2 курс / Нормальная физиология / ФИЗИОЛОГИЯ_ОБМЕНА_ВЕЩЕСТВ_И_ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ
.pdfфтор, токсическая доза которого (5 мг) ненамного превышает суточную потребность (1 мг). Наиболее часто у жителей развитых стран встречается недостаточность железа (железодефицитная анемия у женщин в странах Европы встречается с частотой 10–30 %). Содержание железа в пище едва покрывает его суточную потребность, т. к. всасывается лишь 10 %. В некоторых районах встречается эндемический зоб, характеризующийся увеличением щитовидной железы вследствие недостатка йода. Иногда он сопровождается снижением секреции тироксина. Обогащение поваренной соли йодом позволило снизить заболеваемость эндемическим зобом.
Антиоксиданты
Витамины А (β-каротины), Е и С, микроэлементы селен, марганец, цинк и молибден, а также некоторые биологически активные вещества растительного происхождения играют особую роль особую роль благодаря своей антиокислительной активности. Они инактивируют свободные радикалы – побочные продукты метаболизма (супероксидные анионы, гидроксильные радикалы), дополняя действие собственных антиокислительных ферментов организма (например, глутатионпероксидазы). Свободные радикалы – это молекулы, отличающиеся высокой химической активностью благодаря наличию непарных электронов (т. е. химической нестабильности). Даже кислород, необходимый для окисления питательных веществ, по конфигурации своей молекулы представляет собой радикал (два атома кислорода с непарными электронами). Реакция расщепления АТФ в клетках (кислород + водород → вода), которая обеспечивает поступление энергии, возможна только благодаря высокой активности кислорода. В этом процессе могут возникать и другие активные формы кислорода, не являющиеся радикалами (например, перекись водорода); некоторые из них обладают еще более высокой активностью и настолько агрессивны, что принимают электроны из других молекул. В результате образуются новые радикалы, которые «стремятся» к стабилизации и окисляют другие молекулы, вызывая следующие повреждения клеток:
• повреждение хромосомной ДНК может приводить к мутациям в генах или неконтролируемому делению клеток (дегенерации клеток или злокачественному новообразованию);
51
•окисленные липопротеины низкой плотности (ЛПНП) в крови откладываются на поврежденных участках стенок сосудов; антиоксиданты предотвращают окисление;
•окисление жирных кислот фосфолипидов с образованием пероксидов (перекисное окисление липидов) приводит к повреждению клеточных мембран. Следствием может быть преждевременное старение. Антиоксиданты защищают клеточные мембраны от окисления, предотвращая гибель клеток или нарушение клеточных функций, вызываемое продуктами окисления.
Экстремальные физические нагрузки и острое воспаление, повре-
ждающие соединения из окружающей среды (озон, оксид азота), ультрафиолетовое и радиоактивное излучения приводят к повышенному образованию свободных радикалов в процессе клеточного метаболизма (окислительному стрессу).
Активные вещества растительного происхождения
Фрукты и овощи содержат различные вещества, защищающие их от опасных компонентов солнечного излучения, от вредителей и от неблагоприятных воздействий окружающей среды. Наибольший интерес среди многих тысяч веществ, входящих в состав каждого вида овощей и фруктов, представляют химические соединения, которые обладают антиоксидантными свойствами либо препятствуют развитию злокачественных новообразований. Многие из изученных активных соединений являются ловушками свободных радикалов; другие соединения благодаря своей химической структуре способны инактивировать канцерогенные вещества или препятствовать образованию канцерогенов. Вот некоторые группы таких соединений:
•р-Кумарины и производные хинной кислоты (содержатся в тома-
тах, перце, землянике, ананасах). Ингибируют образование канцерогенных нитрозаминов.
•Индолы (содержатся в брокколи, цветной капусте, брюссельской капусте и других видах капусты). Снижают синтез эстрогенов, уменьшая таким образом риск развития гормон-зависимых опухолей. Кроме того, они повышают активность некоторых детоксицирующих ферментов печени, разрушающих канцерогены.
•Аллицины (в растениях рода Allium: чесноке, луке-порее, репчатом луке и других видах). Обладают антибактериальным действием.
52
Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
Кроме того, содержат органическую серу, которая активирует детоксицирующие ферментные системы печени.
•Изоцианаты (во всех представителях семейства крестоцветных). Вызывают активацию детоксицирующих ферментов, подавление реакций, нарушающих структуру ДНК. Одним из немногих активных природных соединений, которое выделено в лабораторных условиях
вчистом виде и может быть получено путем синтеза, является сульфорафан. Он обезвреживает канцерогены в результате активации определенных детоксицирующих ферментов.
•Флавоноиды и изофлавоноиды (почти в каждом виде овощей и фруктов содержатся свои характерные флавоноиды). К настоящему времени известно более 800 флавоноидов, многие из которых обладают антиокислительным, противовирусным, антиаллергическим или антиканцерогенным действием, улучшают кровообращение. Антиокислительной и антиканцерогенной активностью обладают, например, катехин, нобилетин, гесперидин, кверцитин, кверцитрин, морин, робинин, мирецитин, рутин, кемферол, неопонцерин. Изо-
флавоноид генистеин (содержится в соевых продуктах) подавляет рост опухолей и препятствует развитию метастазов. Некоторые флавоноиды защищают от атеросклероза или снижают синтез холестерола. Так, силимарин (природная композиция биологически активных веществ, содержащаяся в плодах расторопши пятнистой и состоящая из семи флаволигнанов, одного флавоноида (совокупно около 83 %) и дополнительных полифенолов и жирных кислот) блокируют окисление ЛПНП, предотвращая их отложение на стенках сосудов.
•Сапонины (содержатся в соевых продуктах). Предотвращают синтез ДНК в опухолевых клетках.
•Терпены. Содержатся во многих ароматических растительных маслах, например лимонен в цитрусовом масле. Все терпены имеют выраженную антиокислительную активность.
Вотличие от витаминов, большинство активных соединений растительного происхождения не разрушаются во время лабораторного или промышленного выделения, а также при длительном хранении. В одних только помидорах содержатся более 10000 биологически активных веществ, лишь часть которых исследована. Только в некоторых случаях выяснено, сохраняется ли активность вещества после его отделения от других активных соединений данного растения (отдельные компо-
53
ненты могут взаимодействовать между собой). Фрукты и овощи должны обязательно присутствовать в ежедневном рационе, особенно с учетом содержания в них пищевых волокон.
Грубоволокнистые компоненты
Особую роль в диете играют пищевые волокна. К ним относятся неперевариваемые растительные углеводы, такие как гемицеллюлоза. Целлюлоза входит в состав клеточных стенок у растений, так что диета с высоким содержанием волокнистых веществ включает в себя фрукты, овощи и цельнозерновые продукты. Грубоволокнистые компоненты пищи не только стимулируют перистальтику кишечника, но также замедляют эвакуацию пищи из желудка, способствуя насыщению. Такой эффект предотвращает резкие подъемы уровня сахара в крови. Волокна хорошо удерживают воду, способствуя кишечной моторике, уменьшению времени прохождения содержимого через кишечник и тем самым регулярной дефекации.
Вода
Все продукты содержат воду, причем в большинстве ее содержание превышает 50 %. Кроме того, в организме образование воды происходит постоянно в ходе обменных процессов (в покое – 350 мл в сутки).
Потребности человека в воде значительно колеблются в зависимости от физической нагрузки, интенсивности потоотделения, температуры окружающей среды, количества потребляемой соли. Суточные потребности взрослого человека составляют от 21 до 43 мл/кг (в среднем 2500–2700 мл в сутки). Вода поступает с питьем, пищей и образуется при окислительных процессах. Избыток поступающей воды выводится почками. При заболеваниях сердца и почек жидкость может задерживаться в организме (отеки). При потере воды, составляющей 5 % от массы тела, наблюдается выраженное снижение работоспособности, при потере 10 % возникает тяжелое обезвоживание, а потеря 15– 20 % (от массы тела, т. е. 1/3 – ¼ общего содержания воды в организме) смертельна.
При чрезмерном потреблении гипотонических растворов или потере большого количества солей вода поступает в клетки и может возникнуть водная интоксикация с симптомами отека головного мозга (головная боль, тошнота, судороги).
54
Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
В обменные процессы организма включаются только всосавшиеся в пищеварительном тракте компоненты пищи. Усвояемость смешанной пищи составляет 90–95 %. Это связано с тем, что некоторые вещества не перевариваются в желудочно-кишечном тракте (например, клетчатка), и не все из переваренных веществ всасываются. Усвояемость пищи снижается при кишечных инфекциях (дизентерия, холера), после резекции кишечника.
ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ
Процессы обмена веществ связаны с выработкой тепла в соответствии с законами термодинамики. С точки зрения обменных процессов выработка тепла – побочный эффект, однако в системе терморегуляции метаболическое тепло имеет решающее значение.
У одних животных температура тела сохраняется на постоянном уровне, который значительно превышает температуру окружающей среды благодаря интенсивной выработке тепла, управляемой специальными регуляторными механизмами. Это гомойотермные (теплокровные) животные. Для других организмов характерна значительно более низкая теплопродукция; в этом случае температура тела лишь незначительно превышает температуру внешней среды и колеблется
вместе с ней – это пойкилотермные (холоднокровные) животные.
В основе реакций живых систем на изменения температуры среды лежит изменение скорости химических реакций под влиянием охла-
ждения или нагревания. Охлаждение приводит к уменьшению энергии превращения веществ, к снижению обмена веществ и понижению скорости многих ферментативных реакций. Высокие температуры также ограничивают ферментативные реакции и тем самым приво-
дят организм в состояние теплового окоченения и гибели.
Регулирование тепла в организме (отдельные элементы которого есть и у пойкилотермов) не только сильно расширяет диапазон высокого уровня жизнедеятельности организма, но и обеспечивает далеко идущее постоянство этого уровня. У пойкилотермных организмов отмечаются адаптации активности ферментов, использование радиационных потерь тепла, испарение с поверхности кожи и слизистых. Температурные адаптации теплокровных – гомойотермных организмов коренным образом отличаются. Здесь в основе поддержания теплового баланса лежат изменения соотношения теплопродукции и теплоотдачи, которые создают условия для поддержания температурного гомео-
55
стаза. Это постоянство температуры тела является непременным условием нормальной деятельности большинства систем организма высших позвоночных, особенно деятельности их ЦНС. Следовательно, и холод, и тепло действуют на организм гомойотермного животного не непосредственно, угнетая или возбуждая клеточные и тканевые элементы, а опосредованно, через нервную систему, гормональный аппарат, т.е. через аппарат терморегуляции.
Терморегуляция – это функция специальной физиологической системы, направленная на поддержание постоянной внутренней температуры тела и наиболее развитая у гомойотермных организмов.
При повышенной температуре среды, повышении теплопродукции организма (мышечная работа) терморегуляция осуществляется с помощью реакций изменения теплоотдачи. Эти реакции в целом носят название физической терморегуляции. Ее важнейшей частью является сосудистая терморегуляция, которая состоит в изменении кровенаполнения кожи и скорости объемного кровотока через кожу путем изменения тонуса ее сосудов, регулируемого симпатической нервной системой. Повышение кровенаполнения кожи увеличивает ее теплопроводность и, следовательно, теплоотдачу организма за счет непосредственного проведения (кондукции) тепла через кожу. Увеличение объемного кровотока увеличивает перенос тепла от глубоких частей тела к поверхности за счет конвекции. Этот механизм очень эффективен: у человека: максимальное расширение сосудов кожи от состояния максимального сужения понижает общую величину теплоизоляции кожи в 6 раз. Особое значение в этих реакциях имеют кисти рук – от них может быть отведено 60% теплопродукции основного обмена (хотя площадь их поверхности – 6% от площади поверхности тела). При мышечной работе особое значение приобретают участки кожи над работающими мышцами. Часть крови от работающих мышц устремляется непосредственно в вены этих участков кожи, что значительно облегчает отдачу тепла от мышц путем конвекции.
По мере приближения температуры среды к температуре тела эффективность сосудистой терморегуляции падает и в действие вступает другая реакция – потоотделение. При интенсивном функционировании потовых желез выделяется до 1,5 литров пота в час. При максимальном потоотделении от тела отводится примерно 870 ккал/ч, что достаточно для поддержания температуры тела при довольно тяжелой мышечной работе при повышенной температуре среды. У многих живот-
56
Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
ных, не имеющих потовых желез, важное место в регуляции теплоотдачи занимает изменение легочного дыхания – его резкое учащение при повышенной температуре среды – полипноэ.
При понижении температуры среды и угрозе переохлаждения, прежде всего, прекращается потоотделение и происходит сужение сосудов кожи. Если температура кожи продолжает падать и угроза переохлаждения не устраняется, включается так называемая химическая терморегуляция, сущность которой – в повышении теплопродукции организма за счет специальной активности скелетных мышц и повышении физиологической деятельности других органов (в частности, печени). При сравнительно слабом охлаждении в мышцах при их видимом покое периодически возникают одиночные сокращения отдель-
ных мышечных волокон – терморегуляторный мышечный тонус (на ЭМГ при этом регистрируется равномерная пиковая активность с амплитудой 10-50 мкВ). Общая теплопродукция при этом может повыситься на 20 – 40%. При дальнейшем охлаждении появляется мышечная дрожь – на фоне терморегуляторного мышечного тонуса она проявляется периодическими сериями быстрых сокращений с амплитудой отдельных пиков до 200 – 500 мкВ. Теплопродукция при дрожи повышается в 2–3 раза и более. Наиболее отчетливо терморегуляторный мышечный тонус и дрожь проявляется в мышцах головы, шеи и плечевого пояса.
Управление терморегуляцией осуществляется специальными нервными центрами. Основным терморегуляторным центром является гипоталамус. В переднем гипоталамусе наибольшее значение для терморегуляции имеет передняя преоптическая область, которая регулирует процессы теплоотдачи (разрушении ее приводит к перегреванию организма). В заднем гипоталамусе наиболее важная роль в терморегуляции принадлежит ядрам, которые считаются центром теплообразования (разрушение ее приводит к стойкой гипотермии).
Система терморегуляции, по-видимому, реагирует на изменения суммарной температуры центральных и периферических точек тела и основным объектом регуляции является средняя температура тела, поддержание которой осуществляется с большой точностью (у человека терморегуляционная реакция развивается при изменении средней температуры тела на 0,1ºС).
Гомойотермия доставляет организму независимость от внешней температуры и обеспечивает активную жизнь в пределах больших или
57
меньших колебаний этой температуры. Гомойотермные организмы довольно резко отличаются от пойкилотермных животных по ряду признаков.
Во-первых, для гомойотермов характерен высокий уровень энергетического обмена – тахиметаболизм. Например, у кролика массой 2,5 кг при температуре тела 37ºС и при полном покое уровень теплопродукции составляет 1,9 ккал ч-1·кг-1, а у гремучей змеи такой же массы при такой же температуре тела теплопродукция равна 0,3 ккал ч-1·кг-1. Точный количественный анализ высоты энергетического обмена у различных пойкилотермных и гомойотермных животных показал, что у гомойотермов уровень энергетического обмена всегда в несколько раз выше, чем у пойкилотермов одинаковой массы при той же температуре тканей.
Вторая важнейшая черта гомойотермии – фиксированная на определенном уровне абсолютная температура тела. В огромном ряду млекопитающих от мыши до кита, средняя температура внутренних областей тела составляет 37,8 ± 0,4ºС. Конечно, огромное разнообразие видов дает нам примеры отклонений от этого правила. Так, например, сумчатые имеют температуру тела ~35 ºС, а птицы отличаются высокой температурой – 40-42ºС. Эти исключения не нарушают, однако,
правила и можно сказать, что температура тела для млекопитаю-
щих около 38 0С и для птиц 40-42ºС представляет особый признак гомойотермии и имеет важнейшее биологическое значение. Отклонение от нее несовместимо с жизнью и ведет к утрате гомойотермии.
По сути лишь несколько градусов отделяет гомойотермов от тепловой смерти, когда скорость денатурации белков начинает превышать скорость их восстановления. Значительно устойчивее гомойотермы к охлаждению и могут, по-видимому, без ущерба для здоровья переносить снижение температуры тела на 5-7ºС.
Третья черта гомойотермии – способность поддерживать температуру тела на постоянном уровне, несмотря на температурные колебания внешней среды и изменении теплопродукции (мышечная работа).
Очевидно, гомойотермию можно определить, как способность живого организма сохранять относительно постоянную температуру тела на уровне около 38ºС для млекопитающих и 40-42ºС для птиц,
связанную с относительно высоким уровнем энергетического обмена и теплопродукции (конечно, можно найти и исключения, т. к. существуют особые формы приспособления к температуре у разных видов
58
Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/
животных. Например, верблюд сводит свой тепловой баланс в пустыне за счет нагревания днем и пассивного остывания ночью. Это позволяет животному экономить, не затрачивая ее на охлаждения тела. Тем не менее, понятно, что верблюд является типичным гомойотермом.
Появление гомойотермии связано не только с повышением уровня энергетического обмена, но и со специальными формами морфологических адаптаций к теплу и холоду (хотя отдельные их элементы имеются и у пойкилотермных организмов). Так, правило Бергмана заключается в том, что пойкилотермные организмы, близкие в систематическом отношении, по мере удаления от полюсов к экватору становятся крупнее, а гомойотермные – мельче. Так как с увеличением веса животного уменьшается поверхность тела (относительно единице веса), то такая закономерность позволяет крупным гомойотермным организмам животным Севера уменьшать теплопотери, а мелким южным формам – повышать теплоотдачу проведением.
Позднее правило Бергмана было дополнено правилом Аллена: увеличение теплоотдачи, наряду с уменьшением веса тела, обеспечивается и изменением его формы. Как правило, поверхность тела у южных видов млекопитающих увеличена за счет более длинных ушей, длинного хвоста и конечностей. Яркий пример – уши слона, которые содержат большое количество кровяных сосудов (количество протекающей по ним крови составляет 30% от всей циркулирующей крови). Это подтверждается и в эксперименте для животных одного вида. Белые мыши, выращенные при температуре среды ±6,1 ºС были крупнее выращенных при температуре +26 ºС. Серые крысы, обитающие в холодильниках (при постоянной температуре –15ºС), оказались более крупными, чем обитающие на экваторах (вес тела отличается на 22%).
Огромные различия были обнаружены при определении теплопроводности шерстного покрова арктических и тропических видов. У тропических видов наблюдается менее густой шерстный покров и отсутствует подшерсток (правило Ренша).
Не меньшее значение, чем шерстный покров, имеет распределение жира в организме. У ряда обитателей юга жировые отложения не занимают всей поверхности тела, как это имеет место у обитателей холодного климата, а расположены локально (например, курдюк овец, горб верблюда и индийского рогатого скота). С другой стороны, жировые отложения у тюленя расположены по всей поверхности тела и составляют до 25% от веса тела. Толщина этого жирового слоя подвер-
59
жена значительным сезонным колебаниям, причем весной вес шкуры с жировым слоем может уменьшиться на 70%. В весенний период наблюдается физиологическое голодание этих животных, направленное на понижение теплоизоляции в летний период.
Морфологические адаптации у гомойотермов связаны также с различной интенсивностью обмена веществ на севере и юге. У мелких животных в условиях жаркого климата обнаружен меньший вес сердца, что имеет непосредственную связь с уровнем обмена (правило Гессе). Морфологические адаптации направлены, главным образом, на изменение теплопотерь (уменьшение их при низких температурах и повышение при высоких), т.е. касаются в основном процессов физической терморегуляции.
Большую роль в поддержании температурного гомеостазиса играют реакции поведения.
В процессы термической адаптации у гомойотермных организмов вовлекаются не только изменения теплоотдачи, но и изменения теплообразования. В этих процессах участвуют почти все органы и системы. Только в итоге направленного изменения функций каждой системы температура тела млекопитающих и птиц остается на постоянном уровне или в рамках закономерных физиологических колебаний.
Наиболее изучены адаптивные изменения реакций обмена веществ
– химическая терморегуляция. У разных животных химическая терморегуляция развита различно – по мере восхождения животных по эволюционной лестнице роль изменений теплопродукции при разных температурах среды падает. Например, у ежей можно наблюдать 3–4- кратное повышение обмена веществ при низких температурах, у более высокостоящих грызунов – 2-кратное, а у хищников – только в 0,7 – 0,8 раза. У обезьян и человека химическая терморегуляция имеет небольшое значение.
Лучше всего развита химическая терморегуляция у животных средних широт и у мелких животных (для которых она является практически единственным средством защиты от холода, и на которых в основном проводятся эксперименты). Полярные животные, с трудом добывающие корм среди зимы, не смогли бы существовать, если бы так резко увеличивался обмен веществ при низких температурах. Отсюда – исключительно теплый мех, подкожный жир, строительство убежищ. Если у песца удалить его роскошную «шубу», он не проявит никаких чудес выносливости к холоду.
60
Рекомендовано к изучению сайтом МедУнивер - https://meduniver.com/