Изменения обмена веществ при голодании
Голодание может быть неполным (недоедание) и полным. Основная проблема неполного голодания - белковая недостаточность. Полное голодание может быть связано с болезнями пищеварительного тракта или психическими заболеваниями.
Выделяют три фазы. Азотистый баланс во все фазы голодания отрицательный.
Первая фаза следует за постабсорбтивным периодом и продолжается примерно сутки. Расходуются запасы гликогена; концентрация инсулина в крови снижается, а концентрации глюкагона и кортизола увеличиваются. Увеличивается скорость мобилизации жиров и скорость глюконеогенеза из аминокислот и глицерина. Концентрация глюкозы в крови уменьшается до нижних пределов нормы.
Вторая фаза длится около одной недели. Продолжается мобилизация жиров, увеличиваются концентрации жирных кислот и кетоновых тел в крови. Ацетон не используется и выводится главным образом с выдыхаемым воздухом и через кожу. Концентрация инсулина в крови низкая, и глюкоза в мышечные клетки не проникает. Источниками энергии для мышц и других органов являются жирные кислоты и кетоновые тела. Потребителями глюкозы являются только инсулинонезависимые клетки, прежде всего клетки мозга. Продолжается глюконеогенез за счет распада тканевых белков. Интенсивность обмена веществ снижена.
Третья фаза продолжается несколько недель. Скорость распада белков стабилизируется (примерно 20 г в сутки), соответственно уменьшается скорость глюконеогенеза. В этой фазе и для мозга основным источником энергии становятся кетоновые тела. При продолжении голодания нарастает атрофия тканей. После израсходования от 1/3 до 1/2 всех белков наступает гибель.
Контрольные вопросы
1. Какой фактор является движущей силой, обеспечивающей взаимопревращения белков, жиров, углеводов и интеграцию энергии?
2. Перечислите основные энергоносители организма.
3. Какие процессы протекают в абсорбтивном и постабсорбтивном периодах?
4. Перечислите гормоны, регулирующие обмен белков, жиров и углеводов, укажите их влияние не метаболические процессы в различных тканях
5. Избыток каких гормонов может способствовать снижению концентрации глюкозы? Ответ обоснуйте.
6. Докажите, почему переедание легкоусвояемых углеводов - фактор риска в развитии атеросклероза и ожирения.
7. Какие изменения обмена веществ происходят в организме при голодании?
8. Каковы причины развития болезни Аддисона? Какие нарушения метаболизма наблюдаются при этом заболевании?
9. Перечислите основные проявления сахарного диабета.
10. Какие виды диабетов вы знаете? Как их можно дифференцировать по анализам крови, мочи?
МИНЕРАЛЬНЫЙ И ВОДНО-СОЛЕВОЙ ОБМЕН
ВОДА В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА
Вода играет важную роль в жизненных процессах не только как обязательная составная часть всех клеток и тканей тела, но и как среда, в которой протекают все химические превращения, связные с жизнедеятельностью организма. Солевой обмен теснейшим образом связан с водным обменом. Большинство минеральных соединений находится в организме в водных растворах. Соли, подобно воде, не доставляют энергии для организма, однако они являются необходимой составной частью всех клеток и тканей.
Содержание воды в организме человека составляет около 2/3 массы тела, несколько уменьшаясь с возрастом. Более высоким содержанием воды отличаются новорожденные дети. Например, такие плотные ткани и органы, как мышцы, кожа, почки, сердце на 70-80% состоят из воды. Часть воды, входящей в состав тканей тела, находится в них в связанной форме.
Вода обладает рядом характерных химических и физических свойств. Чистая вода представляет собой нейтральную жидкость, в которой хорошо растворяются различные неорганические и органические вещества. Благодаря большой диэлектрической постоянной вода способствует электролитической диссоциации растворенных в ней электролитов. Небольшая вязкость воды, от которой зависит скорость передвижения жидкостей в кровеносных и лимфатических сосудах, тканевых щелях и др., также является одним из её важных свойств.
Все химические реакции и физико-химические процессы в организме человека протекают в водной среде. Это реакции гидролиза, где вода непосредственно участвует в реакции, многочисленные реакции окисления, реакции гидратации, набухания коллоидов и другие.
Вода выполняет важную механическую роль, облегчая скольжение трущихся поверхностей (суставы, связки, мышцы и т.д.). Испарение воды кожей - приспособление, посредством которого человек сохраняет постоянную температуру тела при усиленном образовании тепла в организме или при высокой температуре внешней среды.
Основными параметрами жидкой среды организма являются осмотическое давление, рН и объем. Осмотическое давление и рН межклеточной жидкости и плазмы крови одинаковы. Значение рН внутри клеток разных типов может быть различным в зависимости от особенностей метаболизма, механизмов активного транспорта, избирательной проницаемости мембран. Постоянство осмотического давления, рН и объема межклеточной жидкости и плазмы крови обеспечивается действием почек и системы гормонов, регулирующих их функцию, что, в свою очередь, позволяет поддерживать постоянство внутриклеточной среды.
Человек не способен выносить сколько-нибудь значительное обезвоживание и погибает от недостатка воды значительно скорее, чем от недостатка пищи. Суточная потребность взрослого человека в воде составляет примерно 40 г воды на 1 кг массы тела. Потребность в воде покрывается за счет введения различных жидкостей (питьевая вода, напитки, супы) – всего 1–1,5 л; воды пищевых продуктов - около 1-1,5 л; воды, образующейся в тканях при окислении различных субстратов тканевого дыхания – около 400 мл.
Количество воды, образующееся при окислении 100 г различных питательных веществ, выражается следующими цифрами: для липидов – 107 мл, углеводов – 55 мл, белка – 41 мл; при обычной смешанной диете на 100 кал образуется 12 мл воды.
Поступающая извне вода должна полностью компенсировать постоянные потери воды через почки (с мочой), кожу (с потом), легкие (с дыханием), кишечник (с калом). Эти потери воды неразрывно связаны с осуществлением ряда важнейших физиологических функций организма. Основная масса конечных продуктов азотистого обмена у человека выводится из организма через почки с мочой. У человека, в зависимости от массы тела и пола, таким путем выделяется в течение суток около 1,2–1,5 л воды. При употреблении большого количества жидкостей диурез увеличивается, и, наоборот, при ограничении питья количество мочи уменьшается. Сгущение мочи возможно лишь до определенного предела. Чрезмерное ограничение поступления воды неизбежно приводит к расстройству выведения конечных продуктов обмена, в частности азотистых «шлаков». С мочой в растворенном виде выводится из организма и значительная часть подлежащих выведению минеральных солей: хлорида натрия, фосфатов и др. Задержка в организме этих солей, так же как и различных азотистых составных частей мочи, быстро привела бы к несовместимому с жизнью изменению осмотического давления плазмы крови, межклеточной жидкости и внутриклеточного содержимого.
Поддержание концентрации воды в различных тканях организма человека на определенном уровне осуществляется специальными механизмами регуляции, в частности чувством жажды. Жажда возникает в результате рефлекторного возбуждения определенных участков коры головного мозга при первых признаках изменения осмотического давления плазмы крови. Всасывание воды, поступающей в организм через рот, начинается в желудке, однако основная часть ее переходит в систему кровеносных капилляров и отчасти лимфатических сосудов лишь в кишечнике. Осмотическое давление крови обычно выше осмотического давления химуса (пищевой кашицы), всасывание воды не требует особых затрат энергии. Всосавшаяся вода частью задерживается в печени, частью поступает в большой круг кровообращения. Однако сколько-нибудь значительного разжижения крови (гидремии) даже после всасывания больших количеств воды (сразу 1,5 л) не наблюдается. Это объясняется тем, что большая масса всосавшейся воды сразу же переходит из крови в межклеточную жидкость, а также в брюшную полость. Особенно важную роль в качестве органов, удерживающих избыток всосавшейся воды, играют кожа и печень.
Водный обмен не является изолированным и независимым от обмена других веществ. Эта связь наиболее выражена в отношении минерального обмена. Соли натрия вызывают задержку воды в тканях. Соли калия и кальция способствуют, наоборот, удалению воды из организма. На водном балансе отражается также содержание белков, липидов и углеводов в пище. Диета, очень богатая углеводами, дает значительный прирост в массе тела, но при этом, особенно дети, становятся как бы «рыхлыми» в связи с задержкой больших количеств воды в их организме. Отложение жира в организме, напротив, не сопровождается задержкой воды, а скорее приводит к отрицательному водному балансу.
Если воды в организм вводится больше, чем может выделиться через почки, начинается усиленное потоотделение, сопровождающееся головной болью, тошнотой и общей слабостью.
Выведение воды из организма регулируется при помощи нескольких механизмов, важнейшим из которых является механизм регуляции мочеотделения. Он будет рассмотрен в разделе «Биохимия почек».
СОЛЕВОЙ ОБМЕН
Обмен воды, как уже отмечалось, теснейшим образом связан с солевым обменом. Соли не только входят в состав структурных элементов клеток и тканей, но и участвуют в разнообразных процессах обмена между клетками и межклеточной жидкостью. Они активируют ряд ферментативных систем, играют важнейшую роль в качестве необходимых составных частей всех биологических жидкостей и обеспечивают возможность нормальной жизнедеятельности организма. Минералы и их соли принимают участие в сохранении на определённом уровне осмотического давления в биологических жидкостях, играют важную роль в образовании буферных систем тканей и крови.
В наибольшем количестве минеральные соединения (Ca, Mg, F, и P) входят в состав костной ткани и зубов. Кальций и магний находятся в костях в форме фосфатов и отчасти карбонатов и фторидов. Кальций и магний входят в ионизированном состоянии в состав клеток других тканей, плазмы крови и всех биологических жидкостей. Часть катионов, особенно Ca2+ и Mg2+, присутствуют в организме и в связанной с белками форме. Эта часть катионов осмотически не активна и не участвует в активировании ферментных систем.
Кальций (Ca) – это макроэлемент, играющий также важную роль в функционировании мышечной ткани, миокарда, нервной системы и кожи. В ионизированной форме (Ca2+) циркулирует в крови и в межклеточной жидкости, участвуя в регуляции нервно-мышечной проводимости, сосудистого тонуса, продукции гормонов, проницаемости капилляров, в обеспечении репродуктивной функции, свертываемости крови, препятствует депонированию токсинов в организме, тяжелых металлов и радиоактивных элементов. В норме в сыворотке крови содержание Са - 92,2-110,2 мкг/кг.
Магний (Mg) является основным внутриклеточным элементом. Он активирует ферменты, регулирующие углеводный обмен, стимулирует образование белков, регулирует хранение и высвобождение энергии в АТФ, снижает возбуждение в нервных клетках, расслабляет сердечную мышцу. В норме в сыворотке крови содержание Р - 17-29,2 мкг/кг.
Фосфор (Р) – важный биогенный элемент, встречается в организме не только в форме неорганических фосфорных солей, но входит также в состав нуклеопротеинов и нуклеотидов, фосфопротеинов, фосфатидов, фосфорных эфиров углеводов и т.д. Фосфор необходим для нормального функционирования нервной системы (обеспечивает проведение нервного импульса), костей и мышц (обеспечивает мышечное сокращение). Он принимает участие в процессах роста, деления клеток, хранения и использования генетической информации, уменьшает сосудистую проницаемость, снижает уровень холестерина в крови.
Натрий и калий встречаются в организме преимущественно в виде ионов, содержатся они во всех тканях. Натрий содержится во внеклеточных жидкостях (в плазме крови, лимфе, пищеварительных соках, экссудатах) в виде солей – хлорида, фосфата и бикарбоната. Соли калия, наоборот, обычно преобладают в содержимом клеток.
Натрий (Na) – это макроэлемент-электролит, играющий важнейшую роль в водно-солевом обмене, регуляции нервно-мышечной деятельности и функции почек. В норме в сыворотке крови содержание Na - 2900-3588 мкг/кг.
Калий (K) – важнейший элемент-электролит и активатор функции ряда ферментов. К регулирует внутриклеточный обмен, обмен воды и солей; поддерживает осмотическое давление и кислотно-щелочное состояние организма; способствует нормальной деятельности мышц; участвует в проведении нервных импульсов к мышцам; способствует выведению из организма воды и натрия; активирует ряд ферментов и участвует в важнейших метаболических процессах (энергообразование, синтез гликогена, белков, гликопротеинов); участвует в регуляции процесса выделения инсулина клетками поджелудочной железы; поддерживает чувствительность гладкомышечных клеток к сосудосуживающему действию ангиотензина. В норме в сыворотке крови содержание K - 135,7-207,117 мкг/кг.
Сера (S) входит в состав почти всех белков тела. Особенно много серы находится в белках опорных тканей, например, в кератине волос, отличающихся высоким содержанием аминокислоты цистина. Сера встречается в организме в составе трипептида глутатиона, витаминов, гормонов (окситоцин) и др.
Хлор (C1) находится в организме главным образом в виде аниона солей Na, K, Ca и Mg. Анионы хлора являются наиболее важными осмотически активными ионами плазмы крови, лимфы, клеточного содержимого, спинномозговой жидкости и т.д.
Помимо перечисленных выше солей, в организме человека всегда в незначительных количествах встречаются и другие элементы.
Кобальт (Со) необходим организму для участия в процессах кроветворения, активации ряда жизненно важных ферментов, функционировании нервной системы, процессов регенерации тканей, продукции тиреоидных гормонов, созревания и выработки клеток и факторов иммунной защиты, антистрессорной защиты мозга. Кобальт – составная часть молекулы витамина В12 В норме в сыворотке крови содержание Со в пределах 0,07-0,12 мкг/кг.
Кремний (Si) – микроэлемент, максимальное содержание которого отмечается в коже и в твёрдых тканях – зубной эмали, волосах, ногтях и костях. Кремний играет важную роль как структурный компонент соединительной ткани. В норме в сыворотке крови содержание Si колеблется в пределах 0-3,5 мкг/кг.
Марганец (Mn) – жизненно необходимый микроэлемент, участвующий в функционировании более 30 ферментов. Марганец отвечает в организме за синтез и обмен нейромедиаторов в ЦНС, участвует в образовании костной и соединительной тканей, формировании иммунного ответа, регулирует активность антиокислительных ферментов, обмен инсулина и липидов, обмен гормонов щитовидной железы, эстрогенов. Марганец необходим для регуляции обмена витаминов С, Е, группы В, а также холина. Марганец входит в состав активного центра многих ферментов, играет важную роль в защите организма от вредных воздействий перекисных радикалов. В норме содержание Mn в сыворотке крови - 0,01-0,02 мкг/кг.
Железо (Fe) – микроэлемент, тесно связанный с медью (Cu) и цинком (Zn). Железо входит в состав более 70 белков и ферментов: гемоглобина, цитохромов, окислительно-восстановительных ферментов. Железо жизненно необходимо для нормального функционирования иммунной системы, формирования костей, нервной системы, для работы ЖКТ, эндокринных желез. Основными функциями Fe в организме являются: транспорт электронов (цитохромы, железосеропротеины); транспорт и депонирование кислорода (миоглобин и гемоглобин); участие в формировании активных центров окислительно-восстановительных ферментов (оксидазы, гидроксилазы, СОД); активация перекисного окисления, предварительно подготовленного ионами меди; транспорт и депонирование железа (трансферрин, ферритин, гемосидерин, сидерохромы, лактоферрин); участие в синтезе ДНК и делении клеток; участие в синтезе простагландинов, тромбоксанов, лейкотриенов и коллагена; участие в метаболизме гормонов мозгового вещества надпочечников; участие в метаболизме альдегидов, ксантина; участие в катаболизме ароматических аминокислот, пероксидов. В норме в сыворотке крови содержание Fe - 0,6-1,8 мкг/кг.
Медь (Cu) – микроэлемент, играющий важную роль в регуляции окислительно-восстановительных процессов и кроветворения, формировании соединительной ткани. Участвует в синтезе гемоглобина и производстве эритроцитов, жизненно необходима для нормального развития костей, целостности сердечно-сосудистой системы (укрепление сосудов и сердечной мышцы). Медь участвует в формировании эластина, необходима для нормального функционирования иммунной системы, играет важную роль в выработке миелина. Медь исключительно важна для усвоения железа, участвует в контроле уровня холестерина, сахара и мочевой кислоты. Медь тесно связана с цинком и железом. В норме в сыворотке крови содержание Cu - 0,7-1,4 мкг/кг.
Цинк (Zn) – эссенциальный микроэлемент, который необходим для деления и роста клеток, синтеза белка и нуклеиновых кислот, процессов регенерации, детоксикации и иммунной защиты. Большая часть цинка в организме взрослого человека находится в мышцах, костях и коже. Цинк обеспечивает функционирование нервной системы (память, умственные способности, интеллектуальный потенциал, вкус, обоняние, зрение), работу иммунной системы (Т-клеточный иммунитет, местный иммунитет кожи и слизистых оболочек) и репродуктивных органов (синтез половых гормонов). Цинк управляет сокращаемостью мышц, необходим для синтеза белка печенью, пищеварительных ферментов и инсулина поджелудочной железой, очищения организма от алкоголя, радиоактивных элементов, токсичных металлов и различных химических агентов. Особенно нуждаются в цинке дети, так как он регулирует рост человека, влияет на его умственное и физическое развитие, оказывает прямое воздействие на образование коллагеновых тканей и скелета, играет важную роль в образовании гормонов. Цинк тесно связан с медью и железом. В норме в сыворотке крови содержание Zn - 0,02-1,2 мкг/кг.
Селен (Se) – жизненно важный ультамикроэлемент, обеспечивающий антиоксидантную и дезинтоксикационную защиту организма, трофические функции в центральной и периферической нервной системе, участвующий в поддержании питания кожи, роговицы глаза и хрусталика, волос и ногтей. Селен действует в синергизме с витамином Е, защищает сперматозоиды от токсикантов и обеспечивает их подвижность. В норме в сыворотке крови содержание Se - 0,14-0,22 мкг/кг.
Важными для функционирования организма человека являются также микроэлементы йод (J), алюминий (A1), кадмий (Cd), мышьяк (As), никель (Ni), свинец (Pb), титан (Ti), хром (Cr), барий (Ba), литий (Li).
Несмотря на то, что суточная потребность организма человека в макро- и микроэлементах нередко выражается в незначительных долях миллиграмма, при полном исключении их из пищи возникает ряд заболеваний расстройств обмена веществ.
Например, при дефиците железа развиваются такие патологические состояния, как острые и хронические кровопотери, гипохромная анемия, миоглобиндефицитная кардиопатия и атония скелетных мышц, воспалительные и атрофические изменения слизистой рта, носа, эзофагопатия, хронический гастродуоденит, а также иммунодефицитные состояния.
При дефиците калия наступает дегенерация и диффузный некроз миокарда с дилатацией полостей сердца, аритмии, нефроз со склерозом почечных канальцев, мышечная дистрофия и общая слабость, галлюцинации.
Наиболее характерным проявлением дефицита кобальта являются анемии, нарушение менструального цикла у женщин, дегенеративные изменения в спинном мозге, гиперпигментация кожи.
При дефиците кремния снижается неспецифическая сопротивляемость организма к болезням, в том числе к злокачественным новообразованиям. У детей низкое содержание кремния может свидетельствовать о дистрофических изменениях, повышенной хрупкости и недостаточной эластичности сосудов.
Дефицит магния - обычное явление для людей, подвергающихся хроническим стрессам, встречается при синдроме хронической усталости, сахарном диабете.
Недостаток марганца в организме приводит к нарушению углеводного обмена по типу инсулиннезависимого диабета, гипохолестеринемии, задержке роста волос и ногтей, повышению судорожной готовности, аллергозам, дерматитам, нарушению образования хрящей, остеопорозу. Дефицит марганца отмечается и при различных формах анемии, нарушениях функции воспроизводства, задержке роста, уменьшении массы тела.
Дефицит меди отрицательно сказывается на всасывании железа, кроветворении, процессах миелинизации в нервной ткани, усиливает предрасположенность к бронхиальной астме, аллергодерматозам, кардиопатиям, к витилиго и сказывается на состоянии соединительной ткани.
Люди с дефицитом цинка обычно часто и длительно болеют простудными и инфекционными заболеваниями. Цинк-дефицитные состояния характеризуются снижением аппетита, анемией, аллергическими заболеваниями, гиперактивностью, дерматитом, дефицитом массы тела, снижением остроты зрения, выпадением волос, задержкой полового развития у мальчиков, а мужчин - потерей сперматозоидами способности к оплодотворению яйцеклетки.
При дефиците селена наблюдаются снижение иммунитета, повышение склонности к воспалительным заболеваниям; снижение функции печени; кардиопатия; болезни кожи, волос и ногтей; атеросклероз; катаракта; репродуктивная недостаточность; замедление роста; патология легких, быстрое старение организма. Дефицит селена ускоряет развитие атеросклероза, ишемической болезни сердца, вероятность возникновения инфаркта миокарда. Отмечена взаимосвязь между дефицитом селена и частотой внезапной «колыбельной» смерти у детей. При дефиците селена возрастает вероятность мужского бесплодия. Выявлена зависимость между раком желудка, простаты, толстого кишечника и молочной железы и дефицитом Se.
Контрольные вопросы
1. Одинаково ли содержание воды в различных органах и тканях?
2. Каковы основные параметры водной среды организма?
3. Перечислите функции воды в организме человека.
4. Какие механизмы участвуют в поддержании постоянной концентрации воды в организме?
5. Охарактеризуйте функции наиболее важных макроэлементов.
6. Какие микроэлементы, играющие важную роль в метаболизме организма человека, Вы знаете?
7. Приведите примеры патологических состояний, развивающихся при дефиците макро- или микроэлементов.