Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
ОСНОВЫ ФИЗИОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА.doc
Скачиваний:
616
Добавлен:
06.02.2016
Размер:
1.41 Mб
Скачать

8. Обмен веществ и энергии

Обмен у человека заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и в выделении образующихся продуктов в окружающую среду.

Согласно первому закону термодинамики энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Второй закон термодинамики утверждает, что вся энергия, в конце концов, переходит в тепловую энергию и организация материи становится полностью неупорядоченной. Следовательно, живые существа должны получать энергию в доступной для них форме из окружающей среды и возвращать в нее такое же количество энергии в другой форме.

Главным источником энергии, а также необходимых для роста и обновления тканей веществ является пища. В ходе пищеварения ее компоненты всасываются в кровь, а затем используются клетками. В них осуществляются строго определенные последовательности реакций, называемые путями метаболизма. Метаболизм (обмен веществ и энергии) разделяют на анаболизм (ассимиляцию) и катаболизм (диссимиляцию). Анаболизм - это совокупность процессов синтеза. Он обеспечивает рост и обновление биологических структур. Катаболизм - это совокупность процессов расщепления молекул с использованием в дальнейшем части из них для биосинтеза и окисление другой части до конечных продуктов метаболизма. Это обеспечивает извлечение из органических молекул химической энергии, а анаболизм использует ее. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к разрушению тканевых структур. В детском возрасте должен преобладать анаболизм, а в старческом - катаболизм.

Превращение и использование энергии. Человек получает энергию из окружающей среды в виде энергии, заключенной в химических связях органических веществ. Получение энергии без участия кислорода называется анаэробным обменом, а с участием кислорода - аэробным обменом. Анаэробные процессы разрушают небольшую часть химических связей, а в присутствии кислорода разрушаются практически все связи. Поэтому аэробное окисление служит источником наибольших количеств энергии. Одна ее часть ее сразу же используется для выполнения определенных функций, другая выделяется в виде тепла, а третья накапливается в АТФ, которая является аккумулятором энергии и средством ее переноса к месту использования.

Энергетический обмен служит показателем общего состояния и физиологической активности организма. Единица измерения энергии, обычно применяемая в биологии - калория (кал). В Международной системе единиц (СИ) при этого используется джоуль (1 кал = 4,19 Дж). Запас энергии в пище можно определить в погруженной в воду, замкнутой камере. В ней сжигают взвешенную пробу, а по приросту температуры воды определяют количество выделившейся энергии. Окисление 1 г углеводов дает 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г), 1 г жира дает 38,96 кДж (9,3 ккал). Только сжигание белка дает больше энергии (22,61 кДж/г), чем его окисление в организме. Разница приходится на энергию, которая расходуется на образование мочевины.

Теплопродукции является точным выражением величины обмена в организме человека. Для ее определения применяют прямые и непрямые методы. Прямая калориметрия заключается в непосредственном измерении теплопродукции. Для этого человек помещается в герметическую камеру, через которую по трубам протекает вода. По разности температур, поступающей и вытекающей жидкостей, вычисляют теплопродукцию. Непрямая калориметрия основана на том, что источником энергии в организме являются процессы, при которых потребляется кислород и выделяется углекислый газ. Наиболее распространен способ Дугласа - Холдейна, при котором собирают выдыхаемый человеком воздух в мешок из воздухонепроницаемой ткани. Затем определяют объем и газовый состав (содержание О2 и СО2) собранной смеси. По соотношению объемов выделенного углекислого газа и потребленного за то же время кислорода определяют дыхательный коэффициент (ДК), а по нему выбирают соответствующий калорический эквивалент кислорода (КЭК) - количество тепла, которое выделяется при окислении какого-либо вещества в литре поглощенного при этом кислорода. Умножая КЭК на объем потребленного кислорода получают величину теплопродукции.

Интенсивность энергетического обмена зависит от многих факторов. Поэтому для сравнения энергетических затрат у разных людей введено понятие основной обмен (ОО) - минимальные для бодрствующего организма затраты энергии в стандартных условиях: 1) при комфортной температуре (18-20 С0); 2) в положении лежа (обследуемый не должен спать); 3) в состоянии эмоционального покоя; 4) натощак. У мужчин ОО приблизительно на 10% больше чем у женщин.

Расход энергии у здорового человека складывается из основного обмена, рабочей прибавки (энергозатрат на выполнение той или иной работы) и специфического динамического действия пищи (затраты энергии на усвоение пищи). Чем интенсивнее выполняемая работа, тем выше суточные затраты энергии. Для людей, выполняющих легкую работу, нужно 2400-2600 ккал в сутки, а при выполнении тяжелой мышечной работы - 4000 ккал и выше.

Превращение разных веществ имеет свои особенности. Поэтому обмен каждой из групп химических соединений рассматривается отдельно.

Белки состоят из разных сочетаний 20 аминокислот. Десять из них (валин, лейцин, изолейцин, лизин, метионин, триптофан, треонин, фенилаланин, аргинин и гистидин) не синтезируются в организме и называются незаменимыми, остальные 10 аминокислот относятся к заменимым. Поэтому полноценными белками в пище являются те, которые содержат необходимые количества незаменимых аминокислот.

Часть аминокислот окисляются и служат источником энергии. Образующийся при этом аммиак превращается в мочевину, которая выводится из организма.

Белки в организме человека непрерывно обновляются и не депонируются. Поэтому потребность в белке определяется тем его минимальным количеством, которое уравновешивает потери. Человеку рекомендуется принимать с пищей 85-90 г белка в сутки.

Липиды (преимущественно сложные эфиры глицерина и жирных кислот) играют энергетическую и пластическую роль. Их запасы у человека в среднем составляют 10-20% от массы тела (около половины в подкожной жировой клетчатке). В условиях покоя после приема пищи липиды накапливаются. В состоянии голода, при переохлаждении, физической или психоэмоциональной нагрузке происходит интенсивное расщепление запасенных жиров. Только незаменимые жирные кислоты (линолевая, линоленовая и арахидоновая) не синтезируются в организме. Их недостаток задерживает рост и нарушает многие функции. Поэтому биологическая ценность пищи определяется и по наличию в ней незаменимых жирных кислот.

Углеводы поступают в организм человека, главным образом, в виде крахмала и гликогена. В желудочно-кишечном тракте они расщепляются до моносахаридов, которые всасываются в кровь и используются для синтеза аминокислот и полисахаридов, а также в качестве источника энергии. При достаточном поступлении глюкоза превращается в резервную форму ее хранения - гликоген. После истощения запасов гликогена усиливается образование глюкозы из других веществ (гликонеогенез). Избыток углеводов стимулирует отложение жира. Поэтому желающим похудеть, рекомендуют диеты без сладкого.

Обмен воды и минеральных веществ. Человек на 70-75% состоит из воды. Водный баланс в организме поддерживается за счет равенства объемов потерь воды и ее поступления в организм. Суточная потребность в воде (в среднем 2400 мл) удовлетворяется за счет поступления воды при питье (1200 мл), с пищей (900 мл) и воды, образующейся в организме в ходе обменных процессов (300 мл). Такое же количество воды выводится в составе мочи (1400 мл), кала (100 мл), посредством испарения с поверхности кожи и дыхательных путей (900 мл). Недостаточное поступление в организм воды или ее избыточная потеря приводят к дегидратации. Недостаток в организме воды в объеме 20% от массы тела ведет к смерти. Избыточное поступление воды в организм или снижение ее выведения из организма, приводят к водной интоксикации. Обмен воды и минеральных ионов в организме тесно взаимосвязаны, что обусловлено поддержанием постоянного осмотического давления во внеклеточной среде и клетках. Осуществление ряда физиологических процессов (возбуждения, синаптической передачи, сокращения мышцы) невозможно без поддержания в тканях определенных концентраций Na+, K+, Са2+ и других ионов. Все они должны поступать в организм с пищей.

Ценность пищи определяется содержанием белков, жиров, углеводов, витаминов, минеральных солей, органических кислот, воды, ароматических и вкусовых веществ. Необходимо учитывать также перевариваемость и усвояемость пищи.

Согласно теории сбалансированного питания (А.А.Покровский) - полноценное питание должно соответствовать физиологическим потребностям по количеству и соотношению всех компонентов в пище. Она должна восполнять все энергетические затраты человека. В рационе должны быть сбалансированы белки, жиры и углеводы. Для человека, среднее соотношение их энергетической ценности должно составлять - 15:30:55%. Должны быть сбалансированы белки с незаменимыми и заменимыми аминокислотами, жиры с разной насыщенностью жирных кислот, углеводы с разным числом мономеров и наличием балластных веществ (целлюлоза, пектин и др.).

Согласно теории адекватного питания (А.М.Уголев), важно соответствие набора пищевых веществ ферментам пищеварительной системы. В этой теории считается, что первичный поток питательных веществ формируется в результате переваривания и всасывания пищи, но кроме него есть вторичный поток, который образуется в результате деятельности микрофлоры кишечника. С ее участием образуются вещества, обладающие энергетической и пластической ценностью, а также влияющие на многие физиологические процессы (иммунные, защитные, поведенческие).

Принципы составления рациона (суточного состава продуктов):

1. Калорийность питательных веществ должна соответствовать энергетическим затратам организма. Белки, жиры и углеводы, исходя из их энергетической ценности, взаимозаменяемы, но замена возможна только на короткое время, так как они выполняют и пластическую функцию.

2. Соотношение количеств белков, жиров и углеводов должно быть 1:1,2:4.

3. Должны полностью удовлетворяться потребности организма в витаминах, минеральных солях, воде и незаменимых аминокислотах.

4. Не менее одной трети суточной нормы белков и жиров должно поступать в организм человека в виде продуктов животного происхождения.

ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ

У человека выработались физиологические механизмы терморегуляции, способные сохранять одинаковую температуру тела, несмотря на ее изменения в окружающей среде. Живой организм постоянно вырабатывает тепло. Его источниками являются: обмен веществ (химический или несократительный термогенез) и работа мышц (сократительный термогенез).

Согласно законам термодинамики постоянная температура тела поддерживается при равенстве теплопродукции и теплоотдачи. Если теплопродукция меньше теплоотдачи, возникает переохлаждение. Температура тела растет, если теплопродукция превышает теплоотдачу.

Для выведения тепла используются: излучение, теплопроведение, конвекция и испарение. Излучение - выведение тепла в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона. Интенсивность этого процесса пропорциональна площади контакта кожи с воздухом меньшей температуры и разности этих температур. Теплопроведение - отдача тепла при контакте тела с другими объектами. Эффективность этого механизма пропорционально разнице температур контактирующих тел, площади и времени контакта, а также теплопроводности. Сухой воздух и жировая ткань являются теплоизоляторами, а влажный воздух и вода имеют высокую теплопроводность. Поэтому пребывание при низкой температуре в среде с высокой влажностью усиливает теплопотери. Конвекция осуществляется путем переноса тепла движущимися воздухом или жидкостью. Для этого требуется постоянное обтекание поверхности тела средой с более низкой температурой. Контактирующая с кожей среда нагревается, снижает свою плотность, поднимается и замещается более холодной (в невесомости естественная конвекция невозможна). Если внешняя температура превышает температуру кожи, то единственным способом рассеяния тепла остается испарение влаги с покровов тела (на испарение 1 г воды затрачивается 0,58 ккал). Оно замедляется по мере увеличения влажности окружающего воздуха, а при 100% влажности – прекращается. При умеренной влажности воздуха, не ощущаемое человеком испарение с покровов тела происходит постоянно. Однако, оно не велико и не приводит к потере значимой части тепла. При угрозе перегревания симпатическая нервная система стимулирует потоотделение настолько, что испарение с кожи становится ощутимым и резко возрастает его вклад в теплоотдачу.

Поскольку основная часть тепла выводится из организма через кожу, ее температура, непостоянна. Она зависит от интенсивности местного кровообращения и состояния окружающей среды, а терморегуляция в организме человека поддерживает постоянство температуры не кожи, а «ядра тела». К нему относят ткани, расположенные на глубине 1 см от поверхности и более.

Информация о температуре покровов тела и ядра воспринимается терморецепторами в коже, сосудах, внутренних органах и ЦНС.

От кожных терморецепторов информация идет в кору больших полушарий и гипоталамус. Они обеспечивают температурные ощущения (холодно, жарко) и поведение, направленное на поиск более комфортной среды.

Интеграция информации, связанной с температурой ядра осуществляется гипоталамусом. При отклонении температуры от необходимой величины, он воздействует на теплоотдачу и теплопродукцию.

Различают поведенческие и вегетативные механизмы поддержания температурного гомеостаза. В первую очередь, гипоталамус стремится поддерживать температуру ядра, изменяя теплоотдачу. Для этого, при угрозе переохлаждения, снижается приток крови к коже и потоотделение. Если перечисленные реакции не достаточны, гипоталамус активизирует сократительный и несократительный термогенезы. Сократительный термогенез разделяют на произвольный и непроизвольный. В первом случае, дополнительным источником тепла становится повышение двигательной активности человека. При непроизвольном термогенезе, наблюдается последовательное увеличение тонуса мышц подбородка, шеи, верхнего плечевого пояса, туловища и сгибателей конечностей. Это повышает сократительную активность отдельных мышечных волокон, что может повысить общую теплопродукцию на 20-40% и, одновременно, способствует принятию позы, уменьшающей площадь контакта тела с внешней средой (снижается теплоотдача). Дальнейшее охлаждение ядра тела вызывает холодовую мышечную дрожь. При ней минимальная мышечная работа сопровождается освобождением значительного количества тепла. Несократительный термогенез обеспечивается за счет активации окисления органических веществ в тканях.

Повышение температуры вызывает, преимущественно, усиления теплоотдачи. Для этого расширяются сосуды кожи, усиливается теплоизлучение, теплопроведение и конвекция с поверхности тела. Если температура тела продолжает увеличиваться, резко усиливается потоотделение.

Для большинства людей поведенческая адаптация к температуре среды обитания проявляется использованием соответствующей одежды и созданием необходимого микроклимата в жилище.

В условиях продолжительного действия холода может возникнуть толерантная адаптация. При ней порог развития дрожи и интенсификации обменных процессов смещается к более низким значениям температуры. Например, аборигены Австралии проводят целую ночь почти раздетые при температуре, близкой к нулю, без развития дрожи. В то же время, у жителей Севера выработалась метаболическая адаптация: интенсивность обмена стала выше.

ВЫДЕЛЕНИЕ

В процессе жизнедеятельности организм должен своевременно освобождаться от образующихся в нем конечных продуктов обмена, токсичных и чужеродных веществ, а также от избытка воды и солей. В этом участвуют легкие, кожа, печень и желудочно-кишечный тракт, а главным выделительным органом являются почки. Именно они удаляют из организма основную массу выделяемых неорганических веществ, поддерживают водный баланс (за счет изменения объема выводимой мочи) и нормальное осмотическое давление во внутренней среде (путем изменения количества выводимых осмотически активных веществ: солей, мочевины, глюкозы), регулируют ее ионный состав и рН (путем избирательного изменения экскреции ионов).

Функциональной единицей почки является нефрон (рис. 14). Он начинается с мальпигиева клубочка, образованного кровеносными капиллярами.

Рис. 2. Схема нефрона:

1 - капсула Шумлянского-Боумена; 2 - проксимальный извитый каналец; 3 - собирательная трубочка, 4 - петля Генле; 5 - дистальный извитый каналец; 6 - Мальпигиев клубочек;

7 - выносящая артериола; 8 - приносящая артериола.

Стрелками обозначено направление движения жидкостей (крови в кровеносных сосудах и мочи в канальцах)

Снаружи клубочек покрыт капсулой Шумлянского – Боумена. Между ее листками имеется полость, переходящая через просвет всех канальцев в собирательные трубочки, которяе, в конечном итоге, объединяются в мочеточники, впадающие в мочевой пузырь.

В ходе клубочковой фильтрации, из крови в капсулу Шумлянского – Боумена поступает жидкость, названная первичной мочой. Она состоит из всех низкомолекулярных веществ плазмы крови, но не содержит клеток и белков.

Способствует фильтрации гидростатическое давление крови в капиллярах клубочков. Оно выше, чем в капиллярах других тканей благодаря тому, что диаметр приносящей артериолы больше, чем выносящей.

За сутки, у человека образуется 150-180 л первичной мочи, а объем конечной мочи обычно не превышает 1,5 л. Остальная ее часть возвращается (реабсорбируется) в кровь. Канальцевая реабсорбция сохраняет организму необходимые количества, прошедших клубочковый фильтр, веществ. Реабсорбция может быть пассивной (без затрат энергии) и активной (с затратами энергии). Пассивно реабсорбируется вода, хлор, мочевина. Активно переносятся ионы натрия, глюкоза и аминокислоты. В проксимальных извитых канальцах практически полностью реабсорбируются аминокислоты, моносахара, витамины и микроэлементы, а в других отделах нефрона - только неорганические вещества. Вода реабсорбируется канальцами по осмотическому градиенту (он, в основном, создается натрием). Большое значение в концентрировании мочи, за счет реабсорбции натрия и воды, имеет петля Генле.

Канальцевая секреция обеспечивает преимущественно активный транспорт веществ из крови в просвет канальцев. Она позволяет экскретировать некоторые ионы (например, калий), органические кислоты (мочевую кислоту) и чужеродные высокомолекулярные вещества (например, антибиотики).

Вегетативная нервная система регулирует все механизмы мочеобразования. Симпатические нервы увеличивают реабсорбцию натрия и воды, а сужая приносящие артериолы, уменьшают фильтрацию. В то же время, они увеличивают фильтрацию при действии на выносящие артериолы. Парасимпатические нервы усиливают реабсорбцию глюкозы и секрецию кислот.

Ведущая роль в регуляции деятельности почек принадлежит гормонам. Основными их представителями являются АДГ и альдостерон. АДГ ускоряет реабсорбцию воды. При его недостаточной секреции развивается несахарный диабет с выделением большого объема (до 25 л в сутки) конечной мочи. Альдостерон увеличивает реабсорбцию ионов натрия, а также секрецию калия и водорода.

По мере заполнения почечных лоханок, происходит рефлекторное сокращение их мускулатуры и моча по мочеточникам поступает в мочевой пузырь. По мере растяжения раздражаются механорецепторы в его стенке. В ответ на это центр непроизвольного мочеиспускания (крестцовый отдел спинного мозга) вызывает мочеиспускание. У взрослого человека, спинальный центр контролируется корой, что делает процесс мочеиспускания произвольным.