Обмен веществ и энергии. Терморегуляция. Обмен веществ

Обмен веществ и энергии. Терморегуляция.

Обмен веществ включает три этапа: 1. поступление веществ в организм (дыхание и питание), 2. метаболизм, 3. выделение конечных продуктов из организма.

Внутриклеточный метаболизм (промежуточный обмен) включает два типа реакций: катаболизм и анаболизм. Катаболизм — процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ СО 2, Н 2 О и мочевина. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии. Анаболизм биосинтетические процессы. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме.

Интенсивность метаболизма зависит от : 1. мышечной работы (+) 2. недавнего употребления пищи (+), 3. температуры окружающей среды, 4. роста, массы и площади поверхности тела, 5. пола (у мужчин +), 6. эмоционального состояния ( или +), 7. возраста ( после 30 лет жизни), 8. температуры тела (прямо пропорционально +), 9. йодсодержащих гормонов щитовидной железы (+) и адреналина (+).

Баланс энергии В организме насчитывается пять форм энергии: 1. химическая, 2. механическая, 3. осмотическая, 4. электрическая, 5. тепловая. Клетки способны использовать только химическую энергию. Химическая энергия в организме может превращаться во все другие формы энергии.

В соответствии с первым законом термодинамики энергия не может возникать из ничего и исчезать бесследно 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.

Вся энергия, высвобождаемая во время обменных процессов, в конечном счете превращается в тепло, если не происходит внешней работы или накопления химической энергии.

Стандартная единица энергии 1. в международной системе единиц (СИ) — джоуль (Дж) 2. не входящая в СИ единица тепловой энергии — калория (кал). Калорию определяют как количество тепла, необходимое для нагрева 1 г воды на 1 градус Цельсия (1 калория = 4, 187 Дж).

Измерение энергии включает: 1. Физическую калориметрию 2. Физиологическую калориметрию

Физическая калориметрия позволяет определить энергетическую ценность вещества или калорический коэффициент вещества. Калорический коэффициент количество тепла, образуемого при сгорании 1 г вещества в атмосфере чистого кислорода: ЖИРЫ 9, 3 ккал; БЕЛКИ – 5, 3 ккал, УГЛЕВОДЫ 4, 1 ккал

Калориметр ( «бомба» ) Бертло 1 проба пищи; 2 камера, 3 заполненная кислородом; запал; 4 вода; 5 мешалка; 6 термометр.

Физиологическая калориметрия Прямая калориметрия Непрямая калориметрия Методы полного Методы неполного газового анализа

Прямая калориметрия непосредственное измерение тепла, выделяемого за определённый промежуток времени живыми организмами. В организме при окислении углеводов и жиров образуется такое же количество энергии, как и при сжигании в калориметрической бомбе (4, 1 и 9, 3 ккал/г). 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.

Калориметр Лавуазье 1 – термоизоляция, 2 – лед, 3 – вода

Биокалориметр Этуотера Бенедикта Количество тепла вычисляли, умножая массу воды, протекшей за единицу времени, на разность температур и на теплоемкость воды: Q = mΔТс 1, 2 – термометры, 3 – бак с водой, 4 окно для подачи пищи и удаления экскрементов, 5 – воздушный насос, 6 и 8 баки с серной кислотой для поглощения воды, 7 бак с натронной известью для поглощения СО 2, 10 – баллон с кислородом, 11 газовые часы. Давление в камере поддерживают на постоянном уровне с помощью 9.

Непрямая калориметрия измерение выделяемой энергии путём измерения : 1. количества поглощенного кислорода и выделившихся конечных продуктов окисления (H 2 O и CO 2) и белкового катаболизма (методы полного газового анализа). 2. только потребляемого кислорода (методы неполного газового анализа).

Полный газовый анализ Респираторный калориметр Этуотера Розе

Для методов полного газового анализа может быть достаточно оценки количества поглощенного О 2 и выделившегося СО 2 Для расчетов используют величину дыхательного коэффициента: ДК = СО 2 выд. / О 2 погл. ДК для углеводов = 1, 0 ДК для белков = 0, 8 ДК для жиров = 0, 7 Однако, 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.

ДК сильно зависит от выполняемой физической работы При выполнении тяжелой физической работы выделение СО 2 нарастает быстрее, чем поглощение О 2. ДК постепенно приближается к 1, а затем и превышает это значение. ДК =1, 12 говорит о значительном ацидозе и о том, что вскоре человек будет вынужден прекратить работу. После прекращения работы часть образующегося СО 2 остается в организме в виде НСО 3. В результате выделение СО 2 падает быстрее, чем потребление О 2, и ДК снижается.

Неполный газовый анализ Использует понятие калорический эквивалент кислорода – это количество тепла, освобождающегося в организме от сгорания 1 г вещества при потреблении 1 литра кислорода: ЖИРЫ 4, 69 ккал/л; БЕЛКИ 4, 46 ккал/л; УГЛЕВОДЫ 5, 05 ккал/л.

Определение легочной вентиляции с помощью мешка Дугласа

Различают два уровня энерготрат: 1. основной обмен, 2. рабочий обмен.

ОСНОВНОЙ ОБМЕН минимальный (базисный) уровень энерготрат, необходимый для поддержания жизнедеятельности организма в условиях физического и эмоционального покоя.

При измерении величины основного обмена у человека соблюдают следующие условия: 1. утро, 2. положение лежа, 3. состояние бодрствования, 4. мышцы расслаблены, 5. натощак, 6. температура среды около 22 о. С.

На величину основного обмена влияют: 1. площадь поверхности тела: S = W 0, 425 х Н 0, 725 х 71, 84, где S площадь поверхности тела (м 2); W масса тела (кг); Н длина тела (см). 2. пол и возраст 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; У детей 12 лет 1, 3 ккал/кг/час; у стариков 0, 7 ккал/кг/час

3. Специфически динамическое действие пищи. Спустя 1 3 часа после приема пищи происходит увеличение уровней энерготрат : для белков на 30%; для углеводов и жиров на 15% 4. Возбуждение симпатики усиливает метаболизм (через высвобождение адреналина и непосредственным действием симпатических нервов на термопродукцию).

На величину основного обмена влияют гормоны щитовидной железы трийодтиронин и тироксин. При гиперфункции щитовидной железы основной обмен может возрасти на 50% и более. Гипофункция железы (микседема) вызывает снижение основного обмена в среднем на 30%.

РАБОЧИЙ ОБМЕН Рабочий обмен величина энергетического обмена, характерная для определенного вида трудовой деятельности Рабочая прибавка разница между рабочим и основным обменом

В организме основной потребитель энергии это мышцы: Ø сидя энерготраты увеличиваются на 40%, Ø стоя на 70%, Ø легкая (канцелярская) работа вдвое, Ø ходьба в среднем темпе — втрое, Ø бег трусцой — в 8 раз. Кратковременные физические нагрузки (несколько минут) могут увеличивать скорость метаболизма в 20 раз

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 промышленности, 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

ТЕМПЕРАТУРНЫЙ ГОМЕОСТАЗИС

Температура тела Верхняя граница диапазона граница гипертермии тепловая смерть 42 43°С Нижняя граница диапазона граница гипотермии холодовая смерть: естественная 26°С искусственная 24 23°С Термонейтральная зона без ощутимого потоотделения и регуляторной теплопродукции 34 37°С

В теле гомойотермного животного выделяют две части: ядро и оболочку. В «ядре» происходит образование тепла, «оболочка» рассеивает его в окружающую среду. Температура различных областей тела человека при низкой (А) и высокой (Б) внешней температуре

В жаркой среде и/или при высоком уровне двигательной активности границы «ядра» расширяются. В холодной среде и в покое, наоборот, происходит сужение «ядра» тела и, соответственно, расширение его «оболочки» .

Эволюция разместила в периферических частях тела клетки и ткани, способные выполнять свои функции при разных температурах. И, наоборот, во внутренних частях тела находятся органы, исключительно чувствительные к изменению их температурного режима.

Постоянство температуры тела связывают с температурой ядра в большей степени, чем с температурой оболочки. Такое соотношение отражает формула Бартона для оценки средней температуры тела человека: Ттела = 2/3 Т ядра + 1/3 Т оболочки

Температуру ядра тела измеряют разными способами: 1. погружая термометр в прямую или сигмовидную кишку — ректальная или колоническая температуры; 2. в пищевод, на уровень сердца — эзофагальная; 3. под язык — оральная, или сублингвальная (у человека она на 0, 2— 0, 5 о. С ниже ректальной); 4. в наружный слуховой проход вблизи барабанной перепонки, при обязательной обтурации прохода тампоном — аурикулярная температура. 5. Наиболее информативно измерение температуры гипоталамической области мозга.

Наиболее распространенный в клинической практике показатель теплового состояния — температура подмышечной области (аксиллярная температура). На нее оказывают влияние и температура ядра, и температура оболочки, поэтому аксиллярная температура близка к средней температуре тела (по формуле Бартона).

ТЕРМОРЕЦЕПТОРЫ 1. Периферические в оболочке (тепловые и холодовые) 2. Периферические в ядре (тепловые и холодовые) 3. Центральные (нейроны в передней гипоталамической области, непосредственно воспринимают температуру омывающей их крови)

Центральные механизмы терморегуляции Информация, поступающая от периферических и центральных термосенсоров, интегрируется в гипоталамусе (главным образом в задней его части). Оценка теплового состояния используется системой терморегуляции для активации механизмов теплоотдачи или теплопродукции. Нейроны переднего гипоталамуса ответственны главным образом за активацию теплоотдачи, нейроны заднего гипоталамуса — за усиление теплопродукции.

Еще в 1860 х гг. немецкий врач К. Либермейстер высказал гипотезу, согласно которой центры терморегуляции хранят информацию о так называемой установочной точке (set point) гипоталамического термостата. Нейроны гипоталамуса постоянно сопоставляют интегративную оценку реальной температуры тела с величиной установочной точки.

Установочная точка гипоталамического термостата меняется в зависимости от: 1. Времени суток (минимальна в 02. 00, максимальна в 14. 00) 2. Менструального цикла (ректальная температура до овуляции в среднем на 0, 5 градуса ниже, чем после) 3. Термической адаптации

Теплопродукция Основное тепло генерируется: в скелетных мышцах (60%), печени (30%), мозгу, сердце, почках, легких (10%).

Теплопродукция бывает: 1. базисная (за счет основного обмена) 2. регуляторная: а) сократительная мышечная дрожь мышечный тонус произвольные сокращения б) несократительная активация окисления разобщение окисления и фосфорилирования, в том числе в клетках бурого жира эффекты гормонов (T 4, адреналин, норадреналин, СТГ, тестостерон) симпатическая стимуляция

Теплоотдача Скорость теплоотдачи зависит от двух факторов: 1. скорости проведения тепла (в основном с кровотоком) от мест его образования к коже, 2. скорости отдачи тепла кожей в окружающую среду.

Теплоотдача бывает 1. Влажная (испарение) а) ощутимая б) неощутимая 2. Сухая а) теплоизлучение (ИК), б) теплопроведение (контактная передача тепла) в) конвекция (с потоком воздуха): естественная форсированная

ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ 1. ХИМИЧЕСКАЯ 2. ФИЗИЧЕСКАЯ 3. ТЕРМОИЗОЛИРУЮЩИЕ СВОЙСТВА ТКАНЕЙ

Механизмы физической и химической терморегуляции

Механизм, понижающий температуру тела 1. Полное расширение сосудов кожи почти во всех областях тела увеличивает в 8 раз количество тепла, доставляемого к коже. Массивное сосудорасширение происходит при торможении симпатической активности заднего гипоталамуса. 2. Потоотделение увеличивает величину потерь тепла за счёт испарения. Повышение температуры тела на 1 °С вызывает потоотделение, достаточное чтобы в 10 раз снизить уровень теплообразования. 3. Торможение образования тепла за счёт блокирования химического термогенеза и дрожания.

Перераспределение части кровотока из ядра тела в его оболочку для увеличения теплоотдачи А — низкая теплоотдача; Б — высокая.

Механизмы, повышающие температуру тела 1. Сужение сосудов основных регионов тела. Вазоконстрикция достигается активацией симпатических центров заднего гипоталамуса. 2. Пилоэрекция — реакция выпрямления волос тела. У человека сохранились остатки этой системы ( «гусиная кожа» ), но их эффективность ограничена. 3. Повышение теплопродукции, вызванное возбуждением симпатической системы, увеличением секреции T 4 и мышечной дрожи (двигательный центр дрожи располагается в дорсомедиальной части заднего гипоталамуса).

Механизм теплоотдачи на холоде (А) и в тепле (Б)

Гуморальная терморегуляция 1. Бомбезин вызывает резкое перераспределение части кровотока из ядра тела в его оболочку и увеличение теплоотдачи, близкое к предельному. 2. Пептидергические системы мозга (вазопрессин и кортикотропин) системы способны усиливать теплоотдачу, а тиреолиберин - теплопродукцию. 3. Системы мозга, использующие в качестве медиаторов субстанцию Р и нейротензин, одновременно активируют и теплопродукцию, и теплоотдачу. 4. Опиоидная система мозга, не оказывает непосредственного влияния на терморегуляцию, но, действуя через другие системы мозга, вызывает разнонаправленные терморегуляционные эффекты.

РАССТРОЙСТВА ПИТАНИЯ

Из расстройств питания наибольшее социальное и клиническое значение имеет ожирение, поскольку оно сочетается с высоким риском развития сердечно сосудистых заболеваний (основной причиной смертности) и сахарного диабета. Ожирение — избыточное накопление жира в организме, при котором индекс массы тела (ИМТ) составляет 30 кг/м 2 и выше.

Индекс массы тела подсчитывают как отношение массы тела (выраженной килограммах) к росту (выраженному в метрах), возведённому в квадрат.

Классификация ожирения Класс ИМТ (кг/м 2) Риск для здоровья Недостаточная масса <18, 5 Повышен Нормальная масса 18, 5– 24, 9 Минимальный Избыточная масса 25– 29, 9 Повышен Ожирение I 30– 34, 9 Высокий Ожирение II 35– 39, 9 Очень высокий Ожирение III 40 и более Крайне высокий

Типы ожирения Описание типа распределения жира традиционно проводят посредством измерения отношения окружности талии к окружности бёдер (ОТБ). - Мужской тип (андроидное, или абдоминальное), с преимущественным отложением жира в верхней части тела. ОТБ >0, 85 для женщин, >0, 95 для мужчин. Мужской тип ожирения чаще сочетается с инсулинорезистентностью, чем женский. - Женский тип (гинекоидное, или ягодичное), с преимущественным отложением жира в нижней части тела. ОТБ <0, 85 для женщин, <0, 95 для мужчин. Женский тип ожирения лучше поддаётся лечению диетой, чем мужской.

Механизмы развития ожирения и факторы, способствующие ожирению: 1. пищевое поведение, 2. состояние адипоцитов, 3. скорость окисления пищевых субстратов, 4. инсулинорезистентность.

Адипоциты продуцируют гормон–чувствительную липопротеин липазу, гидролизующую триглицериды, а также фактор некроза опухоли (ФНО a), ангиотензиноген, лептин и большие количества лактата. В условиях переедания адипоциты начинают синтезировать длинноцепочечные жирные кислоты. Большинство форм ожирения протекает с гипертрофией адипоцитов и высокой скоростью липолиза. Таким образом, адипоциты — резервуар для свободных жирных кислот, высвобождаемых под действием внутриклеточной гормонально чувствительной липазы.

Потребление пищи и окисление пищевых субстратов Для поддержания массы тела тучные пациенты должны восполнять энергетический дефицит повышенным приёмом пищи. Поэтому к частым заявлениям пациентов, что они едят мало, но масса тела почему то не снижается, следует относиться с известной долей скепсиса. Для поддержания стабильного содержания жировой ткани пищевые субстраты должны окисляться пропорционально их содержанию в рационе. Окисление пищевых субстратов оценивают по величине дыхательного коэффициента.

Возможные причины инсулинорезистентности при ожирении: 1. Повышение содержания свободных жирных кислот. Свободные жирные кислоты подавляют инсулинзависимую утилизацию глюкозы в мышцах (так называемый эффект Рэндла), стимулируют глюконеогенез в печени и подавляют клиренс инсулина в печени. 2. Фактор некроза опухоли (ФНО a), поскольку его синтез в адипоцитах корреллирует со степенью инсулинорезистентности. ФНО a связывается с тирозинкиназой инсулинового рецептора, блокируя действие на него инсулина.

БУЛИМИЯ расстройство в виде повторных и неконтролируемых приступов поглощения большого количества пищи в течение короткого периода времени с последующими вызыванием pвоты, очищением кишечника и аноpексией. Как и нервная анорексия, булимия сопpовождается страхом увеличения массы тела, однако при этом контроль за пищевым поведением утерян.

НЕРВНАЯ АНОРЕКСИЯ упорный отказ от приёма пищи, сопровождающийся похуданием и другими симптомами голодания. При этом заболевании (в отличие от булимии) контроль за пищевым поведением сохранён. Часто это состояние отмечают при сахарном диабете, при котором оно обусловливает лабильное течение этого заболевания. При нервной анорексии наблюдают вторичные эндокринные и метаболические нарушения и функциональные расстройства, часто приводящие к опасному для жизни истощению.

НАРУШЕНИЯ РЕГУЛЯЦИИ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА

Воздействие различных агентов может привести к изменению теплового баланса организма. В результате развиваются либо гипертермические, либо гипотермические состояния

Гипертермические состояния 1. перегревание организма (или собственно гипертермия), 2. тепловой удар, 3. солнечный удар, 4. лихорадка, 5. различные гипертермические реакции.

Лихорадка общая неспецифическая реакция организма, в большинстве случаев развивающаяся в ответ на попадание в организм и/или образование в нём пирогена. Важным проявлением лихорадки является повышение температуры тела, не зависящее от температуры окружающей среды. Лихорадка отличается от других гипертермических состояний сохранением механизмов терморегуляции на всех этапах её развития

Гипотермические состояния В основе их развития лежит расстройство механизмов терморегуляции, обеспечивающих оптимальный тепловой режим организма. Различают: 1. охлаждение организма (собственно гипотермию), 2. управляемую (искусственную) гипотермию, или медицинскую гибернацию.

Управляемая (искусственная) гипотермия Бывает общей и местной. Общая управляемая гипотермия необходима для выполнения операций в условиях значительного снижения или даже временного прекращения кровообращения. Это получило название операций на так называемых «сухих» органах: сердце, мозге и некоторых других. Наиболее широко общая искусственная гибернация используется при операциях на сердце для устранения дефектов его клапанов и стенок, а также на крупных сосудах, что требует остановки кровотока.

Локальная управляемая гипотермия отдельных органов или тканей (головного мозга, почек, желудка, печени, предстательной железы и др. ) применяется при необходимости проведения оперативных вмешательств или других лечебных манипуляций на них: коррекции кровотока, пластических процессов, обмена веществ, эффективности ЛС и других целей.