Кафедра Медико-биологических дисциплин «Нормальная физиология» Тема Обмен веществ и превращение энергии в организме
Диссипативные системы n Самоорганизующиеся (живые) системы отличаются низкими значениями энтропии, т. е. находятся далеко от состояния термодинамического равновесия. n Подобное неравновесное состояние поддерживается благодаря потокам энергии и веществ, проходящих через названные системы. n Процессы в самоорганизующихся системах сопровождаются рассеиванием энергии, в связи с чем их называют – диссипативные системы.
Обмен веществ: характеристика n Обмен веществ обеспечивает непрерывное образование, обновление, разрушение клеточных структур, синтез и распад различных химических соединений. n Обмен веществ включает в себя два процесса: Ш Ассимиляция – усвоение организмом питательных веществ, в результате которого они становятся частью биологических структур или откладываются в виде депо (сопровождается ростом и увеличением массы тела) – анаболизм. Ш Диссимиляция – образование в организме из сложных веществ более простых с использованием их преимущественно для энергетических целей (сопровождается снижением массы тела) – катаболизм.
Молекулярные основы обмена веществ Основные типы обмена веществ: Конструктивный (пластический) и Энергетический. В традиционной терминологии - ассимиляция и диссимиляция. n Ш Ш Катаболизм ( от греч. katabole -разрушение), или диссимиляция, т. е. процесс расщепления (анаэробного при гликолизе и аэробного при дыхании) сложных органических соединений (углеводов, жиров, белков), сопровождающегося высвобождением химической энергии, аккумулируемой в фосфатных связях АТФ. q Анаболизм ( от греч. anabole - подъем), или ассимиляция, т. е. разветвленная система процесса биосинтеза сложных молекул из простых с расходованием энергии, запасенной в фосфатных связях АТФ в ходе катаболизма. n
Этапы и виды обмена веществ n Условно в процессе обмена веществ выделяют три этапа: 1. Начальный – ферментативное расщепление 2. 3. n Ш Ш питательных веществ, поступивших в пищеварительный аппарат, до растворимых в воде аминокислот, моно- и дисахаридов, глицерина и жирных кислот и всасывание их в кровь и лимфу; Промежуточный (клеточный метаболизм). Продукты клеточного метаболизма частично используются для построения составных частей мембран, цитоплазмы, для синтеза БАВ и воспроизведения клеток и тканей; Завершающий (конечный) – выведение конечных (конечный продуктов метаболизма из организма в составе мочи, кала, пота, воды, углекислого газа и пр. Виды обмена (по участвующему субстрату): Белковый, Липидный, Углеводный, Водно-минеральный.
Обмен белков: функции Белки составляют 15 – 20 % массы тела Функции белков: Ш Пластическая – белки мембран, коллаген, эластин, кератин и др. Ш Каталитическая – ферменты по химической природе – белки. Ш Транспортная – перенос с помощью белков билирубина, липидов, кислорода, железа и др. Ш Гормональная – белково-пептидные гормоны составляют около 80% всех гормонов Ш Сократительная – актин, миозин и участие др. Ш Защитная – иммуноглобулины, интерферон, фибриноген, плазмин. Ш Энергетическая – на долю белков приходится 12 – 18% энергообеспечения (окисление 1 г белков освобождает 4 ккал). Ш Регуляция работы генов – факторы транскрипции.
Биологическая ценность пищевых белков n. Полноценные белки – содержат весь необходимый набор незаменимых аминокислот в соотношения, обеспечивающих нормальные процессы синтеза; n. Это преимущественно белки животного происхождения – мясо, яйцо, молоко, рыба. n. Должны составлять не менее 30% суточного рациона (эталонные – белки яиц и молока). Неполноценные белки – не содержат полного набора незаменимых аминокислот
Обмен белков: азотистый баланс n Азотистый баланс – соотношение количества азота, n n поступившего с пищей (белки) и выделенного из организма (мочевина, мочевая кислота, креатинин и др. ). 1 г азота содержится в 6, 25 г белка. По количеству выделенного азота с мочой можно определить количество усвоенного белка Азотистое равновесие (нейтральный баланс азота) – у взрослого человека при адекватном питании количество введенного азота с пищей равно выведенному. При увеличении потребления белка равновесие устанавливается на новом, более высоком уровне. Положительный азотистый баланс: синтез белка преобладает над распадом (при увеличении массы тела, во время беременности, в период роста организма, при усиленных тренировках в связи с ростом мышечной массы). Отрицательный азотистый баланс: количество выведенного азота больше, чем поступающего с пищей (белковое голодание, питание неполноценными белками, разные заболевания)
Промежуточный обмен белков: синтез n Белки не депонируются (используются на пластические и энергетические функции). n Заменимые аминокислоты образуются в реакция трансаминирования в разных органах. n Центральный орган синтеза белков, используемых в других органах и тканях, печень. n Высокий уровень синтеза белка в лимфоидной ткани – образование иммуноглобулинов
Промежуточный обмен белков: распад n В сутки у человека распадается примерно 400 г n n белков; Средний период полураспада белков (Т 1/2 ) равен 80 дням; 2/3 образующихся аминокислот используются для синтеза нового белка, 1/3 – безвозвратно теряется в окислительном метаболизме и должна поступать с пищей; Наиболее медленно распадаются белки мышц (Т 1/2 ~ 180 суток), Наиболее быстро – белково-пептидные гормоны (Т 1/2 ~ несколько минут).
Потребности в белках n Коэффициент изнашивания Рубнера (наименьшие потери белка для организма в состоянии покоя, КИР) – 0, 33 г на 1 кг массы тела, т. е. ~ 23 г белка в сутки. n Физиологический минимум белка превышает КИР и равен 30 - 45 г в сутки. n Физиологический оптимум белка равен 80 - 100 г в сутки.
Суточная потребность взрослого человека в белке разного вида 1 — 1, 5 г белка на 1 кг массы тела, т. е. примерно 85— 100 г. Доля животных белков должна составлять приблизительно 55 % от общего количества в рационе. Она может меняться с возрастом, при больших нагрузках, заболеваниях и т. п. Аминокислота Алании Валин Лейцин Изолейцин Фенилаланин Аспаргиновая Глутаминовая Лизин Потребность, г 3 3 4 5 4 3 6 4 Аминокислота Серин Треонин Цистин Метионин Тирозин Пролин Триптофан Гистидин Аргинин Потребность, г 3 3 4 5 1 2 6
Нейрогуморальная регуляция обмена белков Синтез белка стимулируют: n Соматотропный гормон, n Тироксин (Т 3 , Т 4), n Глюкокортикоиды (в печени). Распад белка увеличивают: n Глюкокортикоиды (в мышцах и лимфоидной ткани) и n глюкагон
Обмен липидов: Липиды составляют 10 – 20 % массы тела Функции липидов: липидов Пластическая – важный компонент клеточных мембран. Энергетическая – при окислении липиды дают максимальное образование энергии (1 г жиров – 9 ккал). Ш Механическая - фиксация положения органов, уменьшение травмирования органов. Ш Терморегуляторная – теплоизолирующие свойства подкожной клетчатки, теплопродукция бурой жировой ткани. Ш Биологически активные вещества (источник) – простагландины, простациклины, тромбоксаны, стероидные гормоны и др. n n Ш Ш
Промежуточный обмен липидов: синтез n. Клетки тканей человека в связи с функцией теплокровия и интенсивной локомоцией имеют высокую потребность в окислении ненасыщенных и насыщенных жирных кислот. n. Особенно важны для энергетики насыщенные жирные кислоты (с С 16 - 18). n. Печень – ключевой орган в синтезе липидов. n. В жировой ткани – синтез жира из жирных кислот. n. Во многих тканях образуются биологически активные метаболиты жирных кислот: простагландины и др. n. В надпочечниках и половых железах – синтез стероидных гормонов
Потребность в липидах n Суточная потребность – 50 -100 г n В организме человека не синтезируются полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, арахидоновая и др. ) n Они имеются в больших количествах в растительных маслах - 1/3 поступающих с пищей липидов должна быть за счет растительных жиров.
Регуляция обмена липидов Нервная регуляция: регуляция n Симпатические влияния →увеличивают распад и тормозят синтез триглицеридов в в жировой ткани. n Парасимпатические влияния – способствуют отложению жира. Гуморальная регуляция: регуляция Активируют мобилизацию жира и его окисление – адреналин (через β-адренорецепторы) и гипогликемия (через торможение секреции инсулина) Другие гормоны (СТГ, АКТГ, глюкагон, вазопрессин) оказывают у человека очень слабое действие. Тормозят мобилизацию жира и активируют его синтез – инсулин (жировая ткань!), глюкокортикоиды (депонирование жира в области лица и шеи), адреналин (через α-адренорецепторы)
Обмен углеводов n Углеводы составляют 0, 6% массы тела. Функции углеводов: n Энергетическая – основной источник энергии в организме. Обеспечивают не менее 50% суточного энергообеспечения (окисление 1 г углеводов освобождает 4 ккал). n Образование депо (в виде гликогена), легко мобилизируемого энергетического материала. n Пластическая – продукты промежуточного обмена углеводов используются для синтеза аминокислот, липидов, полисахаридов. n Углеводы, входящие в гликопротеиды, определяют их видовую и тканевую специфичность
Регуляция обмена углеводов
Нейрогуморальная регуляция обмена углеводов Активирует использование глюкозы (снижает её уровень в крови) инсулин, который способствует её ь использованию в тканях (особенно, в мышечной и жировой), ь депонированию в виде гликогена (особенно, в печени и мышцах) и ь синтезу аминокислот (белков). Парасимпатические влияния (М-ХР) и симпатические влияния (β-адренорецепторы) стимулируют секрецию инсулина. Симпатические влияния (α-адренорецепторы) тормозят секрецию инсулина. Стимулируют продукцию глюкозы (повышают её уровень в крови) симпатические влияния и ряда гормонов: ь глюкагон →в печени, ь адреналин через β 2 -адренорецепторы →в скелетных мышцах и сердце и ь др. (глюкокортикоиды).
Регуляция водного обмена n Регуляция обмена воды тесно связана с обменом Na+ и осуществляется в результате волюморегулирующего и осморегулирующего рефлексов с участием гормонов: Ш АДГ (гипоталамус); Ш Альдостерона (надпочечники); Ш Натрийуретического гормона (сердце).
Регуляция водного обмена n Осморегуляции: n увеличение содержания воды в печени до 30% → возбуждение осморецепторов печени →по афферентным нервам сигнал к гипоталамусу →тормозится образование и высвобождение АДГ → n ↑ диурез
Регуляция минерального обмена n Ш Ш Ш q ь ь ь Макроэлементы: К+ - основной регулятор – альдостерон (выведение); Na+ - основной регулятор – альдостерон (↑ реабсорбции в почках ); Ca 2+ ↑уровень – паратгормон (паращитовидные железы) и D 3: мобилизация из костей, ↑ реабсорбции в почках и всасывания в кишечнике; уровень – кальцитонин (щитовидная железа): переход в кости; Выделение с мочой; всасывания в кишечнике
Теория энергетического обмена. Поглощение и усвоение химической энергии в организме животного
Энергетический баланс организма n Энергетический баланс организма – состояние равновесия между его энергетическим затратами и энергетической ценностью потребляемой пищи. n Энергетические затраты – на: Ш основной обмен и Ш более высокий уровень физиологической активности организма (физическая, психоэмоциональная активность, рост, беременность)
Основной обмен n Основной обмен характеризуется потребностью в энергии человека, находящегося в покое, до приема пищи, при нормальной температуре тела и температуре окружающей среды 20 °С. n Основной обмен служит для поддержания важных функций систем жизнеобеспечения организма: 60% энергии расходуется на производство тепла, остальное — на работу сердца и кровеносной системы, дыхание, работу почек и мозга. n Величина основного обмена – 1 ккал/кг массы тела в час (~ 1700 ккал в сутки). n Основной обмен подвержен лишь незначительным колебаниям.
Факторы, определяющие основной обмен n Размеры тела (прямо n n n пропорционально массе и поверхности); Состав массы тела (нежировой, метаболически активный компонент и жировой, метаболически пассивный); Пол (у женщин на 5 -10% ниже, чем у мужчин); Возраст (у детей выше, до 2 -х летнего возраста и в период полового созревания); Гормоны (↑ - тиреоидные!, адреналин); Климатические условия (жители тропиков – 1500 ккал, жители Арктики – 2800 ккал); Специфическое динамическое действие пищи
Специфическое динамическое действие пищи n Специфическое динамическое действие пищевых веществ соответствует количеству энергии, которое потребуется организму для переработки введенной в него пищи. n Каждый прием пиши приводит к активизации обмена в результате процессов расщепления и превращения пищевых веществ. n Количество энергии, необходимое для расщепления различных пищевых веществ, неодинаково – оно составляет: Ш для белков в среднем ~25%, Ш для жиров — ~4%, Ш для углеводов — ~8%. При приеме смешанной пищи к величине затрат на основной обмен добавляют приблизительно 10% на энергетические затраты, возникшие только в результате приема пищи. Специфическое динамическое действие пищи обусловлено преимущественно действием тиреоидных гормонов, секреция которых приеме пищи увеличивается в 2 раза
Зависимость между массой тела (М) млекопитающих и интенсивностью обмена (η) в состоянии покоя n А. Кривая «мышь - слон» . Интенсивность обмена, выраженная как потребление О 2 на единицу массы, показана в зависимости от массы тела животного. Масса тела дана в логарифмической шкале. n Б. Обобщенные зависимости между массой тела и общей (черная кривая) или удельной (цветная кривая) интенсивностью обмена. n В. То же самое, что на рис. Б, но в логарифмических координатах
Регуляция основного обмена n Регуляция основного обмена осуществляется: Ш с помощью гормонов (СТГ, тиреоидные, половые); Ш через вегетативную нервную систему (симпатический отдел ↑ – катаболизм, парасимпатический отдел ↑ – анаболизм ). n Величину основного обмена определяют путем измерения количества выделяемого организмом тепла: Ш прямая (физиологическая) калориметрия) или Ш путем регистрации потребления кислорода и выделения углекислого газа – непрямая (респираторная) калориметрия).
Измерение интенсивности энергетического обмена: прямая калориметрия n Такие измерения Калориметр Лавуазье, снабженный ледяной рубашкой. Теплопродукцию животного определяли на основе измерения количества талой воды. Для превращения в воду 1 кг льда необходимо 80 ккал тепла. проводят в калориметре, первый калориметр – в 1780 -х годах). n Интенсивность метаболизма можно достаточно определить, измеряя количество энергии, выделенной в виде тепла на протяжении заданного отрезка времени.
История науки n Виктор Васильевич Пашутин (1845 – 1901 гг. ). Ему принадлежат фундаментальные исследования по обмену веществ и газообмену. Ученик И. М. Сеченова.
Непрямая калориметрия n Непрямая калориметрия – метод, основанный на измерении параметров, связанных с высвобождением энергии, но отличных от теплопродукции. n Энергия в организме может быть получена в результате окислительных процессов. В связи с этим существует возможность определить энергообмен на основе потребления кислорода. Обычно измеряют: Ш Потребление кислорода и Ш Выделение двуокиси углерода в единицу времени (моль час). При измерении интенсивности обмена веществ непрямыми методами используют как закрытые, так и открытые респираторные системы
Определение интенсивности обмена веществ методом закрытой респираторной системы n Принцип таких систем: испытуемый вдыхает содержимое заполненного О 2 спирометра (4), выдыхаемую газовую смесь пропускают через резервуар, в котором поглощается СО 2 (3), после чего газовая смесь снова поступает в спирометр – путь газовой смеси оказывается замкнутым, а респираторная система – закрытой. Спирограмма (5) указывает на количество потребленного кислорода. n В открытых респираторных системах пути вдыхаемого и выдыхаемого воздуха разделены (камера Дугласа).
Непрямая калориметрия: дыхательный коэффициент n При «сгорании» отдельных пищевых веществ образуется различное количество тепла на 1 л использованного кислорода: • углеводы дают 21, 23 к. Дж (5, 08 ккал), • жиры — 19, 56 к. Дж (4, 68 ккал) и • белки — 18, 73 к. Дж (4, 48 ккал). n Процентная доля энергии, получаемой при углеводном и жировом обмене, рассчитывается из соотношения выделения углекислого газа и потребления кислорода (дыхательный коэффициент – коэффициент легочного газообмена). газообмена n ДК = СО 2 выдел. /О 2 потреб. n ДК составляет: Ш при сгорании чистых углеводов — 1, Ш чистых жиров — 0, 7, Ш а при обычной у нас в стране смешанной пище — 0, 85. Т. е. каждой величине дыхательного коэффициента соответствует определенный эквивалент в джоулях (калориях).
Теплопродукция и дыхательный коэффициент для трех основных типов питательных веществ Теплопродукция, ккал Питательные вещества На 1 г поглощаемого кислорода На 1 г выделенной двуокиси углерода ДК углеводы 4, 1 5, 06 5, 05 1, 0 жиры 9, 3 4, 74 6, 67 0, 71 Белки (при расщеплении до мочевины) 4, 2 4, 46 5, 57 0, 80
Непрямая калориметрия n. Непрямая калориметрия – метод, основанный на измерении параметров, связанных с высвобождением энергии, но отличных от теплопродукции. n. Обычно измеряют: Ш Потребление кислорода и Ш Выделение двуокиси углерода (моль ч) Респираторный калориметр Этуотера – Розы
Соотношение энергетической ценности питательных веществ, калорического эквивалента кислорода и дыхательного коэффициента Питательные вещества Калорический эквивалент О 2, (кол-во Е Освобождается на 1 л) ккал тепла, ккал При окислении 1 г вещества ДК Со 2/О 2 Поглощается О 2 Выделяется СО 2 белки 0, 965 0, 775 4, 1 4, 2 0, 8 жиры 1, 990 1, 420 9, 3 4, 7 0, 7 углеводы 0, 830 4, 1 5, 05 1, 0
Измерение интенсивности обмена веществ в отдельных органах n Измерение интенсивности обмена веществ в отдельных органах – методом, основанным на принципе Фика. Измеряют: Ш скорость перфузии органа и Ш артериовенозную разницу по О 2 и СО 2 q Артериовенозная разница по О 2 рассчитывается: В 100 г артериальной крови (15 г Hb ∙ 1, 34 мл коэффициент Гюфнера) = ~20 мл О 2; В венозной крови остается (в покое) 12 мл кислорода, а АВР по кислороду – 8. Коэффициент утилизации (КУ) 0, 4 (40%). При активации функционирования ткани увеличивается и КУ (для скелетных мышц до 0, 7). q В ткани головного мозга метаболизируются в основном углеводы и ДК ~1; ДК для скелетных, а также сердечной мышцы существенно варьирует в зависимости от обмена веществ в данной ситуации.
Регулируемые затраты энергии n Вторая после основного обмена составляющая n n энергозатрат организма – так называемые регулируемые затраты энергии. Они соответствуют потребности энергии, используемой на работу сверх основного обмена – рабочая прибавка Любой вид мышечной деятельности, даже изменение положения тела (из положения лежа в положение сидя), увеличивает энергозатраты организма. Изменение величины потребления энергии определяется продолжительностью, интенсивностью и характером мышечной работы. Поскольку физическая нагрузка может иметь различный характер, энерготраты подвержены значительным колебаниям. Основной обмен + рабочая прибавка = общий обмен
Энергетические затраты (за сутки) при работах разного рода и занятиях в свободное время. 1 Дж. = 1 вт∙ 1 с = 2, 39∙ 10 -4 ккал. 1 ккал = 4, 187 к. Дж.
Классификация профессионального труда по энергозатратам Умственный труд - 1, 5 ккал/кг массы тела в час (2400 – 2700 ккал в сутки); 2. Легкий физический труд – 1, 7 ккал/кг массы тела в час (2800 – 3000 ккал в сутки); 3. Средний физический труд – 1, 9 ккал/кг массы тела в час (3100 -3300 ккал в сутки); 4. Тяжелый физический труд – 2, 2 ккал/кг массы тела в час (3400 – 3800 ккал в сутки); 5. Очень тяжелый физический труд – 2, 5 ккал/кг массы тела в час (3900 – 4300 ккал в сутки); Энергетические затраты в наибольшей степени зависят от интенсивности мышечной работы 1.
Масса тела – как показатель баланса энергии n Баланс энергии у здорового человека должен обеспечивать нормальную величину массы тела в соответствии с его возрастом, ростом и функциональным состоянием. n Сдвиг баланса в сторону превышения потребления энергии над её расходом ведет к повышению массы тела, сдвиг в противоположную сторону – снижению. n Массу тела у взрослых людей с 20 до 60 лет можно оценить, вычислив индекс массы тела (ИМТ или индекс Кетле): ИМТ = Масса тела (кг)/ Рост2 (м). q В норме ИМТ = 18, 5 – 25, 0 и прямо коррелирует с количеством жира в организме. Индекс массы тела не дает верную информацию при сильно развитой мускулатуре, беременности, развитии отеков
Теплопродукция как показатель энергетического обмена n Вся энергия , высвобождаемая во время обменных процессов, в конечном счете превращается в тепло, если не происходит внешней работы или накопления химической энергии. n Это дает возможность использовать теплопродукцию в качестве показателя энергетического обмена. n Скорости превращения химической энергии в тепло соответствует такой показатель, как интенсивность обмена (уровень метаболизма). n Уровень метаболизма выражают как количество энергии, выделенной в единицу времени
Температурная классификация животных n Гомойотермные (гомеотермные) животные в условиях изменчивой температуры среды могут регулировать температуру своего тела, поддерживая ее вблизи некой установочной величины. n Животные, у которых температура тела в большей или меньшей степени колеблется в такт с температурой окружающей среды, называются пойкилотермными. Общая зависимость между температурой тела и температурой окружающей среды у гомойотермных и пойкилотермных животных.
Температура тела q. За температуру тела (температурное ядро) принимается обычно температура глубоко расположенных внутренних органов, qее иногда называют внутренней температурой (core temperature), а qизмеряют часто – как глубоко ректальную. q «Оболочка» тела в обычных температурных условиях – слой тканей от поверхности тела до глубины ~2 см. Составляет до ½ массы тела. n Разные части организма имеют разную температуру. Для оболочки Температура различных областей тела характерен вертикальный тела человека в условиях холода градиент температур (6 - 8°С). n Средневзвешенная температура кожи (А) и тепла (Б) = ~33°С.
Температура тела n Температура «ядра» тела имеет узкие пределы колебаний (например, в прямой кишке – 37, 3 ± 0, 5). n Размеры «ядра» зависят от температуры окружающей среды: при высокой температуре объем «ядра» увеличивается и наоборот. n Диапазон температур «ядра» тела, при котором сохраняется жизнеспособность организма = 20 42°С; ~30°С – потеря сознания (холодовой наркоз); 20 - 25°С – останавливается сердце и дыхание; свыше 42°С – тепловой шок (разрыв межмолекулярных связей, обеспечивающих нативные свойства белков). n Имеются регулярные флуктуации – это изменение температуры тела в течение суток.
Зависимость температуры тела от внешних и внутренних факторов n Время суток: температура минимальна в 2. 00 – 6. 00 (во время сна тонус скелетных мышц и теплопродукция самые низкие), максимальна – между 16. 00 и 18. 00. n Повышение температуры может вызвать: Ш Эмоциональное возбуждение (на 2°С вследствие усиленного метаболизма и мышечного тонуса); Ш Предовуляторная фаза менструального цикла (0, 5 - 0, 7°С); Ш При интенсивной мышечной работе – значение ↑ до 40°С.
Теплообразование (теплопродукция, химическая терморегуляция) Обмен веществ – источник образования тепла – обеспечивает защиту организма от холода. Роль разных органов в теплопродукции различная: ь Органы брюшной полости (печень!) – 34%; ь Мозг – 16, ь Мышцы – 16, ь Сердце – 11, ь Почки – 8%.
Теплообразование (теплопродукция, химическая терморегуляция) 1. Несократительный термогенез (увеличение теплопродукции до 70%): Ш Первичная теплота (рассеивание тепла при окислительном фосфорилировании в митохондриях, КПД – не более 45% ); Ш Вторичная теплота – освобождение тепловой энергии (более 50%) при использовании АТФ для деятельности органов (биосинтез, работа насосов, секреция, невидимое мышечное сокращение); Ш Бурая жировая ткань
Химическая терморегуляция: недрожательный термогенез n Недрожательный термогенез связан с активацией по всему организму ферментативных систем обмена жиров. При расщеплении и окислении жиров выделяется тепло. n У некоторых млекопитающих имеется специализированная бурая жировая ткань. n Бурая жировая ткань содержит столь обширную сеть кровеносных сосудов и так много митохондрий, что приобретает бурый цвет (цитохромоксидаза !). n Недрожательный термогенез активируется симпатической нервной системой →НА → Отложения бурого жира рецепторы на адипоцитах → тепло! обнаружены между лопатками у летучих мышей → к другим частям тела. и многих других млекопитающих.
Термогенез при метаболизме бурой жировой ткани n Цветом обозначен путь без сопряженного синтеза АТФ – образуется тепло. n Наличие бурой ткани у грудных детей (в области шеи, межлопаточной зоне, вдоль позвоночника, грудной клетки), а также у новорожденных детенышей некоторых видов млекопитающих. n Младенец имеет относительно небольшую массу и после рождения неактивен. Запасы бурой жировой ткани дают ему возможность быстро согреться в условиях, когда возникает угроза понижения температуры окружающей среды.
Теплообразование: сократительный термогенез 1. Непроизвольные мышечные сокращения (медленные двигательные единицы, теплопродукция ↑ в 3 раза); Ш Тонус позных мышц (сидя - ↑ на 40%, стоя – ↑ на 70% по сравнению с положением стоя; Ш Холодовая мышечная дрожь (нерегулярные периодические серии сокращения мышцантагонистов, начинается с жевательных при ректальной температуре 34°С, теплопродукция ↑ в 4 раза, продолжается не более нескольких часов). 2. Произвольные мышечные сокращения (быстрые ДЕ, теплопродукция ↑ в 8 раз и более).
Регуляция теплопродукции n Изменение уровня основного обмена (климатические условия): тропики – 1500 ккал/сутки; эскимосы (Крайний Север) – 2700 ккал/сутки. q Симпатическая регуляция несократительного термогенеза преимущественно через βадренорецепторы: Ш холодовая активация мозгового слоя надпочечников и мобилизация энергетических резервов; Ш холодовая активация окислительных реакций в буром жире.
Регуляция теплопродукции q Эндокринная регуляция несократительного термогенеза: Ш Усиление секреции адреналина и тиреоидных гормонов ; Ш Увеличение секреции глюкокортикоидов на холоде усиливает действие адреналина в результате повышения синтеза βадренорецепторов. q Изменение аппетита и потребления пищи: на холоде – усиливается, в жару – снижается.
Теплоотдача (физическая терморегуляция) n n 1. Ш Ш Ш ь ь Обеспечивает защиту организма как от холода, так и от холода действия жары. В онто- и филогенезе физическая терморегуляция формируется позднее химической терморегуляции. Перенос тепла от внутренних органов. К поверхности тела (коже, слизистым оболочкам) переносится тепло от «ядра» - внутренние потоки тепла. Пассивное теплопроведение – эффективность передачи низкая. Перенос тепла кровью (конвекция) от внутренних органов к коже и слизистым оболочкам. Эффективность передачи высокая. Теплоизолирующие свойства оболочки тела зависят от толщины слоя подкожной жировой клетчатки; интенсивности кровотока в сосудах кожи и состояния артериовенозных шунтов.
Теплоотдача (теплопотери): вазомоторные реакции покровных тканей Кровоток может меняться в 100 раз: в условиях температурного комфорта – 10 мл/мин∙ 100 г; при тяжелой работе и перегревании - ↑ в 10 -15 раз и достигать 20% МОК. При охлаждении кровоток в коже падает до 1 мл/мин∙ 100 г. Функционирует как поворотно-противоточный механизм Симпатическая регуляция кровотока в сосудах кожи осуществляется через αадренорецепторы.
Пути передачи тепла между организмов животного и окружающей средой
Теплоотдача (физическая терморегуляция) Способы теплоотдачи с поверхности тела (наружные потоки тепла). Ш Излучение – осуществляется без непосредственного контакта между телами: ь В покое обеспечивает до 60% теплоотдачи (при физиологической температуре инфракрасные волны от 5 до 20 мкм); ь Основные участки, с которых теплоотдача, лицо, голова, кисти рук. ь Инфракрасная солнечная радиация – нагрев организма. 2.
Теплоотдача (физическая терморегуляция) 2. Способы теплоотдачи с поверхности тела (наружные потоки тепла). Ш Проведение – прямая передача кинетической энергии молекул от более нагретого тела к менее нагретому. Величина теплоотдачи по этому пути в покое составляет ~15%; ь величина теплоотдачи зависит: • от разницы температур кожи и среды; • от плотности среды (в воде при 10°С человек теряет тепло в 15 раз быстрее, чем на воздухе, выживаемость в этих условиях составляет 3090 минут); • насыщенности воздуха водяными парами; • толщины слоя подкожной жировой клетчатки.
Теплоотдача (физическая терморегуляция) 2. Способы теплоотдачи с поверхности тела (наружные потоки тепла). Ш Конвекция – перенос тепла движущимися около тела частицами среды (воздухом, водой). Величина теплоотдачи в покое ~16%: ь естественная конвекция – удаление теплого слоя воздуха или воды с поверхности теплоотдачи; ь принудительная конвекция – увеличение скорости смены воздушной (водной) среды.
Теплоотдача (физическая терморегуляция): испарение Испарение – отдача тепла с поверхности тела в результате перехода воды в парообразное состояние. Величина теплоотдачи в покое составляет ~19%. Ш неощутимое испарение: ь с кожи вне потовых желез - до 700 мл воды в сутки; ь со слизистых оболочек воздухоносных путей - до 400 мл воды в сутки. Ш ощутимое испарение (потоотделение) обеспечивается потоотделение мерокриновыми потовыми железами – испарение 1 л пота требует 580 ккал: ь начинается в условиях покоя при температуре внешней среды >25°С; ь при температуре среды >33°С – единственный путь отдачи тепла из организма; ь потеря воды в размере 10 -20% массы тела смертельна для всех млекопитающих. Потеря воды у человека на жаре и при работе в горячих цехах не должна превышать 2 -3% массы тела.
Физиологические механизмы регуляции теплоотдачи Изменение свойств «оболочки» тела: тела ь быстрый путь – изменение кровотока; ь медленный путь – изменение толщины подкожной жировой клетчатки. 2. Потоотделение (может увеличиваться до 70 мл/мин). Регуляция потовых желез через холинергические симпатические окончания. АХ → М-холинорецепторы ↑ потоотделения. Атропин – блокирует эффект. Состав пота зависит от условий. 3. Поведенческая терморегуляция 1.
Блок - схема терморегуляции
Схема нервного контроля терморегуляторных эффекторных механизмов
Функциональная система терморегуляции 1. Системообразующий фактор – температура крови ( «ядра тела» ). 2. Температурный анализатор как звено афферентного синтеза: Ш Рецепторный отдел: Ш Проводниковый отдел: Ш Корковый отдел: 3. Эфферентные (исполнительные) механизмы терморегуляции.
Температурный анализатор: рецепторный отдел v Периферические терморецепторы кожи, кожных и подкожных ь ь ь сосудов – регуляция по возмущению; Плотность и чувствительность терморецепторов максимальна на главных теплоотдачи (лице, голове, шеи, минимальна на коже нижних конечностей); Специализация рецепторов: холодовые, тепловые, полимодальные; соотношение холодовых и тепловых – 8: 1. Глубина расположения холодовых меньше (0, 17 мм), чем тепловых (0, 3 мм), латентный период у холодовых короче по сравнению с тепловыми; Максимальная чувствительность холодовых в диапазоне температуры кожи 15 – 34°С, тепловых – 34 – 43°С. При температуре ниже 20 и выше 44°С возбуждаются болевые рецепторы; Сигналы от периферических терморецепторов интегрируются преимущественно в переднем гипоталамусе.
Температурный анализатор: рецепторный отдел (2) v Терморецепторы внутренних органов – их наличие доказано в венах, верхних дыхательных путей, пищеводе, желудке, двенадцатиперстной кишке. v Терморецепторы ЦНС – особые термочувствительные нейроны. Ш Стимулируются при изменении температуры нейронов спинного и головного мозга. Ш Наибольшее количество – в преоптических областях гипоталамуса (тепловые к холодовым 5: 1), дифференциальный порог 0, 011°С. Ш Обнаружены также в спинном мозге, ретикулярной формации, коре.
Температурный анализатор: n Проводниковый отдел: от холодовых рецепторов – импульсы по волокнам Аδ и С, от тепловых – по волокнам С. n Корковый отдел (постцентральная извилина).
Гипоталамус n Гипоталамус – «ядро» центра терморегуляции. n В гипоталамусе формируется «установочная точка» и n Ш Ш Ш q ь ь ь эфферентная программа, обеспечивающая терморегуляцию. Виды терморегуляторных нейронов: Афферентные Термочувствительные Эфферентные. Раздражители гипоталамических нейронов: Афферентация от всех терморецепторов; Гуморальные сигналы – цитокины, простагландины, тиреоидные гормоны, адреналин, прогестерон и др. Пирогены – экзогенные(бактериальные, вирусные) и эндогенные (цитокины)
Гипоталамус n Центр теплопродукции – задний гипоталамус: вентролатеральные, промежуточные и вентромедиальные ядра. n Центр теплоотдачи – передний гипоталамус: паравентрикулярные, супрахиазматические, супраоптические ядра, медиальная преоптическая область
Упрощенная модель связей между температурными афферентными путями и эфферентными нейронными сетями, контролирующими Терморегуляторные эффекторные механизмы
Скачать презентацию Кафедра Медико-биологических дисциплин Нормальная физиология Тема Обмен веществ
Обмен веществ_М.ppt