1. Біомеханіка зовнішнього дихання. 2. Механізми газообміну. 3. Етапи газопереносу в системі дихання. 4. Регуляція дихання.

1. Біомеханіка зовнішнього дихання.

Загальний функціональний план дихального апарату.

Дихання — це сукупність процесів, що забезпечують споживання організмом О₂ і виділення СО₂. Метою дихальної функції є забезпечення організму такою кількістю О₂, яка адекватна його енерговитратам.

Основною частиною дихального апарату є легені, які контактують із зовнішнім середовищем через повітроносні шляхи. Останні виконують такі функції: 1) зігрівання повітря; 2) зволоження повітря; 3) очищення повітря; 4) захисна — при чханні і кашлі разом із струменем повітря виводиться подразник. У повітроносних шляхах газообміну не відбувається.

Респіраторний відділ дихального апарату представлений альвеолами легень, де відбувається газообмін.

Легеневі тиски:

1. Внутрішньолегеневий (ВЛТ), або альвеолярний тиск. Під час вдиху грудна порожнина розширюється, а отже, розширюються і легені. Тиск в середині легень стає меншим, ніж у зовнішньому атмосферному повітрі на 3-8 мм рт.ст. (при максимальній частоті дихання, наприклад, під час потужної фізичної роботи, на 80 мм рт.ст.). Внаслідок утвореного градієнту тисків (∆p), повітря пересувається до середини легень. У міру заповнення легень повітрям ВЛТ підвищується і коли він стає рівним атмосферному тиску (у кінці вдиху), рух повітря припиняється.

Протилежні зміни ВЛТ відбуваються при видиху. Цей тиск стає на 2-3 мм рт.ст. вище атмосферного, а при максимальній вентиляції — на 100 мм рт.ст. Відповідно до ∆p повітря  пересувається із легень назовні. У кінці видиху ВЛТ знову стає рівним атмосферному і рух повітря (видих) припиняється.

2. Внутрішньоплевральний тиск (ВПТ) — це тиск у плевральній порожнині. Він завжди дещо менший за ВЛТ і протягом дихального циклу змінюється паралельно з ним. Якщо ВЛТ під час вдиху менший за атмосферний на 3 мм рт.ст., то ВПТ на – 8 мм рт.ст. Під час видиху ВЛТ підвищується на 6 мм рт.ст., відповідно збільшується і ВПТ, але він всеодно залишається нижчим за атмосферний.  Причина негативного ВПТ в тому, що пружні сили грудної порожнини і легень спрямовані в протилежні сторони. Отже, частково утворюється вакуум, або «негативний» (щодо зовнішнього атмосферного) тиск у плевральній порожнині.

2. Механізми газообміну.

Процес дихання поділяють на 5 етапів: 1) конвекційне надходження повітря у повітроносні шляхи і дифузія газів між повітроносними шляхами та альвеолами (зовнішнє дихання); 2) дифузія газів між альвеолами і кров’ю; 3) перенос газів кров’ю; 4) дифузія газів між капілярною кров’ю і  тканинами; 5) внутрішнє, або тканинне, дихання (вивчає біохімія). Газообмін на перших чотирьох етапах забезпечують два механізми:

1. Дифузія — це пасивне пересування молекул газу з області його високої концентрації в область низької. Для дифузії молекул газів не потрібна енергія макроергічних сполук.

Рушійною силою дифузії є парціальний тиск газу (p), або градієнт концентрації газу (∆p): чим він вищий, тим інтенсивніший газообмін.

Парціальний тиск — це тиск одного газу в суміші газів. Атмосферне повітря являє собою газову суміш, яка містить ≈ 79% N₂, ≈ 21% О₂ і незначну кількість СО₂ та інших газів. Кожний газ у цій суміші розвиває свій тиск незалежно від наявності інших газів.  Так, pN₂ = 0,75 х 760 (атмосферний тиск повітря) = 600 мм рт.ст.; pО₂ = 0,21 х 760 = 160 мм рт.ст.; pСО₂ = 0,0004 х 760 = 0,3 мм рт.ст. Таким чином, p залежить від його процентного вмісту в суміші. У альвеолярному газі кисню на 30% менше, а вуглекислого газу у 200 разів більше, ніж в атмосферному, тобто у вдихуваному повітрі. Парціальний тиск цих газів тут становить відповідно 100 і 40 мм.рт.ст.

Механізм дифузії газів. В альвеолярному повітрі РО₂ = 160 мм рт.ст., а у венозній крові, що протікає по альвеолярних капілярах, лише 40 мм рт.ст. Різниця тисків дорівнює 120 мм рт.ст., що зумовлює дифузію  О₂ з альвеол у кров. ∆pСО₂ протилежний за напрямком кисневого градієнта, тому дифузія О₂ спрямована з крові в альвеоли. Отже, відбувається газообмін за допомогою дифузії.  Проте цей механізм спрацьовує лише там, де газ контактує з тканиною. Для того щоб повітря надійшло у повітроносні шляхи потрібний інший механізм газообміну -  конвекція.

Конвекція — це активне пересування молекул газу з області його високої концентрації в область низької.  Рушійною силою конвекції є ∆p між атмосферним і альвеолярним повітрям (механізм див. ВЛТ). Для створення ∆p потрібно витратити енергію, яка спрямовується на роботу дихальних м’язів. Під час вдиху грудна порожнина розширюється завдяки скороченню зовнішніх міжреберних м’язів і діафрагми. Вдих відбувається за рахунок пасивного опускання ребер, або скорочення внутрішніх міжреберних м’язів. Робота дихальних м’язів спрямована, в першу чергу, на подолання загального легеневого опору — еластичного і нееластичного.

Еластичний опір складається з еластичної тяги легеневої тканини і всього дихального апарату (створюють еластичні і колагенові волокна). Сюди ж відноситься й опір, що створюють сурфактанти — поверхнево-активні речовини, які утворюють на поверхні альвеол плівку, що запобігає злипанню альвеол під час видиху.

Нееластичний опір диханню створює тертя тканин дихального апарату (між парієтальною і вісцеральною плеврами, в суглобах грудної клітки та ін.)  і тертя частинок повітря між собою і поверхнею повітроносних шляхів.

Крім загального легеневого опору дихальні м’язи долають ще сили гравітації, які перешкоджають підніманню грудної клітки та плечового поясу при вдиху.

3. Етапи газопереносу в системі дихання.

Дифузія газів між альвеолами і кров’ю.

В умовах спокою pО₂ в альвеолярному повітрі (АП) дорівнює 103 мм рт.ст., а РО₂ у венозній крові, що  тече по альвеолярних капілярах лише 40 мм рт.ст. Отже, завдяки ∆pО₂ = 63 мм рт.ст. О₂переходить із альвеол у кров. У міру насичення крові О₂ його p стає рівним pО₂ в АП і дифузія припиняється.

pСО₂ у венозній крові дорівнює 46 мм рт.ст., а в АП = 40 мм рт.ст. ∆pСО₂ = 6 мм рт.ст. Отже, СО₂  із венозної крові переходить в альвеоли.

Під час м’язової роботи ∆p дихальних газів збільшується: ∆pО₂ може досягати 100 мм рт.ст., а ∆pСО₂ — 20 мм рт.ст. Це полегшує і прискорює газообмін в легенях в умовах, коли швидкість кровотоку в альвеолярних капілярах зростає в декілька разів.

Перенос газів кров’ю.

Транспортування дихальних газів в середині організму здійснюється такими системами: 1) серце — джерело енергії; 2) судини — забезпечують циркуляцію крові; 3) кров — переносить дихальні гази; 4) дихання — забезпечує надходження і виведення з організму відповідно О₂ і СО₂.

Транспорт кров’ю О₂ здійснюється двома способами: 1) фізичним — перенос О₂ розчиненого в плазмі крові (≈ 2%); 2) хімічним — перенос О₂ у вигляді хімічного зв’язку з Нb (≈ 98%). Оскільки Нb має 4 атоми заліза, то він може приєднати 4 молекули О₂: Нb₄ + 4О₂ ↔ (НbО₂)₄. Ця реакція називається оксигенацією, а зворотній процес — дезоксигенацією Нb.

В різних умовах діяльності може виникати гостре зниження насичення крові О₂ — гіпоксемія. Причини гіпоксемії досить різноманітні: 1) м’язова робота на рівні максимального споживання О₂(МСК) зумовлює зменшення вмісту О₂ в артеріальній крові — робоча артеріальна гіпоксемія; 2) довільна затримка дихання; 3) нерівномірна вентиляція в різних частинах легень; 4) прискорення швидкості кровотоку, що скорочує час контакту повітря і крові; 5) потовщення легеневої мембрани; 6) робота шунтуючих судин — кров, у якій мало О₂, не надходить до дихальної поверхні альвеол, а перекидається зразу до артеріальної крові, що тече від легень.

Перенос кров’ю СО₂  здійснюється двома способами: 1) фізичним - перенос СО₂ розчиненого в плазмі крові (≈ 5%); 2) хімічним (≈ 95%) - перенос СО₂ у формі хімічного зв’язку з іншими речовинами, що містяться в крові; а) вугільної кислоти – H₂СО₃ (≈ 7%), б) бікарбонатного іону - НСО₃^— (≈ 70%); в) карбогемоглобіну - ННbСО₂ (≈ 23%). Спрощено процес транспортування СО₂можна уявити так: СО₂ + Н₂О ↔ Н₂СО₃ ↔ Н⁺ + НСО₃^— .

Крім того, СО₂ може зв’язуватись з Нb. При цьому СО₂ взаємодіє з білковою частиною Нb — глобіном. Утворюється карбогемоглобін. Гем же залишається вільним і зберігає здатність Нb перебувати одночасно у зв’язку з СО₂ і О₂. Отже, одна молекула О₂ може транспортувати обидва гази.

У крові альвеолярних капілярів усі реакції здійснюються у протилежному напрямку.

Дифузія газів між капілярною кров’ю і тканинами.

Механізм дифузії даного етапу аналогічний попереднім — в кровоносних капілярах pО₂ більший, ніж у міжклітинному просторі, а pСО₂ — навпаки, тому між тканиною і капілярною кров’ю відбувається газообмін.

О₂ перш ніж потрапить до мітохондрії долає ряд бар’єрів:  стінку капіляра, міжклітинний простір, оболонку клітини, саркоплазму і, нарешті, оболонку мітохондрії. На різних ділянках цього шляху  pО₂приблизно такий: біля мітохондрії — 3-5 мм рт.ст., в середині клітини – 10 мм рт.ст., в тканинній рідині — 20-40 мм рт.ст. Це критичні рівні при яких здійснюється енергозабезпечення функцій клітин за рахунок окислення. Якщо потреби клітини в енергії зростають (наприклад, під час м’язової роботи) і тиск О₂ біля мітохондрій падає нижче критичного рівня, тоді О₂ для окислення не вистачає і клітина переходить на анаеробний шлях енергозабезпечення з утворенням молочної кислоти.

О₂ кровоносних капілярів не повністю використовується (утилізується) тканинами. Частина його залишається у венозній крові. Наприклад, в артеріальній крові О₂, як правило, міститься 20 мл/100 мл крові, а у венозній крові – 14 мл/100мл крові. Різниця становить 6 мл, тобто 6 мл О₂ використала клітина на свої потреби. Різницю між вмістом О₂ в артеріальній і венозній крові називають коефіцієнтом тканинної утилізації, або артеріо-венозною різницею (АВРо₂ ). Ця величина є дуже важливою, оскільки показує кількість О_2, яку може використати клітина, що в свою чергу обумовлює її функціональні можливості.

Особливості дифузії газів між капілярною кров’ю і тканинами під час м’язової роботи:

1. Активізація міоглобіну — це пов’язано з робочою артеріальною гіпоксемією.

2. Ефект Бора. При виконанні  фізичних вправ у м’язах накопичуються кінцеві продукти обміну речовин, головним чином різноманітні кислоти. В кислому середовищі НbО₂ розпадається скоріше, що відіграє позитивну роль у постачанні м’язів О₂ в умовах зниженого pО₂. Розщепленню НbО₂ під час роботи сприяє також підвищення температури крові у м’язах. Всі ці зміни викликають ефект Бора, який автоматично полегшує постачання активних органів О₂ з крові, що надходить до тканин.

3. Збільшується АВР_О2.

Недостатнє постачання тканин О₂ називається гіпоксією.  В залежності від механізмів її виникнення розрізняють 4 основних типи гіпоксії: 1. Гіпоксична — є результатом недостатнього вмісту О₂ в альвеолярному повітрі (наприклад, в горах). 2. Анемічна — виникає  при зниженні киснево-транспортних можливостей крові (наприклад, через зниження вмісту Нb в крові). 3. Циркуляторна — розвивається при зменшенні кровотоку через тканини (наприклад, у зв’язку з роботою шунтуючих судин). 4. Гістотоксична — виникає при неспроможності клітин використовувати О₂, що надійшов.

4. Регуляція дихання.

Регуляція дихання у стані спокою.

Основним принципом регуляції дихання  є саморегуляція при якій відхилення від нормального рівня таких показників як pСО₂, pО₂ і рН негайно викликає ряд процесів, спрямованих на їхнє відновлення.

Механізми регуляції дихання:

1. Рефлекторна регуляція. Головною складовою дихальної системи є дихальний центр (Дц), який розташований на дні 4 мозкового шлуночка в ретикулярній формації довгастого мозку на рівні корінців під’язикового нерва. Дц складається з двох відділів: вдиху (інспіраторний) і видиху (експіраторний). Вони взаємодіють за принципом реципрокної іннервації. Інспіраторним нейронам притаманна автоматія (аналогічна серцевій автоматії). Імпульси цих нейронів низхідними шляхами надходять до мотонейронів дихальних центрів, що розташовані в спинному мозку і регулюють діяльність дихальних м’язів. Останні збуджуються і виникає акт вдиху. Під час вдиху розтягуються механорецептори легень, плеври та дихальних м’язів. Імпульси, які в них виникають по аферентних шляхах проходять у Дц і викликають збудження нейронів експіраторного відділу. Виникає акт вдиху. Доки триває видих, мембрана інспіраторних нейронів деполяризується, виникає імпульс, що призводить до акту  вдиху. Отже, відбувається автоматична зміна вдиху видихом і навпаки.

2. Дихальні рефлекси з рецепторів організму. Активність нейронів Дц зумовлюється рефлекторними впливами з різних рефлексогенних зон: — підвищення судинного тонусу і посилення серцевої діяльності супроводжується паралельним посиленням функції дихання; — больові подразнення змінюють ритм дихання; — температурні подразнення гальмують видих; — такі рефлекторні реакції травного каналу, як акти ковтання, блювання, змінюють характер дихання; — емоційні прояви людини (сміх, плач) є видозміненими дихальними рухами; — імпульси від пропріорецепторів посилюють дихання.

3. Регуляторний вплив кори великих півкуль. Людина може свідомо посилювати, послаблювати або затримувати дихання. Отже, дихання є не лише мимовільним актом, але й довільним. Довільна затримка дихання знаходиться в прямій залежності від анаеробних можливостей людини. Довго затримувати дихання людина не спроможна, оскільки в організмі накопичується СО₂, який є стимулюючим фактором для роботи Дц. Довільна гіпервентиляція збільшує затримку дихання, оскільки з організму інтенсивно виводиться СО₂. Проте тривала гіпервентиляція викликає запаморочення, судоми, оскільки зменшується стимулюючий вплив на Дц, а підвищення рН крові викликає звуження кровоносних судин і особливо судин головного мозку.

Дихання може посилюватися перед змаганнями по умовнорефлекторному механізму у відповідь на обстановку, в якій відбуватимуться змагання.

У регуляції дихання бере участь і варолієвий міст. Його пневмотаксичний центр активізує інспіраторні нейрони і прискорює частоту дихання, а друга група нейронів здійснює тонічні впливи на Дц.

4. Гуморальна регуляція. На активність Дц впливають імпульси від хеморецепторів. Вони подразнюються як при зменшенні вмісту О₂ в артеріальній крові (гіпоксемія), так і при збільшенні в ній СО₂ (гіперкапнія). В обох випадках підвищується ХОД.

Особливості дихання при фізичній роботі.

М’язова робота завжди пов’язана із збільшенням газообміну, оскільки енергія утворюється в процесі окислення органічних речовин. Дихання при фізичній роботі має ряд особливостей, а саме:

1. Залежить від пози спортсмена — виконання «гімнастичного містка», їзда на велосипеді, біг на ковзанах тощо зменшують дихальні об’єми.

2. Залежить від координації рухів. У спортсменів організм точно знає, які м’язи треба включити в роботу для досягнення максимального ефекту, тому дихальна система не перенапружується. У нетренованих людей координація рухів є гіршою (наприклад, не використовується сила інерції), тому в роботу включаються м’язи, які непотрібні для її виконання. Отже, збільшується споживання О₂, що вимагає  додаткових зусиль з боку дихальної системи.

3. Підвищується легенева вентиляція (ЛВ). У нетренованих людей ЛВ збільшується за рахунок ЧДР, у спортсменів — глибини дихання.

4. Підвищується кисневий запит (КЗ). КЗ- це кількість О₂, яка необхідна для  виконання певної роботи. Види КЗ: сумарний КЗ — це кількість О₂, яка необхідна для виконання всієї роботи, а хвилинний КЗ — щохвилини. При визначенні КЗ враховується лише той об’єм О₂, що споживається  зверх рівня спокою, тобто те, що йде суто на виконання роботи. У стані спокою людина споживає щохвилини 0,2-0,3 л О₂, а при потужній роботі — до 5-6 л О₂/хв. Найбільшу кількість О₂, яку організм спроможний засвоїти за 1 хв роботи максимальної потужності називають максимальним споживанням О₂ (МСК).

5. Посилення роботи газотранспортної системи.  Ця система постачає тканини О₂, а виводить з організму СО₂. До неї входять системи дихання (надходження повітря), крові (транспортування дихальних газів) і кровообігу (забезпечує рух і перерозподіл крові).

Повна мобілізація газотранспортної системи відбувається не раніше ніж через 3-4 хв від початку фізичної роботи. Тому на початку роботи м’язи можуть відчувати нестачу О₂ і утворюється кисневий борг (КБ).

6. Утворення кисневого боргу. КБ — це кількість О₂, яка необхідна для окислення продуктів метаболізму (молочна, вугільна кислоти, СО₂ тощо), які утворилися під час роботи. КБ ліквідовується у відновний період. Він вимірюється різницею між КЗ і кисневим споживанням під час роботи. Величина КБ залежить від потужності роботи. КБ у спортсменів може досягати 15-20 л, у нетренованих людей – 10 л.

Якщо існує рівновага між КЗ і кисневим споживанням, цей стан називають справжнім стійким станом  (робота виконується легко і довго). Якщо КЗ повністю не  задовільняється — це несправжній стійкий стан (робота триває до часу  досягнення максимальної величини КБ).

Поняття по анаеробну і аеробну фізичну працездатність.

Споживання О₂ під час фізичної роботи зростає в міру зростання її потужності та тривалості.

 Проте, для кожної людини існує межа, вище якої споживання О₂ не зростатиме. Людина досягає рівня свого МСК не раніше 3 хв від початку роботи.

МСК є показником аеробної працездатності організму, тобто спроможності виконувати важку роботу, забезпечуючи енерговитрати за рахунок О₂, який споживається безпосередньо під час роботи.

Методи визначення МСК є прямі і не прямі. Суть прямого методу полягає в тому, що людина виконує роботу потужність якої поступово зростає. Відносно зростає і споживання О₂, але наступає період, коли потужність роботи зростає, а споживання О₂ залишається на попередньому рівні — це і буде величина МСК. Суть непрямих методів (див. лабораторну роботу) полягає в тому, що МСК визначається за ЧСС, оскільки прискорення роботи серця відбувається майже паралельно зростанню споживанню О₂.

Процент використання МСК. Спортсмен не може працювати тривалий час на граничному напруженні діяльності серцево-судинної та дихальної систем. Визначено, що  навіть добре тренована людина може працювати при споживанні О₂ 90-95% від свого МСК не більше 10-15 хв. У неспортсменів цей час дорівнює 2,5 хв. Тривалість підтримання споживання О₂ на максимальному рівні є показником витривалості.

Анаеробною працездатністю називають спроможність людини працювати в умовах нестачі О₂ за рахунок анаеробних джерел енергії. Показником анаеробної працездатності є максимальний КБ. Виділяють його дві частини: 1) алактатна (2 — 4 л) — це кількість О₂, яка йде на ресинтез КрФ, АТФ; 2) лактатна — це об’єм О₂, який йде на ліквідацію молочної кислоти, що накопичилась у м’язах під час роботи. Непрямим методом визначення анаеробної працездатності організму є затримка дихання, прямий метод — аналіз повітря, яке видихає випробовуваний у відновлювальний період.

  Від величини анаеробної працездатності залежать результати у спортсменів, робота яких триває від декількох секунд до 7-8 хв.

Лекція 6. Фізіологія обміну речовин та енергії

Posted on Серпень 25, 2014

1. Обмін білків, вуглеводів і жирів в організмі людини. 2. Водний і мінеральний обмін. Значення вітамінів для життєдіяльності людини. 3. Видільна функція нирок. 4. Енергетичний баланс людини і методи його дослідження. 5. Температура тіла та система терморегуляції. 6. Механізми терморегуляції. Функції потових залоз. Види потовиділення.

Обмін речовин (метаболізм) – це один з основних проявів життя. Єдність обміну речовин  із життям настільки тісна, що в основу методології пошуків позаземного життя покладено методи виявлення продуктів обміну речовин, зокрема біологічного окислення. Обмін речовин полягає в біологічному окисленні (аеробному чи анаеробному) органічних енерговмісних речовин із використанням виділюваної при цьому енергії для життєвих процесів. Ця енергія використовується на підтримання дихання, кровообігу, температури тіла, для здійснення скорочень м’язів під час рухів тіла, виконання роботи, різних поведінкових реакцій. У процесі окисних реакцій відбувається розщеплення складних органічних сполук з виділенням енергії – дисиміляція або катаболізм. Одночасно в організмі відбуваються процеси протилежного напряму, що здійснюються з поглинанням енергії (синтез специфічних білків, гормонів, ліпідів та інших складних сполук із речовин, що надходять до організму з навколишнього середовища) – асиміляція, або анаболізм. Обидва процеси нерозривно пов’язані між собою через перехід енергії від одного до іншого. Так само тісно пов’язані один з одним обмін речовин та енергетичний обмін.

1. Обмін білків, вуглеводів і жирів в організмі людини.

Функції білків: 1) структурна — білки входять до складу всіх органів, вони становлять 18-21% сірої речовини, 40-50% сухої маси організму, 20% складу скелетних м’язів; 2) каталітична — всі ферменти біологічні каталізатори; 3) гормональна — значна кількість гормонів є білки; 4) транспортна — поживні речовини переносяться з током крові сполуками білкової природи (гемоглобін); 5) захисна — антитіла, які ін активують (знешкоджують) антигени мають білкову природу (аглютиніни, аглютиногени), білок фібрин забезпечує гемостаз; 6) механічна — скорочення і розслаблення скелетних м’язів, роботу внутрішніх органів забезпечують білки актин, міозин та інші; 7) енергетична — при окисленні 1 г білка виділяється 5,3 ккал (17,7 кДж).

Основним структурним компонентом білка є амінокислоти. Вони поділяються на незамінні (в організмі не синтезуються), напівзамінні (частково синтезуються) і замінні (синтезуються в організмі). Білки їжі, які мають у своєму складі всі  незамінні амінокислоти, називаються повноцінними (бобові рослини).

Перетворення білків в організмі відбувається в два етапи: 1) гідроліз білків до амінокислот у травному каналі; 2) перетворення в організмі амінокислот на специфічні білки. Кінцевими продуктами розщеплення білків є аміак, сечовина, сечова кислота, креатин і деякі інші речовини.

Про білковий обмін можна судити по кількості азоту, який надходить і виводиться з організму (азотистий обмін). Це пов’язане з тим, що азот в організмі не окислюється і надходить в основному з білковою їжею. Розрізняють: 1) позитивний азотистий баланс — більше азоту надходить до організму, ніж виводиться (притаманний організму, який росте, або спортсменам у підготовчому періоді); 2) азотиста рівновага (дорослі люди); 3) негативний азотистий баланс (захворювання, голодування).

Щодня, навіть коли білки не надходять з їжею, в організмі руйнується ≈ 331 мг білка на 1 кг маси тіла. Цю величину називають «коефіцієнтом зношування». Кількість азоту в їжі, яка необхідна для покриття цього коефіцієнту, називається «білковим мінімумом» (23-25г). Азотисту рівновагу підтримує 45 г білка щоденно — це фізіологічний мінімум білка. Для нормального функціонування організму необхідний білковий оптимум (1,5-2 г/кг,у дітей 4-5 г/кг маси тіла).

Білковий обмін регулюється: 1) нервовою системою -  при подразненні деяких ядер гіпоталамусу значно збільшується виділення азоту з сечею; 2) гуморальними факторами — соматотропний і гормони щитоподібної залози стимулюють синтез білка, а глюкокортикоїди посилюють розпад білків.

Функції вуглеводів: 1) енергетична — при окисленні 1г вуглеводів вивільнюється 4,1ккал, при цьому використовується мінімальна кількість О₂, тому вуглеводи є основним джерелом енергії в організмі; 2) структурна — вуглеводи та їхні похідні є обов’язковими компонентами мембранних систем та внутрішньоклітинних включень; 3) захисна — вуглеводи приймають участь у знешкодженні токсичних продуктів обміну та хімічних речовин, у підтриманні гомеостазу.

Перетворення вуглеводів. У травному каналі вуглеводи внаслідок гідролізу утворюють три моносахариди — глюкоза, галактоза і фруктоза. Вони всмоктуються в кров і використовуються для енергетичних потреб клітини. Надмірна кількість глюкози в крові (4-7 ммоль/л) називається гіперглікемією, більше 8-10 ммоль/л -глюкозурією, а менше 3 ммоль/л — гіпоглікемією. Якщо в організмі спостерігається нестача глюкози, вона синтезується з амінокислот та жиру.

У зв’язку з тим, що глюкоза є основним джерелом енергії для всіх клітин (особливо мозкової тканини), в організмі утворилися досить складні механізми регуляції її сталого рівня. Суть нервового  механізму полягає в тому, що в довгастому мозку і гіпоталамусі є центри при подразненні яких спостерігається посилений вихід вуглеводів з печінки. Вуглеводний обмін регулюється також гуморальними факторами: гормони адреналін, глюкагон, тироксин, альдостерон,глюкокортикостерон посилюють концентрацію цукру в крові. Протилежну функцію виконує інсулін.

Функції ліпідів: 1) енергетична — при окисленні вивільняється  9,3 ккал (39,0 кДж) — це більше, ніж при розщепленні білків і вуглеводів, але при цьому використовується багато О₂, що є негативним фактором при фізичній роботі; 2) структурна -завдяки ліпопротеїдам і глікопротеїдам, які входять до складу мембран, до клітин надходять жиророзчинні вітаміни та інші речовини; 3) захисна — запаси ліпідів під шкірою, в сальнику, печінці, нирках, м’язах тощо захищають органи від пошкоджень; 4) термоізоляційна — ліпіди захищають організм від надмірних тепловитрат; 5) обмінна — з жирами в організм надходять  жиророзчинні вітаміни (А,Д,Е,К).

Регуляція ліпогенезу. Симпатична частина автономної нервової системи посилює розщеплення жирів, що може призвести до виснаження організму, пАНС — навпаки. Впливають на обмін жирів гормони гіпофізу, щитоподібної, підшлункової, статевих залоз.

2. Водний і мінеральний обмін. Значення вітамінів для життєдіяльності людини.

Води в організмі  людини більше, ніж будь-якої іншої сполуки — 70-75% маси тіла (у кістках — 20%, в клітинах головного мозку 85%). Втрата 10% води від загальної маси тіла спричинює важкі захворювання, а 20-22% — смерть.

Значення води зумовлене особливостями стереохімічної будови її молекули. Два атоми водню у молекулі води мають позитивний заряд, а атом О₂ — негативний. Отже, молекула води є електричним диполем, тому вона легко вступає в реакції з протилежно зарядженими молекулами.

Воді притаманні висока теплоємність і теплопровідність, а при переході з рідкого стану у газоподібний вона поглинає значну кількість енергії, яка витрачається на розрив водневих зв’язків. Тому при випаровуванні з поверхні шкіри виділяється велика кількість зайвого тепла (наприклад, при фізичній роботі). Вода також значно полегшує ковзання одного органа відносно іншого.

Вода, що входить до складу плазми крові є провідним фактором осмо- , онко- і гідростатичного тисків.

В організмі виділяють так звану структурну (необхідна для підтримання, наприклад,  структури білків) і гідратаційну (оточує іони) воду.

Значення мінеральних речовин полягає в тому, що вони визначають осмотичний тиск, іонний склад тканин, стабільність колоїдних сполук, активність ферментів. Збудливість клітин залежить від розподілу на їхніх оболонках Nа⁺, К⁺, Са⁺, СІ^— . Основним «будівельним матеріалом» для кісток і тканин зубів є Са — 99%, Р — 47%, Мg — 57%. Сірка входить до складу деяких амінокислот, фосфор – складовий елемент АТФ, йод — функціональний елемент тироксину, залізо — гемоглобіну тощо.

Регуляція водного балансу і мінерального обміну. Нервовий механізм — при зміні осмотичного тиску збуджуються осморецептори тканин, які передають свою інформацію в гіпоталамус. В результаті у людини виникає відчуття спраги.

Гуморальний механізм: 1) гормон гіпофізу вазопресин стимулює реабсорбцію води в нирках і зменшує сечоутворення; 2) гормон надниркових залоз альдостерон посилює реабсорбцію натрію; 3) гормон тироксин посилює сечоутворення; 4) паратгормон сприяє виведенню з організму солей Са і Р.

Вітаміни — це біологічно активні речовини, які приймають участь в обміні речовин. Частина вітамінів входить до складу ферментів і діють разом з ними, частина, подібна до гормонів — регулюють активність деяких органів, частина каталізує дію багатьох ферментів. Більшість вітамінів надходить в організм з їжею і лише деякі (К, групи В) виробляються мікрофлорою товстої кишки.

Вітаміни, як правило, не відкладаються про запас і не синтезуються з інших речовин, тому вони постійно повинні надходити в організм з їжею. Вітаміни не є джерелом енергії та «будівельним матеріалом». Відсутність вітамінів в їжі призводить до порушень функцій організму — авітаміноз. При недостатньому надходженні вітамінів (гіповітаміноз) понижується працездатність і стійкість організму до  різних хвороб.

Вітаміни поділяються на дві групи:  водорозчинні (група В, Н, Р, С) і жиророзчинні (А, Д, Е, К).

Функції вітамінів:

А — поліпшує зір, посилює діяльність багатьох ендокринних залоз (морква, петрушка, зелена цибуля, щавель). При гіповітамінозі розвивається куряча сліпота.

В₁— поліпшує діяльність серця та нервової системи, роботу шлунка та кишечника, знімає втому (перець, щавель, квасоля). При гіповітамінозі порушується вуглеводневий обмін, при авітамінозі — хвороба бері-бері.

В₂ — активізує обмін речовин, роботу печінки, регулює кровообіг (щавель, квасоля, горох, капуста). При гіповітамінозі затримується ріст.

С — називають протицинговим (петрушка, кріп, щавель, хрін, помідори, пастернак). При гіповітамінозі збільшується проникність стінок кровоносних судин, виникають кровотечі.

Д — необхідний для правильного розвитку кісток в молодому організмі (шпинат, цибуля, свіжий зелений горошок). При гіповітамінозі — рахіт.

Є — сприяє правильному функціонуванню нервової системи, обміну речовин, попередженню серцево-судинних захворювань  (у зеленій частині всіх овочевих рослин). При гіповітамінозі — порушується діяльність статевих залоз, гірше протікає вагітність, сповільнюється утворення м’язових білків.

К — прискорює загоєння ран (цвітна капуста, морква,  помідори, кропива). При гіповітамінозі — гемофілія.

3. Видільна функція нирок.

Поруч з нирками видільну функцію виконують травний канал, органи зовнішнього дихання, потові, сальні, сльозні, молочні залози та слизова носової порожнини. Нирки є основним органом, який забезпечує виведення з організму кінцевих продуктів обміну речовин. Важливою є роль нирок: 1) у підтриманні нормальної концентрації води в організмі; 2) в регуляції рН крові та осмотичного тиску; 3) у виведенні з організму аміаку, сечовини, сечової кислоти, креатину, лікарських речовин. Нирки продукують також ренін, який приймає участь в регуляції артеріального тиску (стимулює утворення в нирках ангіотензину та альдостерону в надниркових залозах, що звужують судини).

4. Енергетичний баланс людини і методи його дослідження.

Процеси обміну, що забезпечують клітину енергією називаються енергетичним обміном. В процесі творення енергоємних макроергів частина енергії відразу виділяється у вигляді тепла — це первинне тепло. Після використання макроергів частина енергії трансформується у тепло, що зветься вторинним.

Енергія, яка утворюється в організмі, використовується у вигляді хімічної (акумулюється у хімічних зв’язках створених в організмі гормонів, ферментів, медіаторів тощо), електричної (проведення нервового імпульсу), механічної (виконання рухів) і теплової енергії. Співвідношення між кількістю енергії, яка надійшла в організм, і кількістю енергії, витраченої організмом, називається енергетичним балансом. Кожна клітина має критичний запас енергії, тобто такої кількості, яка необхідна для підтримання функціонування клітини. Порушення цього критичного рівня (один із наслідків вживання допінгу) може призвести до загибелі організму.

Енерговитрати в організмі поділяються на дві групи: основний обмін (ОО) і додаткові витрати енергії. ОО складають енерговитрати, які необхідні для підтримання життєдіяльності клітин (витрати на роботу системи кровообігу, дихання, біосинтезу білків, жирів, вуглеводів тощо). Для визначення ОО  необхідно дотримуватись таких умов: дослідження проводити вранці натще, в положенні лежачи, в умовах температурного комфорту, в стані фізичного та психічного спокою. Величина ОО залежить від маси тіла, віку, зросту, статі.

Додаткові (до основного) енерговитрати — це енергія, яка йде на виконання будь-яких актів життєдіяльності. Цю групу складають такі витрати: 1. На вживання їжі -  білкові продукти посилюють енерговитрати на 30%, жири і вуглеводи до 15%. 2. На підтримку пози. В положенні сидячи енерговитрати зростають на 5-15%, а стоячи — 15-30% порівняно з положенням лежачи. 3. Побутові дії посилюють енерговитрати на 30-60%. 4. Витрати на розумову працю та емоційну напругу. 5. Витрати на виконання професійної роботи.

Регуляція обміну енергії:

1. Місцевий механізм. При виконанні м’язової роботи на початку скорочення запускаються процеси ресинтезу використаної АТФ. 2. Ендокринний механізм — тироксин, трийодтиронін, адреналін стимулюють енерговитрати. 3. Нервовий механізм. В гіпоталамусі є ядра, подразнення яких призводить до змін в обміні енергії. Можна також виявити умовно рефлекторне посилення енерговитрат, наприклад, у спортсмена перед стартом активізуються процеси обміну енергії. Сюди ж можна віднести дію гіпноза, навіювання.

Методи дослідження енерговитрат поділяються на прямі і непрямі. Метод прямої калориметрії грунтується на положенні, що всі види енергії з рештою перетворюються на тепло. Помістивши людину в спеціальну термоізоляційну камеру, можна визначити кількість тепла, яке виділилось.

 Суть непрямоі калориметрії полягає у визначенні теплопродукції за показниками газообміну. Враховується те, що при теплопродукції використовується О₂ і утворюється СО₂. Чим більша теплопродукція, тим більше використовується О₂ і утворюється СО₂. Відношення об’єму виділеного СО₂ до об’єму поглинутого О₂ називають дихальним коефіцієнтом. Знаючи дихальний коефіцієнт, можна за таблицею знайти величину калоричного еквіваленту — кількість енергії, яка виділяється при споживанні 1л О₂.

5. Температура тіла та система терморегуляції.

Всі тварини поділяються на пойкілотермні, у яких температура тіла змінюється відповідно до температури зовнішнього середовища, і гомойотермні,  у яких утворилася система терморегуляції і вони стали незалежними від зміни температури зовнішнього середовища.

Основне значення постійного рівня температури організму полягає в тому, що створюються умови для нормальної діяльності ферментів, які зумовлюють швидкість хімічних реакцій та інтенсивність метаболізму в організмі.

У гомойотермних організмів розрізняють температуру оболонки і ядра. Температура оболонки — це температура шкіри, яка залежить від температури зовнішнього середовища. Температура ядра — це температура внутрішніх органів, яка характеризується постійністю.

Система терморегуляції включає три головні ланки:

1. Терморецептори. Вони поділяються на периферичні і центральні. Перші розташовані в шкірі, підшкірній основі та кровоносних судинах цих ділянок. Вони бувають  двох типів — теплові та холодові (переважно холодові). Центральні рецептори, як правило, містяться в гіпоталамусі,  а деякі в шийно-грудному відділі спинного мозку. Ці рецептори також є холодові й теплові (переважно теплові). Основними є центральні рецептори, оскільки вони регулюють температуру ядра.

2. Центр терморегуляції  міститься  в гіпоталамусі. Він складається з центру теплопродукції і тепловіддачі. При зниженні температури тіла активізується центр теплопродукції, який через симпатичну нервову систему посилює метаболізм, звужує судини шкіри, активізує терморегуляцію скелетних м’язів. При підвищенні температури в роботу включається центр тепловіддачі  - розширюються судини шкіри, посилюється потовиділення, знижується теплопродукція.

3. Ефектори.

6. Механізми терморегуляції. Функції потових залоз. Види потовиділення.

Підтримують температуру тіла механізми терморегуляції, які поділяються на процеси теплопродукції (хімічна терморегуляція) та тепловіддачі (фізична теплорегуляція). Регуляція температури полягає в узгодженні цих процесів.

Процеси теплопродукції: 1. Терморегуляційний тонус — м’язи не скорочуються, а підвищується лише їх тонус і метаболізм. Теплопродукція підвищується на 50-100%. 2. Тремтіння виникає несвідомо і полягає в мимовільному скороченні м’язів. Теплопродукція підвищується у 2-3 рази. Енергія спрямовується лише на підтримання  температури тіла. а не на його механічні рухи. 3. Довільні скорочення м’язів. Теплопродукція посилюється у 10-20 разів.

Процеси тепловіддачі: 1. Радіація. Якщо є градієнт температури між теплою шкірою і холодними стінами, то за допомогою інфрачервоного випромінювання відбувається передача тепла. 2. Теплопровідність здійснюється при безпосередньому контакті теплого тіла і холодного предмету. 3. Конвекція. Повітря, що контактує з поверхнею тіла, за наявності градієнта температур, нагрівається, стає легшим і, піднімаючись від тіла, звільнює місця для нових порцій повітря.

Радіація, теплопровіднісь і конвекція є  пасивними шляхами тепловіддачі, які спрацьовують при градієнті температур. При однакових подразниках, або вищій температурі в організмі спрацьовує інший механізм тепловіддачі — випаровування.

Випаровування має два механізми: 1) перспірація — випаровування води з поверхні легень, слизових оболонок, шкіри; 2) потовиділення — випаровування за участю потових залоз.

Механізм потовиділення. В потовій залозі утворюється первинний секрет, а в протоках завдяки реабсорбції формується вторинний секрет — піт.

Функції потових залоз: 1) звільняють організм від кінцевих продуктів метаболізму; 2) підтримують постійність осмотичного тиску; 3) підтримують нормальну температуру тіла.

Види потовиділення: 1. Термічне — відбувається по всій поверхні тіла, крім долоней і підошовного боку стопи. Причиню є підвищення температури навколишнього середовища. 2. Психічне — виникає на долонях і підошовній стороні стопи. Причина — емоційні переживання, розумова напруга. Від термічного потовиділення відрізняється коротким  латентним періодом, швидким досягненням максимуму і швидким припиненням.

Потовиділення при м’язовій роботі — це сукупність термічного і психічного потовиділення.

Головну роль в регуляції процесів тепловіддачі відіграють зміни кровопостачання шкіри. Звуження судин шкіри, відкриття шунтуючих судин сприяє меншій тепловіддачі. Навпаки, при розширенні судин шкіри її температура може збільшуватись на 7-8⁰С. При цьому збільшується і тепловіддача.