Развитие систем обмена веществ и их регуляции. Лекция: Регуляция обмена веществ и энергии

Качественный и количественный состав пищевых рационов должен обеспечивать потребность организма в веществах, из которых в его клетках и тканях могут синтезироваться собственные структуры, необходимые для процессов жизнедеятельности, приспособительных и защитных реакций. Исходным материалом для создания живой ткани и её постоянного обновления, а также единственным источником энергии для человека и животных являются органические и неорганические вещества, поступающие в организм вместе с пищей. Пища – сложная смесь органических и неорганических веществ, получаемых организмом из окружающей среды и используемых для построения и возобновления тканей, поддержания жизнедеятельности и восполнения расходуемой энергии. Энергетический эквивалент пищи Как биологическая особь человек относится к гетеротрофам, которые получают энергию, потребляя животную и растительную пищу. Она содержит готовые питательные вещества – белки, жиры, углеводы, минеральные элементы, воду и витамины. Количество энергии, выделяемой при окислении какого-либо соединения, не зависит от количества промежуточных этапов его распада, т.е. от того, сгорели ли оно или окислилось в ходе катаболических процессов. Запас энергии в пище определяется в калориметрической бомбе – замкнутой камере, погруженной в водяную баню. Точно взвешенную пробу помещают в эту камеру, наполненную чистым кислородом (О 2) и поджигают. Количество выделившейся энергии определяется по изменению температуры воды, окружающей камеру. При окислении: 1. 1 г углеводов выделяется 17,17 кДж (4,1 ккал); 2. 1 г жира выделяется 38,96 кДж (9,3 ккал); 3. 1 г белка выделяется 22,61 кДж (5,4 ккал). 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), а при окислении в организме – 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г). Разница приходится на ту энергию, которая выделяется при сжигании мочевины. Запасание энергии в форме жира является наиболее экономичным способом длительного хранения энергии в организме. Для поддержания процессов жизнедеятельности, приспособительных и защитных реакций питание должно обеспечивать не только энергетические, но и пластические потребности организма. С пищей организм получает вещества, необходимые для биосинтеза, обновления биологических структур. Энергия поступающих в организм питательных веществ преобразуется и используется для синтеза компонентов клеточных мембран и органелл клетки, для выполнения механической, химической, осмотической и электрической работы. Биологическая и энергетическая ценность пищевых продуктов определяется содержанием в них питательных веществ: белков, жиров, углеводов, минеральных солей, органических кислот, воды, ароматических и вкусовых веществ. Важное значение имеют такие свойства питательных веществ, как их перевариваемость и усвояемость. Потребность организма в пластических веществах может быть удовлетворена тем минимальным уровнем их потребления с пищей, который будет уравновешивать потери структурных белков, липидов и углеводов при поддержании энергетического баланса. Эти потребности индивидуальны и зависят от таких факторов, как возраст человека, состояние здоровья, интенсивность и виды труда. Принципы составления пищевых рационов Питание должно соответствовать потребностям организма в пластических веществах и энергии, минеральных солях, витаминах и воде, обеспечивать нормальную жизнедеятельность, хорошее самочувствие, высокую работоспособность, сопротивляемость инфекциям, рост и развитие организма. Исходя из концепции рационального сбалансированного питания, разработанной А.А. Покровским и другими учеными при составлении пищевого рациона (т.е. количества и состава продуктов питания, необходимых человеку в сутки) следует соблюдать ряд принципов: 1. Калорийность пищевого рациона должна соответствовать энергетическим затратам организма на все виды жизнедеятельности. 2. Необходимо учитывать питательную ценность пищевых веществ. В пищевом рационе должно содержаться оптимальное для данного индивидуума или профессиональной группы количество белков, жиров и углеводов, минеральных веществ, витаминов и воды. 3. Требуется соблюдать сбалансированность в пищевом рационе количества белков, жиров, углеводов и минеральных веществ. 4. Важно правильное распределение калорийности рациона по отдельным приемам пищи в течение суток в соответствии с биоритмами, режимом и характером труда и иных видов деятельности. 5. Применение методов технологической обработки, обеспечивающей удаление вредных веществ, не вызывающих уменьшение биологической ценности пищи, а также не допускающей образования токсических продуктов. 6. Обеспечение органолептических достоинств пищи, способствующих её перевариванию и усвоению. 7. Наличие в пищевом рационе пищевых волокон, способствующих выведению токсических продуктов распада из организма.

text_fields

text_fields

arrow_upward

В регуляции обмена веществ и энергии выделяют:

1. Регуляцию об­мена организма веществами и энергией с окружающей средой

2. Регуляцию метаболизма в самом организме.

Регуляция обмена организма с окружающей средой питательными веществами рассматривается в .

Вопросы регуляции водно-солевого обмена описаны в .

Регуляция обмена организма с окружающей средой теплом, как конечной формой превращения всех видов энергии, обсуждается в .

Поэтому здесь представлены общие вопросы нейрогуморальной регуляции обмена веществ и энергии в организме и, главным об­разом, регуляция метаболизма целостного организма.

Конечной целью регуляции обмена веществ и энергии является удовлетворение в соответствии с уровнем функциональной актив­ности потребностей целостного организма, его органов, тканей и отдельных клеток в энергии и разнообразных пластических веще­ствах. В целостном организме постоянно существует необходимость согласования общих метаболических потребностей организма с по­требностями клетки органа, ткани. Такое согласование достигается посредством распределения между органами и тканями веществ, поступающих из окружающей среды, и перераспределения между ними веществ, синтезирующихся внутри организма.

Обмен веществ, протекающий внутри организма, не связан пря­мыми способами с окружающей средой . Питательные вещества, прежде чем они смогут вступить в обменные процессы, должны быть получены из пищи в желудочно-кишечном тракте в молеку­лярной форме. Кислород, необходимый для биологического окисле­ния, должен быть выделен в легких из воздуха, доставлен в кровь, связан с гемоглобином и перенесен кровью к тканям. Скелетные мышцы, являясь в организме одним из мощных потребителей энер­гии, также обслуживают обмен веществ и энергии, обеспечивая по­иск, прием и обработку пищи. Непосредственное отношение к об­мену веществ и энергии имеет выделительная система. Таким об­разом, регуляция обмена веществ и энергии - это мультипараметрическая регуляция, включающая в себя регулирующие системы мно­жества функций организма (например, дыхания, кровообращения, выделения, теплообмена и др.).

Гипо­таламус - центр регуляции обмена веществ и энергии

text_fields

text_fields

arrow_upward

Роль центра в регуляции обмена веществ и энергии играет гипо­ таламус . Это обусловлено тем, что в гипоталамусе локализованы нервные ядра и центры, имеющие непосредственное отношение к регуляции голода и насыщения, теплообмена, осморегуляции. В гипоталамусе идентифицированы полисенсорные нейроны, реагиру­ющие сдвигами функциональной активности на изменения концент­рации глюкозы, водородных ионов, температуры тела, осмотического давления, т.е. важнейших гомеостатических констант внутренней среды организма. В ядрах гипоталамуса осуществляется анализ со­стояния внутренней среды организма и формируются управляющие сигналы, которые посредством эфферентных систем приспосаблива­ют ход метаболизма к потребностям организма.

Звенья эфферентной системы регуляции обмена

text_fields

text_fields

arrow_upward

В качестве звеньев эфферентной системы регуляции обмена ис­пользуется симпатический и парасимпатический отделы вегетатив­ной нервной системы . Выделяющиеся их нервными окончаниями медиаторы оказывают прямое или опосредованное вторичными по­средниками влияние на функцию и метаболизм тканей. Под управ­ляющим влиянием гипоталамуса находится и используется в каче­стве эфферентной системы регуляции обмена веществ и энергии - эндокринная система. Гормоны гипоталамуса, гипофиза и других эндокринных желез оказывают прямое влияние на рост, размноже­ние, дифференцировку, развитие и другие функции клеток. Гормоны принимают участие в поддержании в крови необходимого уровня таких веществ, как глюкоза, свободные жировые кислоты, мине­ральные ионы ().

Клетка как важней­шим эффектор, через который можно оказать регулирующее воз­действие на обмен веществ и энергии

text_fields

text_fields

arrow_upward

Обмен веществ (анаболизм и катаболизм), получение запасаемой в макроэргических связях АТФ энергии, выполнение различных ви­дов работ с использованием метаболической энергии - это, как правило, процессы, протекающие внутри клетки . Поэтому важней­шим эффектором, через который можно оказать регулирующее воз­действие на обмен веществ и энергии, является клетка органов и тканей. Регуляция обмена веществ заключается в воздействии на скорость биохимических реакций, протекающих в клетках.

Наиболее частыми эффектами регуляторных воздействий на клетку являются изменения:

1. Каталитической активности ферментов и их концентрации,

2. Сродства фермента и субстрата,

3. Свойств микросреды, в которой функционируют ферменты.

Регуляция активности фер­ментов может осуществляться различными способами . «Тонкая на­стройка» каталитической активности ферментов достигается посред­ством влияния веществ - модуляторов, которыми часто являются сами метаболиты. Этим способом осуществляется регуляция отдель­ных звеньев метаболических превращений. При этом модулятор может оказывать своей воздействие в отдельной или нескольких тканях организма.

Метаболизм клетки в целом невозможен без интеграции многих биохимических превращений и сама возможность его осуществления определяется энергетическим и окислительно-восстановительным потенциалом клетки . Эта общая интеграция метаболизма обеспечи­вается, главным образом, с помощью аденилатов, участвующих в регуляции любых метаболических превращений клетки.

Интеграция обмена белков, жиров и углеводов клетки осущест­вляется посредством общих для них источников энергии . Действи­тельно, при биосинтезе любых простых и сложных органических слоединений, марокмолекул и надмолекулярных структур в качестве общих источников энергии используется АТФ, которая поставляет энергию для процессов фосфорилирования, или НАД-Н, НАДФ-Н, поставляющие энергию для восстановления окислительных соедине­ний. Таким образом, если в клетке осуществлять синтез (анаболизм) определенных веществ, то он может происходить за счет затраты химической энергии одного из общих подвижных источников (АТФ, НАД-Н, НАДФ-Н), которые образуются при катаболизме других веществ (см.рис.10.1).

Рис.10.1. Схема основных функциональных блоков метаболизма клетки

За общий энергетический запас клетки, полученный в ходе ката­болизма и являющийся движущей силой разнообразных превраще­ний, конкурируют все анаболические и другие процессы, протека­ющие с затратой энергии. Так, например, осуществление глюкостатической функции печени, основанной на способности печени син­тезировать глюкозу из лактата и аминокислот (глюконеогенез), несо­вместимо с одновременным синтезом жиров и белков. Глюконеоге­нез сопровождается расщеплением в печени белков и жиров и окис­лением образующихся при этом жирных кислот, что ведет к осво­бождению энергии, необходимой для синтеза АТФ и НАД-Н, в свою очередь требующихся для глюконеогенеза.

Еще одним проявлением интеграции метаболических превращений белков, жиров и углеводов является существование общих предше­ственников и общих промежуточных продуктов обмена веществ . Это - общий фонд углерода, общий промежуточный продукт обме­на ацетил- КоА и другие вещества. Важнейшими конечными путями превращений, связующими метаболические процессы на различных этапах, являются цикл лимонной кислоты и реакции дыхательной цепи, протекающие в митохондриях. Так, цикл лимонной кисло­ты - главный источник СО 2 для последующих реакций глюконеоге­неза, синтеза жирных кислот и мочевины.

Механизм согласования общих метаболических потребностей организма с потребностями клетки

text_fields

text_fields

arrow_upward

Одним из механизмов согласования общих метаболических по­требностей организма с потребностями клетки являются нервные и гормональные влияния на ключевые ферменты .

Характерными осо­бенностями ключевых ферментов являются:

1. положение в начале того метаболического пути, к которому принадлежит фермент;

2. прибли­женность расположения или ассоциированность со своим субстра­том;

3. реагирование не только на действие внутриклеточных регуля­торов метаболизма, но и на внеклеточные нервные и гормональные воздействия.

Примерами ключевых ферментов являются гликогенфосфорилаза, фосфофруктокиназа, липаза. Их роль в процессах регуляции мета­болизма видна, в частности, при подготовке организма к «борьбе или бегству». При повышении в этих условиях в крови уровня адреналина до 10 -9 М он связывается с адренорецепторами плазма­тической мембраны, активирует аденилатциклазу, которая катализи­рует превращение АТФ в циклический АМФ. Последний активирует гликогенфосфорилазу, многократно усиливающую расщепление гли­когена в печени.

Процесс гликогенолиза в мышцах может одновременно активиро­ваться нервной системой и катехоламинами. Этот эффект достига­ется посредством выделения ионов Са ++ , его связывания с кальмодулином, являющимся субъединицей фосфорилазы, которая при этом активируется и приводит к мобилизации гликогена. Нервный меха­низм мобилизации гликогена осуществляется через меньшее число промежуточных этапов, чем гормональный. Этим достигается его быстродействие.

Удовлетворение энергетических потребностей организма посред­ством ускорения внутриклеточных процессов расщепления триглицеридов в жировой клетчатке достигается активацией гормончувствительной липазы. Повышение активности этого фермента (адренали­ном, норадреналином, глюкагоном) приводит к мобилизации сво­бодных жирных кислот, являющихся основным энергетическим суб­стратом окисления в мышцах при выполнении ими интенсивной и длительной работы.

Переход органов и тканей с одного уровня функциональной ак­тивности на другой всегда сопровождается соответствующими изме­нениями их трофики . Например, при рефлекторном сокращении скелетных мышц нервная система осуществляет не только пусковое действие, но и трофическое путем усиления в них местного кро­вотока и интенсивности обмена веществ. Увеличение силы сокра­щений миокарда под влиянием симпатической нервной системы обеспечивается одновременным усилением коронарного кровотока и метаболизма в мышце сердца. О влиянии нервной системы на тро­фику скелетных мышц свидетельствует тот факт, что денервация мышцы приводит к постепенной атрофии мышечных волокон. Важ­нейшее значение в осуществлении трофической функции нервной системы играет ее симпатический отдел. Через симпатоадреналовую систему достигается не только активация обмена веществ и энергии в клетке, но и создаются дополнительные условия для ускорения метаболизма. Норадреналин и адреналин, выброс которых в крово­ток возрастает при возбуждении симпатической нервной системы, вызывают увеличение глубины дыхания, расширяют мускулатуру бронхов, что способствует доставке кислорода в кровь. Адреналин, оказывая положительное инотропное и хронотропное действие на сердце, увеличивает минутный объем крови, повышает систоличес­кое артериальное давление. В результате активации дыхания и кро­вообращения возрастает доставка кислорода к тканям.

Концентрация глюкозы в крови как один из интегральных показателей внутренней среды, отража­ющим обмен в организме углеводов, белков и жиров

text_fields

text_fields

arrow_upward

Одним из интегральных показателей внутренней среды, отража­ющим обмен в организме углеводов, белков и жиров, является концентрация в крови глюкозы . Глюкоза является не только энер­гетическим субстратом, необходимым для синтеза жиров и белков, но и источником их синтеза. В печени происходит новообразование углеводов из жирных кислот и аминокислот.

Нормальное функционирование клеток нервной системы, мышц, для которых глюкоза является важнейшим энергосубстратом, воз­можно при условии, что приток к ним глюкозы обеспечит их энер­гетические потребности. Это достигается при содержании в литре крови у человека в среднем 1 г (0,8-1,2 г) глюкозы (рис. 10.3.).

Рис. 10.3 Система регуляции уровня глюкозы в крови

При снижении содержания глюкозы в литре крови до уровня менее 0,5 г, вызванном голоданием, передозировкой инсулина, име­ет место недостаточность снабжения энергией клеток мозга. Нару­шение их функций проявляется учащением сердцебиения, слабостью и тремором мышц, головокружением, усилением потоотделения, ощущением голода. При дальнейшем снижении концентрации глю­козы в крови указанное состояние, именуемое гипогликемией, может перейти в гипогликемическую кому, характеризующуюся угнетением функций мозга вплоть до потери сознания. Введение в кровь глю­козы, прием сахарозы, инъекция глюкагона предупреждают или ос­лабляют эти проявления гипогликемии.

Кратковременное повышение уровня глюкозы в крови (гипергли­кемия) не представляет угрозы для жизни, но может приводить к повышению осмотического давления крови.

В нормальных условиях во всей крови организма содержится около 5 г глюкозы. При среднесуточном потреблении с пищей взрослым человеком, занимающимся физическим трудом, 430 г углеводов в условиях относительного покоя, тканями ежеминутно потребляется около 0,3 г глюкозы. При этом запасов глюкозы в циркулирующей крови достаточно для питания тканей на 3-5 минут и без ее вос­полнения неминуема гипогликемия. Потребление глюкозы возрастает при физической и психоэмоциональной нагрузках. Так как пери­одический (несколько раз в день) прием углеводов с пищей не обеспечивает постоянного и равномерного притока глюкозы из ки­шечника в кровь, в организме существуют механизмы, восполня­ющие убыль глюкозы из крови в количествах, эквивалентных ее потреблению тканями. Механизмы с другой направленностью дей­ствия обеспечивают в нормальных условиях превращение глюкозы в запасаемую форму - гликоген. При уровне более 1,8 г в литре крови происходит выведение ее из организма с мочой.

Избыток глюкозы, всосавшейся из кишечника в кровь воротной вены, поглощается гепатоцитами. При повышении в них концентрации глюкозы активируется ферменты углеводного обмена печени, превращающие глюкозу в гликоген. В ответ на повышение уровня сахара в крови, протекающей через поджелудочную железу, возрас­тает секреторная активность В -клеток островков Лангерганса. В кровь выделяется большее количество инсулина - единственного гормона, обладающего резким понижающим концентрацию сахара в крови действием. Под влиянием инсулина повышается проница­емость для глюкозы плазматических мембран клеток мышечной жировой тканей. Инсулин активирует в печени и мышцах процессы превращения глюкозы в гликоген, улучшает ее поглощение и усво­ение скелетными, гладкими и сердечной мышцами. Под влиянием инсулина в клетках жировой ткани из глюкозы синтезируются жиры. Одновременно, выделяющийся в больших количествах инсулин тор­мозит распад гликогена печени и глюконеогенез.

Содержание глюкозы в крови оценивается глюкорецепторами пе­реднего гипоталамуса, а также его полисенсорными нейронами. В ответ на повышении уровня глюкозы в крови выше «заданного значения» (>1,2 г/л) повышается активность нейронов гипоталамуса, которые посредством влияния парасимпатической нервной системы на поджелудочную железу усиливают секрецию инсулина.

При понижении уровня глюкозы в крови уменьшается ее погло­щение гепатоцитами. В поджелудочной железе снижается секретор­ная активность В -клеток, уменьшается секреция инсулина. Тормо­зятся процессы превращения глюкозы в гликоген в печени и мыш­цах, уменьшается поглощение и усвоение глюкозы скелетными и гладкими мышцами, жировыми клетками. При участии этих меха­низмов замедляется или предотвращается дальнейшее понижение уровня глюкозы в крови, которое могло бы привести к развитию гипогликемии.

При уменьшении концентрации глюкозы в крови имеет место повышении тонуса симпатической нервной системы. Под ее влия­нием усиливается секреция в мозговом веществе надпочечников адреналина и норадреналина. Адреналин, стимулируя распад глико­гена в печени и мышцах вызывает повышение концентрации сахара в крови. По этому свойству адреналин является наиболее важным антагонистом инсулина среди других гормонов системы регуляции уровня сахара в крови. Например, норадреналин обладает слабовыраженной способностью повышать уровень глюкозы в крови.

Под влиянием симпатической нервной системы стимулируется выработка а-клетками поджелудочной железы глюкагона, который активирует распад гликогена печени, стимулирует глюконеогенез и приводит к повышению уровня глюкозы в крови.

Понижение в крови концентрации глюкозы, являющейся для ор­ганизма одним из наиболее важных энергетических субстратов, вы­зывает развитие стресса. В ответ на снижение уровня сахара крови глюкорецепторные нейроны гипоталамуса через рилизинггормоны стимулируют секрецию гипофизом в кровь гормона роста и адренокортикотропного гормона. Под влиянием гормона роста уменьшается проницаемость клеточных мембран для глюкозы, усиливается глюконеогенез, активируется секреция глюкагона, в результате чего уровень сахара в крови увеличивается. Гормон роста оказывает анаболические эффекты на обмен белков и жиров. Под его влия­нием увеличивается содержание белка, снижается количество экскретируемого азота, увеличивается концентрация в плазме свободных жирных кислот.

Секретируемые под действием адренокортикотропного гормона в коре надпочечников глкжокортикоиды активируют ферменты глюконеогенеза в печени и этим способствуют увеличению содержания сахара в крови. Одновременно под действием глюкокортикоидов уменьшается включение аминокислот в белки и увеличивается ско­рость выведения из организма азота. Глкжокортикоиды повышают эффективность липолиза в жировой ткани и мобилизации в кровь свободных жирных кислот.

Регуляция обмена веществ и энергии в целостном организме находится под контролем нервной системы и ее высших отделов . Об этом свидетельствуют факты условнорефлекторного изменения ин­тенсивности метаболизма у спортсменов в предстартовом состоянии, у рабочих перед началом выполнения тяжелой физической работы, у водолазов перед их погружением в воду. В этих случаях увели­чивается скорость потребления организмом кислорода, возрастает минутный объем дыхания, минутный объем кровотока, усиливается энергообмен.

Развивающееся при снижении в крови содержания глюкозы, сво­бодных жирных кислот, аминокислот чувство голода обусловливает поведенческую реакцию, направленную на поиск и прием пищи и восполнение в организме питательных веществ.

100 р бонус за первый заказ

Выберите тип работы Дипломная работа Курсовая работа Реферат Магистерская диссертация Отчёт по практике Статья Доклад Рецензия Контрольная работа Монография Решение задач Бизнес-план Ответы на вопросы Творческая работа Эссе Чертёж Сочинения Перевод Презентации Набор текста Другое Повышение уникальности текста Кандидатская диссертация Лабораторная работа Помощь on-line

Узнать цену

Регуляция обмена веществ осуществляется нервным и гуморальным путем. Интенсивность обмена веществ регулируется трофическими влияниями, которые осуществляются симпатическими и парасимпатическими нервами. Симпатические нервы повышают уровень обмена веществ в тканях, парасимпатические – понижают.

Обмен веществ регулируется нейронами гипоталамуса. Раздражение или разрушение нейронов этих ядер приводит к различным изменениям обмена веществ и энергии. Гипоталамус функционально тесно связан с корой головного мозга. Можно выработать условный рефлекс на изменение уровня обмена веществ, вызванное мышечной работой, повышением или понижением температуры окружающей среды. Такие условные рефлексы вырабатываются у человека и животных постоянно в естественных условиях жизни. Условнорефлекторные влияния на метаболизм осуществляются через гипоталамус и вегетативную нервную систему. В регуляции обмена веществ принимают участие базальные ганглии и мозжечок.

Нейроны ядер гипоталамуса, участвующие в регуляции обмена веществ, могут изменять свою активность рефлекторно при раздражении соответствующих рецепторных аппаратов, расположенных в самом гипоталамусе. Гипоталамус изменяет деятельность гипофиза, гормоны которого либо непосредственно, либо через другие железы внутренней секреции оказывают влияние на обмен веществ.

Так, гормоны гипофиза стимулирует инкреторную функцию щитовидной железы, коркового слоя надпочечников и половых желез. Соматропный гормон, выделяемый передней долей гипофиза, оказывает влияние на процессы белкового синтеза. Напротив, гормоны коры надпочечников обладают так называемым антианаболическим действием, заключающимся в том, что синтез и интенсивность превращений белков подавляются. Гормоны щитовидной железы – тироксин и трийодтиронин – резко повышает уровень обмена белков.

В регуляции обмена углеводов наиболее важная роль принадлежит гормону поджелудочной железы – инсулину. Этот гормон понижает уровень сахара в крови, так как обеспечивает проникновение глюкозы в клетки, в частности в клетки печени и мышц, где глюкоза откладывается про запас в виде гликогена.

На обмен жиров существенное влияние оказывают половые гормоны. Так, при угасании половых функций, как правило происходит избыточное отложение жиров. Повышение функции передней доли гипофиза способствует выходу жира из его депо.

Регуляция водно-солевого состава осуществляется центром, расположенным в гипоталамусе. В нем синтезируется антидиуретический гормон, который поступает в заднюю долю гипофиза, а затем в кровь. Уменьшение количества воды в организме приводит к возбуждению осморецепторов и как следствие к выходу антидиуретического гормона, что ведет к задержке воды в организме. В регуляции электролитного обмена важную роль играют гормоны коры надпочечника – минералокортикоиды. Они повышают выделение калия, вызывают задержку в организме натрия, увеличивают количество внеклеточной жидкости.

Центральной структурой регуляции обмена веществ и энергии яв­ляется гипоталамус. В гипоталамусе локализованы ядра и центры регуляции голода и насыщения, осморегуляции и энергообмена. В ядрах гипоталамуса осуществляется анализ состояния внутренней среды организма и формируются управляющие сигналы, которые посредством эфферентных систем приспосабливают ход метаболиз­ма потребностям организма. Эфферентными звеньями системы ре­гуляции обмена являются симпатический и парасимпатический от­делы вегетативной нервной системы и эндокринная система.

Обмен веществ и получение аккумулируемой в А ТФ энергии проте­кают внутри клеток. Поэтому важнейшим эффектором, через кото­рый вегетативная нервная и эндокринная системы воздействуют на обмен веществ и энергии, являются клетки органов и тканей. Регу­ляция обмена веществ заключается в воздействии на скорость биохимических реакций, протекающих в клетках.

Воздействие гипоталамуса на обмен белков осуществляется через систему гипоталамус-гипофиз-щитовидная железа. Повышенная продукция тиреотропного гормона передней доли гипофиза приво­дит к увеличению синтеза тироксина и трийодтиронина щитовидной железы, регулирующих белковый обмен. На обмен белков оказывает прямое влияние соматотропный гормон гипофиза.

Регуляторная роль гипоталамуса в жировом обмене связана с функцией серого бугра. Влияние гипоталамуса на обмен жиров опосре­довано изменением гормональной функции гипофиза, щитовидной

и половых желез. Недостаточность гормональной функции желез ведет к ожирению. Более сложные расстройства жирового обмена наблюдаются при изменении функций поджелудочной железы. В этом случае они оказываются связанными с нарушениями углевод­ного обмена. Истощение запасов гликогена при инсулиновой недо­статочности приводитк компенсаторному усилению процессов глюконеогенеза. Вследствие этого в крови увеличивается содержание кетоновых тел (бета - оксимасляной, ацетоуксусной кислот и аце­тона). Нарушение фосфолипидного обмена приводит к жировой ин­фильтрации печени. Лецитины и кефалины при этом легко отдают жирные кислоты, идущие на синтез холестерина, что в последующем обусловливает изменения, связанные с гиперхолестеринемией.

На углеводный обмен гипоталамус воздействует через симпатичес­кую нервную систему. Симпатические влияния усиливают функ­цию мозгового слоя надпочечников, выделяющего адреналин, кото­рый стимулирует мобилизацию гликогена из печени и мышц. Дей­ствие «сахарного» укола в дно IV желудочка продолговатого мозга также связано с усилением симпатических влияний. Главными гумо­ральными факторами регуляции углеводного обмена являются гор­моны коры надпочечников и поджелудочной железы (глюкокортикоиды, инсулин и глюкагон). Глюкокортикиоды(кортизон, гидро­кортизон) оказывают ингибирующее (тормозящее) воздействие на глюкокиназную реакцию печени, снижая уровень глюкозы в крови. Инсулин способствует утилизации сахара клетками, а глюкагон уси­ливает мобилизацию гликогена, его расщепление и увеличение со­держания глюкозы в крови.

В гипоталамусе расположены нервные центры, регулирующие вод­но-солевой обмен. Здесь же находятся и осморецепторы, раздражение которых рефлекторно влияет на водно-солевой обмен, обеспечивая постоянство внутренней среды организма. Большую роль в регуля­ции водно-солевого обмена играют антидиуретический гормон гипо­физа и гормоны коры надпочечников (минералкортикоиды). Гормон гипофиза стимулирует обратное всасывание воды в почках и умень­шает этим мочеобразование. Минералкортикоиды (альдостерон) действуют на эпителий почечных канальцев и повышают обратное всасывание в кровь натрия. Регулирующее воздействие на обмен воды и солей оказывают также гормоны щитовидной и паращитовид-ной желез. Первый увеличивает мочеобразование, второй способ­ствует выведению из организма солей кальция и фосфора.

Энергетический обмен в организме регулируется нервной и эндок­ринной системами. Уровень энергообмена даже в состоянии относи­тельного покоя может изменяться под влиянием условно рефлекторных раздражителей. Например, у спортсменов расход энергии повы­шается в предстартовом состоянии. Существенное влияние на уровень

энергообмена оказывают гормоны гипофиза и щитовидной желе­зы. При усилении функции этих желез величина его повышается, при ослаблении - понижается.

ВЫДЕЛЕНИЕ

Основной физиологической функцией выделительных процессов

является освобождение организма от конечных продуктов обмена ве­ществ, избытка воды, органических и неорганических соединений, т. е. сохранение постоянства внутренней среды организма.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ВЫДЕЛИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ

Выделительные функции у человека осуществляются многими органами и системами организма: почками, желудочно-кишечным трактом, легкими, потовыми, сальными железами и др. Через почки у человека удаляются избыток воды, солей и продукты обмена ве­ществ. Желудочно-кишечный тракт выводит из организма остатки пищевых веществ и пищеварительных соков, желчь, соли тяжелых металлов и некоторые лекарственные вещества. Через легкие выде­ляются углекислый газ, пары воды и летучие вещества (продукты распада алкоголя, лекарственные вещества). Потовые железы удаля­ют воду, соли, мочевину, креатинин и молочную кислоту; сальные железы - кожное сало, образующее защитный слой на поверхности тела. Ведущая роль в выделительных процессах и сохранении гомеостаза принадлежит почкам и потовым железам.

ПОЧКИ И ИХ ФУНКЦИИ

Почки выполняют целый ряд выделительных и гомеостатических функций в организме человека.

К ним относятся:

1) поддержание нормального содержания в организме воды, солей и некоторых ве­ществ (глюкоза, аминокислоты);

2) регуляция рН крови, осмотичес­кого давления, ионного состава и кислотно-щелочного состояния;

3) экскреция из организма продуктов белкового обмена и чужеродных веществ;

4) регуляция кровяного давления, эритропоэза и свертыва­ния крови;

5) секреция ферментов и биологически активных ве­ществ (ренин, брадикинин, простагландины и др.). Таким образом, почка является органом, обеспечивающим два главных процесса - мочеобразовательный и гомеостатический.

Основные функции почек осуществляются в н е ф р о н а х.

В каждой почке человека имеется около одного миллиона нефронов,

Рис. 22. Схема строения нефрона

А - нефрон;

1)- сосудистый (мальнигиев) клубочек,

2)- извитой каналец первого порядка,

3)- собирательная трубка

Б -тельце Шумлянского-Боумена;

1 - приносящий сосуд,

2 - выносящий сосуд,

3 - капиллярная сеть клубочка,

4)- полость капсулы,

5)- начало извитого канальца,

6) капсула Шумлянского-Боумена

являющихся ее функциональными единицами и включающими мальпигиево (почечное) тельце и мочевые канальцы.

М а л ь п и г и е в о тельце состоит из капсулы Шумлянского-Боумена, внутри которой находится сосудистый клубочек (рис. 22). В корковом слое расположено около 75% капсул и извитых каналь­цев. В пограничной зоне (между корковым и мозговым слоем) - юкстамедуллярная зона - располагаются остальные капсулы; изви­тые канальцы этого комплекса находятся у границы с почечной ло­ханкой. Юксамедуллярные нефроны отличаются от корковых неко­торыми особенностями в строении и кровоснабжении (одинаковый диаметр приносящих и выносящих артериол). Считают также, что кжстамедуллярный комплекс выполняет эндокринную роль (обра­зуется рении), стимулирует секрецию горомна альдостерона надпо­чечниками и регулирует водно-солевой баланс.

Капсула Ш у м л я н с к о г о-Б о у м е н а имеет форму двустенной чаши и образована вдавлением слепого расширенного конца мочевого канальца в ее просвет. Внутренняя стенка капсулы, состоящая из однослойного плоского эпителия, тесно соприкасается со стенками капилляров сосудистого клубочка, образуя базальную

фильтрующую мембрану. Между ней и наружной стенкой капсулы находится щелевидная полость, в которую поступает плазма крови, фильтрующаяся через базальную мембрану из капилляров клубочка.

Клубочек состоит из приносящей артерии, сложной сети артериальных капилляров и выносящей артерии. Диаметр выносящей артериолы меньше, чем приносящей, что способствует поддержанию в капиллярах клубочков относительно высокого кровяного давления.

Мочевые канальцы начинаются от щелевидной полости капсулы, которая непосредственно переходит в проксимальный (ка­налец первого порядка) извитой каналец. В некотором отдалении от капсулы проксимальный каналец выпрямляется и образует петлю Генле, переходящую в дистальный (каналец второго порядка) изви­той каналец, открывающийся в собирательную трубку. Собиратель­ные трубки проходят через мозговой слой почки и открываются на верхушках сосочков. Собирание конечной мочи происходит в почеч­ных лоханках, куда открываются почечные чашечки.

В обычных условиях через обе почки, составляющие лишь 0.43% массы тела человека, проходит около 25% объема крови, выбрасыва­емой сердцем. Кровоток в коре почки достигает 4-5 мл мин на 1 г ткани - это наиболее высокий уровень органного кровотока. Осо­бенность почечного кровотока заключается также втом, что несмот­ря на существенные колебания артериального давления, кровоток в почках остается постоянным. Это обусловлено специальной систе­мой саморегуляции кровообращения в них.

ПРОЦЕСС МОЧЕОБРАЗОВАНИЯ И ЕГО РЕГУЛЯЦИЯ

Согласно современным представлениям, образование конечной мочи является результатом трех процессов: фильтрации, реабсорбции и секреции.

Процесс фильтрации воды и низкомолекулярных компонентов плазмы через стенки капилляров клубочка происходит только в том случае, если давление крови в капиллярах (около 70 мм рт. ст.) превышает сумму онкотического давления белков плазмы (около 30 мм рт. ст.) и давления жидкости (около 20 мм рт. ст.) в капсуле клубочка. Таким образом, эффективное фильтрационное давление, определяющее скорость клубочковой фильтрации, состав­ляет около 20 мм рт ст.

Фильтрат, поступивший в капсулу Шумлянского-Боумена, со­ставляет первичную мочу, которая по своему содержанию отличается от состава плазмы крови только отсутствием белков. В сутки через почки человека протекает 1500-1800 л крови, и из каж­дых 10 л крови, проходящей через капилляры клубочков, образуется около 1 л фильтрата, что составляет в течение суток 150-180 лпервичной мочи.

Такая интенсивная фильтрация возможна только в усло­виях обильного кровоснабжения почек и при особом строении филь­трационной поверхности капилляров клубочка, в которых поддер­живается высокое давление крови.

Канальцевая реабсорбция или обратное всасы­вание происходит в извитых канальцах и петле Генле, куда посту­пает образовавшаяся первичная моча. Из 150-180 л первичной мочи реабсорбируется около 148-178 л воды. В почечных канальцах оста­ется небольшое количество жидкости- вторичная (конечная) м о ч а, с уточный объем которой равен около 1.5 л. Через собиратель­ные трубки, почечные лоханки и мочеточники она поступает в моче­вой пузырь. Такое значительное обратное всасывание объясняется тем, что общая суммарная площадь канальцев почек человека состав­ляет

40-50 м , а длина всех извитых канальцев достигает 80-100 км. Длина канальцев одного нефрона не превышает 40-50 мм. Реабсорбции подвергаются кроме воды многие необходимые для организма органические (глюкоза, аминокислоты, витамины) и неорганичес­кие (ионы К , Na , Ca , фосфаты) вещества.

Канальцевая секреция осуществляется клетками канальцев, которые также способны выводить из организма некото­рые вещества. Такие вещества слабо фильтруются или совсем не про­ходят из плазмы крови в первичную мочу (некоторые коллоиды, органические кислоты). Механизм канальцевой секреции состоит в том, что клетки эпителия нефрона захватывают названные вещества из крови и межклеточной жидкости и переносят их в просвет каналь­ца. Другой вариант канальцевой секреции заключается в выделении в просвет канальцев новых органических веществ, синтезированных в клетках нефрона (мочевина, мочевая кислота, уробилин и др.). Скорость каждого из этих процессов регулируется в зависимости от состояния организма и характера воздействия на него.

Регуляция мочеобразования осуществляется нейрогуморальным путем. Высшим подкорковым центром регуля­ции мочеобразования является гипоталамус. Импульсы от рецепто­ров почек по симпатическим нервам поступают в гипоталамус, где вырабатывается антидиуретический гормон (АДГ) или вазопрессин, усиливающий реабсорбцию воды из первичной мочи и являющийся основным компонентом гуморальной регуляции. Этот гормон по­ступает в гипофиз, там накапливается и затем выделяется в кровь. Повышение секреции АД Г сопровождается увеличением проницае­мости извитых канальцев и собирательных трубок для воды. Усилен­ная реабсорбция воды при недостаточном ее поступлении в организм приводит кснижениюдиуреза; моча при этом характеризуется высо­кой концентрацией находящихся в ней веществ. При избытке воды в организме осмотическое давление плазмы падает. Через осмо- и

ионорецепторы гипоталамуса и почек происходит рефлекторное снижение продукции АДГ и его поступления в кровь. В этом случае организм избавляется от избытка воды путем выделения большого количества мочи низкой концентрации. Существенное значение в гуморальной регуляции мочеобразования принадлежит гормону коры надпочечников альдостерону (из группы минералокортикоидов), который увеличивает реабсорбцию ионов Na и секрецию ионов К , уменьшая диурез.

Нервная регуляция мочеобразования выражена слабее, чем гумо­ральная, и осуществляется какусловнорефлекторным, так и безусловнорефлекторным путем. В основном она происходит благодаря рефлекторным изменениям просвета почечных сосудов под влия­нием различных воздействий на организм. Это ведет к сдвигам по­чечного кровотока и, следовательно, процесса мочеобразования. Условнорефлекторное повышение диуреза на индифферентный раздражитель, подкрепленное повышенным потребление воды, свидетельствует об участии коры больших полушарий в регуляции мочеобразования. Следует иметь в виду, что почки обладают высо­кой способностью к саморегуляции. Выключение высших корко­вых и подкорковых центров регуляции не приводит к прекраще­нию мочеобразования.

В процессе жизнедеятельности уровень метаболизма все время подвержен значительным колебаниям, обеспечивая наилучшие условия для выполнения приспособительных функций организма.

Точное соответствие изменений метаболизма потребностям организма достигается благодаря очень тонким регуляторным процессам. При этом регуляция обмена направлена главным образом на изменение интенсивности процессов ассимиляции и диссимиляции в клетках и тканях организма при выполнении ими специализированных функций, таких, напр., как секреция, мышечные сокращения, нервное возбуждение, а также при их росте и размножении. Регулирование этих процессов осуществляется по принципу саморегуляции. Определяющим моментом в этой деятельности всегда является тот уровень обмена внутри организма, который обеспечивает оптимальные условия для его жизнедеятельности. Во всех случаях, когда этот важный для деятельности организма уровень обмена веществ по тем или иным причинам изменяется, развивается целая цепь самых разнообразных процессов, направленных на его восстановление. Прежде всего, мобилизуются специальные резервы организма. Затем, когда эти резервы подвергаются угрозе полного израсходования, включаются механизмы потребления необходимых веществ из внешней среды. В случае, если из внешней среды необходимые вещества долгое время не поступают, клетки переходят на более экономный режим работы (сокращение потерь тепла вплоть до развития анабиотического состояния).

В организме можно выделить несколько уровней регуляции метаболизма. Регуляция обмена веществ происходит уже непосредственно в самих клетках и тканях организма. Здесь уровень обмена, обеспечивающий их пластические функции, прежде всего определяется генетическим аппаратом клеток. Вместе с тем, как показали исследования Ф. 3. Меерсона и сотр., генетический аппарат клетки, от которого зависит уровень ее обмена, не является консервативным, а, как правило, может изменяться при изменении интенсивности ее специализированной деятельности.

С другой стороны, регуляция внутриклеточного обмена веществ осуществляется также за счет изменения в клетках и тканях содержания различных веществ, участвующих в их жизнедеятельности (вода, глюкоза, жиры, белки, кислород, витамины и др.). Так, при уменьшении поступления кислорода к клеткам в них немедленно развиваются процессы анаэробного расщепления углеводов; при недостатке углеводов накапливаются кетоновые тела. Накопление в тканях молочной кислоты (нередкое при усиленной мышечной деятельности) также вызывает расстройства их нормальной жизнедеятельности. Установлено, что некоторые продукты промежуточного обмена (янтарная, фумаровая кислоты, креатин, АДФ и др.) обладают способностью повышать интенсивность окислительных процессов.

На уровень обмена в тканях существенное влияние могут оказывать и физические факторы (температура, радиация и т. д.). Они могут ускорить метаболизм или, наоборот, резко понизить его вплоть до развития состояния анабиоза (см.).

Несмотря на то что уровень обмена веществ в тканях исключительно хорошо регулируется на клеточном и молекулярном уровне, изменения метаболизма в интересах целого организма происходят только на основе гуморальной и нервной регуляции.

На обмен веществ целого организма оказывает отчетливое действие ряд гормонов. Так, напр., гормон щитовидной железы тироксин усиливает обмен белка. Соматотропный гормон гипофиза способствует росту тканей, адреналин (гормон надпочечников) и инсулин (гормон поджелудочной железы) влияют на обмен углеводов. На жировой обмен оказывают влияние гормоны гипофиза, половых желез, щитовидной железы, надпочечников и поджелудочной железы.

Нервная регуляция обмена веществ осуществляется преимущественно вегетативной нервной системой путем ее влияния как на железы внутренней секреции, так и непосредственно на обмен веществ в тех или иных органах (так называемое трофическое действие). Такие влияния впервые были показаны Гейденгайном (В. Р. Н. Heidenhain) на слюнной железе, в дальнейшем И. П. Павловым на сердце, Гинецинским - на поперечнополосатых мышцах (феномен Орбели - Гинецинского). Нервное влияние на углеводный обмен впервые было обнаружено Бернаром (С. Bernard) при уколе в дно IV желудочка (сахарный укол). При таком уколе количество глюкозы в крови резко возрастает. При некоторых повреждениях ствола мозга увеличиваются белковый обмен и выведение азота с мочой.

Нервные центры, оказывающие влияние на обмен, были обнаружены в гипоталамической области (см. Гипоталамус). При повреждении гипоталамуса многие авторы наблюдали у животных ожирение. Помимо этого, в гипоталамусе сосредоточен центр, регулирующий поступление питательных веществ из внешней среды. Именно здесь производится постоянная «оценка» количества поступающих в организм питательных веществ в соответствии с уровнем метаболизма, а также регулируется уровень энергетических расходов в связи с различной его деятельностью.

При поражениях гипоталамуса наблюдаются комплексные расстройства регуляции обмена, которые проявляются в изменении приема пищи, мышечной деятельности, основного обмена, нарушении функции депонирующих механизмов и т. д. При этом нередко наблюдаются такие патологические нарушения, при которых интенсивность метаболизма внутри организма перестает соответствовать количеству принимаемых извне веществ. В результате этого развиваются такие заболевания, как кахексия, ожирение.

Важно подчеркнуть, что уже гипоталамические механизмы обеспечивают регуляцию обмена с опережением реальных событий (П. К. Анохин). Так, центры гипоталамуса определяют значительное снижение расхода питательных веществ еще задолго до того, как будет исчерпан весь запас питательных веществ в организме. И, наоборот, эти же центры обусловливают резкое ускорение метаболизма во время приема пищи, когда питательные вещества еще не успели поступить в кровь. Опережающие последующую деятельность изменения метаболизма наиболее отчетливо выражены в целостной приспособительной деятельности организма. Она осуществляется уже регуляторными механизмами коры головного мозга. Примером таких опережающих последующие явления изменений метаболизма может служить предстартовое повышение обмена веществ у спортсменов, а также обнаруженные исследованиями школы К. М. Быкова опережающие движение поезда изменения метаболизма у железнодорожников. Все такого рода изменения обмена веществ и энергии развиваются путем неоднократных повторений определенных ситуаций и формируются на основе механизма условного рефлекса (см.).