиматизированных - 2-3 л/ч. При высоком уровне потоотделения возрастают потери тепла с испарением, благодаря чему поддерживается нормальная температура. Высокий уровень потоотделения при акклиматизации сопровождается уменьшенным содержанием хлорида натрия в поте, что способствует сохранению электролитного баланса (регулятор - альдостерон, который стимулирует реабсорбцию натрия из выводных протоков потовых желёз).

Рис. 21-4. Потоотделение при различной деятельности в условиях разных температур.

Регуляция температуры тела

• Терморегуляторная система работает по принципу обратной связи и состоит из трёх компонентов: сенсорных рецепторов, центрального интегратора и системы эффекторных органов (рис. 21-5). Сенсорные рецепторы Ф Центральные нейроны. Передний гипоталамус и преоптическая область содержат термочувствительные нейроны, реагирующие преимущественно на охлаждение организма. Регуляция теплопродукции осуществляется в области задних отделов гипоталамуса. Ф Кожные терморецепторы реагируют на минимальные изменения температуры - (0,005 ?C) и постоянно снабжают терморегуляторные центры текущей информацией о температуре и быстрых её изменениях.

Рис. 21-5. Основные компоненты терморегуляторной системы.

•  Гипоталамический термостат. Информация от центральных и периферических терморецепторов объединяется в терморегуляторном центре - передней и преоптической областях гипоталамуса - «гипоталамическом термостате». Терморегуляторный центр постоянно поддерживает внутреннюю температуру 37,1 ?C (установочная точка центра терморегуляции). Получение терморегуляторным центром информации об отклонении от установочной точки температуры формирует сигнал к эффекторным системам, которые обеспечивают поддержание внутренней температуры тела.

•  Эффекторы

Ф Механизм, снижающий температуру тела (рис. 21-6, А).

♦ Полное расширение сосудов кожи почти во всех областях тела увеличивает в восемь раз количество тепла, доставляемого к коже. Массивное сосудорасширение происходит при торможении симпатической активности заднего гипоталамуса.

♦ Потоотделение увеличивает потери тепла за счёт испарения. Повышение температуры тела на 1 ?С вызывает потоотделение, достаточное чтобы в 10 раз снизить уровень теплообразования.

♦ Торможение образования тепла за счёт блокирования химического термогенеза и дрожания.

♦ Увеличение частоты и глубины дыхания.

♦ Уменьшение аппетита - анорексия.

♦ Апатия и инертность.

Ф Механизм, повышающий температуру тела (рис. 21-6, Б).

♦ Сужение сосудов основных регионов тела. Вазоконстрикция достигается активацией симпатических центров заднего гипоталамуса.

♦ Пилоэрекция - реакция выпрямления волос тела. Для человека эта реакция не имеет такого большого значения, как для животных, у которых при выпрямлении шерсти образуется «воздушный изолятор». У человека сохранились остатки этой системы («гусиная кожа»), но их эффективность носит ограниченный характер.

♦ Значительное повышение теплопродукции, вызванное возбуждением симпатической системы, увеличением секреции T₄ и мышечной дрожи.

■ Дрожь может увеличивать теплопродукцию в 4-5 раз. Двигательный центр дрожи располагается в дорсоме-

диальной части заднего гипоталамуса. Он тормозится повышенной внешней температурой и возбуждается при её понижении. Импульсы из центра дрожи вызывают генерализованное повышение мышечного тонуса. Повышенный мышечный тонус приводит к возникновению ритмических рефлексов с мышечных веретён, что и вызывает дрожь.

♦ Увеличение произвольной мышечной активности.

♦ Усиление чувства голода.

Обобщение главы

Организм человека является гомойотермным и регулирует температуру тела в узких пределах.

Физиологические и физические процессы участвуют в поддержании постоянного баланса между теплопродукцией и потерями тепла, позволяя поддерживать постоянную температуру тела.

Человеческий организм может обмениваться тепловой энергией с внешней средой посредством проведения, конвекции, излучения и испарения.

Тепло, образующееся внутри нашего организма, передаётся проведением и конвекцией кровотока к поверхности тела.

Основная метаболическая энергия, используемая в клеточных процессах обмена, внутри тела переходит в тепло. Следовательно, величина метаболизма представляет собой количество энергии пищи, превращающейся в тепло в единицу времени.

Обмен тепла пропорционален поверхности тела и подчиняется биофизическим принципам.

Потоотделение является важнейшим фактором потери тепла и вовлекает в этот процесс железы, секретирующие разведённый солевой раствор на поверхность кожи, который быстро испаряется в тёплой среде, охлаждая организм.

Люди имеют две различные подсистемы, регулирующие температуру тела, - поведенческую и физиологическую терморегу- ляцию. Физиологическая терморегуляция основана на контроле теплопродукции и потерь тепла.

Температурные рецепторы, находящиеся в глубине тела и на поверхности кожи, передают информацию об их температуре в ствол мозга и особенно в гипоталамус, где осуществляется интеграция поступающих температурных сигналов.