Основные этапы обмена веществ в организме

Вопрос 23

Значение пищеварения

С пищей вводятся в организм такие сложные органические вещества, как белки, жиры и углеводы. Эти вещества используются организмом в качестве строительного материала при процессах роста и воссоздании новых клеток взамен отмирающих. Питательные вещества являются и источниками энергии, покрывающими расходы организма.

Не меньшее значение имеют поступающие с пищей витамины, минеральные соли и вода. Они необходимы для создания условий, в которых протекают разнообразные химические реакции, во многих реакциях они сами принимают непосредственное участие. Вода, минеральные соли и витамины усваиваются организмом в неизмененном виде. Что же касается белков, жиров и углеводов, находящихся в пище, то они в таком виде не могут быть усвоены организмом. Прежде всего эти вещества образованы крупными молекулами, которые не могут пройти через стенку пищеварительного тракта. Главное же заключается в том, что организм не может усвоить неизмененные белки, жиры и углеводы. Они для него чужеродны, и, как на всякое чужеродное вещество, в организме против них вырабатываются защитные вещества (антитела). Введение в кровь собак раствора чужеродного белка, например, может вызвать их гибель. А ведь белок так необходим живому организму! Теперь становится понятно, почему основные питательные вещества, прежде чем попасть во внутреннюю среду организма, подвергаются перевариванию.

Пищеварением называют процесс физической и химической обработки пищи и превращения ее в более простые и растворимые соединения, которые могут всасываться, переноситься кровью и без вреда усваиваться организмом.

У просто организованных животных пищеварение внутриклеточное. Примером такого пищеварения является фагоцитоз, с которым вы уже знакомы.

С усложнением животных организмов появляется и другой вид пищеварения - внеклеточное. Это более сложный процесс. Он связан с приспособлением некоторых клеток организма к выделению во внешнюю среду веществ, способных расщеплять белки, жиры и углеводы. Внеклеточное пищеварение осуществляется в пищеварительном тракте - специальных органах, приспособленных для механической и химической обработки пищи. Химическая обработка пищи происходит под действием различных пищеварительных соков, которые вырабатываются в пищеварительных железах.

Секреторный процесс

Регуляция секреторного процесса обусловливается пищевым центром, расположенным в различных отделах головного мозга.  
 
Высший регуляторный орган — кора больших полушарий, которая оказывает влияние на работу желудочных желез по типу «пускового» и «корригирующего» механизмов, т. е. вызывая активность желез при их физиологическом покое («пусковой» механизм влияний).  
 
В возникновении секреторной реакции большую роль играет исходная возбудимость желудочных желез, которая определяется функциональным состоянием пищевого центра.  
 
Передача возбуждения с рецепторных полей на желудочные железы осуществляется рефлекторным путем по нервам при участии медиаторов (ацетилхолина и адреналина). Секреторный процесс возникает вначале в железах малой кривизны, а затем в железах других секреторных полей желудка.  
 
еличина латентного периода возбуждения желудочных желез на малой кривизне равняется 1—3 мин, а на большой кривизне — 5—10 мин, если судить по первой кислой капле, выделившейся через фистулу наружу. На самом деле, как показали последние электрофизиологические исследования, он исчисляется от 7 до 20 с.  
 
Рефлекторное возбуждение желудочных желез легко тормозится при воздействиях на высшие отделы центральной нервной системы и при раздражениях периферических нервов.  
 
В механизме торможения секреторного процесса принимают участие и инкреты желез внутренней секреции (адреналин и питуитрин), а также специфические гормоны, образующиеся в стенке кишечника (энтерогастрон), тормозящее действие их на секреторные клетки осуществляется через нервную систему.

Внеклеточное и внутриклеточное пищеварение

Внутриклеточное пищеварение. Ферментный гидролиз пищевых веществ при этом типе пищеварения осуществляется внутри клетки. Внутриклеточное пищеварение распространено у простейших и наиболее примитивных многоклеточных организмов (губки, плоские .черви). У немертин, иглокожих, кольчатых

червей и моллюсков оно является дополнительным механизмом гидролиза. У высших позвоночных животных и человека внутриклеточное пищеварение имеет ограниченное значение и выполняет защитные функции (фагоцитоз).

Внеклеточное дистантное пищеварение. При данном типе пищеварения ферменты, синтезированные секреторными клетками, выделяются во внеклеточную среду, где и реализуется их гидролитический эффект в отношении пищевых веществ. Этот тип пищеварения является основным у организмов, стоящих на более высоком, чем плоские черви, этапе эволюционного развития. Он преобладает у кольчатых червей, ракообразных, насекомых, головоногих, оболочников, хордовых и особенно развит у высокоорганизованных животных и человека. Внеклеточное пищеварение называют дистантным, так как у перечисленных организмов секреторные клетки удалены от полостей, в которых реализуется действие ферментов.

Дистантное пищеварение может осуществляться не только в специальных полостях (полостное пищеварение), но и за пределами организма, которому принадлежат клетки, продуцирующие ферменты. Так, некоторые насекомые вводят пищеварительные ферменты в обездвиженную добычу, а бактерии выделяют различные ферменты в культуральную среду.

Внутриклеточное пищеварение является филогенетически наиболее древним типом и характеризуется тем, что сами ферменты не сек-ретируются из клетки, а гидролизируют мельчайшие частицы пищевых веществ, попадающих внутрь нее, посредством мембранных транспортных  механизмов.

Внеклеточное пищеварение. У высокоорганизованных животных и человека гидролитическое действие фермента реализуется в полостях пищеварительного тракта, а секреторные клетки пищеварительных желез находятся от них на некотором отдалении, поэтому такой тип пищеварения называется внеклеточным, дистантным или полостным. В результате внеклеточного расщепления вещества пищи распадаются до размеров, доступных для внутриклеточного  гидролиза.

Вопрос 22

Особенности дыхания при различных условиях: при мышечной работе, в условиях повышенного и пониженного атмосферного давления

Особенности дыхания при мышечной работе 
 
Поскольку дыхание вместе с кровообращением обеспечивает организм кислородом в соответствии с его потребностями и освобождает организм от образующейся в нем углекислоты, понятно, что интенсивность тесно связана с интенсивностью окислительных процессов: глубина и дыхательных движений уменьшаются при покое и при работе, притом тем сильнее, чем напряженнее работа. Так, при напряженной мышечной работе объем легочной вентиляции возрастает до 50 и даже до 100 л в минуту (у тренированных людей). 
Одновременно с усилением дыхания во время работы наступает уси¬ление деятельности сердца, приводящее к увеличению минутного объема сердца. Вентиляция легких и минутный объем сердца нарастают в соот¬ветствии с величиной выполняемой работы и усилением окислительных процессов. 
У человека потребление кислорода составляет в покое 250-350мл в минуту, а во время работы может достигать 4500-5000мл.Транспорт такого большого количества кислорода возможен потому, что при работе объем может увеличиваться втрое (с 70 до 200 мл), а частота сокращений в 2 и даже в 3 раза (с 70 до 150 и даже 200 сокраще¬ний в минуту). 
Увеличению транспорта кислорода при работе способ¬ствует также выбрасывание эритроцитов из кровяных депо и обеднение крови водой вследствие потения, что ведет к некоторому сгущению крови и повышению концентрации гемоглобина, а следовательно, и к увеличению кислородной емкости крови. Значительно увеличивается при работе коэф¬фициент утилизации кислорода. Из каждого литра крови, протекающей по большому кругу, клетки организма утилизируют в покое 60—80 мл кислорода, а во время работы - до 120 мл (кислородная емкость 1 л кро¬ви равна около 200 мл 02). Повышенное поступление кислорода в ткани при мышечной работе зависит от того, что понижение напряжения кисло¬рода в работающих мышцах, увеличение напряжения углекислого газа и концентрации Н'-ионов в крови способствуют увеличению диссоциации оксигемоглобина. Особенно значителен прирост утилизации кислорода у тренированных людей. А. Краг объяснял это еще и тем, что у тренированных людей во время работы происходит раскрытие большего количества капил¬ляров, чем у нетренированных. 
Одной из причин увеличения легочной вентиляции и минутного объема крови при интенсивной мышечной работе является накопление молочной кислоты в тканях и переход ее в кровь. Содержание молочной кислоты в крови может достигать при этом 50-100 и даже 200 мг% вместо 5-22 мг% в условиях мышечного покоя. Молочная кислота вытесняет угольную кислоту из ее связей с ионами натрия и калия, что приводит к повышению напряжения углекислого газа в крови и к непосредственному и рефлекторному возбуждению дыхательного центра. 
Накопление молочной кислоты при мышечной работе возникает по¬тому, что интенсивно работающие клетки испытывают недостаток в ки¬слороде и часть молочной кислоты не может окислиться до конечных продуктов распада углекислого газа и воды. Такое состояние А. Хилл назвал кислородной задолженностью. Оно возникает при очень интенсивной мышечной работе , например у спортсменов во время крайне тяжелых сорев¬нований. 
Окисление образовавшейся во время работы мышц молочной кислоты и ресинтез из нее глюкозы завершается уже после окончания работы — во время восстановительного периода, в течение которого сохраняется интенсивное дыхание, достаточное для того, чтобы были ликвидированы излишние количества накопившейся в организме молочной кислоты. На¬копление в организме молочной кислоты не единственная причина усиле¬ния дыхания и кровообращения при работе мышц. Как показали М. Е. Маршака, мышечная работа ведет к усилению дыхания в том случае, если у человека, работающего на эргометрическом велосипеде, конечности перетянуты жгутом, препятствующим поступлению молочной кислоты и других продуктов из работающих мышц в кровь. Усиление дыхания возникает при этом рефлекторным путем. Сигналом, вызывающим усиление дыхания и кровообращения, является раздражение проприорецепторов работающих мышц. Этот рефлекторный компонент принимает участие в любом усилении дыхания при мышечной работе. 
При одной и той же, часто повторяющейся мышечной работе, помимо шторных изменений дыхания, возникающих при раздражении проприорецепторов мышц, наблюдается и условнорефлекторное и учащение дыхания. Эти приспособительные изменения дыхания при действии сигналов, предшествующих привычной работе, и вызывают сдвиги, облегчающие выполнение предстоящей работы, т. е. комплекс реакций, усиливающих снабжение тканей кислородом и препят¬ствующих накоплению молочной кислоты. 
Таким образом, усиление вентиляции при мышечной работе обуслов¬лено, с одной стороны, химическими изменениями, происходящими в ор¬ганизме,— накоплением углекислоты и недоокисленных продуктов обме¬на, а с другой стороны, рефлекторными влияниями. 
Дыхание пониженном атмосферном 
Проблема дыхания при пониженном атмосферном давлении имеет практическое значение при высотных полетах и подъемах на гор¬ные вершины. На высоте 4000—6000 м могут возникнуть симптомы так горной, или высотной, болезни, которая характеризуется при характерными для тяжелой гипоксии. Если же человек г, надетую на лицо и соединенную со специальным баллоном, газовой смесью с высоким содержанием кислорода, то высотная болезнь не наступает и на высоте 11 000—12 000 м, на которой без добавления кислорода он не мог бы находиться. 
Кроме недостатка кислорода, организм на высотах страдает также от недостатка углекислоты в крови и тканях, т. е. от гипокапнии. Послед¬няя возникает потому что недостаток кислорода в крови, раздражая хемо-рецепторы каротидного синуса, вызывает учащение дыхания, что к вымываниюуглекислоты из альвеолярного воздуха, а и из крови. Недостаток углекислоты понижает возбудимость центра, поэтому дыхание не усиливается настолько, насколько это тре¬буется для удовлетворения потребности организма в кислороде. При¬бавка к вдыхаемому воздуху некоторого количества С02 (до 3%) вызы¬вает заметное улучшение состояния организма при высотной болезни. 
Большой практический интерес в связи с высогогорными восхожде¬ниями, высотными полетами и парашютными прыжками представляет возможность повысить путем тренировки выносливость человека к пони¬женному атмосферному давлению, например повысить «индивидуальный потолок» летчика. Тренировка летчиков или парашютистов к пребыванию на больших высотах достигается в специальных герметических барока¬мерах, в которых с помощью насосов, выкачивающих воздух, можно соз¬дать давление, соответствующее тому, которое имеется на различных высо¬тах. В результате тренировки выносливость к пониженному атмосферному давлению повышается, и исследуемый сохраняет относительно нормальную работоспособность даже при давлении 316 мм рт. ст., что соответствует высоте 7000 м. Между тем у нетренированного человека, помещенного в камеру с давлением в 355 мм рт. ст. (такое давление имеется на высоте в 6000 м), уже через короткий срок обнаруживается быстрое и поверхностное ды¬хание, плохое самочувствие, а иногда потеря сознания. 
При длительном пребывании на больших высотах, например при жизни в высокогорных местностях, наблюдается акклиматизация к пони¬женному парциальному давлению кислорода. Она обусловлена рядом фак¬торов: 1) увеличением числа эритроцитов в крови, следовательно, повыше¬нием кислородной емкости крови 2) усилением легочной вентиляции; 3) понижением чувствительности тканей организма, в частности ЦНС, к недостаточному снабжению кислородом. 
 
Дыхание при повышенном атмосферном давлении 
 
При кессонных или водолазных работах человеку приходится находиться в усло¬виях высокого атмосферного давления. Во время пребывания на глубине, где давле¬ние воздуха может доходить до 10 атм , в крови, в тканевой жидкости и в тканях раст¬воряется очень большое, количество газов.  
При постепенной декомпрессии, например при медленном подъеме водолаза из глубины моря, газы по мере падения давления выделяются с выдыхаемым воздухом и организму опасность не угрожает. При слишком быстрой декомпрессии, например при быстром подъеме водолаза со дна, газы не успевают выделиться из организма. Так как их растворимость в крови при переходе от повышенного давления к нормаль¬ному понижается, то в крови появляются газовые пузырьки; последние могут приве¬сти к эмболии сосудов, т. е. закупорке их пузырьками газа. Углекислота и кислород как газы, которые химически связываются кровью, представляют меньшую опасность, чем азот, который, хорошо растворяясь в жирах и липоидах, накапливается в боль¬шом количестве в мозгу и нервных стволах, особенно богатых этими веществами. Со¬стояние, возникающее при быстрой декомпрессии, которое иногда называют кессонной болезнью сопровождается болями в суставах и рядом мозговых явлений: головокру¬жением, рвотой, одышкой, потерей сознания. Для ее лечения необходимо вновь быст¬ро подвергнуть пострадавшего действию высокого давления, чтобы снова растворить пузырьки газа.

Вопрос 21

Регуляция дыхания

В соответствии с метаболическими потребностями дыхательная система обеспечивает газообмен О2 и СО2 между окружающей средой и организмом. Эту жизненно важную функцию регулирует сеть многочисленных взаимосвязанных нейронов ЦНС, расположенных в нескольких отделах мозга и объединяемых в комплексное понятие "дыхательный центр". При воздействии на его структуры нервных и гуморальных стимулов происходит приспособление функции дыхания к меняющимся условиям внешней среды. Структуры, необходимые для возникновения дыхательного ритма, впервые были обнаружены в продолговатом мозге. Перерезка продолговатого мозга в области дна IV желудочка приводит к прекращению дыхания. Поэтому под главным дыхательным центром понимают совокупность нейронов специфических дыхательных ядер продолговатого мозга.

Дыхательный центр управляет двумя основными функциями: двигательной, которая проявляется в виде сокращения дыхательных мышц, и гомеостатической, связанной с поддержанием постоянства внутренней среды организма при сдвигах в ней содержания 02 и СО2. Двигательная, или моторная, функция дыхательного центра заключается в генерации дыхательного ритма и его паттерна. Благодаря этой функции осуществляется интеграция дыхания с другими функциями. Под паттерном дыхания следует иметь в виду длительность вдоха и выдоха, величину дыхательного объема, минутного объема дыхания. Гомеостатическая функция дыхательного центра поддерживает стабильные величины дыхательных газов в крови и внеклеточной жидкости мозга, адаптирует дыхательную функцию к условиям измененной газовой среды и другим факторам среды обитания.

РЕГУЛЯЦИЯ ДЫХАНИЯ

Регуляция дыхания. Ритмические дыхательные движения совершаются во сне и при бодрствовании, не требуя участия нашего сознания. В то же время мы можем в широких пределах произвольно менять частоту и глубину дыхания, задержать дыхание на какое-то время, но не можем произвольно навсегда прекратить дышать, так как независимо от нашей воли дыхательные движения вновь возникнут, и через некоторое время устанавливается нормальный ритм дыхания.

Задачи управления дыханием и мишень регуляции. Мишень и исполнитель регуляторных влияний — дыхательные мышцы. Одна из главных задач регуляции дыхания — это организация сокращения дыхательных мышц с определенно силой, частотой и продолжительностью так, чтобы возникали ритмические дыхательные движения с частотой 16 в одну минуту, чтобы вдох плавно переходил в выдох и при каждом дыхательном цикле обменивалась 1\7 объема альвеолярного воздуха, поддерживая постоянство его состава. Это механизм рефлекторной саморегуляции дыхательного ритма. В результате в артериальной крови поддерживается нормальный уровень напряжения кислорода и углекислого газа. Потребление клетками кислорода и выделение углекислого газа широко меняется в процессе жизнедеятельности организма. Несмотря на это напряжение, соотношение кислорода и углекислого газа в артериальной крови остается на достаточно постоянном уровне. Это достигается управлением легочной вентиляцией — изменением частоты и глубины дыхания. Дыхание осуществляется в разных условиях окружающей среды, например, в высокогорных районах. Существуют и защитные дыхательные рефлексы. Все эти многочисленные задачи выполняются системой регуляции дыхания, включающей и механизм саморегуляции дыхательного ритма.

Система регуляции дыхания состоит из трех основных элементов. Это, во-первых, рецепторы, воспринимающие информацию и передающие дальше. Это, во-вторых, центральный регулятор, или дыхательный центр, получающий эту информацию. Наконец, это эффекторы — дыхательные мышцы, непрерывно осуществляющие вентиляцию легких.

Дыхательный центр — это совокупность нейронов, расположенных в центральной нервной системе, начиная от спинного мозга и включая кору больших полушарий. Здесь происходит обработка информации и отсюда посылаются команды, обеспечивающие координированную ритмическую деятельность мышц в целях приспособления дыхания к изменяющимся условиям внешней и внутренней среды организма. Разные отделы центральной нервной системы вносят различный вклад в организацию работы дыхательного центра, главный жизненно важный отдел которого расположен в продолговатом мозге и состоит из двух отделов — центра вдоха и центра выдоха. Нейроны этого отдела дыхательного центра обладают автоматией, то есть, они периодически возбуждаются или приходят в состояние ритмической активности. 
Нервные импульсы от нейронов центра вдоха передаются по специальным нисходящим внутрицентральным путям в спинной мозг, где в передних рогах соответствующих грудных сегментов расположены нейроны, аксоны которых идут к дыхательным мышцам и образуют диафрагмальные и межреберные нервы. Импульсы, идущие по этим нервам, вызывают возбуждение и сокращение дыхательных мышц — происходит вдох. В нормальных условиях выдох осуществляется пассивно, без участия мышц выдоха. Поэтому организация нормального выдоха заключается не в возбуждении нейронов спинного мозга, иннервирующих мышцы выдоха, а в прекращении возбуждения нейронов центра вдоха. При возбуждении нейронов центра вдоха, нервные импульсы из него поступают не только в спинной мозг, но и по сложным нейронным цепям идут к другим структурам центральной нервной системы и в первую очередь к пневмотаксическому центр центру, расположенному в верхних отделах варолиева моста.

Пневмотаксический центр регулирует работу центров вдоха и выдоха. В упрощенном виде механизм работы пневмотаксического центра можно представить следующим образом. При возбуждении центра вдоха нервные импульсы передаются и к центру выдоха — частично по прямым путям, но в основном через пневмотаксический центр, который усиливает и передает возбуждение вновь к центру вдоха через специальные тормозные структуры прекращая процесс возбуждения нейронов центра вдоха. Возбуждение центра вдоха приводит не только к возбуждению и сокращению дыхательных мышц, но и запускает механизм собственного выключения. Дыхательные мышцы, не получая приказа к сокращению, расслабляются и происходит выдох. Вышерасположенные отделы центральной нервной системы, включая и кору больших полушарий головного мозга, обеспечивают участие главных структур дыхательного центра в поведенческих реакциях, изменяют дыхание при речи, пении и т.п.