Развитие систем обмена веществ и их регуляции. Лекция: Регуляция обмена веществ и энергии. Центр регуляции обмена веществ. Модуляторы. Теплоотдача или физическая регуляция может проходить по трем путям

text_fields

text_fields

arrow_upward

В регуляции обмена веществ и энергии выделяют:

1. Регуляцию об­мена организма веществами и энергией с окружающей средой

2. Регуляцию метаболизма в самом организме.

Регуляция обмена организма с окружающей средой питательными веществами рассматривается в .

Вопросы регуляции водно-солевого обмена описаны в .

Регуляция обмена организма с окружающей средой теплом, как конечной формой превращения всех видов энергии, обсуждается в .

Поэтому здесь представлены общие вопросы нейрогуморальной регуляции обмена веществ и энергии в организме и, главным об­разом, регуляция метаболизма целостного организма.

Конечной целью регуляции обмена веществ и энергии является удовлетворение в соответствии с уровнем функциональной актив­ности потребностей целостного организма, его органов, тканей и отдельных клеток в энергии и разнообразных пластических веще­ствах. В целостном организме постоянно существует необходимость согласования общих метаболических потребностей организма с по­требностями клетки органа, ткани. Такое согласование достигается посредством распределения между органами и тканями веществ, поступающих из окружающей среды, и перераспределения между ними веществ, синтезирующихся внутри организма.

Обмен веществ, протекающий внутри организма, не связан пря­мыми способами с окружающей средой . Питательные вещества, прежде чем они смогут вступить в обменные процессы, должны быть получены из пищи в желудочно-кишечном тракте в молеку­лярной форме. Кислород, необходимый для биологического окисле­ния, должен быть выделен в легких из воздуха, доставлен в кровь, связан с гемоглобином и перенесен кровью к тканям. Скелетные мышцы, являясь в организме одним из мощных потребителей энер­гии, также обслуживают обмен веществ и энергии, обеспечивая по­иск, прием и обработку пищи. Непосредственное отношение к об­мену веществ и энергии имеет выделительная система. Таким об­разом, регуляция обмена веществ и энергии - это мультипараметрическая регуляция, включающая в себя регулирующие системы мно­жества функций организма (например, дыхания, кровообращения, выделения, теплообмена и др.).

Гипо­таламус - центр регуляции обмена веществ и энергии

text_fields

text_fields

arrow_upward

Роль центра в регуляции обмена веществ и энергии играет гипо­ таламус . Это обусловлено тем, что в гипоталамусе локализованы нервные ядра и центры, имеющие непосредственное отношение к регуляции голода и насыщения, теплообмена, осморегуляции. В гипоталамусе идентифицированы полисенсорные нейроны, реагиру­ющие сдвигами функциональной активности на изменения концент­рации глюкозы, водородных ионов, температуры тела, осмотического давления, т.е. важнейших гомеостатических констант внутренней среды организма. В ядрах гипоталамуса осуществляется анализ со­стояния внутренней среды организма и формируются управляющие сигналы, которые посредством эфферентных систем приспосаблива­ют ход метаболизма к потребностям организма.

Звенья эфферентной системы регуляции обмена

text_fields

text_fields

arrow_upward

В качестве звеньев эфферентной системы регуляции обмена ис­пользуется симпатический и парасимпатический отделы вегетатив­ной нервной системы . Выделяющиеся их нервными окончаниями медиаторы оказывают прямое или опосредованное вторичными по­средниками влияние на функцию и метаболизм тканей. Под управ­ляющим влиянием гипоталамуса находится и используется в каче­стве эфферентной системы регуляции обмена веществ и энергии - эндокринная система. Гормоны гипоталамуса, гипофиза и других эндокринных желез оказывают прямое влияние на рост, размноже­ние, дифференцировку, развитие и другие функции клеток. Гормоны принимают участие в поддержании в крови необходимого уровня таких веществ, как глюкоза, свободные жировые кислоты, мине­ральные ионы ().

Клетка как важней­шим эффектор, через который можно оказать регулирующее воз­действие на обмен веществ и энергии

text_fields

text_fields

arrow_upward

Обмен веществ (анаболизм и катаболизм), получение запасаемой в макроэргических связях АТФ энергии, выполнение различных ви­дов работ с использованием метаболической энергии - это, как правило, процессы, протекающие внутри клетки . Поэтому важней­шим эффектором, через который можно оказать регулирующее воз­действие на обмен веществ и энергии, является клетка органов и тканей. Регуляция обмена веществ заключается в воздействии на скорость биохимических реакций, протекающих в клетках.

Наиболее частыми эффектами регуляторных воздействий на клетку являются изменения:

1. Каталитической активности ферментов и их концентрации,

2. Сродства фермента и субстрата,

3. Свойств микросреды, в которой функционируют ферменты.

Регуляция активности фер­ментов может осуществляться различными способами . «Тонкая на­стройка» каталитической активности ферментов достигается посред­ством влияния веществ - модуляторов, которыми часто являются сами метаболиты. Этим способом осуществляется регуляция отдель­ных звеньев метаболических превращений. При этом модулятор может оказывать своей воздействие в отдельной или нескольких тканях организма.

Метаболизм клетки в целом невозможен без интеграции многих биохимических превращений и сама возможность его осуществления определяется энергетическим и окислительно-восстановительным потенциалом клетки . Эта общая интеграция метаболизма обеспечи­вается, главным образом, с помощью аденилатов, участвующих в регуляции любых метаболических превращений клетки.

Интеграция обмена белков, жиров и углеводов клетки осущест­вляется посредством общих для них источников энергии . Действи­тельно, при биосинтезе любых простых и сложных органических слоединений, марокмолекул и надмолекулярных структур в качестве общих источников энергии используется АТФ, которая поставляет энергию для процессов фосфорилирования, или НАД-Н, НАДФ-Н, поставляющие энергию для восстановления окислительных соедине­ний. Таким образом, если в клетке осуществлять синтез (анаболизм) определенных веществ, то он может происходить за счет затраты химической энергии одного из общих подвижных источников (АТФ, НАД-Н, НАДФ-Н), которые образуются при катаболизме других веществ (см.рис.10.1).

Рис.10.1. Схема основных функциональных блоков метаболизма клетки

За общий энергетический запас клетки, полученный в ходе ката­болизма и являющийся движущей силой разнообразных превраще­ний, конкурируют все анаболические и другие процессы, протека­ющие с затратой энергии. Так, например, осуществление глюкостатической функции печени, основанной на способности печени син­тезировать глюкозу из лактата и аминокислот (глюконеогенез), несо­вместимо с одновременным синтезом жиров и белков. Глюконеоге­нез сопровождается расщеплением в печени белков и жиров и окис­лением образующихся при этом жирных кислот, что ведет к осво­бождению энергии, необходимой для синтеза АТФ и НАД-Н, в свою очередь требующихся для глюконеогенеза.

Еще одним проявлением интеграции метаболических превращений белков, жиров и углеводов является существование общих предше­ственников и общих промежуточных продуктов обмена веществ . Это - общий фонд углерода, общий промежуточный продукт обме­на ацетил- КоА и другие вещества. Важнейшими конечными путями превращений, связующими метаболические процессы на различных этапах, являются цикл лимонной кислоты и реакции дыхательной цепи, протекающие в митохондриях. Так, цикл лимонной кисло­ты - главный источник СО 2 для последующих реакций глюконеоге­неза, синтеза жирных кислот и мочевины.

Механизм согласования общих метаболических потребностей организма с потребностями клетки

text_fields

text_fields

arrow_upward

Одним из механизмов согласования общих метаболических по­требностей организма с потребностями клетки являются нервные и гормональные влияния на ключевые ферменты .

Характерными осо­бенностями ключевых ферментов являются:

1. положение в начале того метаболического пути, к которому принадлежит фермент;

2. прибли­женность расположения или ассоциированность со своим субстра­том;

3. реагирование не только на действие внутриклеточных регуля­торов метаболизма, но и на внеклеточные нервные и гормональные воздействия.

Примерами ключевых ферментов являются гликогенфосфорилаза, фосфофруктокиназа, липаза. Их роль в процессах регуляции мета­болизма видна, в частности, при подготовке организма к «борьбе или бегству». При повышении в этих условиях в крови уровня адреналина до 10 -9 М он связывается с адренорецепторами плазма­тической мембраны, активирует аденилатциклазу, которая катализи­рует превращение АТФ в циклический АМФ. Последний активирует гликогенфосфорилазу, многократно усиливающую расщепление гли­когена в печени.

Процесс гликогенолиза в мышцах может одновременно активиро­ваться нервной системой и катехоламинами. Этот эффект достига­ется посредством выделения ионов Са ++ , его связывания с кальмодулином, являющимся субъединицей фосфорилазы, которая при этом активируется и приводит к мобилизации гликогена. Нервный меха­низм мобилизации гликогена осуществляется через меньшее число промежуточных этапов, чем гормональный. Этим достигается его быстродействие.

Удовлетворение энергетических потребностей организма посред­ством ускорения внутриклеточных процессов расщепления триглицеридов в жировой клетчатке достигается активацией гормончувствительной липазы. Повышение активности этого фермента (адренали­ном, норадреналином, глюкагоном) приводит к мобилизации сво­бодных жирных кислот, являющихся основным энергетическим суб­стратом окисления в мышцах при выполнении ими интенсивной и длительной работы.

Переход органов и тканей с одного уровня функциональной ак­тивности на другой всегда сопровождается соответствующими изме­нениями их трофики . Например, при рефлекторном сокращении скелетных мышц нервная система осуществляет не только пусковое действие, но и трофическое путем усиления в них местного кро­вотока и интенсивности обмена веществ. Увеличение силы сокра­щений миокарда под влиянием симпатической нервной системы обеспечивается одновременным усилением коронарного кровотока и метаболизма в мышце сердца. О влиянии нервной системы на тро­фику скелетных мышц свидетельствует тот факт, что денервация мышцы приводит к постепенной атрофии мышечных волокон. Важ­нейшее значение в осуществлении трофической функции нервной системы играет ее симпатический отдел. Через симпатоадреналовую систему достигается не только активация обмена веществ и энергии в клетке, но и создаются дополнительные условия для ускорения метаболизма. Норадреналин и адреналин, выброс которых в крово­ток возрастает при возбуждении симпатической нервной системы, вызывают увеличение глубины дыхания, расширяют мускулатуру бронхов, что способствует доставке кислорода в кровь. Адреналин, оказывая положительное инотропное и хронотропное действие на сердце, увеличивает минутный объем крови, повышает систоличес­кое артериальное давление. В результате активации дыхания и кро­вообращения возрастает доставка кислорода к тканям.

Концентрация глюкозы в крови как один из интегральных показателей внутренней среды, отража­ющим обмен в организме углеводов, белков и жиров

text_fields

text_fields

arrow_upward

Одним из интегральных показателей внутренней среды, отража­ющим обмен в организме углеводов, белков и жиров, является концентрация в крови глюкозы . Глюкоза является не только энер­гетическим субстратом, необходимым для синтеза жиров и белков, но и источником их синтеза. В печени происходит новообразование углеводов из жирных кислот и аминокислот.

Нормальное функционирование клеток нервной системы, мышц, для которых глюкоза является важнейшим энергосубстратом, воз­можно при условии, что приток к ним глюкозы обеспечит их энер­гетические потребности. Это достигается при содержании в литре крови у человека в среднем 1 г (0,8-1,2 г) глюкозы (рис. 10.3.).

Рис. 10.3 Система регуляции уровня глюкозы в крови

При снижении содержания глюкозы в литре крови до уровня менее 0,5 г, вызванном голоданием, передозировкой инсулина, име­ет место недостаточность снабжения энергией клеток мозга. Нару­шение их функций проявляется учащением сердцебиения, слабостью и тремором мышц, головокружением, усилением потоотделения, ощущением голода. При дальнейшем снижении концентрации глю­козы в крови указанное состояние, именуемое гипогликемией, может перейти в гипогликемическую кому, характеризующуюся угнетением функций мозга вплоть до потери сознания. Введение в кровь глю­козы, прием сахарозы, инъекция глюкагона предупреждают или ос­лабляют эти проявления гипогликемии.

Кратковременное повышение уровня глюкозы в крови (гипергли­кемия) не представляет угрозы для жизни, но может приводить к повышению осмотического давления крови.

В нормальных условиях во всей крови организма содержится около 5 г глюкозы. При среднесуточном потреблении с пищей взрослым человеком, занимающимся физическим трудом, 430 г углеводов в условиях относительного покоя, тканями ежеминутно потребляется около 0,3 г глюкозы. При этом запасов глюкозы в циркулирующей крови достаточно для питания тканей на 3-5 минут и без ее вос­полнения неминуема гипогликемия. Потребление глюкозы возрастает при физической и психоэмоциональной нагрузках. Так как пери­одический (несколько раз в день) прием углеводов с пищей не обеспечивает постоянного и равномерного притока глюкозы из ки­шечника в кровь, в организме существуют механизмы, восполня­ющие убыль глюкозы из крови в количествах, эквивалентных ее потреблению тканями. Механизмы с другой направленностью дей­ствия обеспечивают в нормальных условиях превращение глюкозы в запасаемую форму - гликоген. При уровне более 1,8 г в литре крови происходит выведение ее из организма с мочой.

Избыток глюкозы, всосавшейся из кишечника в кровь воротной вены, поглощается гепатоцитами. При повышении в них концентрации глюкозы активируется ферменты углеводного обмена печени, превращающие глюкозу в гликоген. В ответ на повышение уровня сахара в крови, протекающей через поджелудочную железу, возрас­тает секреторная активность В -клеток островков Лангерганса. В кровь выделяется большее количество инсулина - единственного гормона, обладающего резким понижающим концентрацию сахара в крови действием. Под влиянием инсулина повышается проница­емость для глюкозы плазматических мембран клеток мышечной жировой тканей. Инсулин активирует в печени и мышцах процессы превращения глюкозы в гликоген, улучшает ее поглощение и усво­ение скелетными, гладкими и сердечной мышцами. Под влиянием инсулина в клетках жировой ткани из глюкозы синтезируются жиры. Одновременно, выделяющийся в больших количествах инсулин тор­мозит распад гликогена печени и глюконеогенез.

Содержание глюкозы в крови оценивается глюкорецепторами пе­реднего гипоталамуса, а также его полисенсорными нейронами. В ответ на повышении уровня глюкозы в крови выше «заданного значения» (>1,2 г/л) повышается активность нейронов гипоталамуса, которые посредством влияния парасимпатической нервной системы на поджелудочную железу усиливают секрецию инсулина.

При понижении уровня глюкозы в крови уменьшается ее погло­щение гепатоцитами. В поджелудочной железе снижается секретор­ная активность В -клеток, уменьшается секреция инсулина. Тормо­зятся процессы превращения глюкозы в гликоген в печени и мыш­цах, уменьшается поглощение и усвоение глюкозы скелетными и гладкими мышцами, жировыми клетками. При участии этих меха­низмов замедляется или предотвращается дальнейшее понижение уровня глюкозы в крови, которое могло бы привести к развитию гипогликемии.

При уменьшении концентрации глюкозы в крови имеет место повышении тонуса симпатической нервной системы. Под ее влия­нием усиливается секреция в мозговом веществе надпочечников адреналина и норадреналина. Адреналин, стимулируя распад глико­гена в печени и мышцах вызывает повышение концентрации сахара в крови. По этому свойству адреналин является наиболее важным антагонистом инсулина среди других гормонов системы регуляции уровня сахара в крови. Например, норадреналин обладает слабовыраженной способностью повышать уровень глюкозы в крови.

Под влиянием симпатической нервной системы стимулируется выработка а-клетками поджелудочной железы глюкагона, который активирует распад гликогена печени, стимулирует глюконеогенез и приводит к повышению уровня глюкозы в крови.

Понижение в крови концентрации глюкозы, являющейся для ор­ганизма одним из наиболее важных энергетических субстратов, вы­зывает развитие стресса. В ответ на снижение уровня сахара крови глюкорецепторные нейроны гипоталамуса через рилизинггормоны стимулируют секрецию гипофизом в кровь гормона роста и адренокортикотропного гормона. Под влиянием гормона роста уменьшается проницаемость клеточных мембран для глюкозы, усиливается глюконеогенез, активируется секреция глюкагона, в результате чего уровень сахара в крови увеличивается. Гормон роста оказывает анаболические эффекты на обмен белков и жиров. Под его влия­нием увеличивается содержание белка, снижается количество экскретируемого азота, увеличивается концентрация в плазме свободных жирных кислот.

Секретируемые под действием адренокортикотропного гормона в коре надпочечников глкжокортикоиды активируют ферменты глюконеогенеза в печени и этим способствуют увеличению содержания сахара в крови. Одновременно под действием глюкокортикоидов уменьшается включение аминокислот в белки и увеличивается ско­рость выведения из организма азота. Глкжокортикоиды повышают эффективность липолиза в жировой ткани и мобилизации в кровь свободных жирных кислот.

Регуляция обмена веществ и энергии в целостном организме находится под контролем нервной системы и ее высших отделов . Об этом свидетельствуют факты условнорефлекторного изменения ин­тенсивности метаболизма у спортсменов в предстартовом состоянии, у рабочих перед началом выполнения тяжелой физической работы, у водолазов перед их погружением в воду. В этих случаях увели­чивается скорость потребления организмом кислорода, возрастает минутный объем дыхания, минутный объем кровотока, усиливается энергообмен.

Развивающееся при снижении в крови содержания глюкозы, сво­бодных жирных кислот, аминокислот чувство голода обусловливает поведенческую реакцию, направленную на поиск и прием пищи и восполнение в организме питательных веществ.

В регуляции и осуществлении обмена веществ участвуют разные отделы нервной системы. Обмен веществ и энергии, приспосабливающие его к потребностям организма, происходят под влиянием коры полушарий. Так, у тренированных спортсменов на стадионе и в спортивном зале газообмен повышается задолго до начала соревнований. Повышение обмена наблюдается и у болельщиков, несмотря на то что они только зрительно участвуют в происходящем. Ясно, что здесь имеет место рефлекторная регуляция обмена веществ и энергии.

В продолговатом мозге находятся нервные центры, влияющие на обмен белков и углеводов. Вегетативная нервная система непосредственно и через гормоны повышает или понижает обмен веществ в органах. Симпатические импульсы вызывают превращение резервного гликогена печени в глюкозу, а парасимпатические — превращение глюкозы в гликоген. При двигательной деятельности вегетативная нервная система восстанавливает работоспособность мышц, изменяет газообмен и поддерживает температуру тела на определенном уровне.

Гормоны желез внутренней секреции регулируют обмен белков, жиров и углеводов. Гормон поджелудочной железы инсулин стимулирует отложение гликогена в печени и образование жира из углеводов. Гормон надпочечников адреналин в обычных условиях в небольших количествах циркулирует в крови. Мышечная работа или сигналы, предвещающие ее, а также эмоциональное возбуждение вызывают усиленное поступление адреналина в кровь. Как и центральная нервная система, адреналин вызывает возбуждение симпатической нервной системы, и они совместно воздействуют на обмен веществ. В частности, мобилизация гликогена печени для поддержания уровня сахара в крови при мышечной работе осуществляется именно при помощи адреналосимпатической системы.

«Анатомия и физиология человека», М.С.Миловзорова

В состав тела человека входят многие химические элементы. Содержание некоторых химических элементов в теле человека: Элементы, обязательно присутствующие в организме: Кальций Фосфор Калий Сера Хлор Натрий Магний Железо Йод Микроэлементы с незначительным содержанием в теле: Медь Марганец Цинк Фтор Кремний Мышьяк Алюминий Свинец Литий В организме они присутствуют главным образом в виде солей и некоторых кислот….

Химические превращения веществ в организме являются частью сложнейшего процесса, называемого обменом веществ. Из окружающей среды человек получав питательные вещества, воду, минеральные соли и витамины. В окружающую среду он выделяет углекислый газ, некоторое количество влаги, минеральных солей, рганических веществ. В процессе обмена веществ человек получает энергию, аккумулированную в продуктах животного и растительного происхождения, и отдает тепловую энергию…

Из общего обмена веществ 40—50% осуществляется в скелетной мускулатуре. Любая мышечная деятельность увеличивает обмен веществ в мышцах. При спокойном сидении по сравнению со спокойным лежанием он возрастает на 12%. Стояние увеличивает обмен веществ на 20%, а бег — на 400%. Причем хорошо тренированный к данному виду мышечной работы человек тратит на ее выполнении меньше энергии, чем новичок. Объясняется…

Образование и выделение продуктов распада Обмен веществ в организме заканчивается образованием продуктов распада. Они вырабатываются в клетках в результате тканевого обмена. К ним относятся углекислый газ, вода, органические вещества (например, молочная кислота), минеральные вещества — соли, железо и другие металлы. Организм освобождается от них через органы выделения. Помимо конечных продуктов, из организма выводятся выщества, образовавшиеся при разрушении отмирающих…

Выделение продуктов распада является последним этапом обмена белков, жиров и углеводов, очень важным для нормального функционирования и существования организма. Конечные и другие выделяемые продукты и некоторые вещества, введенные с лекарствами, накапливаясь в тканях, могут отравить организм. Через органы выделения они выводятся из организма. Главная функция органов выделения состоит в поддержании относительного постоянства внутренней среды организма,…

В регуляции обмена веществ и энергии выделяют регуляцию об­мена организма веществами и энергией с окружающей средой и регуляцию метаболизма в самом организме.

Регуляция обмена организма с окружающей средой питательными веществами рассматривается в главе 9.

Вопросы регуляции водно-солевого обмена описаны в главе 12. Регуляция обмена организма с окружающей средой теплом, как конечной формой превращения всех видов энергии, обсуждается в главе 11.

Поэтому здесь представлены общие вопросы нейрогуморальной регуляции обмена веществ и энергии в организме и, главным об­разом, регуляция метаболизма целостного организма.

Конечной целью регуляции обмена веществ и энергии является удовлетворение в соответствии с уровнем функциональной актив­ности потребностей целостного организма, его органов, тканей и отдельных клеток в энергии и разнообразных пластических веще­ствах. В целостном организме постоянно существует необходимость согласования общих метаболических потребностей организма с по­требностями клетки органа, ткани. Такое согласование достигается посредством распределения между органами и тканями веществ, поступающих из окружающей среды, и перераспределения между ними веществ, синтезирующихся внутри организма.

Обмен веществ, протекающий внутри организма, не связан пря­мыми способами с окружающей средой. Питательные вещества,

прежде чем они смогут вступить в обменные процессы, должны быть получены из пищи в желудочно-кишечном тракте в молеку­лярной форме. Кислород, необходимый для биологического окисле­ния, должен быть выделен в легких из воздуха, доставлен в кровь, связан с гемоглобином и перенесен кровью к тканям. Скелетные мышцы, являясь в организме одним из мощных потребителей энер­гии, также обслуживают обмен веществ и энергии, обеспечивая по­иск, прием и обработку пищи. Непосредственное отношение к об­мену веществ и энергии имеет выделительная система. Таким об­разом, регуляция обмена веществ и энергии - это мультипарамет-рическая регуляция, включающая в себя регулирующие системы мно­жества функций организма (например, дыхания, кровообращения, выделения, теплообмена и др.).

Роль центра в регуляции обмена веществ и энергии играет гипо­ таламус. Это обусловлено тем, что в гипоталамусе локализованы нервные ядра и центры, имеющие непосредственное отношение к регуляции голода и насыщения, теплообмена, осморегуляции. В гипоталамусе идентифицированы полисенсорные нейроны, реагиру­ющие сдвигами функциональной активности на изменения концент­рации глюкозы, водородных ионов, температуры тела, осмотического давления, т.е. важнейших гомеостатических констант внутренней среды организма. В ядрах гипоталамуса осуществляется анализ со­стояния внутренней среды организма и формируются управляющие сигналы, которые посредством эфферентных систем приспосаблива­ют ход метаболизма к потребностям организма.

В качестве звеньев эфферентной системы регуляции обмена ис­пользуется симпатический и парасимпатический отделы вегетатив­ной нервной системы. Выделяющиеся их нервными окончаниями медиаторы оказывают прямое или опосредованное вторичными по­средниками влияние на функцию и метаболизм тканей. Под управ­ляющим влиянием гипоталамуса находится и используется в каче­стве эфферентной системы регуляции обмена веществ и энергии - эндокринная система. Гормоны гипоталамуса, гипофиза и других эндокринных желез оказывают прямое влияние на рост, размноже­ние, дифференцировку, развитие и другие функции клеток. Гормоны принимают участие в поддержании в крови необходимого уровня таких веществ, как глюкоза, свободные жировые кислоты, мине­ральные ионы (см. главу 5).

Обмен веществ (анаболизм и катаболизм), получение запасаемой в макроэргических связях АТФ энергии, выполнение различных ви­дов работ с использованием метаболической энергии - это, как правило, процессы, протекающие внутри клетки. Поэтому важней­шим эффектором, через который можно оказать регулирующее воз­действие на обмен веществ и энергии, является клетка органов и тканей. Регуляция обмена веществ заключается в воздействии на скорость биохимических реакций, протекающих в клетках.

Наиболее частыми эффектами регуляторных воздействий на клетку являются изменения: каталитической активности ферментов и их концентрации, сродства фермента и субстрата, свойств микросреды,

в которой функционируют ферменты. Регуляция активности фер­ментов может осуществляться различными способами. "Тонкая на­стройка" каталитической активности ферментов достигается посред­ством влияния веществ - модуляторов, которыми часто являются сами метаболиты. Этим способом осуществляется регуляция отдель­ных звеньев метаболических превращений. При этом модулятор может оказывать своей воздействие в отдельной или нескольких тканях организма.

Метаболизм клетки в целом невозможен без интеграции многих биохимических превращений и сама возможность его осуществления определяется энергетическим и окислительно-восстановительным потенциалом клетки. Эта общая интеграция метаболизма обеспечи­вается, главным образом, с помощью аденилатов, участвующих в регуляции любых метаболических превращений клетки.

Интеграция обмена белков, жиров и углеводов клетки осущест­вляется посредством общих для них источников энергии. Действи­тельно, при биосинтезе любых простых и сложных органических слоединений, марокмолекул и надмолекулярных структур в качестве общих источников энергии используется АТФ, которая поставляет энергию для процессов фосфорилирования, или НАД Н, НАДФ Н, поставляющие энергию для восстановления окислительных соедине­ний. Таким образом, если в клетке осуществлять синтез (анаболизм) определенных веществ, то он может происходить за счет затраты химической энергии одного из общих подвижных источников (АТФ, НАД Н, НАДФ-Н), которые образуются при катаболизме других веществ (см.рис.10.1).

За общий энергетический запас клетки, полученный в ходе ката­болизма и являющийся движущей силой разнообразных превраще­ний, конкурируют все анаболические и другие процессы, протека­ющие с затратой энергии. Так, например, осуществление глюкоста-тической функции печени, основанной на способности печени син­тезировать глюкозу из лактата и аминокислот {глюконеогенез), несо­вместимо с одновременным синтезом жиров и белков. Глюконеоге­нез сопровождается расщеплением в печени белков и жиров и окис­лением образующихся при этом жирных кислот, что ведет к осво­бождению энергии, необходимой для синтеза АТФ и НАД Н, в свою очередь требующихся для глюконеогенеза.

Еще одним проявлением интеграции метаболических превращений белков, жиров и углеводов является существование общих предше­ ственников и общих промежуточных продуктов обмена веществ. Это - общий фонд углерода, общий промежуточный продукт обме­на- ацетил- КоА и другие вещества. Важнейшими конечными путями превращений, связующими метаболические процессы на различных этапах, являются цикл лимонной кислоты и реакции дыхательной цепи, протекающие в митохондриях. Так, цикл лимонной кисло­ты - главный источник СО 2 для последующих реакций глюконеоге­неза, синтеза жирных кислот и мочевины.

Одним из механизмов согласования общих метаболических по­требностей организма с потребностями клетки являются нервные и

гормональные влияния на ключевые ферменты. Характерными осо­бенностями этих ферментов являются: положение в начале того метаболического пути, к которому принадлежит фермент; прибли­женность расположения или ассоциированность со своим субстра­том; реагирование не только на действие внутриклеточных регуля­торов метаболизма, но и на внеклеточные нервные и гормональные воздействия.

Примерами ключевых ферментов являются гликогенфосфорилаза, фосфофруктокиназа, липаза. Их роль в процессах регуляции мета­болизма видна, в частности, при подготовке организма к "борьбе или бегству". При повышении в этих условиях в крови уровня адреналина до 10 -9 М он связывается с адренорецепторами плазма­тической мембраны, активирует аденилатциклазу, которая катализи­рует превращение АТФ в циклический АМФ. Последний активирует гликогенфосфорилазу, многократно усиливающую расщепление гли­когена в печени.

Процесс гликогенолиза в мышцах может одновременно активиро­ваться нервной системой и катехоламинами. Этот эффект достига­ется посредством выделения ионов Са ++ , его связывания с кальмо-дулином, являющимся субъединицей фосфорилазы, которая при этом активируется и приводит к мобилизации гликогена. Нервный меха­низм мобилизации гликогена осуществляется через меньшее число промежуточных этапов, чем гормональный. Этим достигается его быстродействие.

Удовлетворение энергетических потребностей организма посред­ством ускорения внутриклеточных процессов расщепления триглице-ридов в жировой клетчатке достигается активацией гормончувстви-тельной липазы. Повышение активности этого фермента (адренали­ном, норадреналином, глюкагоном) приводит к мобилизации сво­бодных жирных кислот, являющихся основным энергетическим суб­стратом окисления в мышцах при выполнении ими интенсивной и длительной работы.

Переход органов и тканей с одного уровня функциональной ак­тивности на другой всегда сопровождается соответствующими изме­нениями их трофики. Например, при рефлекторном сокращении скелетных мышц нервная система осуществляет не только пусковое действие, но и трофическое путем усиления в них местного кро­вотока и интенсивности обмена веществ. Увеличение силы сокра­щений миокарда под влиянием симпатической нервной системы обеспечивается одновременным усилением коронарного кровотока и метаболизма в мышце сердца. О влиянии нервной системы на тро­фику скелетных мышц свидетельствует тот факт, что денервация мышцы приводит к постепенной атрофии мышечных волокон. Важ­нейшее значение в осуществлении трофической функции нервной системы играет ее симпатический отдел. Через симпато-адреналовую систему достигается не только активация обмена веществ и энергии в клетке, но и создаются дополнительные условия для ускорения метаболизма. Норадреналин и адреналин, выброс которых в крово­ток возрастает при возбуждении симпатической нервной системы,

вызывают увеличение глубины дыхания, расширяют мускулатуру бронхов, что способствует доставке кислорода в кровь. Адреналин, оказывая положительное инотропное и хронотропное действие на сердце, увеличивает минутный объем крови, повышает систоличес­кое артериальное давление. В результате активации дыхания и кро­вообращения возрастает доставка кислорода к тканям.

Одним из интегральных показателей внутренней среды, отража­ющим обмен в организме углеводов, белков и жиров, является концентрация в крови глюкозы. Глюкоза является не только энер­гетическим субстратом, необходимым для синтеза жиров и белков, но и источником их синтеза. В печени происходит новообразование углеводов из жирных кислот и аминокислот.

Нормальное функционирование клеток нервной системы, мышц, для которых глюкоза является важнейшим энергосубстратом, воз­можно при условии, что приток к ним глюкозы обеспечит их энер­гетические потребности. Это достигается при содержании в литре крови у человека в среднем 1 г (0,8-1,2 г) глюкозы (рис. 10.3.).

При снижении содержания глюкозы в литре крови до уровня менее 0,5 г, вызванном голоданием, передозировкой инсулина, име­ет место недостаточность снабжения энергией клеток мозга. Нару­шение их функций проявляется учащением сердцебиения, слабостью и тремором мышц, головокружением, усилением потоотделения, ощущением голода. При дальнейшем снижении концентрации глю­козы в крови указанное состояние, именуемое гипогликемией, может перейти в гипогликемическую кому, характеризующуюся угнетением функций мозга вплоть до потери сознания. Введение в кровь глю­козы, прием сахарозы, инъекция глюкагона предупреждают или ос­лабляют эти проявления гипогликемии.

Кратковременное повышение уровня глюкозы в крови {гипергли­кемия) не представляет угрозы для жизни, но может приводить к повышению осмотического давления крови.

В нормальных условиях во всей крови организма содержится около 5 г глюкозы. При среднесуточном потреблении с пищей взрослым человеком, занимающимся физическим трудом, 430 г углеводов в условиях относительного покоя, тканями ежеминутно потребляется около 0,3 г глюкозы. При этом запасов глюкозы в циркулирующей крови достаточно для питания тканей на 3-5 минут и без ее вос­полнения неминуема гипогликемия. Потребление глюкозы возрастает при физической и психоэмоциональной нагрузках. Так как пери­одический (несколько раз в день) прием углеводов с пищей не обеспечивает постоянного и равномерного притока глюкозы из ки­шечника в кровь, в организме существуют механизмы, восполня­ющие убыль глюкозы из крови в количествах, эквивалентных ее потреблению тканями. Механизмы с другой направленностью дей­ствия обеспечивают в нормальных условиях превращение глюкозы в запасаемую форму - гликоген. При уровне более 1,8 г в литре крови происходит выведение ее из организма с мочой.

Избыток глюкозы, всосавшейся из кишечника в кровь воротной вены, поглощается гепатоцитами. При повышении в них концент-

Рис. 10.3 Система регуляции уровня глюкозы в крови (Пояснения в тексте)

рации глюкозы активируется ферменты углеводного обмена печени, превращающие глюкозу в гликоген. В ответ на повышение уровня сахара в крови, протекающей через поджелудочную железу, возрас­тает секреторная активность В -клеток островков Лангерганса. В кровь выделяется большее количество инсулина - единственного гормона, обладающего резким понижающим концентрацию сахара в крови действием. Под влиянием инсулина повышается проница­емость для глюкозы плазматических мембран клеток мышечной жировой тканей. Инсулин активирует в печени и мышцах процессы превращения глюкозы в гликоген, улучшает ее поглощение и усво­ение скелетными, гладкими и сердечной мышцами. Под влиянием инсулина в клетках жировой ткани из глюкозы синтезируются жиры. Одновременно, выделяющийся в больших количествах инсулин тор­мозит распад гликогена печени и глюконеогенез.

Содержание глюкозы в крови оценивается глюкорецепторами пе­реднего гипоталамуса, а также его полисенсорными нейронами. В ответ на повышении уровня глюкозы в крови выше "заданного значения" (>1,2 г/л) повышается активность нейронов гипоталамуса, которые посредством влияния парасимпатической нервной системы на поджелудочную железу усиливают секрецию инсулина.

При понижении уровня глюкозы в крови уменьшается ее погло­щение гепатоцитами. В поджелудочной железе снижается секретор­ная активность В -клеток, уменьшается секреция инсулина. Тормо­зятся процессы превращения глюкозы в гликоген в печени и мыш­цах, уменьшается поглощение и усвоение глюкозы скелетными и гладкими мышцами, жировыми клетками. При участии этих меха­низмов замедляется или предотвращается дальнейшее понижение уровня глюкозы в крови, которое могло бы привести к развитию гипогликемии.

При уменьшении концентрации глюкозы в крови имеет место повышении тонуса симпатической нервной системы. Под ее влия­нием усиливается секреция в мозговом веществе надпочечников адреналина и норадреналина. Адреналин, стимулируя распад глико­гена в печени и мышцах вызывает повышение концентрации сахара в крови. По этому свойству адреналин является наиболее важным антагонистом инсулина среди других гормонов системы регуляции уровня сахара в крови. Например, норадреналин обладает слабовы-раженной способностью повышать уровень глюкозы в крови.

Под влиянием симпатической нервной системы стимулируется выработка а-клетками поджелудочной железы глюкагона, который активирует распад гликогена печени, стимулирует глюконеогенез и приводит к повышению уровня глюкозы в крови.

Понижение в крови концентрации глюкозы, являющейся для ор­ганизма одним из наиболее важных энергетических субстратов, вы­зывает развитие стресса. В ответ на снижение уровня сахара крови глюкорецепторные нейроны гипоталамуса через рилизинг-гормоны стимулируют секрецию гипофизом в кровь гормона роста и адрено-кортикотропного гормона. Под влиянием гормона роста уменьшается проницаемость клеточных мембран для глюкозы, усиливается глю-

конеогенез, активируется секреция глюкагона, в результате чего уровень сахара в крови увеличивается. Гормон роста оказывает анаболические эффекты на обмен белков и жиров. Под его влия­нием увеличивается содержание белка, снижается количество экс-кретируемого азота, увеличивается концентрация в плазме свободных жирных кислот.

Секретируемые под действием адренокортикотропного гормона в коре надпочечников глкжокортикоиды активируют ферменты глюко-неогенеза в печени и этим способствуют увеличению содержания сахара в крови. Одновременно под действием глкжокортикоидов уменьшается включение аминокислот в белки и увеличивается ско­рость выведения из организма азота. Глкжокортикоиды повышают эффективность липолиза в жировой ткани и мобилизации в кровь свободных жирных кислот.

Регуляция обмена веществ и энергии в целостном организме находится под контролем нервной системы и ее высших отделов. Об этом свидетельствуют факты условнорефлекторного изменения ин­тенсивности метаболизма у спортсменов в предстартовом состоянии, у рабочих перед началом выполнения тяжелой физической работы, у водолазов перед их погружением в воду. В этих случаях увели­чивается скорость потребления организмом кислорода, возрастает минутный объем дыхания, минутный объем кровотока, усиливается энергообмен.

Развивающееся при снижении в крови содержания глюкозы, сво­бодных жирных кислот, аминокислот чувство голода обусловливает поведенческую реакцию, направленную на поиск и прием пищи и восполнение в организме питательных веществ.

Качественный и количественный состав пищевых рационов должен обеспечивать потребность организма в веществах, из которых в его клетках и тканях могут синтезироваться собственные структуры, необходимые для процессов жизнедеятельности, приспособительных и защитных реакций. Исходным материалом для создания живой ткани и её постоянного обновления, а также единственным источником энергии для человека и животных являются органические и неорганические вещества, поступающие в организм вместе с пищей. Пища – сложная смесь органических и неорганических веществ, получаемых организмом из окружающей среды и используемых для построения и возобновления тканей, поддержания жизнедеятельности и восполнения расходуемой энергии. Энергетический эквивалент пищи Как биологическая особь человек относится к гетеротрофам, которые получают энергию, потребляя животную и растительную пищу. Она содержит готовые питательные вещества – белки, жиры, углеводы, минеральные элементы, воду и витамины. Количество энергии, выделяемой при окислении какого-либо соединения, не зависит от количества промежуточных этапов его распада, т.е. от того, сгорели ли оно или окислилось в ходе катаболических процессов. Запас энергии в пище определяется в калориметрической бомбе – замкнутой камере, погруженной в водяную баню. Точно взвешенную пробу помещают в эту камеру, наполненную чистым кислородом (О 2) и поджигают. Количество выделившейся энергии определяется по изменению температуры воды, окружающей камеру. При окислении: 1. 1 г углеводов выделяется 17,17 кДж (4,1 ккал); 2. 1 г жира выделяется 38,96 кДж (9,3 ккал); 3. 1 г белка выделяется 22,61 кДж (5,4 ккал). Белки окисляются в организме не полностью. Аминогруппы отщепляются от молекулы белка и выводятся с мочой в форме мочевины. Поэтому при сжигании белка в калориметрической бомбе выделяется больше энергии, чем при его окислении в организме. При сжигании белка в калориметрической бомбе выделяется 22,61 кДж/г (5,4 ккал/г), а при окислении в организме – 17,17 кДж/г (4,1 ккал/г). Разница приходится на ту энергию, которая выделяется при сжигании мочевины. Запасание энергии в форме жира является наиболее экономичным способом длительного хранения энергии в организме. Для поддержания процессов жизнедеятельности, приспособительных и защитных реакций питание должно обеспечивать не только энергетические, но и пластические потребности организма. С пищей организм получает вещества, необходимые для биосинтеза, обновления биологических структур. Энергия поступающих в организм питательных веществ преобразуется и используется для синтеза компонентов клеточных мембран и органелл клетки, для выполнения механической, химической, осмотической и электрической работы. Биологическая и энергетическая ценность пищевых продуктов определяется содержанием в них питательных веществ: белков, жиров, углеводов, минеральных солей, органических кислот, воды, ароматических и вкусовых веществ. Важное значение имеют такие свойства питательных веществ, как их перевариваемость и усвояемость. Потребность организма в пластических веществах может быть удовлетворена тем минимальным уровнем их потребления с пищей, который будет уравновешивать потери структурных белков, липидов и углеводов при поддержании энергетического баланса. Эти потребности индивидуальны и зависят от таких факторов, как возраст человека, состояние здоровья, интенсивность и виды труда. Принципы составления пищевых рационов Питание должно соответствовать потребностям организма в пластических веществах и энергии, минеральных солях, витаминах и воде, обеспечивать нормальную жизнедеятельность, хорошее самочувствие, высокую работоспособность, сопротивляемость инфекциям, рост и развитие организма. Исходя из концепции рационального сбалансированного питания, разработанной А.А. Покровским и другими учеными при составлении пищевого рациона (т.е. количества и состава продуктов питания, необходимых человеку в сутки) следует соблюдать ряд принципов: 1. Калорийность пищевого рациона должна соответствовать энергетическим затратам организма на все виды жизнедеятельности. 2. Необходимо учитывать питательную ценность пищевых веществ. В пищевом рационе должно содержаться оптимальное для данного индивидуума или профессиональной группы количество белков, жиров и углеводов, минеральных веществ, витаминов и воды. 3. Требуется соблюдать сбалансированность в пищевом рационе количества белков, жиров, углеводов и минеральных веществ. 4. Важно правильное распределение калорийности рациона по отдельным приемам пищи в течение суток в соответствии с биоритмами, режимом и характером труда и иных видов деятельности. 5. Применение методов технологической обработки, обеспечивающей удаление вредных веществ, не вызывающих уменьшение биологической ценности пищи, а также не допускающей образования токсических продуктов. 6. Обеспечение органолептических достоинств пищи, способствующих её перевариванию и усвоению. 7. Наличие в пищевом рационе пищевых волокон, способствующих выведению токсических продуктов распада из организма.

В процессе жизнедеятельности уровень метаболизма все время подвержен значительным колебаниям, обеспечивая наилучшие условия для выполнения приспособительных функций организма.

Точное соответствие изменений метаболизма потребностям организма достигается благодаря очень тонким регуляторным процессам. При этом регуляция обмена направлена главным образом на изменение интенсивности процессов ассимиляции и диссимиляции в клетках и тканях организма при выполнении ими специализированных функций, таких, напр., как секреция, мышечные сокращения, нервное возбуждение, а также при их росте и размножении. Регулирование этих процессов осуществляется по принципу саморегуляции. Определяющим моментом в этой деятельности всегда является тот уровень обмена внутри организма, который обеспечивает оптимальные условия для его жизнедеятельности. Во всех случаях, когда этот важный для деятельности организма уровень обмена веществ по тем или иным причинам изменяется, развивается целая цепь самых разнообразных процессов, направленных на его восстановление. Прежде всего, мобилизуются специальные резервы организма. Затем, когда эти резервы подвергаются угрозе полного израсходования, включаются механизмы потребления необходимых веществ из внешней среды. В случае, если из внешней среды необходимые вещества долгое время не поступают, клетки переходят на более экономный режим работы (сокращение потерь тепла вплоть до развития анабиотического состояния).

В организме можно выделить несколько уровней регуляции метаболизма. Регуляция обмена веществ происходит уже непосредственно в самих клетках и тканях организма. Здесь уровень обмена, обеспечивающий их пластические функции, прежде всего определяется генетическим аппаратом клеток. Вместе с тем, как показали исследования Ф. 3. Меерсона и сотр., генетический аппарат клетки, от которого зависит уровень ее обмена, не является консервативным, а, как правило, может изменяться при изменении интенсивности ее специализированной деятельности.

С другой стороны, регуляция внутриклеточного обмена веществ осуществляется также за счет изменения в клетках и тканях содержания различных веществ, участвующих в их жизнедеятельности (вода, глюкоза, жиры, белки, кислород, витамины и др.). Так, при уменьшении поступления кислорода к клеткам в них немедленно развиваются процессы анаэробного расщепления углеводов; при недостатке углеводов накапливаются кетоновые тела. Накопление в тканях молочной кислоты (нередкое при усиленной мышечной деятельности) также вызывает расстройства их нормальной жизнедеятельности. Установлено, что некоторые продукты промежуточного обмена (янтарная, фумаровая кислоты, креатин, АДФ и др.) обладают способностью повышать интенсивность окислительных процессов.

На уровень обмена в тканях существенное влияние могут оказывать и физические факторы (температура, радиация и т. д.). Они могут ускорить метаболизм или, наоборот, резко понизить его вплоть до развития состояния анабиоза (см.).

Несмотря на то что уровень обмена веществ в тканях исключительно хорошо регулируется на клеточном и молекулярном уровне, изменения метаболизма в интересах целого организма происходят только на основе гуморальной и нервной регуляции.

На обмен веществ целого организма оказывает отчетливое действие ряд гормонов. Так, напр., гормон щитовидной железы тироксин усиливает обмен белка. Соматотропный гормон гипофиза способствует росту тканей, адреналин (гормон надпочечников) и инсулин (гормон поджелудочной железы) влияют на обмен углеводов. На жировой обмен оказывают влияние гормоны гипофиза, половых желез, щитовидной железы, надпочечников и поджелудочной железы.

Нервная регуляция обмена веществ осуществляется преимущественно вегетативной нервной системой путем ее влияния как на железы внутренней секреции, так и непосредственно на обмен веществ в тех или иных органах (так называемое трофическое действие). Такие влияния впервые были показаны Гейденгайном (В. Р. Н. Heidenhain) на слюнной железе, в дальнейшем И. П. Павловым на сердце, Гинецинским - на поперечнополосатых мышцах (феномен Орбели - Гинецинского). Нервное влияние на углеводный обмен впервые было обнаружено Бернаром (С. Bernard) при уколе в дно IV желудочка (сахарный укол). При таком уколе количество глюкозы в крови резко возрастает. При некоторых повреждениях ствола мозга увеличиваются белковый обмен и выведение азота с мочой.

Нервные центры, оказывающие влияние на обмен, были обнаружены в гипоталамической области (см. Гипоталамус). При повреждении гипоталамуса многие авторы наблюдали у животных ожирение. Помимо этого, в гипоталамусе сосредоточен центр, регулирующий поступление питательных веществ из внешней среды. Именно здесь производится постоянная «оценка» количества поступающих в организм питательных веществ в соответствии с уровнем метаболизма, а также регулируется уровень энергетических расходов в связи с различной его деятельностью.

При поражениях гипоталамуса наблюдаются комплексные расстройства регуляции обмена, которые проявляются в изменении приема пищи, мышечной деятельности, основного обмена, нарушении функции депонирующих механизмов и т. д. При этом нередко наблюдаются такие патологические нарушения, при которых интенсивность метаболизма внутри организма перестает соответствовать количеству принимаемых извне веществ. В результате этого развиваются такие заболевания, как кахексия, ожирение.

Важно подчеркнуть, что уже гипоталамические механизмы обеспечивают регуляцию обмена с опережением реальных событий (П. К. Анохин). Так, центры гипоталамуса определяют значительное снижение расхода питательных веществ еще задолго до того, как будет исчерпан весь запас питательных веществ в организме. И, наоборот, эти же центры обусловливают резкое ускорение метаболизма во время приема пищи, когда питательные вещества еще не успели поступить в кровь. Опережающие последующую деятельность изменения метаболизма наиболее отчетливо выражены в целостной приспособительной деятельности организма. Она осуществляется уже регуляторными механизмами коры головного мозга. Примером таких опережающих последующие явления изменений метаболизма может служить предстартовое повышение обмена веществ у спортсменов, а также обнаруженные исследованиями школы К. М. Быкова опережающие движение поезда изменения метаболизма у железнодорожников. Все такого рода изменения обмена веществ и энергии развиваются путем неоднократных повторений определенных ситуаций и формируются на основе механизма условного рефлекса (см.).