Нормальная физиология / КР9 Пищеварение и обмен веществ

Запасание энергии в форме жира является наиболее экономичным способом длительного хранения энергии в организме. Белки окисляются в организме не полностью. Аминогруппы отщепляются от молекулы белка и выводятся с мочой в форме мочевины. Поэтому при сжигании белка в калориметрической бомбе выделяется больше энергии, чем при его окислении в организме: при сжигании белка в калориметрической бомбе выделяется 22,61 кДж/г 5,4 ккал/г)

Уравнение энергетического баланса

Е= А + Н + S

Е– общее количество энергии, получаемой организмом с пищей; А – полезная (внешняя) работа; Н – теплоотдача; S – запасённая энергия

Соотношение процессов анаболизма и катаболизма

•Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия.

•Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур.

•Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит

oот возраста (в детском возрасте преобладает анаболизм, у взрослых обычно наблюдается равновесие, в старческом возрасте преобладает катаболизм),

o состояния здоровья,

o выполняемой организмом физической или психоэмоциональной нагрузки.

Закон Гесса

Суммарный тепловой эффект реакции не зависит от пути процесса (не зависит от количества стадий и промежуточных состояний, а также путей перехода), а зависит от начального и конечного состояния системы.

ΔH1 = ΔH2+ΔH3 = ΔH4+ΔH5+ΔH6

•Тепловой эффект прямой реакции равен по величине и противоположен по знаку тепловому эффекту обратной реакции

•Если начальное и конечное состояния химической реакции (реакций) совпадают, то их тепловой эффект равен нулю

Уравнение Гиббса

= ΔH - T*ΔS

ΔG – свободная энергия, ΔH – энтальпия, T*ΔS – энтропия

Физическая калориметрия

Бомба Бертло специальный калориметр, в котором сжигают пищу (питательные вещества) под высоким давлением в среде чистого кислорода

Вопрос 2. Сократительный и несократительный термогенез. Механизмы регуляции

полная схема – см. вопрос 4

Сократительный термогенез

Связан с сокращением скелетных мышц. Наиболее интенсивное теплообразование в организме происходит в мышцах. Обеспечивается соматической нервной системой. АТФ -> кинетическая энергия. Мышцы сокращаются, АТФ расходуется.

а) Произвольные мышечные сокращения осуществляется:

oТонусом мышц, формирующих позу (например, сидячая поза увеличивает теплопродукцию на 40%, а стоячая на

70% по сравнению с лежачей). Даже если человек лежит неподвижно, но с напряженной

мускулатурой теплообразование повышается на 10 %.

oПри физической работе до 90% образующегося тепла приходится на скелетные мышцы, а при тяжелой мышечной работе—до 400 - 500 %.

o Регуляция – сознательная, т.е. под влиянием коры полушарий.

б) Непроизвольные мышечные сокращения (дрожь).

oВ условиях холода теплообразование в мышцах увеличивается, даже если человек находится в неподвижном состоянии. Первой реакцией является увеличение тонуса, напр.

появление «мурашек» - пилоэрекция, осуществляемая за счет сокращения мышцы, поднимающей волос.

oДрожь обусловлена тем, что при охлаждении поверхности тела, раздражаются холодовые рецепторы, которые рефлекторно возбуждают беспорядочные непроизвольные со-

кращения мышц антагонистов (раньше начинается с жевательных мышц) => повышение мышечного тонуса

oПри этом усиливаются обменные процессы организма, что и влечет за собой повышение теплообразования.

o Даже произвольная имитация дрожи увеличивает теплообразование на 200 %.

oЕе эффективность ограничена, т.к. по мере усиления интенсивности дрожи приток крови к поверхности тела увеличивается и тепло исчезает. Критическая внешняя температура для раздетого человека составляет примерно 25°С при условии средней влажности

воздуха. Полные люди выдерживают более низкие температуры. Если значение внешней температуры опускается ниже критического, потеря тепла начинает преобладать над его выработкой, могут наступать гипотермия и смерть от холода.

o Работает на рефлекторном уровне (пиломоторный рефлекс + рефлекс дрожи).

Несократительный термогенез: обмен веществ – источник тепла. Обеспечивается мобилиза-

цией энергетических резервов: усиление гликогенолиза, липолиза, активация окислительных реакций в буром жире.

oускорение обменных процессов (активация гликолиза, гликогенолиза и липолиза), не связанных с сокращением мышц (недрожательный термогенез).

oВажную роль играет бурый жир, характеризующийся избытком митохондрий, количество которого больше у новорожденных.

oПродукция тепла в нем может быть в 3 раза выше, чем в работающей мышце. У взрослого бурый жир расположен в области шеи, между лопатками, в средостении около аорты, полых вен и симпатической цепочки.

oТеплопродукция в буром жире обеспечивается за счет разобщения окисления и фосфорилирования в митохондриях, следовательно, в результате происходит усиленная теплопродукция, а запасания энергии в виде АТФ не происходит!

oИмеет бОльшее значение для новорожденных, т.к. механизмы терморегуляции еще не совершенны, большого кол-ва АТФ НЕ требуется, нужно только тепло.

oРазобщение обеспечивается термогенином – разобщающим белком, кот. уменьшает градиент протонов в окислительном фосфорилировании. Он увеличивает проницаемость внутренней митохондриальной мембраны, позволяя протонам, перенесенным в межмембранное пространство, возвращаться в митохондриальный матрикс.

oТермогенин активируется в клетках бурого жира жирными кислотами и ингибируется нуклеотидами.

o При активации симпатической

нервной системы высвобождается норадреналин – действует на β3-адренорецепторы.

oВо время прекращения термогенеза термогенин инактивируется, а остаточные жирные кислоты удаляются путем окисления, позволяя клетке вернуться к своему нормальному энергосберегающему состоянию.

+Эндокринная регуляция:

•Тиреоидные гормоны и адреналин – усиливаю окислительные процессы, увеличивая теплопродукцию

•Глюкокортикоиды на холоде усиливают действие адреналина,

Вопрос 3. Физические способы теплообмена тела человека с окружающей средой: излучение, кондукция, конвекция, испарение.

Физиологические механизмы регуляции теплоотдачи.

Физическая терморегуляция – совокупность физиологических процессов, ведущих к изменению уровня теплоотдачи. Различают несколько механизмов отдачи тепла в окружающую среду:

•Излучение (радиация) – отдача тепла в виде электромагнитных волн инфракрасного диапазона. Количество тепла, рассеиваемого организмом в окружающую среду излучением, пропорционально площади поверхности излучения (площади поверхности тела, не покрытой одеждой) и градиенту температуры.

o NB: также зависит от пигментации кожи. Темная кожа поглощает видимый свет, в т.ч. УФ

(вред), НО позволяет излучать тепло в инфракрасном спектре.

•Теплопроведение (кондукция) – способ отдачи тепла при непосредственном соприкосновении тела с другими физическими объектами, т.е. через материю. Пропорционально:

o разнице средних температур контактирующих тел o площади соприкасающихся поверхностей

o времени теплового контакта

o теплопроводности материала (у воды выше, чем у воздуха)

•Конвекция – теплоотдача, осуществляемая путём переноса тепла движущимися частицами воздуха (воды) – ветром, при перемешивании воздушных масс (нагретый слой воздуха поднимается и заменяется более прохладным воздухом). Ослабляется изолирующим эффектом одежды, обусловленным остающемся в ткани небольших воздушных пространств/прослоек => нарушение конвекции.

•Испарение – отдача тепловой энергии в окружающую среду за счёт испарения пота или влаги с поверхности кожи и слизистых дыхательных путей.

o Неощущаемая перспирация – испарение воды со слизистых дыхательных путей (через дыхание) и воды, просачивающейся через эпителий кожного покрова (Испарение с поверхности кожи. Оно идёт даже в случае, если кожа сухая).

o Ощущаемая перспирация – отдача тепла путём испарения пота. В среднем за сутки при комфортной температуре среды выделяется 400–500 мл пота, следовательно, отдаётся до 300 ккал энергии.

Испарение воды зависит от относительной влажности воздуха.

В насыщенном водяными парами воздухе (100%) вода испаряться может только при условии, пока температура кожи выше температуры окружающей среды

Эффективность способов теплоотдачи в зависимости от температуры окружающего воздуха

Регуляция теплоотдачи:

•Теплоотдача меняется в результате перераспределения крови в сосудах и при изменении объема циркулирующей крови.

•На холоде сосуды суживаются — уменьшение количества крови, циркулирующей через поверхностные сосуды, что способствует сохранению тепла во внутренних органах.

•Поведенческая терморегуляция: изменение положения тела для уменьшения поверхности теплоотдачи, когда холодно; когда жарко, наоборот, положение, при котором поверхность теплоотдачи максимально возрастает.

•Симпатическая регуляция: сужение сосудов / регуляция работы потовых желез

•Эндокринная регуляция: адреналин активирует симпатический отдел, пример – потоотделение при стрессе, страхе

Вопрос 5. Нервные механизмы терморегуляции: роль гипоталамуса, центральных и периферических терморецепторов, афферентных и эфферентных связей.

Терморегуляция – это совокупность физиологических процессов, деятельность которых направлена на поддержание относительного постоянства температуры ядра в условиях изменения температуры среды с помощью регуляции теплопродукции и теплоотдачи.

Соматическая нервная система – обеспечивает сократительный термогенез (см. вопрос 2) Симпатическая нервная система – мобилизация энергетических резервов: усиление гликогенолиза, липолиза, активация окисительных реакций в буром жире (вопрос 2)

Регуляция теплоотдачи: (см. вопрос 3)

•Поведенческая терморегуляция: изменение положения тела для уменьшения поверхности теплоотдачи, когда холодно; когда жарко, наоборот, положение, при котором поверхность теплоотдачи максимально возрастает.

•Симпатическая регуляция: сужение сосудов / регуляция работы потовых желез

•Эндокринная регуляция: адреналин активирует симпатический отдел, пример – потоотделение при стрессе, страхе

Пример:

•TRPV1 – является неселективным ионным каналом, способным пропускать ионы Ca2+. Он активируется капсаицином (компонентом, содержащимся в жгучем перце) и протонами (химический ожог кислотой), а также при температуре свыше 43°С. Субъективно активация этого рецептора ощущается как жжение или жгучая боль.

•TRPV8 – рецептор холода. Является неселективным ионным каналом для катионов, проницаемым для ионов кальция, и активируется ментолом. убъективно активация этого рецептора ощущается как холод или боль. Нейроны, содержащие рецепторы TRPM8, иннервируют роговицу глаза и способны детектировать небольшое понижение температуры роговицы, даже на 1 °С. Ответом на такое понижение будет слёзоотделение, которое рефлекторно возникает на морозе или на сильном ветру, вызывающем остывание роговицы из-за испарения жидкости. Тем самым холодовые рецепторы косвенным образом участвуют в поддержании физиологического уровня увлажнения роговицы

Проводниковый отдел

•От холодовых рецепторов идет передача импульсов по волокнам А и С, от тепловых по волокнам С.

•Температурные сигналы, исходящие от кожи лица, которые достигают гипоталамуса по проекционным путям хвостатого ядра тройничного нерва.

•Поступают в задние рога спинного мозга, образуют перекрест и 2 главных пути:

•Боковой спино-таламический – идет в ретикулярную формация -> в таламус -> в кору (обеспечивает осознание дискомфорта или комфорта; условно-рефлекторную реакцию – постцентральная извилина)

•Спино-ретикулярный путь – ретикулярная формацияталамус – гипоталамус (интегратор терморегуляции)

Центр терморегуляции

В терморегуляторном центре гипоталамуса обнаружены различные по функциям группы нервных клеток:

•термочувствительные нейроны преоптической области; соотношение тепловых и холодовых 6:1. реагируют на повышение температуры ядра

•клетки, задающие уровень поддерживаемой в организме температуры тела («установочная точка» терморегуляции) в переднем гипоталамусе;

•вставочные нейроны (интернейроны) гипоталамуса;

•эффекторные нейроны, управляющие процессами теплопродукции и теплоотдачи, в заднем гипоталамусе

Схема взаимодействия различных типов нейронов терморегуляторного центра гипоталамуса между собой и с кожными терморецепторами. Стимуляция тепловых рецепторов кожи (Рт) и гипоталамуса активирует процессы теплоотдачи в организме человека, а холодовых рецепторов (Рх) кожи и гипоталамуса — теплопродукции. Ин — интернейроны гипоталамуса.

Область гипоталамуса, которой адресованы сигналы от периферических терморецепторов, локализуется в задних отделах билатерально. Термосигналы, поступающие в преоптическую область переднего гипоталамуса, передаются в задний гипоталамус. Здесь сходятся сигналы из преоптической области и от терморецепторов всех областей тела. Потом сигналы суммируются и интегрируются, чтобы управлять теплопродукцией и теплоотдачей организма.