Нормальная физиология (Пособие для резидентуры)
.pdf
НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
Механизмвсасывания
Всасывание может происходить путем активного транспорта, пассивного транспорта и облегченной диффузии.
Активный транспорт – это перенос веществ через мембраны против концентрационного, осмотического и электрохимического градиентов с затратой энергии (первично-активный транспорт) или без затраты энергии при участии специальных транспортных молекул (вторично-активный транспорт).
Пассивный транспорт осуществляется по концентрационному, осмотическому и электрохимическому градиентам без затраты энергии.
В обеспечении пассивного всасывания большую роль играют физические процессы – диффузия, фильтрация, осмос.
Облегченная диффузия осуществляется по концентрационному градиенту без затраты энергии с участием переносчика.
Всасываниеразличныхвеществ
Всасывания воды и минеральных солей. Всасывание воды осуществляется на протяжении всего желудочно-кишечного тракта, но наиболее интенсивно в тонком кишечнике. Основное количество воды всасывается в кровь, небольшое в лимфу /4/. Процесс идет пассивно в двух направлениях за счет наличия осмотического градиента, который создается при движении Na+, Cl– и глюкозы. Во время приема пищи, содержащей большое количество воды, из просвета кишечника вода поступает во внутреннюю среду организма. И наоборот, при употреблении гиперосмотической пищи вода из плазмы крови выделяется в полость кишечника.
Изменяют всасывание воды рационы питания. Увеличение в нем доли белка повышает скорость всасывания воды, натрия и хлора. Скорость всасывания воды изменяется в зависимости от гидратированности организма. Доказано и условно-рефлекторное изменение всасывания воды. Всасывание воды снижают гастрин, секретин, холецистокинин, бомбезин, серотонин, ВИП. Наркоз (эфиром и хлороформом), а также ваготомия, выключение из пищеварения желчи замедляют всасывание воды. АКТГ усиливает всасывание воды и хлоридов, тироксин повышает всасывание воды, глюкозы и липидов.
Всасывание натрия, так же как и воды, происходит во всех отделах, но наиболее интенсивно в тонкой и подвздошной кишке. Ионы Na+ проникает в эпителиоцит через апикальную мембрану щеточной каймы, в которой находится транспортный белок – пассивный транспорт. Имеется также система транспорта ионов Na+, сопряженная с транспортом сахаров и аминокислот, возможно, ионов С1– и НСО3–. Из эпителиоцитов через их латеральную и базальную мембраны осуществляется активный транспорт ионов натрия в межклеточную жидкость, кровь и лимфу. По межклеточным каналам транспорт ионов натрия происходит пассивно. Всасывание ионов натрия усиливают гормоны гипофиза и надпочечников, угнетают гастрин, секретин и холецистокинин.
312
ФИЗИОЛОГИЯ ПИЩЕВАРЕНИЯ 11
Всасывание калия происходит в основном в тонкой кишке с помощью механизмов активного и пассивного транспорта по электрохимическому градиенту /4/. Во всасывании калия роль активного транспорта мала, и он сопряжен с транспортом натрия в базолатеральных мембранах эпителиоцитов.
Всасывание ионов хлора происходит в желудке и наиболее активно – в подвздошной кишке по типу активного и пассивного транспорта. Пассивный транспорт сопряжен с транспортом ионов Na+. Активный транспорт ионов С1– осуществляется через апикальные мембраны, он сопряжен с транспортом ионов Na+ или обменом иона С1– на ион НСО3–.
Всасывание кальция происходит путем облегченной и простой диффузии. При небольших концентрациях ионы кальция переходят внутрь энтероцитов с помощью кальцийсвязывающего белка путем облегченной диффузии. При высокой концентрации катионы всасываются благодаря простой диффузии. Полагают, что в базальной мембране энтероцитов имеется кальциевый насос, выкачивающий кальций из клетки в кровь против электрохимического градиента, то есть, из клеток кишечника Ca2+ поступает во внутреннюю среду при помощи активного транспорта. Всасывание кальция активируется желчными кислотами и витамином D, соком поджелудочной железы, некоторыми аминокислотами, натрием, некоторыми антибиотиками. При недостатке кальция в организме его всасывание увеличивается, в чем большую роль могут играть гормоны щитовидной, паращитовидной желез, гипофиза и надпочечников. Он всасывается в 50 раз медленнее, чем ион Na, но быстрее, чем двузарядные ионы железа, цинка и марганца.
Всасывание магния, цинка, основного количества меди происходит пассивным путем. Всасывание железа внутрь энтероцита осуществляется как пассивно (простая диффузия), так и путем активного транспорта (с участием переносчиков). При поступлении в энтероцит железо соединяется с апоферритином, в результате чего образуется комплекс
железа и белка ферритина, являющегося основным депо железа в организме.
Всасывание бикарбонатов основано на поступлении ионов H+ из внутренней среды во время транспорта ионов Na+. Ионы H+ взаимодействуют с бикарбонатами и образуют угольную кислоту. Под влиянием карбоангидразы кислота распадается на воду и углекислый газ. Далее всасывание во внутреннюю среду продолжается пассивно, выделение образовавшихся продуктов происходит через легкие при дыхании.
Всасывание витаминов. Растворимые в воде витамины (аскорбиновая кислота, рибофлавин) могут всасываться путем диффузии, но преимущественно по механизму активного транспорта. Всасывание жирорастворимых витаминов (А, Д, Е, К) сопряжено с всасыванием жиров. При нарушении всасывания жиров угнетается и усвоение этих витаминов.
Всасывание белков наиболее интенсивно протекает в верхних отделах тонкого кишечника. Основными продуктами распада белков, являются аминокислоты, полипептиды, пептоны. Энергия для этого транспорта доставляется в основном механизмом натриевого котранспорта, аналогичного котранспорту глюкозы. Итак, большинство пептидов или молекул аминокислот связываются внутри клеточной мембраны микроворсинок со
313
НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
специфическим транспортным белком, который еще до начала транспорта должен связаться с натрием. После связывания ион натрия движется внутрь клетки по электрохимическому градиенту и тянет за собой аминокислоту или пептид. Этот процесс называют котранспортом (или вторично-активным транспортом) аминокислот и пептидов. Небольшое количество аминокислот не нуждаются в этом механизме, а переносятся специальными мембранными транспортными белками, т.е. облегченной диффузией. На мембране эпителиальных клеток кишечника было найдено несколько видов транспортных белков для переноса аминокислот и пептидов. Это многообразие транспортных белков необходимо в связи с многообразными свойствами связывания белков с различными аминокислотами и пептидами.
Из эпителиоцитов аминокислоты транспортируются в межклеточную жидкость по механизму облегченной диффузии. Продукты поступают непосредственно во внутреннюю среду и с током крови разносятся по организму. Транспорт натрия стимулирует всасывание аминокислот. Из менее концентрированных растворов аминокислоты всасываются быстрее, чем из более концентрированных. Интенсивность всасывания аминокислот зависит от возраста (более интенсивно в молодом возрасте), уровня белкового обмена в организме, содержания в крови свободных аминокислот, от нервных и гуморальных влияний.
Всасывание углеводов происходит в виде конечных продуктов метаболизма (моно- и дисахаридов) в верхней трети тонкого кишечника. С наибольшей скоростью всасываются гексозы, а в их числе глюкоза и галактоза, пентозы всасываются медленнее. Глюкоза и галактоза поглощаются путем вторично-активного транспорта, так как всасывание глюкозы сопряжено с ионами Na+ – симпорт. Глюкоза аккумулируется в кишечных эпителиоцитах и в последующем транспортируется из них через базолатеральные мембраны в межклеточную жидкость и кровь пассивно по градиенту концентрации. Манноза и пентоза поступают в клетки пассивно путем простой диффузии. Фруктоза через апикальные мембраны эпителиоцитов поступает с помощью облегченной диффузии. При этом фруктоза, адсорбируясь на поверхности клетки, поступает внутрь ее по концентрационному градиенту, где может превращаться в глюкозу. Из межклеточного пространства ворсинок по градиенту концентрации Na+ и глюкоза поступают в кровь и уносятся в печень. Всасывание глюкозы усиливают глюкокортикоиды, тироксин, инсулин, серотонин, ацетилхолин. Тормозит всасывание глюкозы соматостатин, в меньшей мере – гистамин.
На всасывание углеводов влияют диета, многие факторы внешней среды, концентрация глюкозы в крови. Доказано изменение их транспорта под влиянием коры большого мозга, подкорковых структур, ствола головного мозга и спинного мозга. Парасимпатические нервные волокна усиливают, а симпатические тормозят транспорт углеводов из тонкой кишки.
Скорость всасывания жиров значительно меньше, наиболее активно всасывание протекает в верхних отделах тонкого кишечника. Транспорт жиров осуществляется в виде двух форм – глицерина и жирных кислот.
Для всасывания имеет значение длина цепи образующихся жирных кислот. Уровень липидов, обладающих короткими и средними цепями, низкий. Поэтому они практически в неизменном виде путем простой диффузии всасываются внутрь энтероцитов, где под
314
ФИЗИОЛОГИЯ ПИЩЕВАРЕНИЯ 11
действием эстераз расщепляются на конечные продукты и служат основой синтеза в ней липопротеинов низкой и высокой плотности.
Моноглицериды и жирные кислоты с длинными цепями вначале растворяются в центральной липидной части желчных мицелл (частиц диаметром 100 нм) и в их составе проникают внутрь энтероцита. Внутри клетки продукты распада жиров ресинтезируются в триглицериды, фосфолипиды, холестерин, в области аппарата Гольджи синтезированные жиры соединяются с апопротеинами и образуют хиломикроны (мельчайшие жировые частицы, заключенные в липопротеиновую оболочку) и липопротеины очень низкой плотности. Эти комплексы покидают энтероцит через латеральные и базальные мембраны, переходят в соединительнотканные пространства ворсинки, оттуда с помощью сокращений ворсинок проникают в лимфатический сосуд, а затем через грудной лимфатический проток – в кровь.
Всасывание жира усиливают секретин, ХЦК, гормоны коры надпочечников, щитовидной железы, гипофиза. Парасимпатические влияния усиливают, а симпатические тормозят всасывание жиров.
315
НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
ГЛАВА12. ОБМЕНВЕЩЕСТВИЭНЕРГИИ. ПИТАНИЕ. ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ
Обмен веществ и энергии, или метаболизм – совокупность химических и физических превращений веществ и энергии, происходящих в живом организме и обеспечивающих его жизнедеятельность.
Обмен веществ складывается из процессов ассимиляции и диссимиляции.
Ассимиляция (анаболизм, или пластический обмен) – процесс усвоения организмом веществ, при котором расходуется энергия.
Диссимиляция (катаболизм, или энергетический обмен) – процесс распада сложных органических соединений, протекающий с высвобождением энергии.
Важнейшим источником энергии для организма человека является окисление органических веществ, поступающих с пищей. При расщеплении пищевых продуктов до конечных элементов – углекислого газа и воды – выделяется энергия, часть которой переходит в механическую работу, выполняемую мышцами, другая часть используется для синтеза более сложных соединений или накапливается в специальных макроэргических соединениях.
Макроэргическими соединениями (АТФ и креатинфосфат – КФ) называют вещества, расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии.
12.1. Обменбелков
Белки выполняют следующие функции:
структурную (пластическую) – белки являются главной составной частью всех клеток и межклеточных структур;
каталитическую (ферментную) – ускоряют биохимические реакции в организме;
защитную – образование иммунных тел (антител) при поступлении в организм чужеродного белка (например, бактерий). Кроме того, белки связывают токсины и яды, попадающие в организм, и обеспечивают свертывание крови и остановку кровотечения при ранениях;
транспортную – перенос многих веществ;
передачу наследственных свойств (нуклеопротеиды). Различают два основных типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК);
регуляторную – поддержание биологических констант в организме;
энергетическую – обеспечение энергией всех жизненных процессов в организме. В организме при окислении 1 г белка в среднем освобождается энергия, равная 16,7 кДж
(4,1 ккал).
316
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. ПИТАНИЕ. ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ 12
В организме постоянно происходит распад и синтез белков, происходит их обновление. С наибольшей скоростью обновляются белки печени, слизистой оболочки кишечника, а также других внутренних органов и плазмы крови. Медленнее обновляются белки, входящие в состав клеток мозга, сердца, половых желез и еще медленнее – белки мышц, кожи и особенно опорных тканей (сухожилий, костей и хрящей).
Единственным источником синтеза нового белка являются белки пищи. Средняя суточная потребность в белке 80-100 г /4/. Причем из всех белков не менее 30 г должны быть белками животного происхождения. В пищеварительном тракте белки расщепляются ферментами до аминокислот и в тонком кишечнике происходит их всасывание. Из аминокислот и простейших пептидов клетки синтезируют собственный белок, который характерен только для данного организма. Белки не могут быть заменены другими пищевыми веществами, так как их синтез в организме возможен только из аминокислот. Вместе с тем белок может замещать собой жиры и углеводы, т.е. использоваться для синтеза этих соединений.
Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны обязательно поступать с пищей в готовом виде. Эти аминокислоты принято называть незаменимыми, или жизненно-необходимыми. К ним относятся: валин, метионин, треонин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, триптофан и лизин, а у детей еще аргинин и гистидин. Недостаток незаменимых кислот в пище приводит к нарушениям белкового обмена в организме. Заменимые аминокислоты в основном синтезируются в организме.
Белки, содержащие весь необходимый набор аминокислот, называют биологически полноценными. Наиболее высока биологическая ценность белков молока, яиц, рыбы, мяса. Биологически неполноценными называют белки, в составе которых отсутствует хотя бы одна аминокислота, которая не может быть синтезирована в организме. Неполноценными белками являются белки кукурузы, пшеницы, ячменя.
О суммарном количестве белка, подвергающегося распаду в течение суток, можно судить по количеству выводимого азота, так как основной источник азота в организме – белок. В 100 г белка 16 г азота, следовательно, выделение 1 г азота свидетельствует о распаде 6,25 г белка. При умножении количества азота, выделенного за сутки, на 6,25 г получают количество белка, участвующего в суточных энергозатратах.
Разность между количеством азота, содержащегося в пище человека, и его уровнем в выделениях называют азотистым балансом.
Состояние, при котором количество выводимого азота равно количеству поступившего в организм, называется азотистым равновесием. Оно наблюдается у здорового взрослого человека.
Состояние, при котором количество азота в выделениях организма значительно меньше, чем содержание его в пище, называется положительным азотистым балансом. Положительный азотистый баланс указывает на задержку азота в организме, то есть на преобладание синтеза белка над его распадом: у детей в связи с усиленным ростом, у женщин во время беременности, при усиленной спортивной тренировке, приводящей к увеличению мышечной ткани, при заживлении массивных ран или выздоровлении после тяжелых заболеваний.
Белки в организме не депонируются, поэтому при поступлении с пищей значительного количества белка только часть его расходуется на пластические цели, большая же часть – на энергетические цели /4/.
317
НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
Состояние, при котором количество выделяющегося азота больше содержания его в пище, поступающей в организм, называется отрицательным азотистым балансом, или азотистым дефицитом. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при белковом голодании, в старческом возрасте, лихорадочных состояниях, нарушениях нейроэндокринной регуляции белкового обмена.
Важнейшими азотистыми продуктами распада белков, которые выделяются с мочой и потом, являются мочевина, мочевая кислота и аммиак.
Распад белка в организме протекает непрерывно. Степень распада белка обусловлена характером питания. Минимальные затраты белка в условиях белкового голодания наблюдаются при питании углеводами. В этих условиях выделение азота может быть в 3-3,5 раза меньше, чем при полном голодании. Углеводы при этом выполняют сберегающую белки роль.
Распад белков в организме, происходящий при отсутствии белков в пище и достаточном введении всех других питательных веществ, отражает те минимальные траты, которые обусловлены основными процессами жизнедеятельности. Эти наименьшие потери белка для организма в состоянии покоя, пересчитанные на 1 кг массы тела, были названы Рубнером коэффициентом изнашивания. Коэффициент изнашивания для взрослого человека равен 0,028-0,075 г азота на 1 кг массы тела в сутки.
При белковом голодании происходит постепенно нарастающая потеря массы тела, неизбежно приводящая к смерти.
Регуляция обмена белков. Нейроэндокринная регуляция обмена белков осуществляется рядом гормонов.
Соматотропин во время роста организма стимулирует увеличение массы всех органов и тканей. У взрослого человека он обеспечивает процесс синтеза белка за счет повышения проницаемости клеточных мембран для аминокислот, усиления синтеза иРНК в ядре клетки и подавления синтеза катепсинов – внутриклеточных протеолитических ферментов.
Тироксин и трийодтиронин стимулируют синтез белка, активизируя рост, развитие и дифференциацию тканей и органов.
Глюкокортикоиды (гидрокортизон, кортикостерон), усиливают распад белков в тканях, особенно в мышечной и лимфоидной. В печени же глюкокортикоиды, наоборот, стимулируют синтез белка.
12.2. Обменуглеводов
Биологическая роль углеводов для организма человека определяется прежде всего их энергетической функцией. Энергетическая ценность 1 г углеводов составляет 16,7 кДж
(4,1 ккал).
Суточная потребность взрослого человека в углеводах составляет около 450-500 г. Основная часть их (около 70%) окисляется в тканях до воды и углекислого газа. Около 25-28% пищевой глюкозы превращается в жир и только 2-5% ее синтезируется в гликоген.
318
ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. ПИТАНИЕ. ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ 12
Единственной формой углеводов, которая может всасываться, являются моносахариды. Они всасываются главным образом в тонком кишечнике, током крови переносятся в печень и к тканям. В печени из глюкозы синтезируется гликоген – гликогенез.
Гликоген может распадаться до глюкозы – гликогенолиз.
В печени возможно новообразование углеводов из продуктов их распада (пировиноградной или молочной кислоты), а также из продуктов распада жиров и белков (кетокислот) – гликонеогенез. В результате превращения аминокислот образуется пировиноградная кислота, при окислении жирных кислот – ацетилкоэнзим А, который может превращаться в пировиноградную кислоту – предшественник глюкозы. Это наиболее важный общий путь биосинтеза углеводов.
Гликогенез, гликогенолиз и гликонеогенез – тесно взаимосвязанные и протекающие в печени процессы, обеспечивающие оптимальный уровень сахара крови.
В мышцах, так же как и в печени, синтезируется гликоген. При распаде мышечного гликогена процесс идет до образования пировиноградной и молочной кислот – гликолиз. В фазе отдыха из молочной кислоты в мышечной ткани происходит ресинтез гликогена.
Головной мозг нуждается в постоянном поступлении глюкозы. Глюкоза в тканях мозга преимущественно окисляется, а небольшая часть ее превращается в молочную кислоту. Энергетические расходы мозга покрываются исключительно за счет углеводов. Снижение поступления в мозг глюкозы сопровождается изменением обменных процессов в нервной ткани и нарушением функций мозга.
Между двумя основными источниками энергии – углеводами и жирами – существует тесная физиологическая взаимосвязь. Повышение содержания глюкозы в крови увеличивает биосинтез триглицеридов и уменьшает распад жиров в жировой ткани, в кровь меньше поступает свободных жирных кислот. Если возникает гипогликемия, то процесс синтеза триглицеридов тормозится, ускоряется распад жиров и в кровь в большом количестве поступают свободные жирные кислоты.
Регуляция обмена углеводов. Большинство гормонов, участвующих в регуляции углеводного обмена, повышает содержание глюкозы крови, и лишь один инсулин – снижает. Увеличение уровня глюкозы в крови возникает при действии глюкагона, адреналина, глюкокортикоидов, соматотропного гормона гипофиза, тироксина и трийодтиронина. В связи с однонаправленностью их влияния на углеводный обмен и функциональным антагонизмом по отношению к эффектам инсулина эти гормоны часто объединяют понятием «контринсулярные гормоны».
12.3. Обменжиров
Главное назначение жиров пищи – выполнять энергетическую и пластическую функцию. При окислении 1 г жира выделяется 37,7 кДж (9,3 ккал) энергии.
Жиры делят на простые липиды (нейтральные жиры, воски), сложные липиды (фосфолипиды, гликолипиды, сульфолипиды) и стероиды (холестерин и др.). Основная масса липидов представлена в организме человека нейтральными жирами.
319
НОРМАЛЬНАЯ ФИЗИОЛОГИЯ
Суточная потребность взрослого человека в нейтральном жире составляет 70-80 г, детей
3-10 лет – 26-30 г.
Нейтральные жиры в энергетическом отношении могут быть заменены углеводами. Однако, есть ненасыщенные жирные кислоты – линолевая, линоленовая и арахидоновая, которые должны обязательно содержаться в пищевом рационе человека, их называют незаменимыми жирными кислотами.
Нейтральные жиры, входящие в состав пищи и тканей человека, представлены главным образом триглицеридами, содержащими жирные кислоты – пальмитиновую, стеариновую, олеиновую, линолевую и линоленовую.
Вобмене жиров важная роль принадлежит печени, которая является практически единственным органом, поддерживающим уровень фосфолипидов в крови. Холестерин и другие стероиды могут поступать с пищей или синтезироваться в организме. Основным местом синтеза холестерина является печень. Холестерин входит в состав клеточных мембран, является источником образования желчных кислот, а также гормонов коры надпочечников и половых желез, витамина D. Вместе с тем холестерину отводится ведущая роль в развитии атеросклероза. Содержание холестерина в плазме крови человека имеет возрастную динамику: у новорожденных концентрация холестерина 65-70 мг/100 мл, к возрасту 1 год она увеличивается и составляет 150 мг/100 мл. Далее происходит постепенное, но неуклонное повышение концентрации холестерина в плазме крови, которое обычно продолжается у мужчин до 50 лет и у женщин до 60-65 лет. В экономически развитых странах у мужчин 4060 лет концентрация холестерина в плазме крови составляет 205-220 мг/100 мл, а у женщин 195-235 мг/100 мл. Содержание холестерина у взрослых людей выше 270 мг/100 мл расценивается как гиперхолестеринемия, а ниже 150 мг/100 мл – как гипохолестеринемия.
Вплазме крови холестерин находится в составе липопротеидных комплексов, с помощью которых и осуществляется транспорт холестерина: липопротеидов низкой плотности (ЛПНП), липопротеидов очень низкой плотности (ЛПОНП) и в составе липопротеидов высокой плотности (ЛПВП). ЛПНП несут опасность развития атеросклероза, ЛПВП, напротив, способствует удалению холестерина из клеток. Для оценки транспортных механизмов липидов имеет значение не абсолютное содержание холестерина в крови, а соотношение его количества в ЛПНП и ЛПВП. Таким образом, липопротеиды определяют уровень холестерина и динамику его обмена. Некоторые стерины пищи, например витамин D, обладают большой физиологической активностью.
Вжировой ткани нейтральный жир депонируется в виде обезвоженной формы триглицеридов, являющимися самым высококалорийными веществами. При окислении жиров за счет более высокого содержания в них водорода образуется почти вдвое больше воды, чем при окислении углеводов и белков.
Углеводы и жиры взаимозаменяемы. Избыточное употребление углеводов с пищей приводит к отложению жира в организме. В норме у человека 25-30% углеводов пищи превращается в жиры. Превращение белка в жирные кислоты происходит, вероятнее всего, через образование углеводов.
320