Справочный материал по Физиологии.
Глава 21 – Метаболизм и терморегуляция.
Живые организмы — термодинамически полуоткрытая система — находятся в постоянной связи с окружающей средой. Эта связь осуществляется в процессе обмена веществ и энергии.
Обмен веществ
Обмен веществ (рис. 21–1А) включает три этапа: поступление веществ в организм (дыхание и питание), метаболизм (катаболизм и анаболизм) и выделение конечных продуктов из организма.
Рис. 21-1. А. Общая схема обмена веществ и энергии. 1 — пищеварение; 2 — катаболизм; 3 — анаболизм; 4 — распад структурно-функциональных компонентов клеток; 5 — выведение из организма. [9]. Б. Биологические превращения энергии.
· Поступление веществ в организм происходит в результате дыхания (кислород) и питания. В ЖКТ продукты питания перевариваются, то есть расщепляются до простых веществ. При переваривании происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов и других сложных органических веществ) до мономеров, всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен.
· Промежуточный обмен (внутриклеточный метаболизм) включает два типа реакций: катаболизм и анаболизм.
à Катаболизм — процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ — СО2, Н2О и мочевина. В процессы катаболизма включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клеток. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции).
à Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, когда строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции).
à Интенсивность метаболизма. На интенсивность метаболизма влияют: Ú мышечная работа () Ú недавнее употребление пищи (), Ú высокая и низкая температура окружающей среды (), Ú рост, масса и площадь поверхности тела (), Ú пол ( у мужчин), Ú эмоциональное состояние ( или ¯), Ú возраст (¯ после 30 лет жизни), Ú температура тела (прямо пропорционально или ¯), Ú йодсодержащие гормоны щитовидной железы и адреналин ().
ò Мышечная работа увеличивает потребление O2 не только во время работы, но и в течение продолжительного времени после неё.
ò Приём пищи. Сразу после еды интенсивность метаболизма увеличивается за счёт специфического динамического действия пищи. Энергия специфического динамического действия пищи является обязательной энергией, которая затрачивается на процессы ассимиляции в организме. Специфическое динамическое действие пищи продолжается 4–6 ч.
ò Температура среды стимулирует интенсивность метаболизма. Когда температура среды становится ниже температуры тела, то включаются механизмы сохранения тепла (например, дрожательный механизм), в результате чего интенсивность метаболизма возрастает. Когда высокая температура окружающей среды повышает температуру тела, то возникает общее ускорение процессов обмена, и интенсивность метаболизма также возрастает.
Баланс энергии
В организме насчитывается пять форм энергии: химическая, механическая, осмотическая, электрическая и тепловая. Клетки тела способны использовать энергию только из одного источника — химическую энергию, выделяющуюся при экзергонических реакциях. Химическая энергия организма может превращаться во все другие формы энергии (рис. 21–1Б).
· В соответствии с первым законом термодинамики энергия не может возникать из ничего и исчезать бесследно. Этот закон применим к живым системам в том смысле, что энергия, получаемая организмом, должна быть сопоставимой с энергией, выделяемой им. Взаимоотношения между компонентами, вовлекаемыми в баланс между получаемой и затраченной энергией, могут быть представлены уравнением:
химическая энергия пищи = тепловая энергия
+ энергия работы (затраты на физическую активность)
± химический запас энергии
Отсюда вытекают следующие позиции.
à Количество энергии, выделяемой в единицу времени, определяет уровень метаболической активности.
à Вся энергия организма поступает из одного источника — химической энергии пищи. Значительная часть энергии выделяется в виде тепла, скорость образования которого варьирует в зависимости от обстоятельств. Например, скорость теплопродукции выше у работающего человека, чем в состоянии покоя. Потребление пищи повышает теплообразование по сравнению с периодом голодания. Теплообразование подвержено влиянию окружающей температуры, зависит от уровня циркулирующих гормонов, возраста, пола и других факторов. Запасы химической энергии в организме растущих детей связаны с увеличением массы тела за счёт накопления белков. У взрослых людей, склонных к полноте, химическая энергия запасается преимущественно в виде отложений жира. Напротив, при недостаточном питании химическая энергия организма уменьшается. В начале голодания эндогенные запасы химической энергии снижаются за счёт катаболизма жиров. Если голодание продолжается, то как источник энергии используются белки. Даже в течение одного дня происходят колебания запасов химической энергии.
à Если потребление энергии пищи больше затрат энергии на образование тепла и на мышечную работу, то запасы энергии тела увеличиваются (в уравнении баланса энергии показатель химического запаса энергии имеет положительный знак). Если большее количество энергии выделяется в виде тепла и используется на мышечную работу, чем поступает с пищей, то запасы энергии в организме уменьшаются (в уравнении баланса энергии показатель химического запаса энергии имеет отрицательный знак).
à Практически определение баланса энергии производится в условиях, когда исключаются переменные факторы — потребляемая пища и физическая активность. Можно сказать, что запасы химической энергии равны запасам тепловой энергии. В этих (идеальных!) условиях химическая энергия организма полностью используется для поддержания жизненной активности (главным образом, для обеспечения функции дыхания и работы сердца).
· Стандартная единица энергии в международной системе единиц (СИ) — джоуль (Дж, размерность — м2 ´ кг ´ с–2), но издавна применяется и не входящая в СИ единица тепловой энергии — калория (кал), а в физиологии и медицине — килокалория (ккал). Калорию определяют как количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 градус Цельсия (1 калория = 4,187 Дж).
· Калориметрия
à Прямая калориметрия — непосредственное измерение тепла, выделяемого при сжигании пищевых веществ в специальных калориметрах (калориметрическая бомба), или тепла, выделяемого за определённый промежуток времени живыми организмами, помещёнными в сложное калориметрическое устройство.
à Калорическая величина основных компонентов пищи, измеренная в калориметрической бомбе, составляет в расчёте на 1 г вещества: для углеводов — 4,1 ккал/г, белков — 5,3 ккал/г, жиров — 9,3 ккал/г.
В организме при окислении углеводов и жиров образуется такое же количество энергии, как и при сжигании в калориметрической бомбе. При окислении белков образуется не 5,3 ккал/г, а только 4,1 ккал/г, так как в организме белки окисляются лишь частично. Кроме воды и углекислого газа, конечным продуктом обмена белков является мочевина, которая содержит значительное количество энергии.
· Непрямая калориметрия. Количество выделяемой энергии может быть подсчитано путём измерения количества конечных продуктов окисления в организме (H2O и CO2) и конечных продуктов белкового катаболизма или измерения потребляемого кислорода при помощи спирографа и специального аппарата, называемого «метаболической тележкой». Данное устройство можно использовать у постели больного и подключить последовательно с вентиляционной трубкой для измерения газообмена в лёгких. Этот способ называется непрямой калориметрией.
à Измерить все конечные продукты обмена затруднительно, но подсчитать количество потребляемого кислорода сравнительно просто. Кислород не запасается в клетках, и количество O2, потребляемого на единицу времени, пропорционально количеству выделяемой энергии. В условиях стационара непрямая калориметрия — наиболее точный метод определения суточной энергетической потребности. Однако он дорог, занимает много времени и не всегда доступен. Кроме того, результаты, полученные с помощью кислородного сенсора метаболической тележки, будут неточными при содержании кислорода во вдыхаемом воздухе более 50%. В связи со всем вышеперечисленным, данная методика применима далеко не у всех больных.
à Количество энергии, выделяемой на молекулу потреблённого кислорода, колеблется незначительно (в зависимости от состава окисляемых веществ). Примерное количество энергии, выделяемое при потреблении 1 л кислорода, составляет 4,82 ккал. Более точные данные могут быть получены, когда известен состав окисляемых питательных веществ. Об этом можно узнать после подсчёта дыхательного коэффициента.
· Дыхательный коэффициент (ДК) — соотношение объёма выделяемого CO2 к объёму потребляемого O2 в единицу времени. ДК может быть рассчитан для реакций вне организма, для отдельного органа или ткани и для целого организма. В состоянии физического покоя ДК для углеводов составляет 1,0, для жиров — 0,70. Эти результаты определяются тем, что водород и кислород находятся в углеводах в одинаковых соотношениях к образуемой воде, а в различных жирах требуется дополнительное количество O2 для образования воды. Например:
Ú Углеводы (глюкоза). C6H12O6 + 6O2 = 6CO2 + 6H2O, ДК = 6/6 = 1,0
Ú Жиры (трипальмитин). 2C51H96O6 + 145O2 = 102CO2 + 98H2O, ДК = 102/145 = 0,703
Ú Для белков эти расчёты более сложны, но в среднем для белков ДК = 0,82.
à Во время гипервентиляции ДК увеличивается за счёт усиленного выделения СO2. Во время тяжёлой работы ДК может достигать 2,0, потому что к выдыхаемому углекислому газу добавляется CO2, образуемый из молочной кислоты в процессе анаэробного гликолиза.
à Поскольку в организме все питательные вещества одновременно подвергаются окислению, то, определив величину ДК с помощью непрямой калориметрии, можно условно судить о преимущественном окислении в организме того или иного вида питательных веществ. Если организм не способен уменьшить окисление углеводов, то компенсаторный механизм — повышение потребления пищи. ДК при этом увеличивается. Так, увеличение ДК более 0,9 указывает на избыток углеводов в пище. В такой ситуации их потребление можно снизить на 40% и более. Указанная мера особенно важна для больных с дыхательной недостаточностью (для снижения тенденции к задержке СО2). Цель режима питания таких больных — покрыть энергозатраты, поддерживая ДК на уровне ниже 0,9. При увеличении содержания жиров в пище окисление углеводов должно снижаться для поддержания их запасов в организме. При этом увеличивается окисление жиров, а ДК снижается.
Промежуточный метаболизм
Конечные продукты пищеварения — аминокислоты, производные жиров и гексозы (глюкоза, фруктоза, галактоза) — абсорбируются и метаболизируются различными путями.
· Общий план метаболизма. Короткие цепочки фрагментов гексоз, аминокислот и продуктов жирового катаболизма из общего метаболического пула могут синтезироваться или поступать в цикл лимонной кислоты в процессе сортировки в конечном общем пути катаболизма, где они расщепляются до атомов водорода и CO2. Атомы водорода, окисляясь, образуют воду в цепи флавопротеиновых и цитохромных ферментов.
· Макроэргические соединения. Большая часть энергии, выделяемая при катаболизме, идёт на образование связей между фосфорной кислотой и некоторыми органическими веществами. При гидролизе этих связей выделяется много энергии (10–12 ккал/моль). Соединения с такими связями называются высокоэнергетическими (макроэргическими). Не все органические фосфаты принадлежат к этому классу. Многие вещества (например, глюкозо-6-фосфат) выделяют при гидролизе не более 2–3 ккал/моль.
à АТФ. Наиболее важным высокоэнергетическим фосфатом является АТФ. При гидролизе АТФ и превращения её в АДФ выделяемая энергия используется для таких процессов, как мышечное сокращение, активный транспорт, а также для синтеза многих химических соединений.
à Креатинфосфат. Энергетически богатое соединение креатинфосфат содержится в мышечных клетках. Ряд фосфорилированных соединений, производных пиримидиновых и пуриновых оснований, выполняющих функцию донора энергии, включает ГТФ, ЦТФ, УТФ, ИТФ.
à Ацетилкоэнзим А — высокоэнергетическое соединение, содержащее аденин, рибозу, пантотеновую кислоту и тиоэтаноламин. Образование одной молекулы ацетилкоэнзима А эквивалентно образованию молекулы АТФ.
· Биологическое окисление. Окисление — соединение вещества с O2, потеря водорода или потеря электронов. Биологическое окисление катализируют ферменты. Кофакторы или коферменты — дополнительные вещества, выполняющие функции переносчиков продуктов реакции. Многие коферменты акцептируют водород. Одной из наиболее общих реакций биологического окисления является реакция удаления водорода. Водород переносится во флавопротеин-цитохромную систему, соединяется с O2 и превращается в воду.
· Окислительное фосфорилирование. Образование АТФ связано с окислением посредством флавопротеин–цитохромной системы и носит название окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование — хемоосмотический процесс, вовлекающий перенос протонов через мембрану митохондрий. Мембранная АТФ-синтаза превращает АДФ и неорганический фосфат в АТФ. Фосфорилирование зависит от адекватного поступления АДФ и находится под контролем механизма обратной связи. Чем быстрее используется АТФ в тканях, тем больше накапливается АДФ и, соответственно, увеличивается скорость окислительного фосфорилирования.
· Разобщение дыхания и фосфорилирования. Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтетазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а AДФ увеличивается. Примерами разобщителей могут быть некоторые ЛС (например антикоагулянт дикумарол) или метаболиты (например, билирубин и тироксин).