Тема 6. Фізіологія обміну речовин та енергії

1.         Обмін білків, вуглеводів і жирів в організмі людини

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

3.         Видільна функція нирок

4.         Енергетичний баланс людини і методи його дослідження

5.         Температура тіла та система терморегуляції

6.         Механізми терморегуляції. Функції потових залоз. Види   потовиділення

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Функції вітамінів:

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

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

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

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

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

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

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

3.          Видільна функція нирок.

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

Механізм сечоутворення складається з двох етапів: 1) фільтрація - оскільки приносна артерія є ширшою, ніж виносна, то в капілярах клубочків утворюється фільтраційний тиск (60-70 мм рт. ст.), що зумовлює фільтрацію плазми крові з капілярів у капсулу - ця первинна сеча відрізняється  від плазми крові відсутністю білків; 2) реабсорбція - у звивистих канальцях відбувається зворотнє всмоктування в кров води і необхідних організму речовин (утворюється вторинна сеча). Реабсорбція речовин залежить від їх концентрації в крові.

Процес реабсорбції здійснюється в основному проти градієнта концентрації речовин, тому потребує використання енергії АТФ. Якщо припинити доступ О₂ до нирок, то процес реабсорбції припиняється, а фільтрація продовжується.

Регуляція діурезу: 1) інтенсивність фільтрації залежить від рівня артеріального тиску і кровопостачання нирок; 2) інтенсивність реабсорбції регулюється гормонами вазопресином, тироксином (див. стор. 61); 3) нервовий механізм - симпатичні волокна сповільнюють діурез, а парасимпатичні  - посилюють. Больові рецептори зменшують, або зовсім припиняють утворення первинної сечі. Рецептори канальців нефрона регулюють просвіт приносної артерії, а отже, і фільтраційний тиск.

Особливості діурезу при фізичній роботі: 1) посилюється секреція вазопресину і адреналіну; 2) кров в основному спрямовується до працюючих органів, тому знижується фільтраційний тиск і кількість надходження О₂. Ці фактори зменшують діурез.

4.          Енергетичний баланс людини і методи його дослідження.

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

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

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

Додаткові (до основного) енерговитрати - це енергія, яка йде на виконання будь-яких актів життєдіяльності. Цю групу складають такі витрати:

1. На вживання їжі -  білкові продукти посилюють енерговитрати на 30%, жири і вуглеводи до 15%.

2. На підтримку пози. В положенні сидячи енерговитрати зростають на 5-15%, а стоячи - 15-30% порівняно з положенням лежачи.

3. Побутові дії посилюють енерговитрати на 30-60%.

4. Витрати на розумову працю та емоційну напругу.

5. Витрати на виконання професійної роботи.

Регуляція обміну енергії

1. Місцевий механізм. При виконанні м’язової роботи на початку скорочення запускаються процеси ресинтезу використаної АТФ.

2. Ендокринний механізм -тироксин, трийодтиронін, адреналін стимулюють енерговитрати.

3. Нервовий механізм. В гіпоталамусі є ядра, подразнення яких призводить до змін в обміні енергії. Можна також виявити умовнорефлекторне посилення енерговитрат, наприклад, у спортсмена перед стартом активізуються процеси обміну енергії. Сюди ж можна віднести дію гіпноза, навіювання.

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

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

5.          Температура тіла та система терморегуляції.

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

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

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

Система терморегуляції включає три головні ланки:

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

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

3. Ефектори.

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

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

Процеси теплопродукції:

1. Терморегуляційний тонус - м’язи не скорочуються, а підвищується лише їх тонус і метаболізм. Теплопродукція підвищується на 50-100%.

2. Тремтіння виникає несвідомо і полягає в мимовільному скороченні м’язів. Теплопродукція підвищується у 2-3 рази. Енергія спрямовується лише на підтримання  температури тіла. а не на його механічні рухи.

3. Довільні скорочення м’язів. Теплопродукція посилюється у 10-20 разів.

Процеси тепловіддачі:

1. Радіація. Якщо є градієнт температури між теплою шкірою і холодними стінами, то за допомогою інфрачервоного випромінювання відбувається передача тепла.

2. Теплопровідність здійснюється при безпосередньому контакті теплого тіла і холодного предмету.

3. Конвекція. Повітря, що контактує з поверхнею тіла, за наявності градієнта температур, нагрівається, стає легшим і, піднімаючись від тіла, звільнює місця для нових порцій повітря.

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

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

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

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

Види потовиділення:

1. Термічне - відбувається по всій поверхні тіла, крім долоней і підошовного боку стопи. Причиню є підвищення температури навколишнього середовища.

2. Психічне - виникає на долонях і підошовній стороні стопи. Причина - емоційні переживання, розумова напруга. Від термічного потовиділення відрізняється коротким  латентним періодом, швидким досягненням максимуму і швидким припиненням.

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

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