2020-10-10
134
Обмен веществ.
Особенностью всех живых организмов является способность поддерживать гомеостаз, т.е. постоянство состава внутренней среды и физиологических функций. Живые организмы являются открытыми системами, т.е. они могут обмениваться с окружающей средой и энергией, и веществом, хотя корректнее назвать их стационарными системами (системы, которые обмениваются со средой энергией и веществом, но при этом количество веществ и энергии в системе остаётся относительно постоянным). Обмен веществ и энергии в совокупности принято называть метаболизмом. Внутренняя среда организма относительно постоянная, а вот внешняя среда переменчива, и она влияет на внутреннюю, так вот, чтобы внутренняя среда не менялась вслед за внешней, организм использует метаболизм, изменяет его адекватно изменениям внешней среды. Элементарный пример: вы находитесь на улице, похолодало, но температура вашего тела не изменилась, так как организм повысил катаболизм, чтобы ваше тело выделяло больше тепла, дабы не замёрзнуть (но это очень упрощённо, позже мы скажем, что в данном случае работает несколько механизмов). Мы говорили, что живой организм – это стационарная система (открытая система, поддерживающая гомеостаз), а это значит, что количество вещества и энергии в ней относительно постоянно, т.е. мы можем утверждать о существовании энергетического баланса. Остановимся на этом понятии. Энергетический баланс подразумевает, что сколько организм энергии потребляет, столько он её и расходует в норме, т.е. всю энергию, которую мы берём из окружающей среды, мы затем так или иначе возвращаем в окружающую среду. В каких формах у нас бывает энергия? Две основные формы (имеющие физиологический смысл/значимость): тепловая энергия и энергия химических связей. Как происходит обмен этими формами энергии между организмом и окружающей средой? Из внешней среды мы получаем обе формы. Окружающая среда способна нас нагревать различными путями (воздух, контакт с нагретыми телами, лучевая передача тепла посредством инфракрасного излучения), но доля этой энергии невысока и вариантов её использования, кроме как самого нагрева, у нас (у людей) нет. Куда больше мы получаем энергии из окружающей среды в виде энергии в химических связях в липидах, белках и углеводах, получаемых с пищей. Что наш организм делает с энергией, заключённой в химических связях? Это зависит от того, в каком направлении метаболизма пойдёт конкретное химическое вещество: если вещество идёт в анаболизм, т.е. на синтез чего-то сложного, то большинство связей и их энергию мы не трогаем, но если вещество пошло в катаболизм, то его связи будут разрушаться, с выделением энергии, часть энергии просто рассеивается в форме тепла, а другая часть идёт на образование макроэргических связей (АТФ чаще всего, но и не только), которые потом могут разрушаться для передачи энергии на какие-то нужды организма. Вывод, организм получает энергию из внешней среды преимущественно с пищей. Какие формы энергии и как отдаёт организм? Преимущественно организм отдаёт внешней среде энергию в форме тепла, которая выделяет в катаболизме и некоторых процессах, например, при мышечном сокращении (80% энергии от гидролиза АТФ рассеивается в форме тепла). Незначительную часть энергии мы возвращаем окружающей среде в форме энергии химических связей. Каким образом? Во-первых, некоторые вещества мы не расходуем, а просто теряем, например, у нас слезает кожа, а ведь это клетки, в которых много белка, в химических связях которого заключено много энергии. Во-вторых, наш организм выделяет некоторые продукты конечного обмена, в которых есть химические связи, богатые энергией, но наш организм просто неспособен её оттуда извлечь – нет у нас подходящих ферментов. Вывод, человек отдаёт энергию окружающей среде в форме тепловой энергии, освобождаемой в катаболизме и некоторых других процессах. Вопрос: мы говорили, что вещества могут поступать как в катаболизм, так и в анаболизм, значит ли это, что не все вещества попадают в катаболизм и что не всю энергию мы отдаём среде обратно? Нет. Как это работает? Дело в том, что пока одни вещества поступают в анаболизм, другие вещества в это время или позже поступят в катаболизм, или вещества, поступившие в анаболизм сейчас, позже поступят в катаболизм. Например, мы говорим, что количество аминокислот (как свободных, так и тех, что находятся в форме белка) постоянно, а значит, если мы получили с пищей 1000 аминокислот, то 1000 аминокислот поступят в катаболизм и высвободят из своих химических связей тепло. А тепло может сразу рассеяться во внешнюю, либо пойти на другие процессы, но, в итоге, всё равно выделится во внешнюю среду. Не обязательно именно те аминокислоты, что поступили с пищей, тут же пойдут в катаболизм. Нет. Это, например, в каких-то тканях разрушаются белки и их аминокислоты по тем или иным причинам (вступают в катаболизм), а на их место придут аминокислоты, которые мы получили с пищей – вот тут баланс сразу и веществ, и энергии. Какой же из этого всего можно сделать общий вывод? Преимущественно организм получает энергию из внешней среды в форме энергии химических связей молекул пищи (белки, жиры и углеводы), а отдаёт организм энергию во внешнюю среду преимущественно в форме тепловой энергии. Энергетический баланс предполагает, что количество потребляемой энергии с пищей должно соответствовать количеству энергии, которую человек расходует в ходе жизнедеятельности. Допустимо отличие двух этих параметров не более, чем на 10%. Что происходит при расхождении этих показателей? Если расходуется энергии больше, чем получается с пищей, то организм истощается, что приводит к нарушению метаболизма и функций органов, а если же мы с пищей получаем лишнюю энергию, то обычно это ведёт к набору лишнего веса. Из двух этих отклонений на самом деле более опасным является истощение организма, так как его сложнее компенсировать, и оно более многоплановое, чем набор лишнего веса с соответствующими патологиями. Т.е. нам принципиально важно соблюдать энергетический баланс, а энергетический баланс, как мы уже сказали, это соотношение двух величин – потребляемой с пищей энергии (энергопотребление) и расходуемой (энергозатраты) в процессах жизнедеятельности энергии. Чтобы две эти величины соотнести, их нужно как-то найти. А как? Начнём с расчёта энергии, содержащейся в потребляемой пище. А что мы вообще потребляем с пищей? Огромнейшее количество веществ: белки и аминокислоты, углеводы, липиды всех видов (простые и сложные, к простым относят высшие жирные кислоты, сфингазин, холестерол, к сложным относят глицеролипиды нейтральные жиры, глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды, гликосфинголипиды, эфиры холестерола), нуклеиновые кислоты, органические кислоты, огромный перечень ксенобиотиков (чужеродные вещества, не включающиеся в наш анаболизм и катаболизм, часть из них токсичны), огромный перечень миниральных веществ (натрий, калий, магний, кальций, цинк, марганец, кобальт, железо, медь, хлориды, гидрокарбонаты, сульфаты, сульфиты и тд), различные биологически активные вещества, витамины, минорные вещества (имеют биологическую роль в организме, но потребляются в крайне малых количествах, по природе как органические, так и неорганические). Но из этого нереально большого перечня веществ часть веществ либо не имеет связей, содержащих энергию, либо эти вещества содержат такую энергию, но наш организм не способен её использовать (нет подходящих ферментов), либо это вещество поступает в таких малых количествах, что при расчётах мы его не учитываем, исходя из этого мы понимаем, что реальными поставщиками энергии в наш организм из всего пищевого разнообразия являются белки, жиры (преимущественно это нейтральные жиры, т.е. триацаилглицериды ТАГ) и углеводы. Прежде, чем говорить о том, сколько где энергии, надо сказать, в чём она измеряется. Физики в основном используют для измерения тепловой энергии джоули, а в физиологии и медицине вообще принято использовать калории. Одна калория – это энергия, которая потребуется для нагрева 1 грамма воды на 1 градус Цельсия, такая единица измерения была создана в связи с применением метода прямой калориметрии, о котором мы поговорим позже. Так вот, было экспериментально проверено и подсчитано, что 1 г углеводов по энергетической ценности составляется 4,1 ккал, на 1 г жиров приходится 9,3 ккал, на 1 г белков приходится 4,1 ккал. Каким образом это проверили? В нашем организме почти во всех тканях аэробный обмен (с участием кислорода), а в тех тканях, где обмен анаэробный, выделяемые вещества выходят и отправляются в другие ткани, где вступают в аэробный обмен, например, вы мышцах при анаэробном гликолизе образуется молочная кислота как конечный продукт, она поступает в кровь, оттуда попадает, например, в сердце (хотя преимущественно в печень, конечно), там превращается в пируват и полностью окисляется. Т.е. грубо говоря, все вещества в нашем организме (во всяком случае белки, нейтральные жиры и углеводы) могут полностью окисляться до образования конечных продуктов метаболизма (углекислый газ и вода), т.е. катаболизм в теле человека аналогичен простому горению (там же тоже используется кислород, а конечные продукты углекислый газ и вода), поэтому, чтобы рассчитать энергетическую ценность белков, жиров и углеводов, их просто сожгли и померяли выделившуюся энергию. Но есть одно «но». Когда мы поджигаем белки и аминокислоты, то конечные продукты – это углекислый газ, вода и азот, но когда мы катаболизируем аминокислоты в организме, то конечные продукты – это углекислый газ, вода и аммиак, т.е. мы не всю энергию получаем из белков, поэтому 1 г белков при сгорании даёт энергии больше, чем 1 г углеводов, но в организме они дают одинаковое количество энергии. Итак, чтобы вычислить потребляемую с пищей энергию, необходимо посчитать во всей пище за сутки количество белков, жиров и углеводов, умножить их массы на их энергетическую ценность и сложить. Например, человек за сутки съел 90 г белка, 110 г жиров и 440 г углеводов. Рассчитываем его суточное энергопотребление 90 * 4,1 + 110 * 9,3 + 440 * 4,1 = 3196 ккал. На практике обычно для многих блюд энергетическая ценность высчитана заранее и указывается в количестве ккал на 100 г продукта, если продукт продаётся в готовом виде, эти данные есть на упаковке, если же продукт готовите вы сами, то узнать энергетическую ценность блюда вы можете в интернете – существуют сайты с огромными базами данных, где указывается не только энергетическая ценность блюда, но и содержание в нём всех веществ (помимо белков, жиров и углеводов, ещё миниральные вещества, эссенциальные элементы, минорные и тд), помимо этого, на сайтах указаны ингредиенты и их масса, так как именно они определяют состав веществ в блюде.
Как рассчитать суточный расход энергии в процессе жизнедеятельности (энергозатраты)? Это делается с помощью прямой и непрямой калориметрии. Как мы уже говорили, человек отдаёт энергию в окружающую среду преимущественно в форме тепловой энергии. Значит, чтобы измерить суточные энергозатраты, необходимо измерить всю тепловую энергию, выделяемую телом за сутки в ходе его нормальной жизнедеятельности – именно это мы делаем при прямой калориметрии. Какие есть варианты калориметрии? Первый вариант – это изолированная комната, в которой человек ведёт свою нормальную жизнедеятельность, выделяя тепло в окружающую среду, т.е. в комнату, а в стенах этой комнаты пролегают трубы с циркулирующей водой, которая нагревается от тепла человеческого тела. Помните, мы говорили, что одна калория это энергия, необходимая для нагрева 1 г воды на 1 г Цельсия? Так вот эта единица измерения как раз и была применена для прямой калориметрии, ибо основана на нагреве воды. Скажем прямо: метод недешёвый и неудобный. Существует другой способ прямой калориметрии – с помощью костюма, который тоже прогоняет по своим стенкам воду и замеряет её температуру, данный метод дешевле и проще, но всё равно не самый удобный. Как альтернатива прямой калориметрии была разработана непрямая. Она заключается в подсчёте суточного потребления кислорода и выделения углекислого газа с использованием ряда формул и коэффициентов. Почему данный метод имеет смысл? Мы говорили о том, что в нашем организме преимущественно протекает аэробный обмен, т.е. вещества окисляются полностью, выделяя энергию, аналогично обычному горению (но помним про поправку для аминокислот насчёт аммиака), т.е. используется кислород, образуется углекислый газ, вот они-то и характеризуют нам энергозатраты. Скажем иначе, мы можем записать наш катаболизм в форме общего уравнения: вещество + кислород = аммиак + вода + углекислый газ + энергия. У каждого пункта уравнения есть свой коэффициент, как и во всех химических реакциях, поэтому кислород, углекислый газ и энергия прямо пропорциональны, т.е. чем больше мы выделяем энергии, тем больше потребляем кислорода и выделяем углекислого газа, поэтому справедливо определять энергозатраты как по тепловой энергии, так и по кислороду с углекислым газом. Но энергия – это энергия, поэтому измерение тепловой энергии считается прямой калориметрией, а углекислый газ и кислород косвенно указывают на энергозатраты (мы не получаем готовое число по энергии, мы должны его высчитать, отталкиваясь от цифр по кислороду и углекислому газу), поэтому измерение кислорода и углекислого газа мы называем непрямой калориметрией. Как я и сказал, при прямой калориметрии мы сразу получаем цифры по суточным энергозатратам, а вот при непрямой калориметрии мы получаем цифры по кислороду и углекислому газу, а от них нужно найти цифры по энергии путём математических расчётов. Так вот вы должны уметь (во всяком случае по программе) уметь проводить данные расчёты. Этим и займёмся. Начинается всё со спирометрических данных. Допустим, за 3 минуты человек выдохнул 20 литров воздуха, в выдохнутом воздухе доля кислорода составила 17,18%, а углекислого газа 3,03%, во вдыхаемом же воздухе доля кислорода составляла 20,81%, а углекислого газа 0,04%. Что нам дают эти цифры? Мы видим, что доля кислорода в воздухе уменьшилась (20,81 – 17,18 = 3,63), т.е. из всего воздуха, который попадает в лёгкие, только 3,63% приходится на кислород, который «усваивается» лёгкими. Углекислого же газа стало больше (3,03 – 0,04 = 2,99), т.е. столько его мы выделяем. Что нам дают эти проценты? С их помощью мы можем посчитать дыхательный коэффициент, для этого дельту углекислого газа делим на дельту (дельта = разница) кислорода 2,99: 3,63 = 0,82. По таблице (она есть в методичке/интернете, поэтому я её вам не привожу) находим, что дыхательному коэффициенту ДЦ 0,82 соответствует кислородный эквивалент кислорода КЭК 4,825. КЭК показывает, сколько энергии выделяет организм, при использовании в метаболизме 1 литра кислорода. Ну и теперь, имея КЭК, для получения данных об энергозатратах нам нужно узнать лишь количество кислорода, использованное организмом за сутки. Как это сделать? В начале расчётов мы говорили, что подопытный выдохнул 20 л воздуха за 3 минуты, значит, за 1 час он выдохнет 400 л воздуха (20 л за 3 минуты, а в часе 60 минут, т.е. в 20 раз больше, поэтому 20 * 20 = 400), а за сутки (24 часа) объём воздуха составит 9600 л. Также до этого мы вычислили, что процент «усваиваемого» кислорода составляет 3,63% от всего воздуха, т.е. за сутки подопытный потребил 9600 * 0,0363 = 348 л кислорода. Ну и вот наконец, чтобы получить суточную энергозатрату мы КЭК умножим на суточное потребление кислорода 4,825 * 348 = 1679,1 ккал/сут. Однако есть очень важное «но»! мы говорили, что при прямой калориметрии человек целые сутки находится в комнате и занимается обычной жизнедеятельностью, а в данном примере непрямой калориметрии мы замер проводили в течение 3 минут, причём подопытный не выполнял какой-либо физической работы. Видите разницу? Данные совсем не одинаковые получатся. Первый метод учитывает наши энергозатраты при всех видах деятельности в течение дня, а второй только в покое (т.е. лежать и не двигаться). И вот отсюда мы выходим на классификацию энергозатрат и видов обмена. Существуют управляемые и неуправляемые энергозатраты. К неуправляемым (мы их не можем регулировать) относится основной обмен ОО и специфическое динамическое действие пищи СДДП. К управляемым (мы можем регулировать) мы относим физическую активность. Разберём каждое понятие. Основной обмен – это количество энергии, которое тратит наш организм на поддержание жизнедеятельности в полном покое! Т.е. это самый минимальный наш расход. Как раз непрямая калориметрия и позволяет нам измерить основной обмен, так как подопытный находится в покое, а прямая калориметрия позволяет измерить полные суточные энергозатраты, поэтому если вы используете непрямую калориметрию, вам придётся воспользоваться дополнительными расчётами для выведения полных суточных энергозатрат, которые складываются из основного обмена, специфического динамического действия пищи и физической активности. Специфическое динамическое действие пищи подразумевает, что для пищеварения конкретных видов пищи приходится тратить энергию, а именно, энергию на моторику ЖКТ, энергию на синтез пищеварительных соков и их секрецию (синтез ферментов и углеводов слизи, везикулярный транспорт), энергию на всасывание (ряд веществ требует активного транспорта), уровень СДДП зависит от количества и состава съеденной пищи, но общепринятое значение СДДП определяется как 10% от значения основного обмена. Кстати основной обмен вовсе не обязательно измерять, так как уже давно было проведено множество измерений и были составлены таблицы, в которых, зная рост, пол и возраст исследуемого, можно узнать значение его основного обмена. Ну и физическая активность характеризует энергозатраты скелетной мускулатуры. Как её вычислять? Существует два способа: один простой, а второй индивидуализированный. В обоих случаях мы используем коэффициент физической активности КФА, но в первом случае мы берём общий коэффициент, исходя из группы труда, а во втором случае мы анализируем суточный распорядок дня, считаем продолжительность каждого типа деятельности, для каждой из которых есть свой КФА. Как всем этим пользоваться? Разберёмся на примерах. Если мы пользуемся первым способом (простым), то мы умножаем значение основного обмена на коэффициент физической активности (так как энергозатраты при физической активности у нас пропорциональны основному обмену, поэтому два человека с разной массой тела при пробежке на равное расстояние с равной скоростью потратят разное количество энергии, вот поэтому физическую активность мы характеризуем не конкретным количеством калорий, а коэффициентом) и прибавить специфическое динамическое действие пищи, т.е. ОО * КФА + СДДП = суточные энергозатраты. Например, допустим, мужчина 25 лет массой 65 кг, по таблице (интернет/методичка) его ОО составит 1670 ккал/сут, тогда СДДП (10% от ОО) составит 167 ккал/сут, допустим, его группа труда вторая, значит, КФА равен 1,6, тогда суточные энергозатраты составят 1670 * 1,6 + 167 = 2839 ккал/сут. Как видите, всё довольно просто. Второй группе труда соответствуют студенты медицинских вузов. Но давайте скажем прямо: студенты-то неодинаковые – одни на учёбу тратят минимум времени и в основном развлекаются сидя, другие же много времени тратят на учёбу, долго стоя едут в общественном транспорте, а утром совершают пешую прогулку. Одинаковые у них энергозатраты? Нет, не совсем. Вот поэтому и придуман второй, более индивидуализированный способ подсчёта. Как считать? Мы анализируем отдельно каждый вид деятельности с собственным временем и КФА, затем суммируем и добавляем СДДП. Пример. Тот же испытуемый, значит, ОО составляет 1670 ккал/сут, а СДДП 167 ккал/сут. Подопытный спит 7 часов в сутки, КФА для этого вида деятельности равен 1. Данные ОО прадставлены в ккал/сут, а мы говорим о часах, поэтому придётся делить ОО на 24 и умножать на длительность вида деятельности. Тогда 1670: 24 * 7 * 1 = 487 ккал. Отдых сидя занимает 2 часа, КФА составляет 1,2. Тогда 1670: 24 * 2 * 1,2 = 167 ккал. Приём пищи (по сути это тоже активная физическая деятельность) составляет 1 час, КФА равен 1,5. Тогда 1670: 24 * 1 * 1,5 = 104 ккал. Учёба занимает 12 часов, КФА 1,4. Тогда 1670: 24 * 12 * 1,4 = 1169 ккал. Езда в транспорте (стоя) 2 часа, КФА 1,7. Тогда 1670: 24 * 2 * 1,7 = 237 ккал. Итого, по всем видам деятельности сумма 487 + 167 + 104 + 1169 + 237 = 2164 ккал. Но есть ещё СДДП, равное 167 ккал/сут. Общие суточные энергозатраты составят 2164 + 167 = 2331 ккал/сут. Как видите, данные расчётов в двух методах могут отличаться, ибо в первом методе мы используем общий КФА, а во втором методе мы используем частные КФА, чтобы данные были более точными для конкретных испытуемых. Но для первого способа мы сказали, что КФА определяется в соответствии с группой труда. Что это за группы труда? Всего их 5, они характеризуют степень тяжести труда и, соответственно, уровень энергозатрат, основываясь на массе переносимого груза, дальности переноса груза, позы и частоте. Вы должны знать каждую группу труда и уметь её характеризовать. Первая группа труда предусматривает сидячую работу без переноса грузов, примеры профессий: студенты гуманитарных вузов, учителя, программисты; КФА = 1,4. Вторая группа труда предусматривает наличие двигательной активности с периодическим переносом лёгких (хотя это когда как) грузов, примеры профессий: студенты медицинских вузов, продавцы (да-да, им тоже приходится ходить, плюс они постоянно работают руками, речь идёт о продавцах в супермаркетах, т.е. о тех, которые постоянно занятые), большинство врачей терапевтической направленности; КФА = 1,6. Третья группа труда предполагает постоянный перенос грузов средней тяжести, примеры профессий: хирурги, водители маршруток, железнодорожные рабочие; КФА = 1,9. Четвёртая группа труда предполагает постоянный перенос тяжёлых грузов, примеры профессий: строители, металлурги, проходчики; КФА = 2,2. Пятая группа труда предполагает сверх тяжёлые длительные нагрузки, можно даже сказать, экстримальные, примеры профессий: спасатели, шахтёры, водолазы; КФА = 2,5.
Примечания ко всему выше описанному. Понятие «переносимого» груза можно заменить на «напряжённость физической нагрузки». Выполнять работу, предполагающую КФА выше 3,0, опасно для здоровья. На данный момент считается, что женщины не допускаются к профессиям 5-й группы труда, хотя вот водолазами им уже давно можно работать, например. суточный (общий) энергообмен складывается из основного обмена, специфического динамического действия пищи и из фиизческой активности. Факторы, влияющие на основной обмен: суточные колебания (ночью он снижается) и температура (чем ниже температура, тем выше основной обмен, дабы мы не замёрзли, но если все возможности организма истощены, и он начинает охлаждаться, то основной обмен падает). Факторы, влияющие на общий суточный обмен: температура и суточные колебания (через основной обмен), пища (через СДДП), физические нагрузки. А для чего мы определяем суточный обмен или суточные энергозатраты? Это необходимо для того, чтобы понять, какая калорийность должна быть в нашем суточной рационе питания, так как необходимо поддерживать энергетический баланс. Как мы уже говорили, сильные изменения соотношения между энергопотреблением и энергозатратами могут приводить к снижению массы тела и присоединению определённых заболеваний (заболевания недостаточного питания) или к повышению массы тела и присоединению определённых заболеваний (заболевания избыточного питания). Т.е. соблюдая энергетический баланс, мы предупреждаем развитие определённых заболеваний. Таково значение определения суточных энергозатрат и составления суточного энергопотребления с достижением энергетического баланса для гигиены (гигиена занимается профилактикой заболеваний и не только). С точки зрения медицины также важно предупреждать развитие заболеваний, поддерживая энергетический баланс, однако существует ряд заболеваний, требующих изменения массы тела, требующих изменения энергетического баланса. Например, у больных ожирением низкокалорийная диета, т.е. их суточное энергопотребление должно быть ниже суточных энергозатрат, а для составления рациона определённой калорийности надо посчитать суточное энергопотребление пациента или суточный обмен. Другой пример, больные туберкулёзом, напротив, нуждаются в диете с повышенной калорийностью.
В гигиене и в медицине вообще существует такое понятие, как состояние питания. Состояние питания – комплексная характеристика здоровья, состояния структур, функций, адаптационных резервов организма, сформированных под действием фактического питания и генетически обусловленных особенностей метаболизма. Другими словами, состояние питания – состояние здоровья, обусловленное нашим питанием и частично наследственностью, но в основном питанием. Т.е. наше питание влияет на наше здоровье, кстати очень серьёзно влияет, а это значит, что для поддержания нормального здоровья человеку необходимо рациональное питание (синонимы: сбалансированное, оптимальное, здоровое, правильное – но лучше называть рациональным), т.е. физиологически полноценное питание здорового человека с учётом его пола, возраста, возрастной группы, трудовой группы, климатических и иных факторов. Пола у нас два, возрастные группы 18-29 лет, 30-39 лет, 40-59 лет, трудовых групп 5, и мы их обсуждали. Что касается климата, то он на самом деле сильно влияет, например, в жарких странах температура воздуха часто не сильно отличается от температуры тела, а потому основной обмен снижен (отпадает необходимость нагревать тело), зато потребности в воде и минеральных веществах повышена, так как повышено потоотделение. У оптимального питания есть 6 основных принципов: энергетическая сбалансированность, соответствие физиологическим потребностям, соответствие ферментативным возможностям организма, режим питания, безопасность пищи, оптимальные органолептические свойства. Под оптимальными органолептическими свойствами понимается привлекательность пищи, т.е. её вкус (у всех разные вкусы, но здесь имеется ввиду, что вкус у продукта должен быть характерный), вид, даже сервировка – согласитесь, что картошка фри и котлета по-киевски с небольшой «лужей» кетчупа рядом (для картошки) смотрятся явно лучше, чем если бы мы поместили их в блендер и перемололи. Под безопасностью пищи мы подразумеваем токсическую и эпидемиологическую. С точки зрения эпидемиологии в пище содержание ряда патогенных и условно патогенных микроорганизмов не должно превышать определённый уровень, чтобы они не вызвали заболеваний, полностью исключить обсеменение пищи микроорганизмами не представляется реальным (микробы всюду), точнее пищу возможно полностью лишить микробов при особой обработке, но во время потребления пищи или приготовления она точно будет обсеменена. С токсикологической точки зрения ряд веществ не должен превышать определённые нормы, но здесь есть одно «но». Ксенобиотики – чужеродные вещества, не вступающие в нашем организме в анаболизм или катаболизм. Многие ксенобиотики относительно безвредны, их концентрации в пище гораздо ниже предельно допустимых, но в пище часто далеко не один ксенобиотик, а много, очень много, и потребляем мы их десятилетиями, и это оказывает определённый эффект, особенно на печень, которая занимается их обезвреживанием, так что вопрос безопасности пищи не такой простой, как может показаться. Соответствие пищи ферментативным способностям организма подразумевает, что в ЖКТ должны присутствовать ферменты, которые расщепляют всё в пище, что расщеплять необходимо, плюс для веществ, которые всасываются в кишечнике должны нормально функционировать ферменты, отвечающие за их дальнейшую судьбу, если какие-то из этих ферментов повреждены, их активность снижена или утрачена, либо же клетки, секретирующие эти ферменты, не функционируют, то при составлении рациона питания это надо учесть. Приведу примеры на проблемы с ферментами, секретируемыми в ЖКТ, и с ферментами, отвечающими за дальнейшую судьбу всасываемых веществ. У многих взрослых людей снижается активность бета-гликозидазного комплекса, отвечающего за гидролиз лактозы (молочный сахар), поэтому если эти люди выпьют молока или любые продукты, содержащие лактозу (а таких много), то в тонком кишечнике лактоза не гидролизуется, не всасывается, попадает в толстый кишечник (в норме такого происходить не должно), там бактерии начинают её по-своему катаболизировать, выделяя множество газов, которые приводят к метеоризму, болезненным спазмам, а сама лактоза притягивает в кишку много воды, ибо является осмотически активным веществом, что обуславливает диарею. Т.е. эти людям нельзя есть продукты, содержащие лактозу, хотя сама по себе лактоза не вредна и не токсична. Что касается ферментов, отвечающих за дальнейшую судьбу всасываемых веществ, то можно привести пример фенилкетонурии. Аминокислота фенилаланин в нашем организме используется в синтезе белка, но большая её часть превращается в тирозин с помощью фенилаланингидроксилазы, причём фенилаланин не может полностью катаболизироваться без превращения в тирозин. При фенилкетонурии данный фермент неактивен (мутация, энзимопатия), поэтому большая часть фенилаланина идёт по минорному пути и превращается в фенилпируват, фениллактат, фенилацетат – данные вещества крайне токсичны для ЦНС, если данная болезнь не обнаружена после родов, то ребёнок очень быстро начнёт отставать в умственном развитии, очень быстро, у взрослых менее тяжёлая симптоматика, так как ЦНС у них уже сформированная, но, тем не менее, им приходится соблюдать диету. Больным фенилкетонурией запрещено принимать продукты, богатые фенилаланином, хотя сам по себе фенилаланин не вреден и не токсичен. Остальные три принципа (энергетическая сбалансированность, соответствие физиологическим потребностям и режим питания) непосредственно относятся к нашей программе. С энергетическим балансом мы уже разобрались выше (суточное энергопотребление должно соответствовать суточным энергозатратам, допустимые отклонения не более 10%). А вот на соответствии фактического питания физиологическим потребностям мы остановимся поподробнее. Напоминаю вам, что метаболизм это не только обмен энергией, но ещё и веществом между организмом и окружающей средой. Нам важна не только энергетическая составляющая питания, но и качественная! Почему это так? Дело в том, что многие элементы пищи в нашем организме обладают конкретными функциями, а не только энергетической, более того, некоторые вещества (витамины, минералы, минорные вещества) вообще не обладают энергетической функцией, но крайне необходимы нашему организму. А, следовательно, должны существовать физиологические нормы потребления всех питательных веществ (белков, жиров, углеводов, эссенциальных элементов, миноров, витаминов, минералов, биологически активных веществ). И действительно, существуют справочные материалы (в учебниках, методичках, интернете), в которых указаны нормы потребления тех или иных веществ. Из всех перечисленных групп веществ норма для большинства из них относительно постоянна, а вот для белков, жиров и углеводов нормы меняются в зависимости от ряда параметров (пол, возраст, трудовая деятельность и некоторые иные факторы). У белков, жиров и углеводов существует такая особенность, что они частично могут превращаться друг в друга, но лишь частично. Что это означает на практике? То, что недостаточное или избыточное потребление одного из трёх компонентов влияет на другие. Приведём примеры для ясности. Если в организм поступает излишек углеводов, то они превращаются в нейтральные жиры (подробности на биохимии), вот только сжигаются жиры преимущественно при истощении запасов углеводов (это состояние сопровождается чувством голода и усталости), т.е. набирать жир гораздо проще, чем сжигать. А в случае явной нехватки углеводов в организме включается липолиз и бета-окисление жирных кислот, т.е. используются жиры (ну и пускай, их у нас много, хотя если это делать в течение долгого времени, то есть риск кетацидоза, о чём вы подробно узнаете из курса биохимии), вот только не все ткани готовы питаться жирными кислотами и кетоновыми телами (липиды) – мышцы и мозг требуют глюкозу (хотя мозг может есть немного кетоновые тела, но, тем не менее, нуждается очень в глюкозе), чью запасы истощены, тогда печень включает глюконеогенез (синтез глюкозы из неуглеводных компонентов, в основном из аминокислот), т.е. количество белка и аминокислот в организме уменьшается. Вот поэтому белки, жиры и углеводы должны не только соответствовать норме, но они ещё должны находиться друг с другом в определённом соотношении (если соотношение нарушается, то одни вещества начинают превращаться в другие, что нарушает обмен веществ в целом и в долгосрочной перспективе ведёт к развитию заболеваний). Нормы потребления белков, жиров и углеводов приведены в таблице ниже.
А соотношение белков, жиров и углеводов вы можете высчитать из этой таблицы, дополнительно сообщаю, что нормы данных соотношений в 3 месячном возрасте 1:3:6, в 6 месячном 1:2:5, в возрасте года 1:1,2:4,6. При высчитывании соотношения помните, что по порядку сначала ставятся белки, затем жиры, затем углеводы, белки принимаются за единицу. Из таблицы видно, что потребности организма, особенно в белке понижаются, но это касается только белков, жиров и углеводов, нуждаемость в остальных пищевых элементах не понижается с возрастом. Ещё очень важным моментом является тема эссенциальных элементов. Что это такое? Это вещества из классов аминокислот, углеводов и липидов, которые в нашем организме не синтезируются, а получаются только с пищей, т.е. недостаток этих веществ в пище не может быть компенсирован другими веществами пищи, поэтому данные вещества нуждаются в отдельных нормах, т.е., например, мы должны потреблять 100 г жира в день, но при этом 30% точно должно быть растительным жиром, так как тот содержит незаменимые жирные кислоты. Какие вещества относятся к эссенциальным? Незаменимые аминокислоты (валин, лейцин, изолейцин, метионин, фенилаланин, триптофан, треонин, лизин), среди углеводов пищевые волокна (пектин и целлюлоза, их функции мы обсуждали на теме пищеварения), среди липидов это незаменимые жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая и другие полиненасыщенные жирные кислоты). Особое внимание уделим белкам. Существуют полноценные и неполноценные белки. Полноценные белки содержат все незаменимые аминокислоты в нормальном соотношении, неполноценные же содержат не все или и вовсе не содержат, ну или соотношение совсем не то. Ещё существует важное понятие – азотистый баланс, отражающий состояние обмена азота в нашем организме. Азот в нашем организме преимущественно содержится в аминокислотах и белках, поэтому азотистый баланс характеризует белковый обмен. Если поступление азота в организм равно его выведению, то принято говорить об равновесии азотистого баланса, что наблюдается в норме. Если же выделяется из организма азота больше, чем поступает, то мы говорим об отрицательном азотистом балансе – организм теряет белки в следствие какого-то тяжёлого заболевания (чаще инфекционного). Если же потребление азота превышает его выделение, то мы говорим о положительном азотистом балансе, которое наблюдается при интенсивном росте, беременности, восстановлении после тяжёлых болезней.
Из всего выше сказанного может возникнуть закономерный вопрос: а как же соблюсти все физиологические нормы, если их перечень столь сложен и велик? Нам в этом плане, конечно, очень повезло, ибо этот вопрос решён – учёные разработали пирамиду здорового питания, которая гласит, что 33% от нашего рациона должны составлять крупы, картофель, хлеб, макароны и тому подобное, 16,5% на овощи, 16,5% на фрукты, 12% на молоко и его производные, 15% на мясо, курицу и рыбу (рыбу желательно потреблять не слишком часто), остальные 7-8% приходятся на кондитерские изделия и снеки. Если вы составите свой рацион в соответствии с этой пирамидой (её так назвали, потому что схема рисуется в форме пирамиды), то вы будите получать все вещества в необходимом количестве, ибо конкретные категории продуктов богаты конкретными веществами, а вместе в правильном соотношении они друг друга полностью взаимодополняют и создают оптимальный рацион.
И последний принцип рационального питания, который мы не разобрали, режим питания. Режим питания – устойчивый стереотип регулярного потребления разнообразных пищевых продуктов. Режим подразумевает, что у вас должно быть конкретное количество приёмов пищи в определённое время суток, с определёнными интервалами между приёмами пищи и с определённой калорийностью на каждом приёме пищи. Зачем это нужно? Если вы принимаете пищу каждый день в одно и то же время, то секреция в желудок и двенадцатиперстную кишку (из печени и поджелудочной железы) рефлекторно будет начинаться примерно в это время, т.е. ваш ЖКТ будет заранее готов к приёму пищи, что повышает качество пищеварения и щадит органы ЖКТ. Почему важно соблюдать интервалы между приёмами пищи и иметь 3-4-х разовое питание? Дело в том, что во время бодрствования даже в пустом желудке происходит секреция желудочного сока, если такие этапы будут затягиваться, то это чревато болезнями желудка и 12-кишки, поэтому время между приёмами пищи должно быть не слишком большим. Почему важно правильно распределять калорийность по приёмам пищи (средний уровень на завтрак, высокий уровень на обед, низкий на ужин)? Дело в том, что мы наиболее физически активны утром и днём, но утром наша активность ниже, да и работоспособность ЖКТ чуть ниже, поэтому на обед мы едим больше, чем на завтрак, а вот после ужина у нас минимальная физическая активность, поэтому много есть нерекомендовано, ведь потребляемые вещества не расходуются, а накапливаются и взаимопревращаются.
При составлении рациона питания необходимо руководствоваться 6 принципами рационального питания, описанными выше. Это вся основная информация по теме физиологии питания и метаболизма. Однако напоследок я предлагаю разобрать одну простую задачу, которую часто спрашивают на занятиях и экзамене. Вам дано: мужчина 20 лет массой 65 кг 2-й трудовой категории; необходимо рассчитать его суточную потребность в белках, жирах и углеводах, не пользуясь соответствующей таблицей. Как решать? Пользуясь другой таблицей мы можем рассчитать суточные энергозатраты. ОО 1670 ккал/сут, СДДП 167 ккал/сут, КФА 1,6, суточные энергозатраты 1670 * 1,6 + 167 = 2839 ккал/сут. Суточное энергопотребление должно составлять 110% от суточных энергозатрат. Почему? Потому что не вся пища, которую мы потребляем, усваивается (часть недопереваривается), значит, 2839 * 1,1 = 3123 ккал/сут. Как перейти от калорий к веществам? Насколько вы помните, 1 г углеводов равен 4,1 ккал, 1 г белка равен 4,1 ккал, 1 г жира равен 9,3 ккал, а соотношение б:ж:у при данных поле, возрасте и трудовой группе 1:1,16:5,14. Тогда через калорийность можем найти значение массы белка, а от неё и углеводы с жирами. 1 * 4,1 + 1,16 * 9,3 + 5,14 * 4,1 = 36 ккал (округлил). Дальше суточные 3123 делим на 36 и получаем 86,75 г белка, жир 86,75 * 1,16 = 100,63 г, углеводы 86,75 * 5,14 = 445,90 г. Примечания: расчётные данные могут расходиться с данными таблиц, иногда СДДП включают в ОО, тогда из расчётов СДДП вы убираете, но для этого вам надо уточнить, учитывают ли таблицы основного обмена специфическое динамическое действие пищи в источнике в интернете или у преподавателя.
Терморегуляция.
А теперь перейдём к такому интересному вопросу, как терморегуляция.
Одной из составляющих гомеостаза является температура тела. Причём мы говорили, что все показатели гомеостаза в норме должны быть равны не конкретному числу, а промежутку, для температуры тела этот промежуток составляет от +36,0 до +36,9 градусов Цельсия (в связи с индивидуальными особенностями у некоторых людей температура тела ниже), незначительный и непродолжительный выход за эти пределы относительно безопасен для нас, однако сильные и длительные отклонения довольно опасны. Почему нашему организму так важно поддерживать температуру на определённом уровне? В основе жизнедеятельности лежит метаболизм, метаболизм – это совокупность всех химических реакций в нашем организме, причём практически все реакции ферментативные. А, как вы помните из курса биохимии, для всех ферментов существует температурный оптимум (максимальная актвиность большинства ферментов достигается в диапазоне от +36,5 до +38,5 градусов Цельсия), отклонения от этого оптимума приводит к заметному снижению активности ферментов, а вместе с этим снижается и скорость реакций, т.е. снижается и весь метаболизм, а сниженный метаболизм не способен обеспечивать нам нормальную жизнедеятельность. Почему выход за данные температурные пределы приводит к снижению активности ферментов? Чем ниже температура, тем выше энергия активации, тем сложнее запустить реакцию и тем она медленнее протекает (чтобы молекулы вступили в реакцию, они должны обладать определённой энергией, которую мы обычно выражаем температурой, т.е. для нормального реагирования вещество должно быть достаточно нагретым). Если же мы повышаем температуру, выходя за рамки оптимума, то ферменты начинают денатурировать, т.е. их структура нарушается, а с ней и каталитическая активность, без которой реакции протекают слишком медленно. Вот поэтому нашему организму жизненно необходимо поддерживать определённую температуру тела. Однако вы скажете, что большинство животных холоднокровные. Да, действительно, но и уровень их метаболизма ниже, их физическая активность ниже (а если не ниже, то им приходится есть больше нашего), плюс они зависят от окружающей среды, а вот наша физическая активность часто выше, да и мы способны поддерживать температуру тела выше окружающей, а это значит, что мы нуждаемся в более интенсивном метаболизме, который требует более высокой температуры тела. Кстати ещё принято такое выражение в физиологии и биохимии в вопросах гомеостаза как «константа». Буквально это слово переводится как «постоянная», которая означает, что значение конкретного параметра (в нашем случае температуры) должно в норме постоянно находиться в определённом численном интервале (в нашем случае от +36,0 до +36,9 градусов Цельсия). Константы бывают жёсткими и не жёсткими, жёсткие константы имеют относительно узкие числовые промежутки, отклонение от которых действительно крайне нежелательно, а у не жёстких констант отклонения случаются часто.
Каким образом обеспечивается постоянная температура тела, из чего она складывается? В нашем теле всегда протекают процессы теплопродукции и теплоотдачи. Почему? В ходе большинства наших реакций выделяется тепловая энергия, плюс мы говорили, что всю поглощённую из окружающей среды энергию мы отдаём обратно в форме тепловой энергии, т.е. наше тело постоянно продуцирует тепло – теплопродукция – и так как метаболизм у нас никогда не останавливается, то и теплопродукция тоже не останавливается. Потери тепла нашим телом тоже неизбежны (теплоотдача), потому что если мы не будем отдавать энергию, то мы её будем накапливать (ведь её продукция неостановима, как мы уже сказали), тогда наш организм перегреется до летального исхода, поэтому наше тело беспрерывно осуществляет теплоотдачу, что кстати происходит во многом потому, что окружающая среда обычно менее нагрета, чем наше тело, поэтому мы отдаём ей тепло по законам термодинамики (да, бывает такое, что среда нагрета больше нас, но мы всё равно отдаём свою тепловую энергию, чтобы не копить тепло, с помощью потоотделения, но об этом позже). Итак, мы пришли к тому, что в нашем теле постоянно протекают процессы теплопродукции и теплоотдачи, поддержания между ними определённого баланса обеспечивает нам поддержание постоянной температуры тела. А теперь подробнее поговорим о механизмах теплопродукции и теплоотдачи.
Теплопродукция – выработка тепла. В целом все ткани вырабатывают тепло, так как в них оно выделяется в ходе катаболизма. Однако существуют органы, которые тепла выделяют существенно больше, чем остальные, поэтому именно их ассоциируют с эффекторами теплопродукции (печень, мышцы, бурый жир). Печень является центральным органом в метаболизме белков, липидов и углеводов, т.е. уровень метаболизма в ней заметно выше, чем в большинстве тканей, плюс она очень большая и обильно кровоснабжается, т.е. печень – это буквально обогреватель, через который пропускают кровь и отправляют по всему телу. Уровень метаболизма и, соответственно, количество вырабатываемого ею тепла можно регулировать. Очень серьёзным источником тепла являются мышцы, так как при сокращении мышц от гидролиза АТФ только 20% энергии идёт на сокращение, а 80% рассеивается в форме тепловой энергии, поэтому мышцы сильно греют тело, именно поэтому нам становится жарко во время пробежки (если интенсивно и долго) и поэтому на холодной улице мы дрожим (это ведь сокращение мышц, которое не меняет наше положение в пространстве, но ведёт к выработке «спасительного» тепла. Что касается бурой жировой ткани, то принято считать, что она имеется у младенцев в основном, однако уже существуют данные о том, что у людей, часто пребывающих на холоде, часть обычной жировой ткани трансформируется в бурую, которая направлена не на депонирование жиров, а на сжигание жиров преимущественно для получения именно тепловой энергии. Все перечисленные механизмы теплопродукции (термогенеза) мы относим к группе химических механизмов.
Теплоотдача подразумевает переход тепловой энергии от тела к окружающей среде. Какие вообще существуют способы передачи тепла? Их четыре: прямой контакт, конвекция, лучевой и испарение. Согласно законам термодинамики, более нагретое тело отдаёт энергию (тепло) менее нагретому телу. При прямом контакте два предмета непосредственно соприкасаются и обмениваются энергией (например, вы сели своим тёплым задом на холодный пол и начали передавать ему свою тепловую энергию, а сами тем временем охлаждаться). При конвекции ваше тело отдаёт тепло менее тёплому (чем ваше тело) воздуху. Что касается лучевого пути, все тела в нашей вселенной нагреты (так как их температура выше нуля по Кельвину), а потому они излучают инфракрасное (тепловое) излучение, которое может передавать тепло от более нагретого тела к менее нагретому. Что касается испарения с поверхности тела (и лёгких), то при испарении жидкости с поверхности ей требуется энергия, чтобы перейти из жидкого состояния в газообразное, эту энергию она забирает из поверхности, на которой находится, тем самым её охлаждая (ведь она забирает тепловую энергию). Каждый из этих способов теплоотдачи важен. Приведём примеры. Конвекция вам знакома больше всего – на улице холодный воздух, вам холодно. Пример прямого контакта: на улице в самом деле тепло, вас ничто не беспокоит, но вы долго сидите на холодной бетонной плите – скорее всего, вы кое-что застудите в следствие переохлаждения конкретного участка тела. Пример лучевой передачи тепла: вы находитесь на металлургическом заводе, температура воздуха +27 градусов по Цельсию, это тепло, но не критично, однако ваш организм при долгом пребывании там очень серьёзно перегревается, потому что рядом с вами находятся огромные ёмкости с тоннами жидкого металла с температурой выше +1000 градусов Цельсия, эти объекты излучают колоссальные дозы инфракрасного излучения, которое с лёгкостью перенагревает ваш организм, правда это не пример теплоотдачи, а просто пример лучевой передачи тепла. Пример испарения: вы гуляете по пляжу в плавках и без одежды, дует ветерок, вам хорошо, но вот вы окунулись в воду, выходите на берег, и при этом ветерке вам не очень хорошо – вы околеете, ибо вода с поверхности кожи испаряется, забирая тепло. Примечательно, что наше тело может реагировать на нагревание/охлаждение посредством испарения, конвекции и прямого контакта, но на лучевую передачу наше тело не реагирует, так как у нас нет рецепторов инфракрасного излучения, поэтому лучевая передача тепла для нас может быть очень опасна, ибо мы её не замечаем. Ну а какие же механизмы в нашем организме способны регулировать теплоотдачу, а не просто пассивно отдавать? Вообще мы используем два механизма: испарение (пота на коже, жидкости в просветах альвеол) и перераспределение крови. С испарением всё уже более-менее понятно, деятельность потовых желёз кожи, секреции в лёгкие и уровень лёгочной вентиляции регулируются нервной системой. А что с кровью? А кровь – это такая жидкость, которая проходит практически через все ткани организма, а сосуды регулируют кровенаполнение тканей. Какие-то ткани нагреваются, а какие-то охлаждаются, причём в разной степени, а кровь позволяет им обмениваться тепловой энергией между собой. Как это происходит? Допустим, вам очень жарко, вашим органам угрожает перегрев, а вот на коже происходит активное потоиспарение – кожа холодная. Кожа холодная, органы горячие – что произойдёт? Сосуды кожи заметно расширяются (человек краснеет), чтобы горячая кровь от органов обильно поступала к коже, в ней остужалась, и холодненькая возвращалась к органам. А если на улице очень холодно, то кровоснабжение конечностей снижается, чтобы кровь в них сильно не остужалась. Но это значит, что тело на морозе по сути жертвует конечностями. В угоду чего? В угоду внутренним органам, так называемому ядру. А почему такие приоритеты? А потому, что в конечностях у нас только кости, мышцы, сухожилия, кожа и тд, если их переохладить, то ничего критичного, не считая обморожения при слишком длинных сроках, не произойдёт, но если у нас охлаждаются органы, то их функция резко спадает, а они нам вообще-то очень нужны (ну вы вот представьте, что сердце вдруг охладилось и стало биться в 2 раза медленнее – беда). Таким образом, в теплоотдаче мы выделяем три основных механизма, и относим мы их к группе физических (ибо основаны на физических явлениях, а не химических).
Вот мы обсудили поддержание постоянной температуры, а теперь пришло время поговорить именно о терморегуляции. Откуда вообще берётся нужда в регуляции? мы уже говорили, что температуру необходимо постоянно поддерживать на определённом уровне. А почему нельзя навсегда установить на одном уровне теплопродукцию и теплоотдачу? А дело в том, что условия и внешней, и внутренней среды меняются, поэтому для сохранения постоянной температуры приходится изменять деятельность органов, ответственных за теплопродукцию и теплоотдачу. Чтобы вы понимали, о чём речь, приведём такие примеры. Вы бежите 400 метров с относительно высокой скоростью, при этом ваши мышцы работают ну очень интенсивно (кстати с мышцами часто заодно работает печень, так как мышцы выделяют в кровь молочную кислоту как конечный продукт анаэробного гликолиза/гликогенолиза, а печень эту кислоту поглощает и синтезирует из неё глюкозу, которая возвращается в мышцы, что, с одной стороны, энергетически обеспечивает мышцы поддержкой, а, с другой стороны, утилизирует кислоту, предохраняя кровь от ацидоза – кислота же), поэтому теплопродукция неизбежно повышается, причём сильно, в ответ на это нервной системе просто придётся адекватно повысить теплоотдачу путём потоотделения, появление жидкости в альвеолах лёгких, чтобы эти жидкости испарялись и охлаждали эти ткани, в которых будут расширены сосуды, чтобы горячая кровь от мышц и печени в них охлаждалась. Ну так и как же температура регулируется? У человека на поверхности кожи (экзорецепторы) и внутри организма (эндорецепторы) имеются терморецепторы, причём терморецепторы не общие – они подразделяются на холодочувствительные и теплочувствительные, т.е. настроены на разные диапазоны температуры. Информация со всех терморецепторов поступает в гипоталамус, где находится центр терморегуляции, который регулирует деятельность органов, отвечающих за теплопродукцию и теплоотдачу, помимо этого, информация о температуре поступает в кору больших полушарий головного мозга, чтобы те придумали, какое поведение поможет человеку спастись от перегрева. Гормоны в некоторой степени также могут регулировать температуру нашего тела, например, у взрослых людей тиреоидные гормоны (гормноны щитовидной железы) активируют катаболизм, повышая теплопродукцию, поэтому у людей с гипертиреозом наблюдается постоянно повышенная температура. И раз мы сказали о регуляции температуры, а та является важной физиологической константой, то нам необходимо обсудить функциональную систему регуляции температуры тела человека.
Схема вам может показаться очень большой и сложной, но если вы разобрались в предыдущем теоретическом материале, то понять её вам не составит труда. Как и во всех функциональных системах, в этой есть объект, рецептор, ЦНС с нервными центрами, эндокринная система, поведенческая регуляция и вегетативная регуляция. Как мы говорили, функциональные системы обычно отличаются объектом регуляции и элементами/эффекторами вегетативной регуляции. как запомнить, что писать в вегетативной регуляции? мы говорили, что определённое значение температуры достигается за счёт баланса между теплопродукцией и теплоотдачей. Теплопродукция обеспечивается преимущественно скелетной мускулатурой, печенью и бурой жировой тканью – вот их и напишем. А вот теплоотдачу мы осуществляем испарением на кожи, в лёгких и путём перераспределения крови. Т.е. какие органы нам следует указать? Испарение пота на коже – потовые железы. Испарение в лёгких подразумевает, что лёгочная ткань должна секретировать жидкость, а инспираторные мышцы должны повысить уровень вентиляции лёгких, чтобы эта жидкость испарялась. Перераспределение крови – путём изменения тонуса сосудов и увеличением интенсивности деятельности сердца, которое необходимо, чтобы кровь быстрее циркулировала между кожей, лёгкими и нагретыми органами, например. Т.е. согласитесь, не сложно. Про ЦНС (центр в гипоталамусе, кора больших полушарий) мы говорили, даже про эндокринную систему сказали (тиреоидные гормоны), а вот про поведенческую регуляцию и метаболизм скажем чуть подробнее. Метаболизм и объект регуляции всегда взаимны. Чем интенсивнее метаболизм в ткани, тем сильнее она нагревается – влияние метаболизма на температуру. Чем ниже температура и холоднее ткань, тем в ней ниже метаболизм (увеличена энергия активации – химические реакции протекают медленнее) – влияние температуры на метаболизм. А вот поведение, направленное на регуляцию температуры может быть самым разнообразным: если вам очень холодно, вы можете поджать ноги к груди, обхватив их руками, чтобы уменьшить площадь тела, отдающую тепло среде; если вам слишком жарко, то вы можете уйти в тень, искупаться в водоёме и тд – способов море.
Ну и последнее, о чём нужно поговорить в этой теме – это о том, что происходит, если наше тело не смогло удержать температуру в нормальных пределах, т.е. гипертермия (повышенная температура) и гипотермия (пониженная температура).
Гипотермия. Причины у неё бывают разные, чаще всего это переохлаждение человека внешней средой, реже гипотермия обусловлена определёнными заболеваниями, связанными с патологическим снижением метаболизма. Чем опасна гипотермия? Если она значительная, то затронет внутренние органы, их функции будут сильно нарушены, хотя это обратимо до определённого момента. Также холод угнетает нервную систему, все рефлексы замедляются. При сильной, но очень постепенной гипотермии можно снизить жизненные показатели до нуля на два часа (по сути анабиоз), после чего человека можно согреть и восстановить жизненные показатели (такую процедуру проводят при некоторых операциях, в том числе, на сосудах головного мозга, оперирование на которых в обычном состоянии угрожает их разрывом), если же лимит в 2 часа превышен, то существует вероятность, что к жизни вы человека не вернёте. Но чаще на практике мы сталкиваемся с другим эффектом – с иммунным. Что это значит? Вокруг нас и внутри нас (внутри полостей органов, сообщающихся со внешней средой, имеется ввиду, хотя иногда и в крови и тканях) содержится огромное разнообразие микроорганизмов (в основном вирусы и бактерии), из них немало патогенных и условно патогенных. Но наша иммунная система их успешно сдерживает, не даёт им проникать, куда не надо, и размножаться. Что может маленькая кучка микробов против нашего иммунитета? Но, когда у нас стойкая гипотермия, метаболизм в иммунной системе замедлен, её эффективность сильно падает, а вот для бактерий всё не сильно меняется в плане метаболизма, ибо они рассчитаны на такие температуры – у них потребности ниже, поэтому, пока иммунная система дремлет, микробы размножаются, проникают, начинают активную деятельность, потом мы нормализуем температуру, иммунитет просыпается, начинает бороться с микробами, а их-то уже стало много – они сильнее, поэтому иммунной системе ещё придётся догонять микробов, а пока она их догонит, те успеют запустить ряд патологических процессов – вот так развиваются болезни, связанные с гипотермией и иммунитетом (но это я прям очень упростил, но суть такая).
Гипертермия. Может быть обусловлена не патологическими процессами, например, высокими физическими нагрузками, когда теплопродукция столь высока, что теплоотдача не справляется. Бывает и такое, что потовые железы закупорены (некоторые антиперсперанты обладают таким эффектом), тогда у нас будет дефицит теплоотдачи, ибо не будет происходить выделения и испарения пота, но для этого надо не только подмышки обрызгать, но и почти всё тело (находились такие гении). Перегрев тела может быть обусловлен окружающей средой (тропики, пустыни), если температура воздуха на уровне или выше температуры тела, то единственное спасение – испарение пота (ну и жидкость в альвеолах), но это вскоре приводит к потере жидкости и электролитов, поэтому если вы не пополняете их недостаток, то потоотделение снижается, и вы перегреваетесь. Чем обусловлены патологические гипертермии? Чаще всего это различные болезни (преимущественно инфекционные), организм специально повышает температуру, чтобы ускорить метаболизм иммунной системы, однако повышение температуры выше +38,5 градусов по Цельсию уже опасно и бесполезно для метаболизма, но в следствие избыточной реакции температура может повышаться до +41 градуса и выше, что уже смертельно опасно, такую температуру, конечно, срочно нужно понижать. Как мы уже говорили, чрезмерное повышение температуры чревато денатурацией белков, нарушения метаболизма и функций всех органов, в том числе и мозга, что проявляется в нарушении сознания (бред, например).
Отдельно хотелось бы отметить пользу закаливания. Человеческую способность в терморегуляции можно развивать. Можно и нужно. Пример: человек всегда одевается по погоде, т.е. привык, что всегда тепло, необходимости в развитии адаптации системы терморегуляции нет, поэтому система работает в малом диапазоне, поэтому человек приспособлен к перепадам температуры в 4-6 градусов Цельсия, но если человек по воле случая будет вынужден сидеть в холодном помещении, на сквозняке, пребывать на холодной улице без подходящей одежды, то у него однозначно разовьётся гипотермия, на фоне которой вполне возможно заболевание по механизму, описанному выше; но если человек долгое время систематически сообщал себе дискомфортные, но умеренные дозы холода, то его система терморегуляции была вынуждена адаптироваться и научиться реагировать в диапазоне уже 10-12 градусов, т.е. если такой человек попадёт в холодное помещение или на сквозняк, то его организм отреагирует, значительно поднимет теплопродукцию, компенсирует охлаждение и гипотермии может и не случиться, либо произойдёт, но в меньшей степени. Вот такой вот фокус. Но на этом преимущества не кончаются, не только система терморегуляции расширяет свои возможности – сама иммунная система адаптируется к работе в условиях низкой температуры (например, если при низкой температуре метаболизм снижен в 2 раза, то можно просто увеличить число клеток или только генетического материала в 2 раза – вот вам и компенсация, т.е. иммунитет работает нормально при низкой температуре, а при нормальной температуре он работает ещё эффективнее (генетического материала стало же больше), но это такой крайне абстрактный пример чисто для вашего понимания, реальные же механизмы со всеми тонкостями вы изучите на курсе микробиологии и иммунологии) и становится более эффективной. Помимо этого, чтобы не замерзать, ваш организм сжигает больше жиров и углеводов, т.е. это необычный способ похудеть. Ну и помимо этого, повышенный метаболизм (возникает для увеличения теплопродукции при защите от холода) позволяет органам работать эффективнее и регулярно обновлять свои структуры, что вообще-то очень хорошо, особенно для немолодых людей (у немолодых людей метаболизм снижен, структуры клеток и тканей обновляются реже, поэтому повреждения накапливаются в органах и снижают эффективность их работы). В общем закаливание (грамотное и при условии, что человек изначально здоров) очень полезно во многих планах.
На этом всё о терморегуляции.
