Физиология обмена веществ и энергии
Цель лекции: Выяснить основные механизмы энергетического обмена организма Мотивация: Знание материала этой темы необходимо для формирования клинического мышления, понимания роли обменных процессов в энергообеспечении организма
План лекции: 1. Основы обмена веществ и энергетического баланса организма 2. Этапы освобождения свободной энергии 3. Энергетический баланс 4. Методы оценки энергообразования 5. Дыхательный коэффициент 6. Основной обмен 7. Рабочая прибавка 8. Регуляция обмена веществ
ВЕХИ ИСТОРИИ 1775— 1785 — А. Лавуазье (A. Lavoisier, Франция) выяснил роль кислорода в процессах дыхания. Вместе с П. Лапласом (Р. Laplace) разработал метод прямой калориметрии. 1845— 1847 — Г. Гельмгольц (Н. Helmholtz, Германия) обосновал закон сохранения энергии и приложил его к процессу теплообразования в мышце. 1852 — Ф. Биддер (Россия) исследовал общий баланс питательных веществ и интенсивность обмена. 1869 — Р. Клаузиус (R. Clausius, Германия) ввел понятие «энтропия» . 1880 — Н. И. Лунин (Россия) впервые заявил, что в молоке, помимо жиров, белков и углеводов, должны содержаться некие вещества, необходимые для жизни. 1881 — П. Бертло (Р. Berthelot, Франция) изобрел калориметр для определения энергетической ценности пищевых продуктов ( «бомба Бертло» ). 1892— 1893 — В. В. Пашутин и А. А. Лихачев (Россия) создали калориметр для человека. 1894 — М. Рубнер (М. Rubner, Германия) сравнил результаты прямой и алиментарной калориметрии. 1895 — М. Рубнер, а также Ч. Дуглас и Дж. Холдейн (Ch. Douglas, J. Haldane, Великобритания) создали метод непрямой калориметрии. 1904— 1915 — Ф. Бенедикт (F. Benedict, США) построил большой калориметр для определения энерготрат при физических нагрузках. Создал таблицы для определения должных значений основного обмена человека в зависимости от пола, возраста, веса и роста.
1912 — К. Функ (К. Funk, Польша) выделил из рисовых отрубей вещество, излечивающее от заболевания бери—бери, и назвал его «витамином» ; ввел термин «авитаминоз» . 1922 — А. Хилл (A. Hill, Великобритания) — Нобелевская премия за описание скрытого теплообразования в мышцах. О. Мейергоф (О. Meyerhof, Германия) — за открытие законов регуляции поглощения кислорода мышцей и образования в ней молочной кислоты. 1929 — X. Эйкман (Ch. Eijkman, Нидерланды) и Ф. Хопкинс (F. Hopkins, Великобритания) Нобелевская премия за открытие витаминов. 1935 — М. Н. Шатерников (СССР) начал разработку физиологических норм питания для различных профессиональных и возрастных групп населения. 1937 — А. Сент—Дьердьи фон Нагираполт. (А. Szent—Gyorgyi v. Nagyrapolt, Венгрия) — Нобелевская премия за исследование функции витамина С. 1943 — X. Дам (Н. Dam, Дания) и Э. Дойзи (Е. Doisy, США)— Нобелевская премия за открытие витамина К и его химической структуры. 1947 — К. Кори и Г. Кори (К. Cori, G. Cori, США) — Нобелевская премия за описание обмена гликогена. 1953 — Г. Кребс (Н. Krebs, Великобритания) — Нобелевская премия за открытие цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса). 1953 — Ф. Липман (F. Lipmann, США) — Нобелевская премия за открытие коэнзима А. 1955 — X. Теорелль (Н. Theorell, Швеция) — Нобелевская премия за исследования механизма действия окислительных ферментов. 1964 — К. Блох (К. Bloch, США) и Ф. Линен (F. Lynen, ФРГ) — Нобелевская премия за исследования механизмов регуляции обмена холестерина и жирных кислот. 1970—е — А. М. Уголев (СССР) сформулировал теорию адекватного питания.
Общее представление об обмене веществ и энергии
Обмен веществ и энергии – это совокупность физических, химических и физиологических процессов, происходящих в организме с пищевыми веществами, поступающими из внешней среды. Питательные вещества являются источником пластических и энергетических ресурсов для организма. За свою жизнь человек съедает около 40 тонн пищи. В результате процессов ассисмиляции происходит синтез необходимых организму веществ. Энергообеспечение процессов ассисмиляции происходит за счет диссимиляции, - т. е. распада веществ с выделением энергии, которая аккумулируется в виде связей макроэргических соединений. У здорового человека, в зрелом возрасте, при потреблении достаточного количества необходимых организму веществ в пище, - процессы ассимиляции и диссимиляции находятся в относительном равновесии. У молодого, растущего организма ассимиляция преобладает над диссимиляцией, при старении – процессы синтеза ослабляются.
Данный раздел физиологии занимается решением следующих задач: 1. 2. 3. Определением термодинамических процессов, происходящих в живых системах; определением потоков свободной и связанной энергии, способов использования энергии. Определением калорийности пищевых рационов, суточной потребности организма в энергии. Оценкой степени физической активности человека и определением степени тяжести работы, выполняемой человеком в условиях производства и в быту, т. е. величины физической нагрузки на скелетную мускулатуру.
• Человеческий организм – это открытая термодинамическая система. В нее постоянно поступает поток свободной энергии. Одновременно, она отдает окружающей среде энергию обесцененную или связанную. Согласно второму закону термодинамики не вся энергия, поступающая в термодинамическую систему может быть использована для выполнения работы. Существует свободная энергия – она может быть для работы, и связанная энергия – которая не может быть использована для выполнения полезной работы (т. е. она деградирован). Благодаря существованию в живых организмах определенного баланса между получением свободной энергии, ее связыванием и отдачей, энтропия животного организма (степень неупорядоченности или деградации) остается на постоянном (минимальном) уровне. Согласно термодинамике: Жизнь – это борьба с энтропией, борьба упорядоченности системы с деградацией.
Схема аэробного дыхания
Пути превращения энергии в живом организме при высокой степени физической активности (числовые значения округлены)
Пути метаболизма питательных веществ
Межмолекулярный транспорт электронов в дыхательной цепи митохондрий
• Мощность солнечного излучения - 1026 Вт • На Землю падает его миллиардная часть - 1017 Вт • В этом излучении: 10% - УФИ; 45% - видимый свет – ИКИ • Зеленые растения поглощают 4*1013 Вт (0, 02% мощности излучения, достигшего Земли) и за счет этого ежегодно созидают примерно 1017 тонн органических веществ и выделяют в атмосферу 3, 36*1011 тонн молекулярного кислорода
Превращения энергии: в тепловой машине в биологической системе
Первый этап биоэнергетических преобразований в гомойотермном организме
Схема транспорта АТФ через митохондриальные мембраны и по цитоплазме миоцита: Кр – креатин, КФК – креатинфосфокиназа, Кр. Ф – креатинфосфат
• В миоцитах содержание АТФ в 5 -10 раз больше, чем АДФ, а Кр. Ф – в 3 -8 раз больше, чем АТФ • ~Р – связь в Кр. Ф более энергоёмкая: • - в стандартных условиях 35, 7 (а не 31, 4) к. Дж*моль-1 • - в физиологических условиях 54, 6 (а не 50, 4) к. Дж*моль-1 • АТФ-Кр. Ф – буферная система АТФ
Второй этап биоэнергетических преобразований в гомойотермном организме
• Для синтеза 1 молекулы: • - пальмитиновой кислоты (М ≈ 1 к. Да) необходим гидролиз 7 молекул АТФ; • - полисахарида (М ≈ 200 к. Да) необходим гидролиз 20000 молекул АТФ; • - белка – от 1500 до 16000 молекул АТФ • - РНК – 6000 молекул АТФ • - ДНК - 120000000 молекул АТФ • У человека массой около 70 кг ежесуточно обновляется примерно 100 г белка
Схема преобразования солнечной энергии в организме человека
Уравнение энергетического баланса: Е = А + Н + S, где Е — общее количество энергии, получаемой организмом с пищей; А — внешняя (полезная) работа; Н — теплоотдача; S — запасенная энергия.
Q = mΔТс
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН • ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС: Образование энергии = Э. работы + Э. теплопотерь + Э. запас. УРОВНИ ИНТЕНСИВНОСТИ ЭНЕРГООБМЕНА КЛЕТКИ: • 1) Уровень поддержания целостности клетки - 15% • 2) Уровень функциональной готовности клетки - 50% • 3) Уровень функциональной активности клетки - 100%
• 1 -й закон термодинамики: «Если теплота превращается в работу, то количество работы, произведенной системой, эквивалентно количеству поглощенного тепла » • Закон Гесса: «Тепловой эффект процесса, развивающегося через ряд последовательных стадий, зависит от теплосодержания начальных и конечных продуктов химической реакции, но не зависит от путей их химических превращений»
Творцы Первого начала термодинамики Майер Юлиус Роберт (1814 – 1878) Гельмгольц Герман Людвиг Фердинанд (1821 - 1894) Джоуль Джемс Прескотт (1818 – 1889)
Этапы высвобождения свободной энергии в организме Свободную энергию организм получает из окружающей среды в виде потенциальной энергии, заключенной в химических связях молекул жиров, углеводов и белков. Для того, чтобы освободить эту энергию, питательные вещества вначале подвергаются гидролизу, а потом окислению в анаэробных и аэробных условиях. Биологическое окисление по существу представляет собой «сгорание» вещества при низкой температуре. В процессе гидролиза, который осуществляется в ЖКТ, высвобождается незначительная часть свободной энергии ( менее 0, 5%). Она не может быть использована для нужд биоэнергетики, так как не аккумулируется макроэргами типа АТФ. А превращается лишь в тепловую энергию – первичную теплоту, которая используется организмом для поддержания температроного гомеостаза.
Второй этап высвобождения энергии – это процесс анаэробного окисления. Освобождается около 5% всей свободной энергии, которая может быть аккумулирована макроэргом АТФ и использована для полезной работы. В конечном итоге она также превращается в теплоту, которая называется вторичной теплотой. Третий этап – основной этап высвобождения энергии ~ 94, 5%. Осуществляется этот процесс в цикле Кребса. При этом освобождение энергии идет постепенно, поэтому большую часть этой свободной энергии удается аккумулировать в виде АТФ (~ 55%). Остальная часть в виду «несовершенства» биологического окисления теряется в виде первичной теплоты. После использования энергии АТФ, для совершения полезной работы, - она превращается во вторичную теплоту. Таким образом, вся свободная энергия которая высвобождается при окислении питательных веществ, превращается в тепловую энергию. Поэтому замер количества тепловой энергии, которая выделяется организмом, является методом определения энерготрат организма. Всего за сутки образуется ~ 70 -75 кг АТФ. Большая часть ее используется на покрытие нужд транспортных процессов.
Аденозинтрифосфат (АТФ). Волнистыми линиями показаны макроэргические связи
Биокалориметр Лавуазье – Лапласа (Mem. de l’Acad. de Paris, 1780, p. 369)
Калориметр ( «бомба» ) Бертло 1— проба пищи; 2 — камера, 3 - заполненная кислородом; запал; 4 — вода; 5 — мешалка; 6 — термометр.
Удельное теплообразование (ккал/г) основных компонентов пищи Компоненты, пищи В калориметре В организме Углеводы 4, 3 4, 1 Жиры 9, 5 9, 3 Белки 5, 3 4, 1
Правило изодинамии С энергетической точки зрения питательные вещества могут замещаться в соответствии с их калорической ценностью. • Однако, все они выполняют не только энергетическую, но и пластическую функцию. В связи с чем, пищевой рацион должен быть сбалансирован.
Биокалориметр Этуотера — Бенедикта
Респираторный аппарат Шатерникова. К— камера; Б — баллон с O 2; H — мотор, выкачивающий воздух из камеры; '3 — змеевик для охлаждения воздуха; Щ — сосуд, наполненный раствором щелочи для поглощения СО 2; В — баллон для поглощения водяных паров хлоридом кальция; Т — термометры. Слева устройство для автоматической подачи О 2 в камеру и поддержания постоянства давления в ней
Принцип закрытой системы для измерения поглощения кислорода. Испытуемый вдыхает кислород из колообразного газометра: СO 2 поглощается натронной известью и удаляется из выдыхаемого воздуха до возращения в газометр. Проведя линию через нижние точки колебательной кривой и определив угол наклона этой линии, можно найти значение скорости поглощения кислорода (в данном случае 0, 5 л/мин)
Определение легочной вентиляции с помощью мешка Дугласа
• Энергетическая ценность или калорический коэффициент вещества - количество тепла, образуемого при сгорании 1 г вещества в атмосфере чистого кислорода: ЖИРЫ - 9, 3 ккал; БЕЛКИ и УГЛЕВОДЫ – 5, 3 и 4, 3 ккал • Калорический эквивалент кислорода количество тепла, освобождающегося в организме от сгорания 1 г вещества при потреблении 1 литра кислорода: ЖИРЫ - 4, 69; БЕЛКИ - 4, 46; УГЛЕВОДЫ - 5, 05 ккал/л
Энергетическая ценность. Количество вырабатываемой энергии часто выражают в соответствии с массой или объемом субстрата; масса 1 моля глюкозы равна 180 г, а объем 6 моль кислорода – 6 х 22, 4 л = 134, 4 л. Из этого следует, что полное окисление 1 г глюкозы сопровождается выделением 2826/180 = 15, 7 к. Дж. Следовательно, энергетическая ценность глюкозы составляет 15, 7 к. Дж/г. Энергетический эквивалент ( «калорический эквивалент» ) выражает количество вырабатываемой энергии в соответствии с количеством поглощенного кислорода. В случае приведенной выше реакции эта величина равна 2826 к. Дж/134, 4 л = 21, 0 к. Дж на 1 л O 2. Поскольку смесь углеводов, присутствующих в обычной пище, имеет несколько более высокую энергетическую ценность по сравнению с глюкозой, энергетический эквивалент окисления углеводов составляет 21, 1 к. Дж на 1 л О 2.
ДЫХАТЕЛЬНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ (ДК): отношение объема выделенного углекислого газа к объему потребленного кислорода СО 2 выд. ДК = ------------ О 2 погл ДК для углеводов = 1, 0 ДК для белков = 0, 8 ДК для жиров = 0, 7
Выход энергии при окислении глюкозы описывается уравнением С 6 Н 12 О 6 + 602 –> 6 СО 2+ 6 Н 2 О + 2826 к. Дж В данной реакции 2826 к. Дж – это полная энергия (энтальпия), выделяемая при окислении 1 моль глюкозы; только часть этой энергии (свободная энтальпия) может быть использована для обеспечения клеточных функций.
В процессе окисления белков часть поглощенного кислорода не выходит затем с выдыхаемым воздухом, но образует соединения с азотом и выводится с мочой. В этом случае ДК принимает значения ниже единицы (примерно 0, 81). При окислении жиров (например, трипальмитина): 2 C 51 H 9806 + 14502 → 102 С 02 + 98 Н 20 ДК= 102/145 = 0, 70 Тем не менее, если в течение нескольких недель кормить человека исключительно жирами, ДК не снизится до 0, 70. Точно так же, если человек будет питаться чистой глюкозой, ДК (в покое) поднимется только до 0, 87, но не до 1, 00. Причина — в том, что ежеминутно в окислении используются и углеводы, и жиры, и белки.
Формула расчета энерготрат методом непрямой биокалориметрии: Q = КЭO 2∙ VO 2 погл Среднее значение КЭO 2 составляет 20, 2 к. Дж/л При его использовании погрешность не выходит за пределы 4 %, тогда как ошибка самого метода непрямой биокалориметрии находится в пределах 5 – 8 % Q = 20, 2∙VO 2 погл – в литрах (л 3)
Соотношения дыхательного коэффициента и калорического эквивалента 1 л кислорода
ОСНОВНОЙ ОБМЕН минимальный (базисный) уровень энерготрат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма в условиях физического и эмоционального покоя • Условия основного обмена: утро, положение лежа, состояние бодрствования, мышцы расслаблены, натощак. температура среды около 18 -200 С. • Условные нормы основного обмена: • у мужчин среднего возраста - 1 ккал/кг/час • у женщин среднего возраста - 0, 9 ккал/кг/час • у детей 7 лет - 1, 8 ккал/кг/час; 12 лет - 1, 3 ккал/кг/ч • у стариков - 0, 7 ккал/кг/час
• Основной обмен повышается при ряде эндокринных заболеваний. Прежде всего при гиперфункции щитовидной железы. • Кроме того, это удобный ориентир для расчета величины физической нагрузки производственной, спортивной и бытовой деятельности.
Величина основного обмена во многом зависит от пола, возраста и массы тела. Так, величина ОО у мужчин на 10 -15% выше, чем у женщин. Известно, что величина ОО в размере на массу тела максимальна у новорожденных и грудных детей, а в последующем величина ОО постепенно снижается , особенно после 20 -25 лет. Энерготраты в условиях физиологического покоя тесно связаны с величиной поверхности тела. Закон Рубнера: Чем выше величина поверхности тела, тем выше энерготраты. .
Должный основной обмен Для того, чтобы сравнить реальную величину ОО с нормой, рассчитывается ДОО. Нормативы учитывают пол, возраст, рост и массу тела. В нашей стране расчет ДОО проводится по таблицам Гаррисона-Бенедикта. Существует два варианта этих таблиц – для мужчин и женщин.
Зависимость относительной интенсивности основного обмена от возраста и пола. Площадь поверхности тела (м 2) является функцией роста и массы индивида
• Основной обмен мужчины 20– 25 лет составляет 1, 01, 2 ккал*кг-1*ч-1 (1 кг Солнца в течение 1 часа излучает 1, 6*10 -4 ккал*кг-1*ч-1, т. е. в 6250 -6500 раз меньше, чем человек). • В расчете на сутки у человека массой 70 кг основной обмен составляет примерно 1800 ккал. • Корректнее выражать основной обмен в системе СИ и в расчете на 1 м 2 поверхности: 150 к. Дж*м-2*ч-1 • На X – XII сутки после рождения – 300 к. Дж*м-2*ч-1 • К 70 – 80 годам – 120 к. Дж*м-2*ч-1 • Основной обмен у женщин на 7 – 10% ниже, чем у мужчин
• Вклад разных органов в основной обмен: • • • - покоящиеся мышцы – 26% - печень – 26% - головной и спинной мозг – 18% - сердце – 9% - почка – 7% - остальные органы – 14%
Метаболизм – уставка вегетативным процессам
Вклад в основной обмен физиологических процессов: - синтез АТФ – 50 %, - синтез биополимеров – 23%, - поддержание градиентов на клеточных мембранах – 13%, - механическая работа сердца и дыхательных мышц – 14%
РАБОЧИЙ ОБМЕН • РАБОЧИЙ ОБМЕН - величина энергетического обмена, характерная для определенного вида трудовой деятельности • Рабочая прибавка - разница между рабочим и основным обменом • Специфически-динамическое действие пищи увеличение уровней энерготрат спустя 1 -3 часа после приема пищи: • для белков - на 30%; для углеводов и жиров - на 15%
Общий обмен Это основной обмен + рабочая прибавка – специфически-динамическое действие пищи. То есть – это энерготраты организма в реальной жизни.
Практический коэффициент полезного действия при различных видах физической работы
Энергетические затраты (за сутки) при работах разного рода и занятиях в свободное время. Фактические значения могут различаться в зависимости от того, как выполнялась работа
Допустимые энерготраты в зависимости от тяжести трудовой деятельности
ГРУППЫ РАБОТНИКОВ ПО ЭНЕРГОТРАТАМ • 1. Работники, преимущественно умственного труда: инженерный состав, врачи(кроме хирургов), работники науки и искусства, литературы, руководители и т. п. - 2500 -2800 ккал/сут • 2. Работники легкого физического труда: инженерно-технический состав, работники связи, радиоэлектронной промышлен- ности, медсестры, санитарки и т. п. - 2800 -3000 ккал/сут • 3. Работники труда средней тяжести: токари, слесари, железнодорожники, врачи-хирурги, водители автотранспорта, продавцы продуктов, водники - 3000 - 3200 ккал/сут • 4. Работники тяжелого физического труда: строительные рабочие, металлурги и литейщики, механизаторы, плотники, нефтяники и газовики, сельхозрабочие - 3400 - 3700 ккал/сут • 5. Работники особого тяжелого труда: шахтеры, сталевары, вальщики леса, землекопы, грузчики - 3900 - 4500 ккал/сут
Кривые четырех наблюдений (1 – 4) изменения дыхательного коэффициента во время и после двухчасовой интенсивной работы
• • • Средняя мощность человека (Вт): в условиях основного обмена - 90 при КФА=2, 2 - 190 при КФА=2, 5 - 220 у марафонца - 1600 у велосипедиста - до 1800 у футболиста 750 -1050 у волейболиста 380 -650 у пловца (брассом) 500 у теннисиста 500 -1700
Физиология питания
Цель лекции: Определить роль питательных веществ в обеспечении функции организма Мотивация: Знание материала этой темы необходимо для формирования клинического мышления, понимания роли питательных веществ в обеспечении функции организма
План лекции: 1. Физиологические принципы адекватного питания 2. Роль углеводов в организме 3. Роль белков в организме 4. Роль жиров в организме 5. Роль жиров в организме 6. Механизмы формирования избыточного веса
Схема оценки риска заболевания по ИМТ у мужчин и женщин в возрасте 25 – 50 лет.
Мужской, или андроидальный, тип отложения жировой ткани
Женский, или гиноидальный, тип отложения жировой ткани
1 2 3 4 5 6 7 8 Типы распространения жировой ткани по организму у женщин. 1 нормальное распределение жировой ткани при нормаль ном ее количестве; 2 нормальное распределение жировой ткани при ее избытке (рубенсовский тип); 3 повышенное отложение жировой ткани в верхней части туловища (муж ской тип); 4 повышенное отложение жировой ткани в ниж ней части туловища (женский тип); 5 отложение жировой ткани в нижней части тела (грудная клетка, живот); 6 от ложение жировой ткани на руках и ногах; 7 отложение жи ровой ткани на груди; 8 отложение жировой ткани на бед рах в области таза.
Контуры нервной регуляции аппетита. Представлены четыре основных контура аппетит-регулирующей системы гипоталамуса. Два основных элемента контура – это орексигенные и анорексигенные сигнал-продуцирующие сети. Орексиген-продуцирующие нейроны являются морфологически и функционально связанными и обеспечивают наложение путей регуляции пищевого поведения. Нейросекреторная функция этого процесса определяется информацией, поступающей от хронометрического механизма головного мозга (циркадный путь регуляции), который временным образом, прямо или опосредованно, через мультисинаптические связи, подавляет нейроны вентромедиального гипоталамуса и приводит к ограничению анорексигенных сигналов, вызывая тем самым освобождение стимулирующих аппетит сигналов и прием пищи. Переферические гормональные сигналы, такие как пептиды, глюкокортикоиды и гонадостероиды, модулируют поступление орексигенных и анорексигенных сигналов. Координированная работа компонентов аппетитрегуляторной системы обеспечивает ежедневный прием пищи, а изменение функционального состояния рецепторов гипоталамуса (активации и чувствительности) под действием различных гормональных сигналов (т. к. нейропептид Y) может приводить к нерегулируемому приему пищи, то есть к гиперфагии.
Роль гормонов желудочно кишечного тракта в периферическом контроле аппетита
Основные гормоны, стимулирующие или подавляющие прием пищи Стимуляторы Нейропептид Y (NPY) Агути ген-связанный гормон Меланин-концентрирующий гормон Гипокретины/Орексины Грелин Галанин Гонадотропин регулирующий гормон (GHRH) β-эндорфин-1 Ингибиторы α-меланоцит стимулирующий гормон (α-МSH или продукт РОМС) Кокаин амфетанин-подобные пептиды Холецистокинин Гомолог цитокиновых рецепторов Урокортин Тиротропин релизинг гормон (TRH) Глюкагон-подобный пептид-1 Галанин подобный пептид Пептид YY Цилиарный нейротропный фактор (CNTF) Инсулиноподобный фактор роста Лептин Нейропептид R (NPK) Кальцитонин ген-связанный пептид Пролактин релизинг-пептид Нейромедин B и U Нейропептид B и W (NRB и NRW) Соматостатин Окситоцин Бомбезин Мотилин Энтеростатин Аноректин Амилин
Эндокринная функция белой жировой ткани. ИФММ – ингибиторный фактор миграции макрофагов, ИПА-1 – ингибитор плазминогенового активатора-1, ФНО-α – фактор некроза опухолей-α, ТФР – трансформирующий фактор роста-β, БСА – белок стимулирующий ациляцию.
Факторы адипоцитов вызывающие различные осложнения GLUT-4 – мембранный транспортер глюкозы.
Лептин (открыт в 1994 г. Дж. Скоттом) является одноцепочным гормоном, содержащим 167 аминокислотных остатков (Мв = 16 к. Да), продуцируется адипоцитами (Ob- геном) и играет определяющую роль в регуляции веса тела. Продуцируется не только адипоцитами, но и другими тканями: фундальный отдел желудка, скелетные мышцы, печень и плацента. Его действие направлено, в первую очередь, на ЦНС, в частности на гипоталамус, вызывая подавление приема пищи и стимулируя энергетический расход организма
Роль жиров и лептин регулирующей системы организма у здоровых людей. А. При эквивалентно-потребляемой энергетической ценности пищевых продуктов расходование калорий липорегуляторными системами организма находится в покое и нежировые (тощие) ткани не содержат (или мало содержат) неусвояемых липидов. Б. При увеличении приема жирной пищи возрастает количество адипоцитов, увеличивается выброс лептина, что усиливает окислительный метаболизм длинноцепочечных жирных кислот в нежировой ткани. Таким образом, эктопическая аккумуляция избытка поступающих липидов является минимальной, не вызывая значительного отягощения организма жировой тканью. Кроме этого, нельзя забывать, что может существовать умеренное изменение инсулиновой чувствительности и толерантности к глюкозе в пределах нормы. ТГ – триглицериды.
Роль липидов при ожирении, вызванном диетой. А. Вызванное диетой висцеральное ожирение в основном ассоциировано с особенностями метаболического синдрома, иногда при нормальном ИМТ. При этом виде ожирения уровень лептина, хотя и превышает уровень его содержания у нормальных людей, однако, может быть недостаточно высоким, чтобы предотвратить накопление липидов в нежировых тканях. Кроме этого, может иметь место лептинорезистентность в тканях мишенях. В любом случае, преобладающим является метаболический синдром. Б. При генерализованном ожирении преобладает высокая гиперлептинемия, что определяет лучшую приспособляемость для ограничения эктопической аккумуляции липидов. Однако, при наличии инсулинорезистентности, большая часть других особенностей метаболического синдрома может отсутствовать. ТГ – триглицериды; СЖК – свободные жирные кислоты.
Рецепторы к лептину принадлежат к семейству рецепторов цитокинов I класса и обнаруживаются повсеместно во всех тканях организма. Некоторые сплисинг изоформы определены как: Ob-Ra, Ob-Rb, Ob-Rc, Ob-Rd и Ob-Re. Ob-Ra и Ob-Rc являются короткими изоформами лептинового рецептора и определяют его транспорт через гемато-энцефалический барьер, то есть являются лептиновыми транспортерами. Ob-Re – растворенная форма лептинового рецептора, циркулирующая в крови, представляет собой один из лептин-связывающих белков. Ob-Rb – длинноцепочечная форма лептинового рецептора. Состоит из 1162 аминокислотных остатков, содержит внутриклеточный сигнальный домен, который является одним из афферентным сигнальных посредников, информирующих ЦНС через пищевые центры гипоталамуса о жировом статусе тела
Короткая и длинная форма внутриклеточных доменов лептинового рецептора (ЛПР) (ОВ – Rshort и ОВ – Rlong соответственно), аа – аминокислоты, wsxws – Trp – Ser – X – Trp – Ser мотив
Предполагаемая внутриклеточная сигнализация действия лептина на клетки гипоталамуса.
Роль переферических и центральных нейроэндокринных путей регуляции в формировании орексигенного драйва, энергетического расхода и метаболизма питательных веществ.
Лептин-инсулиновая ось. Лептин, как продукт адипоцитов, опосредует своё действие на ядра гипоталамуса, вызывая снижение аппетита, подавление синтеза инсулина, как за счёт вегетативной нервной системы (ВНС), так и непосредственно, воздействуя на β – клетки поджелудочной железы (ПЖ), снижая выработку инсулина
Внутриклеточная сигнализация при действии лептина в β клетках поджелудочной железы.
Грелин открыт в 1999 году, пептидный гормон содержащий 28 аминокислотных остатков (Мв = 3. 3 к. Да), оказывает значительное влияние на аппетит и энергетический баланс организма. Рис. Аминокислотная последовательность молекулы грелина человека. Для проявления физиологической активности необходима постсинтетическая ациляция гидроксильной группы серина в 3 позиции N – терминального конца грелиновой молекулы, она подвергается октаноилированию под влиянием пока неизвестной ацилтрансферазы
Посттрансляционное ацилирование грелина.
Ультраструктура грелин содержащих клеток собаки (А) и человека (Б). Видны типичные округлые, электронно плотные гранулы, меченные антителами к грелину (показаны стрелками)
Роль грелина в регуляции жировой ткани и мозга. AGRP – агути ген-связанный пептид, НПY – нейропептид Y, GHS-рецептор – рецептор секреции гормона роста, GHRH – гонадотропин регулирующий гормон, GHS – гормоны усиливающие секрецию гормона роста
Прямые и косвенные эндокринные, паракринные и аутокринные физиологические эффекты грелина.
Влияние грелина на энергетический баланс организма
Адипонектин (содержит 247 -аминокислотных остатков с Мв = 30 к. Да) – является специфическим адипоцит-секретируемым белком с определяющей ролью в регуляции углеводного и липидного гомеостаза. Участвует в регуляции многих функций организма. Он также известен, как адипоцитный комплемент-связаный белок 30 к. Да (ACRP 30), адипо. Q, адипозный генный транскрипт 1 (ар. М 1) и желатин-связанный белок 28 к. Да (GBP 28). Циркулирующие в крови концентрации адипонектина являются достаточно высокими (500 -3000 мкг/л), что соответствует 0. 01 % общего белка плазмы.
Адипонектин имеет модульную структуру, которая включает Nтерминальный коллаген - подобный белок и С – терминальный глобулярный домен с особенной аминокислотной последовательностью и структурными сходствами с комплементарным фактором C 1 q и членами суперсемейства факторов некроза опухолей (TNF). Представлен гомотримерными образованиями, а структуры более высокого порядка формируются за счет взаимодействия между коллаген – подобными регионами. Считается, что адипонектин, циркулирующий в крови, представлен в виде двух основных форм: полноцепочечного белка (full-length protein) – f. Ad и протеолитически расщепленного фрагмента, имеющего С-терминальный глобулярный домен (globular Cterminal domain) – g. Ad.
Описаны два основных типа мембранных рецепторов к адипонектину: Adipo R 1 и Adipo R 2. Несмотря на функциональные отличия от G-белоксопряженных рецепторов, они также имеют 7 трансмембранных доменов. Adipo. R 1 является рецептором высокого сродства для g. Ad, повсеместно экспрессируется в клетках скелетной мускулатуры и умеренно – в других тканях. Adipo. R 2 имеет промежуточное сродство к обеим формам адипонектина, экспрессируется в основном в печени. Эти данные согласуются с наблюдениями, что f. Ad имеет более выраженный эффект на метаболическую сигнализацию клеток печени, а g. Ad и f. Ad оказывают метаболические эффекты в скелетной мышце. Эндотелиальные клетки аорты экспрессируют оби изоформы адипонектиновых рецепторов, но преимущественно, м. РНК для Adipo. R 1, что свидетельствует о важности сигнальной роли g. Ad в данном типе клеток. Для высоко-молекулярных по весу видов адипонектина предполагается наличие Т - кадхеринового сорецептора, необходимого для передачи сигнала.
Последствия изменения активности пероксисомного пролифератор активированного рецептора γ (PPARγ) на чувствительность тканей к инсулину. А. При нормальной активности PPARγ свободные жирные кислоты (СЖК) равноценно утилизируются печенью, скелетными мышцами и адипоцитами, а их избыток сохраняется в жировой ткани. Б. Увеличение активности PPARγ приводит к повышению поступления СЖК к адипоцитам и усилению адипогенеза. Одновременно снижается секвестрация СЖК мышцами и печенью и наблюдается увеличение их чувствительности к инсулину. В. Подавление активности PPARγ приводит к снижению адипогенеза, повышению поступления СЖК к мышцам и печени, изменению сигнальной трансдукции жировых клеток и увеличению чувствительности к инсулину всего организма.
Возможные механизмы действия тиазолидиндионов (ТЗД). А. ТЗД, действуя на пероксисомный пролифератор активированный рецептор γ (PPARγ) в жировой ткани, повышают транспорт глюкозы (через активацию Glut-4) и понижают уровень вырабатываемых адипоцитами адипокинов, что вызывает инсулиновую резистентность в печени и скелетных мышцах. Б. Действие ТЗД на все ткани организма характеризуется перераспределение жирных кислот из мышц и печени в адипоциты и увеличением утилизации глюкозы на периферии. ИЛ-6 – интерлейкин-6, ФНО-α – фактор некроза опухолей-α, Glut-4 – переносчик глюкозы.
Действие адипонектина на жировую и другие виды тканей
Клинические критерии метаболического синдрома Факторы риска Абдоминальное ожирение Мужчины Женщины Триглицериды ЛПВП холестерол Мужчины Женщины Артериальное давление Уровень глюкозы натощак Имеющиеся показатели Окружность талии >102 см. >88 см. ≥ 150 мг/дл. <40 мг/дл. <50 мг/дл. ≥ 130/85 мм. рт. ст. ≥ 110 мг/дл.
Резистин (FIZZ 3) человека, это димерный белок с Мв = 12. 5 к. Да, состоящий из 108 аминокислотных остатков, является членом недавно открытого семейства цистеин-обогащенных секреторных белков, на которые ссылаются как на RELM или FIZZ 1 или RELMα (резистин – подобная молекула α) – впервые обнаружен в легких у мышей с экспериментально вызванной астмой. FIZZ 2 или RELMβ (резистин – подобная молекула β) – впервые обнаружен в пролиферующем эпителии крипт тонкого кишечника. FIZZ 3 – известен как резистин и является адипоцит-специфическим секреторным фактором.
Резистин продуцируется в стромоваскулярной фракции жировой ткани, а его концентрация в крови повышается при ожирении, вызванном диетой, и сопровождается понижением чувствительности клеток к инсулину. Физиологическая роль резистина, как и других членов FIZZ/RELM семейства, у человека остается до конца неопределенной. Белки этого семейства вовлекаются в регуляцию клеточной пролиферации и дифференцировки, осложнениями в сосудах (рис. ). Продукция этих белков в регионах воспаления предполагает их участие в хронических воспалительных реакциях связанных с ожирением.
Взаимодействие между продуктами жировой ткани и эндотелиальными клетками сосудов. ФНО-α – фактор некроза опухолей-α; ПАИ-1 – плазминогенный активатор ингибитора типа 1; ЭТ-1 – эндотелиин-1; СКАМ –сосудисто-клеточная адгезионная молекула-1; ФРАФ – фактор некроза опухолей рецепторассоциированного фактора-3.
Роль физической нагрузки и специальных диет в снижении риска заболеваний
. Схема расчёта калорийности питания для мужчин и женщин с избыточным весом.
Силиконовый интрагастральный баллон (BIB)
Благодарим за внимание Edimus, ut vivamus, non vivimus, ut edamus. F. Botero “Venus de bout” (Венера стоящая), 1987.
Физиология терморегуляции
Цель лекции: Выяснить основные механизмы терморегуляции организма. Мотивация: Знание материала этой темы необходимо для формирования клинического мышления, понимания функционирования системы терморегуляции
План лекции: 1. Общие положения терморегуляции 2. Температура тела 3. Циркадные колебания температуры. Ассиметрия и градиент 4. Физиология терморецепторов 5. Центр терморегуляции 6. Искусственная гипотермия 7. Гипертермия. Лихорадочные реакции
ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГОМЕОСТАЗИС • ПОЙКИЛОТЕРМИЯ ГОМОЙОТЕРМИЯ • ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ • ХИМИЧЕСКАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ • ТЕРМОИЗОЛИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ
РОЛЬ ЯДРА И ОБОЛОЧКИ В ТЕРМОРЕГУЛЯЦИИ ЯДРО ОБОЛОЧКА Температура окружающей среды
Зависимость температуры тела от температуры среды
Температура различных областей тела человека при низкой (А) и высокой (Б) внешней температуре. Темно-красное поле — область «ядра» , «оболочка» окрашена цветами убывающей интенсивности по мере снижения температуры
Зависимость температуры тела от температуры среды
СУТОЧНЫЕ КОЛЕБАНИЯ РЕКТАЛЬНОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
Средняя температура по формуле Вите: Тср = 0, 07 Тстопы + 0, 32 Тноги + 0, 18 Тгруди + 0, 17 Т спины + 0, 14 Т плеча + 0, 05 Ткисти + 0, 71 Тлба В среднем составляет 33 -34 градуса
ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ ТЕРМОГЕНЕЗ ТЕПЛООТДАЧА (ТЕПЛОПРОДУКЦИЯ) 1) БАЗИСНЫЙ 2) РЕГУЛЯТОРНЫЙ: • СОКРАТИТЕЛЬНЫЙ МЫШЕЧНАЯ ДРОЖЬ МЫШЕЧНЫЙ ТОНУС ПРОИЗВОЛЬНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ • НЕСОКРАТИТЕЛЬНЫЙ АКТИВАЦИЯ ОКИСЛЕНИЯ РАЗОБЩЕНИЕ ОКИСЛЕНИЯ И ФОСОРИЛИРОВАНИЯ • -ВЛАЖНАЯ (ИСПАРЕНИЕ) - -- ОЩУТИМАЯ -- НЕОЩУТИМАЯ • -СУХАЯ -- ТЕПЛОИЗЛУЧЕНИЕ -- ТЕПЛОПРОВЕДЕНИЕ -- КОНВЕКЦИЯ: а) естественная б)форсированная
Механизмы физической и химической терморегуляции
Пути теплопродукции и теплоотдачи
Рефлекторное усиление мышечного тонуса в период умственной работы, отраженное в записи потенциалов действия (электромиограмма) мышцы предплечья
Изменение доли испарения (Е). излучения (R) и конвекции (С) в общей теплоотдаче человеческого тела (%) в зависимости от температуры воздуха
Кровообращение в коже
Перераспределение части кровотока из ядра тела в его оболочку для увеличения теплоотдачи А — низкая теплоотдача; Б — высокая.
Механизм теплоотдачи на холоде (А) и в тепле (Б)
ПРОТИВОТОЧНЫЙ ТЕПЛООБМЕННИК 370 360 350 340 330 320 артериола капилляры венула 370 360 350 340 330 320
Механизмы потери тепла в покое: -Тепловое излучение – 60% -Испарение (дыхание и потоотделение) – 22% - Конвекция – 15%
Основные физиологические механизмы терморецепции и терморегуляции Часть элементов, находящихся на одном и том же уровне ЦНС, изображена на схеме справа, другие — слева. И те и другие следует рассматривать одновременно. 1 — периферические терморецепторы, 2 — воздействие температуры крови на термочувствительные нейроны, 3 — гипоталамус, 4 — таламус, 5 — ретикулярная формация, в — кора больших полушарий мозга, 7 — гипофиз, 8 — шишковидное тело, 9 — ткани тела, 10 — надпочечники, 11 — симпатические ганглии, 12 — сосуды (артериолы) ядра тела, 13 — сосуды (артерио —венозные анастомозы) оболочки тела, 14 — потовые железы, I 5 — поверхность кожи и слизистых оболочек, 16 — скелетные мышцы, 17 — спинной мозг. ТЛ — тиреолиберин (тиреотропин—рилизинг—гормон), ТТГ — тиреотропный гормон (тиреотропин), T 3/T 4 — три— и тетрайодтиронины, А — адреналин. На схеме не обозначены нисходящие проводящие пути от головного мозга к мотонейронам вентральных рогов спинного мозга
ТЕРМОРЕЦЕПТОРЫ • ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ В ОБОЛОЧКЕ (ТЕПЛОВЫЕ И ХОЛОДОВЫЕ) • ПЕРИФЕРИЧЕСКИЕ В ЯДРЕ (ТЕПЛОВЫЕ И ХОЛОДОВЫЕ) • ЦЕНТРАЛЬНЫЕ (ТЕРМОЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ НЕЙРОНЫ)
ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ ЧЕЛОВЕКА • Верхняя граница диапазона - граница гипертермии- тепловая смерть - 42 -430 С • Нижняя граница диапазона - граница гипотермии - холодовая смерть: • естественная - 260 С • искусственная - 24 -230 С • Термонейтральная зона - без ощутимого потоотделения и регуляторной теплопродукции - 24 - 270 С
Регуляция теплопродукции
Регуляция теплоотдачи
Функциональная система подержания температуры тела
Основные эффекторные механизмы включающиеся на повышение температуры: -Массивная вазодилатация в коже (вазомоторный ответ) -Потообразование - Подавление всех механизмов теплообразования
Главные звенья развития лихорадки ЛПС — липополисахарид, ЛСБ — липополисахарид— связывающий белок. ФНО — фактор некроза опухолей, ИЛ — интерлейкины, ПГЕ 2 — простагландин Е 2, ФАТ — фактор, активирующий тромбоциты, ТКА 2 — тромбоксан А 2, СОКП — сосудистый орган терминальной пластинки
К термочувствительным образованиям относятся: -Прямая кишка -Пищевод -Барабанная перепонка - Правое предсердие
Молекулы эндотоксина в мембране бактерии (кишечной палочки) 1 — эндотоксин (липополисахарид), 2 — белок, 3 — фосфолипид, 4 — липопротеин, 5 — цитоплазма
Структура молекулы эндотоксина 1 — липид А, 2 — сердцевидный олигосахарид, 3 — 0—специфическая цепь, 4 — повторяющаяся (20— 40 раз) часть, 5 — гептоза, б — этаноламин, 7 — Kdo (полное название см. в тексте), 8 — фосфат, 9 — глюкозамин, 10 — жирные кислоты
END !
Скачать презентацию Физиология обмена веществ и энергии Цель лекции
Лекция 6-3. Физиол обмен вещ + терморуг + питание 2010.ppt