Обмен энергии при физическом труде

Мышечная работа значительно увеличивает расход энергии, поэтому суточный расход энергии у здорового человека, проводя­щего часть суток в движении и физической работе, значительно превышает величину основного обмена. Это увеличение энерго­трат составляет рабочую прибавку, которая тем больше, чем ин­тенсивнее мышечная работа.

При мышечной работе освобождается тепловая и механическая энергия. Отношение механической энергии ко всей энергии, за­траченной на работу, выраженное в процентах, называется коэф­ фициентом полезного действия. При физическом труде человека коэффициент полезного действия колеблется от 16 до 25 % и со­ставляет в среднем 20 %, но в отдельных случаях может быть и выше.

Коэффициент полезного действия изменяется в зависимости от ряда условий. Так, у нетренированных людей он ниже, чем у тренированных, и увеличивается по мере тренировки.

Затраты энергии тем больше, чем интенсивнее совершаемая организмом мышечная работа. Степень энергетических затрат при различной физической активности определяется коэффициентом физической активности (КФА), который представляет собой отно­шение общих энерготрат на все виды деятельности за сутки к ве-

личине основного обмена. По этому принципу все мужское насе­ление разделено на 5 групп (табл. 10.5)

Значительные различия энергетической потребности в груп­пах зависят от пола (у мужчин больше), возраста (снижаются после 40 лет), степени активности отдыха и уровня коммуналь­ного обслуживания.

Женское население разделено по энерготратам на 4 группы (см. табл. 10.5).

Суточный расход энергии детей и подростков зависит от воз­раста (табл. 10.6).

В старости энерготраты снижаются и к 80 годам составляют 8373—9211 кДж (2000 — 2200 ккал).

Обмен энергии при умственном труде

При умственном труде энерготраты значительно ниже, чем при физическом.

Трудные математические вычисления, работа с книгой и дру-

гие формы умственного труда, если они не сопровождаются дви­жением, вызывают ничтожное (2—3 %) повышение затраты энер­гии по сравнению с полным покоем. Однако в большинстве слу­чаев различные виды умственного труда сопровождаются мышеч­ной деятельностью, в особенности при эмоциональном возбужде­нии работающего (лектор, артист, писатель, оратор и т.д.), поэто­му и энерготраты могут быть относительно большими. Пережитое эмоциональное возбуждение может вызвать в течение нескольких последующих дней повышение обмена на 11 —19 %.

Специфическое динамическое действие пищи

После приема пищи интенсивность обмена веществ и энерго­траты организма увеличиваются по сравнению с их уровнем в ус­ловиях основного обмена. Увеличение обмена веществ и энергии начинается через час, достигает максимума через 3 ч после приема пищи и сохраняется в течение нескольких часов. Влияние приема пищи, усиливающее обмен веществ и энергетические затраты, получило название специфического динамического действия пищи.

При белковой пище оно наиболее велико: обмен увеличивается в среднем на 30 %. При питании жирами и углеводами обмен уве­личивается у человека на 14—15 %.

Регуляция обмена энергии

Уровень энергетического обмена находится в тесной зависи­мости от физической активности, эмоционального напряжения, характера питания, степени напряженности терморегуляции и ряда других факторов.

Получены многочисленные данные, свидетельствующие об ус-ловнорефлекторном изменении потребления O2 и энергообмена. Любой ранее индифферентный раздражитель, связанный по вре­мени с мышечной деятельностью, может служить сигналом к уве­личению обмена веществ и энергии.

У спортсмена в предстартовом состоянии резко увеличивает­ся потребление O2, а следовательно, и энергообмен. То же про­исходит во время прихода на работу и при действии факторов рабочей обстановки у рабочих, деятельность которых связана с мышечными усилиями. Если испытуемому под гипнозом вну­шить, что он выполняет тяжелую мышечную работу, то обмен у него может значительно повыситься, хотя в действительности ис­пытуемый не производит никакой работы. Все это свидетельствует о том, что уровень энергетического обмена в организме может из­меняться под влиянием коры большого мозга.

Особую роль в регуляции обмена энергии играет гипоталами-ческая область мозга. Здесь формируются регуляторные влияния, которые реализуются вегетативными нервами или гуморальным звеном за счет увеличения секреции ряда эндокринных желез.

Особенно выраженно усиливают обмен энергии гормоны щито­видной железы — тироксин и трийодтиронин, и гормон мозгового вещества надпочечника адреналин.

ПИТАНИЕ

Питание — процесс поступления, переваривания, всасыва­ния и усвоения в организме пищевых веществ (нутриентов), необ­ходимых для покрытия пластических и энергетических нужд орга­низма, образования его физиологически активных веществ.

Пищевые вещества содержатся в пищевых продуктах, имею­щих животное и растительное происхождение, и используются человеком для питания в натуральном и переработанном виде. Пищевая, биологическая и энергетическая ценность пищевых про­дуктов определяется содержанием в них пищевых, или питатель­ных, веществ: (белков, жиров, углеводов), витаминов, минеральных солей, воды, органических кислот, вкусовых, ароматических и ряда других веществ. Важное значение имеют свойства переваривае­мости и усвояемости питательных веществ.

Различают питание естественное и искусственное (клиническое парентеральное и зондовое энтеральное). Выделяют также лечеб­ное и лечебно-профилактическое питание.

Естественное питание имеет многие национальные, ритуальные особенности, привычки, моду.

Пищевые вещества

К ним прежде всего относятся белки, жиры и углеводы, при окислении которых высвобождается определенное количество теп­ла (в среднем для жиров — 9,3 ккал/г, или 37 кДж/г, белков и уг­леводов по 4,1 ккал/г, или 17 кДж/г). Согласно правилу изодина­мии, они могут взаимно заменяться в удовлетворении энергетичес­ких потребностей организма, однако каждое из пищевых веществ и их фрагментов имеет специфические пластические свойства и свойства биологически активных веществ. Замена в пищевом ра­ционе одних веществ другими ведет к нарушению функций орга­низма, а при длительном, например безбелковом, питании наступа­ет смерть от белкового голодания. Существенное значение в пита­нии имеет вид каждого из пищевых веществ, содержащих незаме­нимые компоненты, что определяет их биологическую ценность.

Биологическая ценность животных белков выше, чем рас­тительных (например, у белков пшеницы 52—65 %). Усвояемость белков животного происхождения составляет в среднем 97 %, а растительных — 83—85 %, что зависит также и от кулинарной обработки пищи.

Считают, что при биологической ценности белков смешанной пищи не менее 70 % людей имеют белковый минимум в сутки 55—60 г. Для надежной стабильности азотистого баланса реко-

мендуется принимать с пищей 85—90 г белка в сутки (не менее 1 г белка на 1 кг массы тела). У детей, беременных и кормящих грудью женщин эти нормы выше (см. далее).

Л и п и д ы поступают в организм человека в составе всех видов животной, а также растительной пищи, особенно ряда семян, из которых для пищевых целей получают многие виды растительных жиров.

Биологическая ценность пищевых липидов определяется на­личием в них незаменимых жирных кислот, способностью перева­ривания и всасывания в пищеварительном тракте (усвоения). Сли­вочное масло и свиной жир усваиваются на 93—98 %, говяжий — на 80—94%, подсолнечное масло — на 86—90%, маргарин — на 94—98 %.

Основное количество углеводов поступает в организм в виде полисахаридов растительной пищи. После гидролиза и всасы­вания углеводы используются для удовлетворения энергетических потребностей. В среднем за сутки человек принимает 400— 500 г углеводов, из которых 350—400 г составляет крахмал, 50— 100 г моно- и дисахариды. Избыток углеводов депонируется в виде жира.

Витамины должны быть непременным компонентом пищи. Нормы их потребности зависят от возраста, пола, вида трудовой деятельности, ряда других факторов (см. табл. 10.1).

Суточная потребность в воде у взрослого человека составля­ет 21—43 мл/кг, минимальная суточная потребность человека мас­сой тела 70 кг составляет около 1700 мл, из них около 630 мл он получает в виде воды и напитков, 750 мл — с пищей и 320 мл об­разуется в ходе обменных (окислительных) процессов. Недоста­точный прием воды вызывает дегидратацию организма, которая имеет различную степень выраженности в зависимости от уровня обезвоживания. Смерть наступает при потере '/з—'А общего ко­личества воды в организме, на долю которой приходится около 60 % массы тела. Избыточное поступление воды вызывает гипер­гидратацию, которая может привести к водной интоксикации.

Большое физиологическое значение макро- и микро­элементов (см. раздел 10.14) определило обязательные нор­мы их потребления для разных групп населения.

Теоретические основы питания

Каждый организм сочетает в себе биохимические признаки, характерные только для него, и признаки, общие для данной био­логической группы (вид, род, семейство). Это значит, что нет иде­альной диеты (диета — рацион и режим питания), если она рас­считывается на весь вид, даже при учете возраста, пола, климата, вида трудовой деятельности. Каждому человеку необходим инди­видуальный набор компонентов рациона (рацион — порция пищи на определенный срок), отвечающий индивидуальным особенно­стям его обмена веществ. Однако на современном этапе развития

науки и практики индивидуальный рацион питания внедрить нель­зя. Для оптимизации питания людей объединяют на однородные по большому числу признаков группы. Полагают, что разнообразие рационов позволяет человеку самому отбирать необходимые ему вещества, поэтому смешанный рацион создает возможности для приспособления питания к индивидуальным биохимическим осо­бенностям обмена веществ.

Потребности организации питания, недостаточность конкрет­ных знаний об «идеальном» или даже рациональном питании вы­нуждают рекомендовать некие усредненные нормы и принципы питания, в основе которых лежат соответствующие теории.

Сбалансированное питание. В настоящее время принята тео­рия сбалансированного питания. Сбалансированное полноценное питание характеризуется оптимальным соответствием количества и соотношений всех компонентов пищи физиологическим потреб­ностям организма (А. А. Покровский).

Принимаемая пища должна с учетом ее усвояемости воспол­нять энергетические затраты человека, которые определяются как сумма основного обмена, специфического динамического действия пищи и расхода энергии на выполняемую человеком работу.

В нашей стране принято выделять пять групп интенсивности труда у мужчин и четыре — у женщин (см. табл. 10.5).

При регулярном превышении суточной энергетической ценно­сти (калорийности) пищи над затратами энергии увеличивается количество депонированного в организме жира (100 г сдобной булочки — 300 ккал). Ежедневное употребление такой булочки сверх нормы ведет к накоплению в организме человека 15—30 г жи­ра, что в течение года может привести к отложению в депо 5,4— 10,8 кг жира.

В рационе должны быть сбалансированы белки, жиры и угле­воды. Среднее соотношение их массы составляет 1:1,2:4, энергети­ческой ценности — 15:30:55 %. Такое соотношение удовлетворяет энергетические и пластические потребности организма, компенси­рует израсходованные белки, жиры и углеводы. Следовательно, должен быть приблизительный баланс между количеством каждого пищевого вещества в рационе и их количеством, утилизируемым в организме; их расход и соотношение зависят от вида и напря­женности труда, возраста, пола и ряда других факторов.

Несбалансированность пищевых веществ может вызвать серьез­ные нарушения обмена веществ. Так, при длительной белково-калорийной недостаточности не только уменьшается масса тела, но и снижается физическая и умственная работоспособность че­ловека. Избыточность питания, повышение в рационе жиров, осо­бенно животных, вызывают ожирение (превышение должной мас­сы тела на 15 % и более). При нем поражаются практически все физиологические системы организма, но чаще и раньше сердечно­сосудистая (атеросклероз, артериальная гипертензия и др.), пище­варительная, эндокринная (в том числе половая), нарушается водно-солевой обмен. Избыточный прием пищевого сахара спо-

собствует развитию сахарного диабета, дисбактериозу, кариесу зубов и др. Данные вопросы подробно рассматриваются в курсе клинических дисциплин, но общий принцип состоит в том, что не только избыточное и недостаточное питание, но и его несбалан­сированность, при котором отдается предпочтение какому-то опре­деленному виду пищи и пищевому веществу, является фактором риска для развития ряда заболеваний.

Должны быть оптимизированы (сбалансированы) в рационе белки с незаменимыми и заменимыми аминокислотами, жиры с разной насыщенностью жирных кислот, углеводы с разным числом в них мономеров и наличием баластных веществ в виде пищевых волокон (целлюлоза, пектин и др.). В суточном рационе должны быть сбалансированы продукты животного и растительного про­исхождения.

Важно наличие в рационе витаминов и минеральных веществ, которые соотносятся (балансируются) с расходом и потребностя­ми в них организма в зависимости от возраста, пола, вида труда, времени года и ряда других факторов, влияющих на обмен ве­ществ.

В рациональном питании важны регулярный прием пищи в од­но и то же время суток, дробность приема пищи, распределение ее между завтраком, обедом, ужином, вторым завтраком, полд­ником. При 3-разовом питании в сутки первые два приема состав­ляют ²/з суточной энергетической ценности («калоража») пищи и ужин — 1 /3. Часто суточный рацион по энергетической ценности распределяется следующим образом: завтрак — 25—30 %, обед — 45—50%, ужин — 20—25 %. Время между завтраком и обедом, обедом и ужином должно составлять 5—6 ч, между ужином и от­ходом ко сну — 3—4 ч. Эти периоды предусматривают высоту активности пищеварительных функций, переваривание и всасыва­ние основного количества принятой пищи. Более рационально 5 — 6-разовое питание. При 5-разовом питании на первый завтрак должно приходиться около 25 % калорий суточного рациона, на второй завтрак — 5—10% (легкая закуска — фрукты, чай), на обед — около 35 %, на полдник — 25 %, на ужин — 10 %. При 4-разовом приеме пищи на первый завтрак должно приходиться 20—25 %, на второй завтрак — 10—15 %, на обед — 35—45 %, на ужин — 20—25 % калорий суточного рациона.

Фактическое распределение суточного рациона имеет сущест­венные различия в связи с климатическими условиями, трудовой деятельностью, традициями, привычками и рядом других фак­торов.

Адекватное питание. А. М. Уголев предложил теорию адекват­ного питания, в которой принят постулат теории сбалансирован­ного питания о соответствии расхода энергии и поступления ее в организм в составе пищевых веществ. Данный постулат прини­мается целиком. Некоторые из положений теории уточняются, а ряд других несет принципиально новые теоретические подходы и вытекающие из них практические выводы.

Согласно этой теории, питание восполняет молекулярный со­став, энергетические и пластические расходы организма, поэтому важно соответствие набора и свойств пищевых веществ фермент­ному и изоферментному спектру пищеварительной системы. Такая адекватность (соответствие) должна быть в полостном и мембран­ном пищеварении, адекватными механизмами резорбции долж­ны быть и всасывающиеся из кишечника питательные ве­щества.

В теории подчеркиваются трехэтапность пищеварения и необ­ходимость индивидуальной и видовой адекватности питания всем трем его этапам.

Примером их несоответствия являются различные ферментопа-тии, например лактазная недостаточность. В этом случае молоко в рационе является неадекватным видом пищи. Особое внимание в теории обращено на многоцелевое назначение в составе пищи балластных веществ, о чем сказано в главе 9.

Автор теории адекватного питания рассматривает ассимили­рующий пищевые вещества организм как «надорганизм», имеющий как организм хозяина свою эндоэкологию, образуемую микрофло­рой кишечника. Первичный поток нутриентов пищи формируется в результате ее переваривания и всасывания. Кроме того, есть поток вторичных пищевых веществ, образующихся в результате деятельности микроорганизмов кишечника. Эта деятельность оп­ределяется эндогенными и экзогенными (составом и свойствами принимаемой пищи, ее всасыванием в пищеварительном тракте) факторами.

В зависимости от них что-то «достается» или «недостается» микроорганизмам и обусловливает изменение их количества, соста­ва, свойств, потока в кровь и лимфу вторичных пищевых веществ, в их числе незаменимых, биологически активных веществ и токсинов.

Из компонентов пищи в результате их гидролиза и трансфор­маций с участием микроорганизмов образуются вещества, регули­рующие деятельность физиологических систем организма. За счет этого пища обладает не только свойствами питательных ве­ществ с их энергетической и пластической ценностью, но и спо­собностью в достаточно широких пределах изменять многие фи­зиологические процессы (включая поведение, защитные, в том чис­ле иммунные, механизмы).

Рассмотрение теории адекватного питания как составной части учения о процессе ассимиляции пищи всеми живыми системами, нахождение у них общих механизмов реализации питания при­вело А. М. Уголева к необходимости объединения этих вопросов в одной науке, которую он назвал трофологией.

Предметом трофологии «...являются общие закономерности ассимиляции жизненно необходимых веществ на всех уровнях ор­ганизации живых систем — от клетки, органа и организма до соот­ветствующих связей в популяции, биоценозах и биосфере» (А. М. Уголев).

Нормы питания

В настоящее время в нашей стране приняты «Нормы физиоло­гических потребностей в пищевых веществах и энергии для раз­личных групп населения»'. Это официальный нормативный доку­мент для планирования производства и потребления продуктов питания, оценки резервов продовольствия, разработки мер со­циальной защиты, обеспечивающих здоровье, расчетов рационов организованных коллективов. Эти нормы широко используются во врачебной практике.

Предусмотрено, что энергетическая ценность суточного рацио­на должна соответствовать и компенсировать суточные энергети­ческие затраты определенных групп населения. Определены 5 групп мужчин и 4 группы женщин (табл. 10.7). В каждой группе взрослого населения выделены по 3 возрастных подгруппы от 18 до 59 лет . Дополнительно введены две подгруппы лиц престарело­го и старческого возраста (60—74, 75 лет и более).

Учитывая, что каждый пищевой продукт имеет определенную энергетическую ценность, и пользуясь этими таблицами, можно вычислить энергетическую ценность рациона и всех его компо­нентов.

Каждая из выделенных по физической активности, полу и воз­расту группа населения с учетом средней величины усвоения пи­тательных веществ имеет нормы количества белков (в том числе животных белков — 55 %), жиров (30 % от общей энергетической ценности рациона и 4—6 % отведено незаменимой линолевой кислоте), углеводов, минеральных веществ и витаминов.

В «Нормах» учтены беременные и кормящие матери по двум срокам лактации (1—6 и 7—12 мес), у которых повышены энер­гетические затраты и соответственно — потребность в питатель­ных веществах с учетом потребления их плодом, а затем и ребен­ком, вскармливаемым грудным молоком.

Серьезное внимание в «Нормах» обращено на минеральные вещества и витамины. Так, взрослым людям минеральные веще­ства рекомендованы в следующих количествах (мг в сутки): каль­ций— 800 (в престарелом возрасте—1000), фосфор — 1200, магний — 400, железо — 10 (женщинам — 18), цинк — 15, йод — 0,15.

Особое внимание уделено определению физиологических по-

требностей для детей и подростков (табл. 10.8), которые разделе­ны на 11 возрастных и половых (начиная с 11 лет) групп. Специ­ально оговорены группы подростков, занимающихся в СПТУ, где достаточно велики энерготраты в связи с работой учащихся на производстве.

Определены и нормы минеральных веществ для каждой воз­растной группы.

Предусматривается повышение калорийности рациона лиц, жи­вущих в районах Севера, где энерготраты увеличены на 10—15 % относительно населения основных климатических зон России. На­селению Севера рекомендуется иное соотношение в рационе белков, жиров и углеводов, соответственно 15, 35 и 50 % от общей энергети­ческой ценности рациона, что составляет их соотношение 1:2,3:3,3. В этом соотношении увеличена доля энергоемких жиров и умень­шено относительное количество углеводов.

Определены и приведены в справочниках уровни потребления микроэлементов детьми различного возраста и взрослыми.

Следует иметь в виду, что каждая специфическая профессия и вид труда имеют соответствующие уточнения и дополнения к действующим «Нормам» питания.

Глава 11. ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ

11.1. ТЕМПЕРАТУРА ТЕЛА И ИЗОТЕРМИЯ

Температура тела человека и высших животных поддерживает­ся на относительно постоянном уровне, несмотря на колебания температуры окружающей среды. Это постоянство температуры те­ла носит название изотермии.

Изотермия свойственна только так называемым гомойотерм-ным, или теплокровным, животным. Изотермия отсутствует у пой- килотермных, или холоднокровных, животных, температура тела которых переменна и мало отличается от температуры окружаю­щей среды.

Изотермия в процессе онтогенеза развивается постепенно. У новорожденного ребенка способность поддерживать постоянство температуры тела далеко не совершенна. Вследствие этого может наступать охлаждение {гипотермия) или перегревание {гипертер­ мия) организма при таких температурах окружающей среды, кото­рые не оказывают влияния на взрослого человека. Равным обра­зом даже небольшая мышечная работа, например, связанная с длительным криком ребенка, может привести к повышению темпе­ратуры тела. Организм недоношенных детей еще менее способен поддерживать постоянство температуры тела, которая у них в зна­чительной мере зависит от температуры среды обитания.

Температура органов и тканей, как и всего организма в целом, зависит от интенсивности образования тепла и величины тепло-потерь.

Теплообразование происходит вследствие непрерывно совер­шающихся экзотермических реакций. Эти реакции протекают во всех органах и тканях, но неодинаково интенсивно. В тканях и органах, производящих активную работу, — в мышечной ткани, пе­чени, почках выделяется большее количество тепла, чем в менее активных — соединительной ткани, костях, хЬящах.

Потеря тепла органами и тканями зависит в большой степени от их месторасположения: поверхностно расположенные органы, например кожа, скелетные мышцы, отдают больше тепла и охлаж­даются сильнее, чем внутренние органы, более защищенные от ох­лаждения.

В теле человека принято различать «ядро», температура кото­рого сохраняется достаточно постоянной, и «оболочку», температу-

pa которой существенно колеблется в зависимости от температуры внешней среды (рис. 11.1). При этом область «ядра» сильно уменьшается при низкой внешней температуре и, наоборот, уве­личивается при относительно высокой температуре окружающей среды. Поэтому справедливо говорить о том, что изотермия прису­ща главным образом внутренним органам и головному мозгу. По­верхность же тела и конечности, температура которых может из­меняться в зависимости от температуры окружающей среды, яв­ляются в определенной мере пойкилотермными. При этом различ­ные участки поверхности кожи имеют неодинаковую температуру. Обычно относительно выше температура кожи туловища и головы (33—34 °С). Температура конечностей ниже, причем она наиболее низкая в дистальных отделах.

Из сказанного следует, что понятие «постоянная температура тела» является условным. Лучше всего среднюю температуру ор­ганизма как целого характеризует температура крови в полостях сердца и в наиболее крупных сосудах, так как циркулирующая в них кровь нагревается в активных тканях (тем самым охлаждая их) и охлаждается в коже (одновременно согревая ее).

О температуре тела человека судят обычно на основании ее измерения в подмышечной впадине. Здесь температура у здорово­го человека равна 36,5—36,9 °С. В клинике часто (особенно у грудных детей) измеряют температуру в прямой кишке, где она выше, чем в подмышечной впадине, и равна у здорового человека в среднем 37,2—37,5 °С.

Температура тела не остается постоянной, а колеблется в те­чение суток в пределах 0,5—0,7 °С. Покой и сон понижают, мы­шечная деятельность повышает температуру тела. Максимальная температура наблюдается в 16—18 ч вечера, минимальная — в 3— 4 ч утра. У рабочих, длительно работающих в ночных сменах, ко­лебания температуры могут быть обратными.

Постоянство температуры тела у человека может сохраняться лишь при условии равенства теплообразования и теплопотери все­го организма. Это достигается с помощью физиологических меха­низмов терморегуляции. Терморегуляция проявляется в форме взаимосочетания процессов теплообразования и теплоотдачи, регу­лируемых неироэндокринными механизмами. Терморегуляцию принято разделять на химическую и физическую.

Химическая терморегуляция осуществляется путем изменения уровня теплообразования, т. е. усиления или ослабления интен­сивности обмена веществ в клетках организма.

Физическая терморегуляция осуществляется путем изменения интенсивности отдачи тепла.

ХИМИЧЕСКАЯ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ

Химическая терморегуляция имеет важное значение для под­держания постоянства температуры тела как в нормальных усло­виях, так и при изменении температуры окружающей среды.

У человека усиление теплообразования вследствие увеличения интенсивности обмена веществ отмечается, в частности, тогда, когда температура окружающей среды становится ниже опти­мальной температуры, или зоны комфорта. Для человека в обыч­ной легкой одежде эта зона находится в пределах 18—20 °С, а для обнаженного равна 28 °С.

Оптимальная температура во время пребывания в воде выше, чем на воздухе. Это обусловлено тем, что вода, обладающая высо­кой теплоемкостью и теплопроводностью, охлаждает тело в 14 раз сильнее, чем воздух, поэтому в прохладной ванне обмен веществ повышается значительно больше, чем во время пребывания на воздухе при той же температуре.

Наиболее интенсивное теплообразование в организме происхо­дит в мышцах. Даже если человек лежит неподвижно, но с напря­женной мускулатурой, интенсивность окислительных процессов, а вместе с тем и теплообразование повышаются на 10 %. Неболь­шая двигательная активность ведет к увеличению теплообразова­ния на 50—80 %, а тяжелая мышечная работа — на 400— 500 %.

В условиях холода теплообразование в мышцах увеличивается, даже если человек находится в неподвижном состоянии. Это обус­ловлено тем, что охлаждение поверхности тела, действуя на ре­цепторы, воспринимающие холодовое раздражение, рефлекторно возбуждает беспорядочные непроизвольные сокращения мышц, проявляющиеся в виде дрожи (озноб). При этом обменные про­цессы организма значительно усиливаются, увеличивается потреб­ление кислорода и углеводов мышечной тканью, что и влечет за собой повышение теплообразования. Даже произвольная имитация дрожи увеличивает теплообразование на 200 %. Если в организм введены миорелаксанты — вещества, нарушающие передачу нерв­ных импульсов с нерва на мышцу и тем самым устраняющие реф­лекторную мышечную дрожь, при повышении температуры окру­жающей среды гораздо быстрее наступает понижение температуры тела.

Увеличение теплообразования, связанное с произвольной и непроизвольной (дрожь) мышечной активностью, называют сокра­ тительным термогенезом. Наряду с этим возрастает уровень тепло­образования и в других тканях. Особое место занимает так назы­ваемый бурый жир, количество которого значительно у новорож­денных. Бурый оттенок жира придается более значительным чис­лом окончаний симпатических нервных волокон и большим числом митохондрий. За счет высокой скорости окисления жирных кислот в бурой жировой ткани процесс теплообразования идет гораздо быстрее, чем в обычной, и почти без синтеза макроэргов. Этот ме­ханизм срочного теплообразования получил название «несократи­ тельный термогенез».

В химической терморегуляции значительную роль играют так­же печень и почки. Температура крови печеночной вены выше тем­пературы крови печеночной артерии, что указывает на интенсив-

ное теплообразование в этом органе. При охлаждении тела тепло­продукция в печени возрастает.

Освобождение энергии в организме совершается за счет окис­лительного распада белков, жиров и углеводов, поэтому все ме­ханизмы, которые регулируют окислительные процессы, регулиру­ют и теплообразование.

11.3. ФИЗИЧЕСКАЯ ТЕРМОРЕГУЛЯЦИЯ

Физическая терморегуляция осуществляется путем изменений отдачи тепла организмом. Особо важное значение она приобретает в поддержании постоянства температуры тела во время пребыва­ния организма в условиях повышенной температуры окружаю­щей среды.

Теплоотдача осуществляется путем теплоизлучения (радиаци­онная теплоотдача), или конвекции, т. е. движения и перемещения нагреваемого теплом воздуха, теплопроведения, т. е. отдачи те­пла веществам, непосредственно соприкасающимся с поверхностью тела, и испарения воды с поверхности кожи и легких.

У человека в обычных условиях потеря тепла путем тепло-проведения имеет небольшое значение, так как воздух и одежда являются плохими проводниками тепла. Радиация, испа­рение и конвекция протекают с различной интенсивностью в за­висимости от температуры окружающей среды. У человека в со­стоянии покоя при температуре воздуха около 20 °С и суммарной теплоотдаче, равной 419 кДж (100 ккал) в час, с помощью радиа­ции теряется 66 %, испарения воды — 19 %, конвекции — 15 % от общей потери тепла организмом. При повышении температуры окружающей среды до 35 °С теплоотдача с помощью радиации и конвекции становится невозможной, и температура тела поддер­живается на постоянном уровне исключительно с помощью испа­рения воды с поверхности кожи и альвеол легких.

Для того чтобы было ясно значение испарения в тепло­отдаче, напомним, что для испарения 1 мл воды необходимо 2,4 кДж (0,58 ккал). Следовательно, если в условиях основного обмена телом человека отдается с помощью испарения около 1675—2093 кДж (400—500 ккал), то с поверхности тела должно испаряться примерно 700—850 мл воды. Из этого количества 300—350 мл испаряются в легких и 400—500 мл — с поверхности кожи.

Характер отдачи тепла телом изменяется в зависимости от интенсивности обмена веществ. При увеличении теплообразования в результате мышечной работы возрастает значение теплоотдачи, осуществляемой с помощью испарения воды. Так, после тяжелого спортивного соревнования, когда суммарная теплоотдача достигала почти 2512 кДж (600 ккал) в час, было найдено, что 75 % тепла было отдано путем испарения, 12 % — путем радиации и 13 % — посредством конвекции.

Одежда уменьшает теплоотдачу. Потере тепла препятствует тот слой неподвижного воздуха, который находится между одеж­дой и кожей, так как воздух — плохой проводник тепла. Тепло­изолирующие свойства одежды тем выше, чем мельче ячеистость ее структуры, содержащая воздух. Этим объясняются хорошие теплоизолирующие свойства шерстяной и меховой одежды. Темпе­ратура воздуха под одеждой достигает 30 °С. Наоборот, обнажен­ное тело теряет тепло, так как воздух на его поверхности все вре­мя сменяется. Поэтому температура кожи обнаженных частей те­ла намного ниже, чем одетых.

В значительной степени препятствует теплоотдаче слой под­кожной основы (жировой клетчатки) вследствие малой теплопро­водности жира.

Температура кожи, а следовательно, интенсивность теплоизлу­чения и теплопроведения могут изменяться в результате перерас­пределения крови в сосудах и при изменении объема циркулирую­щей крови.

На холоде кровеносные сосуды кожи, главным образом арте-риолы, сужаются: большее количество крови поступает в сосуды брюшной полости, и тем самым ограничивается теплоотдача. По­верхностные слои кожи, получая меньше теплой крови, излучают меньше тепла — теплоотдача уменьшается. При сильном охлажде­нии кожи, кроме того, происходит открытие артериовенозных ана­стомозов, что уменьшает количество крови, поступающей в капил­ляры, и тем самым препятствует теплоотдаче.

Перераспределение крови, происходящее на холоде, — умень­шение количества крови, циркулирующей через поверхностные сосуды, и увеличение количества крови, проходящей через сосуды внутренних органов, способствует сохранению тепла во внутрен­них органах. Эти факты служат основанием для утверждения, что регулируемым параметром является именно температура внутрен­них органов («ядра»), которая поддерживается на постоянном уровне.

При повышении температуры окружающей среды сосуды кожи расширяются, количество циркулирующей в них крови увеличива­ется. Возрастает также объем циркулирующей крови во всем орга­низме вследствие перехода воды из тканей в сосуды, а также по­тому, что селезенка и другие кровяные депо выбрасывают в об­щий кровоток дополнительное количество крови. Увеличение коли­чества крови, циркулирующей через сосуды поверхности тела, спо­собствует теплоотдаче с помощью радиации и конвекции.

Для сохранения постоянства температуры тела человека при высокой температуре окружающей среды основное значение имеет испарение пота с поверхности кожи.

Значение потоотделения для поддержания постоянства температуры тела видно из следующего подсчета: в летние месяцы температура окружающего воздуха в средних широтах нередко рав­на температуре тела человека. Это означает, что организм человека, живущего в этих условиях, не может отдавать образующееся в

нем самом тепло путем радиации и конвекции. Единственным пу­тем отдачи тепла остается испарение воды. Приняв, что среднее теплообразование в сутки равно 10 048—11723 кДж (2400— 2800 ккал), и зная, что на испарение 1 г воды с поверхности тела расходуется 2,43 кДж (0,58 ккал), получаем, что для поддержа­ния температуры тела человека на постоянном уровне в таких ус­ловиях необходимо испарение 4,5 л воды. Особенно интенсивно потоотделение происходит при высокой окружающей температуре во время мышечной работы, когда возрастает теплообразование в самом организме. При очень тяжелой работе выделение пота у рабочих горячих цехов может составить 12 л за день.

Испарение воды зависит от относительной влажности воздуха. В насыщенном водяными парами воздухе вода испаряться не может. Поэтому при высокой влажности атмосферного воздуха высокая температура переносится тяжелее, чем при низкой влаж­ности. В насыщенном водяными парами воздухе (например, в ба­не) пот выделяется в большом количества, но не испаряется и стекает с кожи. Такое потоотделение не способствует отдаче теп­ла: только та часть пота, которая испаряется с поверхности кожи, имеет значение для теплоотдачи (эта часть пота составляет эф­ фективное потоотделение).

Плохо переносится также непроницаемая для воздуха одежда (резиновая и т.п.), препятствующая испарению пота: слой воз­духа между одеждой и телом быстро насыщается парами и даль­нейшее испарение пота прекращается.

Человек плохо переносит сравнительно невысокую температу­ру окружающей среды (32 °С) при влажном воздухе. В совершен­но сухом воздухе человек может находиться без заметного пере­гревания в течение 2—3 ч при температуре 50—55 °С.

Так как некоторая часть воды испаряется легкими в виде па­ров, насыщающих выдыхаемый воздух, дыхание также участвует в поддержании температуры тела на постоянном уровне. При вы­сокой окружающей температуре дыхательный центр рефлекторно возбуждается, при низкой — угнетается, дыхание становится ме­нее глубоким.

К проявлениям физической терморегуляции следует отнести также изменение положения тела. Когда собаке или кошке холодно, они сворачиваются в клубок, уменьшая тем самым поверхность теплоотдачи; когда жарко, животные, наоборот, при­нимают положение, при котором поверхность теплоотдачи макси­мально возрастает. Этого способа физической терморегуляции не лишен и человек, «сворачиваясь в клубок» во время сна в холодном помещении.

Рудиментарное значение для человека имеет проявление фи­зической терморегуляции в форме реакции кожных мышц («гуси­ная кожа»). У животных при этой реакции изменяется ячеистость шерстяного покрова и улучшается теплоизолирующая роль шерсти.

Таким образом, постоянство температуры тела поддерживается

путем совместного действия, с одной стороны, механизмов, регу­лирующих интенсивность обмена веществ и зависящее от него теплообразование (химическая регуляция тепла), а с другой — механизмов, регулирующих теплоотдачу (физическая регуляция тепла). Соотношение процессов выработки и отдачи тепла пред­ставлено на рис. 11.2.

РЕГУЛЯЦИЯ ИЗОТЕРМИИ

Регуляторные реакции, обеспечивающие сохранение постоянст­ва температуры тела, представляют собой сложные рефлекторные акты, которые возникают в ответ на температурное раздражение рецепторов кожи, кожных и подкожных сосудов, а также самой ЦНС. Эти рецепторы, воспринимающие холод и тепло, названы терморецепторами. При относительно постоянной температуре ок­ружающей среды от рецепторов в ЦНС поступают ритмичные им­пульсы, отражающие их тоническую активность. Частота этих импульсов максимальна для Холодовых рецепторов кожи и кож­ных сосудов при температуре 20—30 °С, а для кожных тепловых рецепторов — при температуре 38—43 °С. При резком охлаждении кожи частота импульсации в Холодовых рецепторах возрастает, а при быстром согревании урежается или прекращается. На такие же перепады температуры тепловые рецепторы реагируют прямо противоположно. Тепловые и холодовые рецепторы ЦНС реагируют на изменение температуры крови, притекающей к нервным центрам.

Терморецепторы ЦНС находятся в передней части гипоталаму­са — в преоптической зоне, в ретикулярной формации среднего мозга, а также в спинном мозге. Наличие в ЦНС температурных рецепторов доказывается многими экспериментами. Так, погруже-

ние в холодную воду денервированных задних конечностей соба­ки вызывает дрожь мышц головы, передних конечностей и тулови­ща и усиление теплообразования. Терморегуляторные рефлексы, вызываемые раздражением холодовых рецепторов кожи, в данном опыте исключены перерезкой нервов, и эффекты охлаждения ко­нечностей объясняются только понижением температуры крови и раздражением центральных холодовых рецепторов.

Дрожь и сужение кожных сосудов, а следовательно, повышение теплообразования и понижение теплоотдачи возникают также при охлаждении сонной артерии, приносящей кровь к головному мозгу.

Термочувствительность гипоталамуса была показана в экспе­риментах на ненаркотизированных кроликах. Животным в область гипоталамуса вживляли специальные термонагреватели. Оказалось, что повышение температуры на 0,41 °С вызывает выраженную тер-морегуляторную реакцию, проявляющуюся в расширении сосудов уха. Такая реакция возникала при температуре окружающей среды 22—27 °С. Когда же температуру среды снижали до 17—20 °С, то для получения сосудорасширяющей реакции нагревание гипотала­муса нужно было увеличить на 0,84 °С. Таким образом, пониже­ние окружающей температуры, а следовательно, изменение харак­тера температурного воздействия на экстерорецепторы уменьшает температурную чувствительность гипоталамуса. Участие гипотала­муса в терморегуляции обеспечивает взаимодействие восприятия сигналов об изменении температуры окружающей и внутренней среды.

Именно в гипоталамусе расположены основные центры термо­ регуляции, которые координируют многочисленные и сложные процессы, обеспечивающие сохранение температуры тела на посто­янном уровне. Это доказывается тем, что разрушение гипоталаму­са влечет за собой потерю способности регулировать температуру тела и делает животное пойкилотермным, в то время как удаление коры большого мозга, полосатого тела и зрительных бугров за­метно не отражается на процессах теплообразования и тепло­отдачи.

При изучении роли различных участков гипоталамуса в термо­регуляции обнаружены ядра, изменяющие процесс теплообразова­ния, и ядра, влияющие на теплоотдачу.

Химическая терморегуляция (усиление теплообразования, мы­шечная дрожь) контролируется хвостовой частью гипоталамуса. Разрушение этого участка мозгового ствола у животных делает их неспособными переносить холод. Охлаждение животного после такой операции не вызывает дрожи и компенсаторного повыше­ния теплообразования.

Физическая терморегуляция (сужение сосудов, потоотделение) контролируется передней частью гипоталамуса. Разрушение дан­ной области — центра теплоотдачи — не лишает животного спо­собности переносить холод, но после операции оно быстро пере­гревается при высокой температуре окружающей среды (так как

поврежден механизм, обеспечивающий физическую терморегу­ляцию) .

Центры теплообразования и центры теплоотдачи находятся в сложных взаимоотношениях и взаимоподавляют друг друга.

Терморегуляторные рефлексы могут осуществляться и спин­ным мозгом. Охлаждение спинного мозга животного, у которого этот отдел ЦНС отделен от вышележащих отделов перерезкой, вызывает мышечную дрожь и сужение периферических сосудов. Значение спинного мозга в терморегуляции состоит не только в том, что он является проводником сигналов, идущих от перифери­ческих рецепторов к головному мозгу, и влияний, поступающих от головного мозга к мышцам, сосудам и потовым железам, но и в том, что в спинном мозге находятся центры некоторых терморе-гуляторных рефлексов, имеющих, правда, несколько ограниченное регуляторное значение. Так, после перерезки ствола мозга ниже гипоталамических центров терморегуляции способность организма усиливать теплообразование и повышать интенсивность окисли­тельных процессов на холоде резко понижается и не обеспечивает постоянной температуры тела. Равным образом после перерез­ки ствола мозга или отделения спинного мозга от продолговатого резко нарушается и физическая терморегуляция, поэтому при по­вышении окружающей температуры животное легко перегревается, так как одни спинальные терморегуляторные механизмы не спо­собны обеспечить постоянство температуры тела.

Несмотря на то что удаление коры большого мозга заметно не отражается на процессах теплообразования и теплоотдачи, неправомерно делать вывод, что это образование не влияет на тепловой обмен. Эксперименты на животных и наблюдения на людях показали возможность условнорефлекторных изменений теплопродукции и теплоотдачи, которые осуществляются корой большого мозга.

В осуществлении гипоталамической регуляции температуры тела участвуют железы внутренней секреции, главным образом щитовидная и надпочечники.

Участие щитовидной железы в терморегуляции доказывается тем, что введение в кровь животного сыворотки крови другого жи­вотного, которое длительное время находилось на холоде, вызыва­ет у первого повышение обмена веществ. Такой эффект наблюда­ется лишь при сохранении у второго животного щитовидной же­лезы. Очевидно, во время пребывания в условиях охлаждения про­исходит усиленное выделение в кровь гормона щитовидной желе­зы, повышающего обмен веществ и, следовательно, образование тепла.

Участие надпочечников в терморегуляции обусловлено выде­лением ими в кровь адреналина, который, усиливая окислительные процессы в тканях, в частности в мышцах, повышает теплообра­зование и суживает кожные сосуды, уменьшая теплоотдачу. По­этому адреналин способен вызывать повышение температуры тела (адреналиновая гипертермия).

ГИПОТЕРМИЯ И ГИПЕРТЕРМИЯ

Если человек длительное время находится в условиях значи­тельно повышенной или пониженной температуры окружающей среды, то механизмы физической и химической регуляции тепла, благодаря которым в обычных условиях сохраняется постоянство температуре тела, могут оказаться недостаточными: происходит переохлаждение тела — гипотермия, или перегревание — гипер­термия.

Гипотермия — состояние, при котором температура тела ниже 35 °С. Быстрее всего гипотермия возникает при погружении в холодную воду. В этом случае вначале наблюдается возбуждение симпатической части автономной нервной системы и рефлекторно ограничивается теплоотдача и усиливается теплопродукция. Пос­леднему способствует сокращение мышц — мышечная дрожь. Че­рез некоторое время температура тела все же начинает снижаться. При этом наблюдается состояние, подобное наркозу: исчезнове­ние чувствительности, ослабление рефлекторных реакций, пониже­ние возбудимости нервных центров. Резко понижается интенсив­ность обмена веществ, замедляется дыхание, урежаются сердеч­ные сокращения, снижается сердечный выброс, понижается арте­риальное давление (при температуре тела 24—25 °С оно может составлять 15—20 % от исходного).

В последние годы искусственно создаваемая гипотермия с охлаждением тела до 24—28 °С применяется на практике в хирур­гических клиниках, осуществляющих операции на сердце и ЦНС. Смысл этого мероприятия состоит в том, что гипотермия значи­тельно снижает обмен веществ головного мозга, а следовательно, потребность этого органа в кислороде. В результате становится переносимым более длительное обескровливание мозга (вместо 3—5 мин при нормальной температуре до 15—20 мин при 25— 28 °С), а это означает, что при гипотермии больные легче перено­сят временное выключение сердечной деятельности и остановку дыхания. Гипотермию прекращают путем быстрого согревания тела.

Для того чтобы исключить начальные приспособительные реак­ции, направленные на поддержание температуры тела при искус­ственной гипотермии, применяют препараты, выключающие пере­дачу импульсов в автономной нервной системе (ганглиоблокато-ры) и прекращающие передачу импульсов с нервов на скелетные мышцы (миорелаксанты).

При относительно кратковременных и не чрезмерно интенсив­ных воздействиях холода на организм изменений теплового балан­са и понижения температуры внутренней среды не происходит. В то же время это способствует развитию простудных заболеваний и обострению хронических воспалительных процессов. В этой свя­зи важную роль приобретает закаливание организма. Закаливание достигается повторными воздействиями низкой температуры воз­растающей интенсивности. У ослабленных людей закаливание сле-

дует начинать с водных процедур нейтральной температуры (32 °С) и понижать температуру на 1 °С через каждые 2—3 дня. После прекращения тренировки закаливание исчезает, поэтому выполне­ние режима закаливания должно быть непрерывным. Эффект за­каливания проявляется не только в случае водных процедур, но и при воздействии холодного воздуха. При этом закаливание проис­ходит быстрее, если воздействие холода сочетается с активной мышечной деятельностью.

Гипертермия — состояние, при котором температура тела поднимается выше 37 °С. Она возникает при продолжительном действии высокой температуры окружающей среды, особенно при влажном воздухе, и, следовательно, небольшом эффективном по­тоотделении. Гипертермия может возникать и под влиянием неко­торых эндогенных факторов, усиливающих в организме теплообра­зование (тироксин, жирные кислоты и др.). Резкая гипертермия, при которой температура тела достигает 40—41 °С, сопровождает­ся тяжелым общим состоянием организма и носит название тепло­ вого удара.

От гипертермии следует отличать такое изменение температу­ры, когда внешние условия не изменены, но нарушается собствен­но процесс терморегуляции. Примером такого нарушения может служить инфекционная лихорадка. Одной из причин ее возникно­вения является высокая чувствительность гипоталамических цент­ров регуляции теплообмена к некоторым химическим соединени­ям, в частности к бактерийным токсинам. Введение непосредст­венно в область переднего гипоталамуса минимального количества бактерийного токсина сопровождается многочасовым повышением температуры тела.

Глава 12. ВЫДЕЛЕНИЕ .

ФИЗИОЛОГИЯ ПОЧКИ

12.1. ВЫДЕЛЕНИЕ

Процесс выделения имеет важнейшее значение для гомеостаза, он обеспечивает освобождение организма от конечных продуктов обмена, которые уже не могут быть использованы, чу­жеродных и токсичных веществ, а также избытка воды, солей и органических соединений, поступивших с пищей или образовав­шихся в результате обмена веществ (метаболизма). В процессе выделения у человека участвуют почки, легкие, кожа, пищевари­тельный тракт.

Органы выделения. Основное назначение органов выделения состоит в поддержании постоянства состава и объема жидкостей внутренней среды организма, прежде всего крови.

Почки удаляют избыток воды, неорганических и органи­ческих веществ, конечные продукты обмена и чужеродные ве­щества.

Легкие выводят из организма СО2, воду, некоторые летучие вещества, например пары эфира и хлороформа при наркозе, пары алкоголя при опьянении.

Слюнные и желудочные железы выделяют тя­желые металлы, ряд лекарственных препаратов (морфий, хинин, салицилаты) и чужеродных органических соединений.

Экскреторную функцию выполняет печень, удаляя из крови ряд продуктов азотистого обмена.

Поджелудочная железа и кишечные же­лезы экскретируют тяжелые металлы, лекарственные ве­щества.

Железы кожи играют существенную роль в выделении. С потом из организма выводятся вода и соли, некоторые органи­ческие вещества, в частности мочевина, а при напряженной мы­шечной работе — молочная кислота (см. главу 11). Продукты вы­деления сальных и молочных желез — кожное сало и молоко имеют самостоятельное физиологическое значение — молоко как продукт питания для новорожденных, а кожное сало — для сма­зывания кожи.

12.2. ПОЧКИ И ИХ ФУНКЦИИ

Почки выполняют ряд гомеостатических функций в организ­ме человека и высших животных. К функциям почек относятся следующие: 1) участие в регуляции объема крови и внеклеточной жидкости (волюморегуляция); 2) регуляция концентрации осмо­тически активных веществ в крови и других жидкостях тела (осморегуляция); 3) регуляция ионного состава сыворотки крови и ионного баланса организма (ионная регуляция); 4) участие в регу­ляции кислотно-основного состояния (стабилизация рН крови); 5) участие в регуляции артериального давления, эритропоэза, свертывания крови, модуляции действия гормонов благодаря об­разованию и выделению в кровь биологически активных веществ (инкреторная функция); 6) участие в обмене белков, липидов и углеводов (метаболическая функция); 7) выделение из организма конечных продуктов азотистого обмена и чужеродных веществ, избытка органических веществ (глюкоза, аминокислоты и др.), поступивших с пищей или образовавшихся в процессе метаболиз­ма (экскреторная функция). Таким образом, роль почки в орга­низме не ограничивается только выделением конечных продуктов обмена и избытка неорганических и органических веществ. Почка является гомеостатическим органом, участвующим в поддержании

постоянства основных физико-химических констант жидкостей внутренней среды, в циркуляторном гомеостазе, стабилизации по­казателей обмена различных органических веществ.

При изучении работы почки следует разграничить два поня­тия — функции почки и процессы, их обеспечивающие. К послед­ним относятся ультрафильтрация жидкости в клубочках, реабсорб-ция и секреция веществ в канальцах, синтез новых соединений, в том числе и биологически активных веществ (рис. 12.1).

В литературе при описании деятельности почки используют термин «секреция», который имеет ряд значений. В одних случаях этот термин означает перенос вещества клетками нефрона из крови в просвет канальца в неизмененном виде, что обусловли­вает экскрецию этого вещества почкой. В других случаях тер­мин «секреция» означает синтез и секрецию клетками в почке биологически активных веществ (например, ренина, простагланди-нов) и их поступление в русло крови. Наконец, процесс синтеза в клетках канальцев веществ, которые поступают в просвет каналь­ца и экскретируются с мочой, также обозначают термином «се­креция».

12.2.1. Методы изучения функций почек

Для исследования деятельности почек у человека и животных применяют различные методы, с помощью которых определяют объем и состав выделяющейся мочи, оцениваются характер работы клеток почечных канальцев, изменения в составе крови, оттекаю­щей от почки. Важную роль в изучении функции почки сыграли методы ее исследования у животных в естественных условиях. И. П. Павлов разработал метод наложения фистулы мочевого пу­зыря. Л. А. Орбели предложил способ раздельного выведения на кожу живота мочеточников каждой почки, что позволило изу­чать на одном животном регуляцию функции почек, одна из ко­торых была денервирована, а вторая служила контролем.

Современные представления о функции почки во многом осно­ваны на данных применения методов микропункции и микропер­фузии отдельных почечных канальцев. Впервые извлечение жид­кости микропипеткой из почечной капсулы осуществил А. Ричарде в Пенсильванском университете. В настоящее время с помощью методов микропункции, микроперфузии, микроэлектродной техни­ки исследуют роль каждого из отделов нефрона в мочеобразова-нии. Применение микроэлектродов и ультрамикроанализа жид­кости, извлеченной микропипеткой, позволяет изучать механизм транспорта веществ через мембраны клеток канальцев.

При исследовании функции почек человека и животных ис­пользуют метод «очищения» (клиренса): сопоставление концентра­ции определенных веществ в крови и моче позволяет рассчитать величины основных процессов, лежащих в основе мочеобразова-ния. Этот метод получил широкое применение в клинике. Для изучения роли почки в синтезе новых соединений сопоставляют

состав крови почечной артерии и вены. Исследование метаболизма отдельных участков почечных канальцев, полученных с помощью метода микродиссекции, использование тканевых культур, методов электронной цитохимии, биохимии, иммунохимии, молекулярной биологии и электрофизиологии дает возможность понять механизм работы клеток почечных клубочков и канальцев, их роль в выпол­нении различных функций почки.

12.2.2. Нефрон и его кровоснабжение

Строение нефрона. В каждой почке у человека содержится около 1 млн функциональных единиц — нефронов, в которых про­исходит образование мочи (рис. 12.2). Каждый нефрон начинается почечным, или мальпигиевым, тельцем — двустенной капсулой клубочка (капсула Шумлянского — Боумена), внутри которой на­ходится клубочек капилляров. Внутренняя поверхность капсулы выстлана эпителиальными клетками; образующаяся полость между висцеральным и париетальным листками капсулы переходит в про­свет проксимального извитого канальца. Особенностью клеток этого канальца является наличие щеточной каемки — большого количества микроворсинок, обращенных в просвет канальца. Сле­дующий отдел нефрона — тонкая нисходящая часть петли нефро­на (петли Генле). Ее стенка образована низкими, плоскими эпите­лиальными клетками. Нисходящая часть петли может опускаться глубоко в мозговое вещество, где каналец изгибается на 180°, и поворачивает в сторону коркового вещества почки, образуя восхо­дящую часть петли нефрона. Она может включать тонкую и всегда имеет толстую восходящую часть, которая поднимается до уровня клубочка своего же нефрона, где начинается дистальный извитой каналец. Этот отдел канальца обязательно прикасается к клубочку между приносящей и выносящей артериолами в области плотного пятна (см. рис. 12.2). Клетки толстого восходящего отдела петли Генле и дистального извитого канальца лишены щеточной каемки, в них много митохондрий и увеличена поверхность базальной плазматической мембраны за счет складчатости. Конечный отдел нефрона — короткий связующий каналец, впадает в собирательную трубку¹. Начинаясь в корковом веществе почки, собирательные трубки проходят через мозговое вещество и открываются в полость почечной лоханки. Диаметр капсулы клубочка около 0,2 мм, общая длина канальцев одного нефрона достигает 35—50 мм.

Исходя из особенностей структуры и функции почечных ка­нальцев, различают следующие сегменты нефрона: 1) проксималь­ный, в состав которого входят извитая и прямая части прокси­мального канальца; 2) тонкий отдел петли нефрона, включающий нисходящую и тонкую восходящую части петли; 3) дистальный сегмент, образованный толстым восходящим отделом петли неф-

рона, дистальным извитым канальцем и связующим отделом. Ка­нальцы нефрона соединены с собирательными трубками: в про­цессе эмбриогенеза они развиваются самостоятельно, но в сфор­мировавшейся почке собирательные трубки функционально близки дистальному сегменту нефрона.

В почке функционирует несколько типов нефронов: суперфициальные (поверхностные), интракортикальные и юкста- медуллярные (см. рис. 12.2). Различие между ними заключается в

локализации в почке, величине клубочков (юкстамедуллярные крупнее суперфициальных), глубине расположения клубочков и проксимальных канальцев в корковом веществе почки (клубочки юкстамедуллярных нефронов лежат у границы коркового и мозго­вого вещества) и в длине отдельных участков нефрона, особенно петель нефрона. Суперфициальные нефроны имеют короткие пет­ли, юкстамедуллярные, напротив, длинные, спускающиеся во внут­реннее мозговое вещество почки. Характерна строгая зональность распределения канальцев внутри почки (см. рис. 12.2).

Большое функциональное значение имеет зона почки, в кото­рой расположен каналец, независимо от того, находится ли он в корковом или мозговом веществе. В корковом веществе находятся почечные клубочки, проксимальные и дистальные от­делы канальцев, связующие отделы. В наружной полоске наружно­го мозгового вещества находятся нисходящие и толстые восходящие отделы петель нефронов, собирательные трубки; во внутреннем мозговом веществе располагаются тонкие отделы петель нефронов и собирательные трубки. Расположение каж­дой из частей нефрона в почке чрезвычайно важно и определяет форму участия тех или иных нефронов в деятельности почки, в частности в осмотическом концентрировании мочи.

Кровоснабжение почки. В обычных условиях через обе почки, масса которых составляет лишь около 0,43 % от массы тела здо­рового человека, проходит от 1/5 до 1/4 крови, поступающей из сердца в аорту. Кровоток по корковому веществу почки достигает 4—5 мл/мин на 1 г ткани; это наиболее высокий уровень орган­ного кровотока. Особенность почечного кровотока состоит в том, что в условиях изменения системного артериального давления в широких пределах (от 90 до 190 мм рт. ст.) он остается постоян­ным. Это обусловлено специальной системой саморегуляции кро­вообращения в почке.

Короткие почечные артерии отходят от брюшного отдела аор­ты, разветвляются в почке на все более мелкие сосуды, и одна приносящая (афферентная) артериола входит в клубочек. Здесь она распадается на капиллярные петли, которые, сливаясь, обра­зуют выносящую (эфферентную) артериолу, по которой кровь оттекает от клубочка. Диаметр эфферентной артериолы уже, чем афферентной. Вскоре после отхождения от клубочка эфферентная артериола вновь распадается на капилляры, образуя густую сеть вокруг проксимальных и дистальных извитых канальцев. Таким образом, большая часть крови в почке дважды проходит через капилляры — вначале в клубочке, затем у канальцев. Отличие кро­воснабжения юкстамедуллярного нефрона заключается в том, что эфферентная артериола не распадается на околоканальцевую ка­пиллярную сеть, а образует прямые сосуды, спускающиеся в моз­говое вещество почки. Эти сосуды обеспечивают кровоснабжение мозгового вещества почки; кровь из околоканальцевых капилляров и прямых сосудов оттекает в венозную систему и по почечной вене поступает в нижнюю полую вену.

Юкстагломерулярный аппарат (рис. 12.3). Морфологически об­разует подобие треугольника, две стороны которого представлены подходящими к клубочку афферентной и эфферентной артерио-лами, а основание — клетками плотного пятна (mucula densa) ди-стального канальца. Внутренняя поверхность афферентной арте-риолы выстлана эндотелием, а мышечный слой вблизи клубочка замещен крупными эпителиальными клетками, содержащими сек­реторные гранулы. Клетки плотного пятна тесно соприкасаются с юкстагломерулярным веществом, состоящим из ячеистой сети с мелкими клетками и переходящим в клубочек, где расположена мезангиальная ткань. Юкстагломерулярный аппарат участвует в секреции ренина и ряда других биологически активных веществ.

Процесс мочеобразования

Образование конечной мочи является результатом трех после­довательных процессов.

I. В почечных клубочках происходит начальный этап мочеоб­разования — клубочковая, или гломерулярная, фильтрация, уль­трафильтрация безбелковой жидкости из плазмы крови в капсулу почечного клубочка, в результате чего образуется первичная моча.

II.      Канальцевая реабсорбция — процесс обратного всасывания
профильтровавшихся веществ и воды.

III.     Секреция. Клетки некоторых отделов канальца переносят
из внеклеточной жидкости в просвет нефрона (секретируют) ряд
органических и неорганических веществ либо выделяют в просвет
канальца молекулы, синтезированные в клетке канальца.

Скорость гломерулярной фильтрации, реабсорбции и секреции регулируется в зависимости от состояния организма при участии гормонов, эфферентных нервов или локально образующихся биоло­гически активных веществ — аутакоидов.

12.2.3.1. Клубочковая фильтрация

Мысль о фильтрации воды и растворенных веществ как пер­вом этапе мочеобразования была высказана в 1842 г. немецким физиологом К. Людвигом. В 20-х годах XX столетия американско­му физиологу А. Ричардсу в прямом эксперименте удалось под­твердить это предположение — с помощью микроманипулятора пунктировать микропипеткой клубочковую капсулу и извлечь из нее жидкость, действительно оказавшуюся ультрафильтратом плазмы крови.

Ультрафильтрация воды и низкомолекулярных компонентов из плазмы крови происходит через клубочковый фильтр. Этот филь­трационный барьер почти непроницаем для высокомолекулярных веществ. Процесс ультрафильтрации обусловлен разностью между гидростатическим давлением крови, гидростатическим давлением в капсуле клубочка и онкотическим давлением белков плазмы крови. Общая поверхность капилляров клубочка больше общей поверх­ности тела человека и достигает 1,5 м² на 100 г массы почки. Фильтрующая мембрана (фильтрационный барьер), че­рез которую проходит жидкость из просвета капилляра в полость капсулы клубочка, состоит из трех слоев: эндотелиальных клеток капилляров, базальной мембраны и эпителиальных клеток висце­рального (внутреннего) листка капсулы — подоцитов (рис. 12.4).

Клетки эндотелия, кроме области ядра, очень истончены, тол­щина цитоплазмы боковых частей клетки менее 50 нм; в цитоплаз­ме имеются круглые или овальные отверстия (поры) размером 50—100 нм, которые занимают до 30 % поверхности клетки. При нормальном кровотоке наиболее крупные белковые молекулы обра­зуют барьерный слой на поверхности пор эндотелия и затрудняют движение через них альбуминов, ограничивая тем самым прохож­дение форменных элементов крови и белков через эндотелий. Дру­гие компоненты плазмы крови и вода могут свободно достигать базальной мембраны.

Базальная мембрана является одной из важнейших составных частей фильтрующей мембраны клубочка. У человека толщина ба­зальной мембраны 250—400 нм. Эта мембрана состоит из трех слоев — центрального и двух периферических. Поры в базальной

мембране препятствуют прохождению молекул диаметром больше 6 нм.

Наконец, важную роль в определении размера фильтруемых ве­ществ играют щелевые мембраны между «ножками» подоцитов. Эти эпителиальные клетки обращены в просвет капсулы почечного клубочка и имеют отростки — «ножки», которыми прикрепляются к базальной мембране. Базальная мембрана и щелевые мембраны между этими «ножками» ограничивают фильтрацию веществ, диаметр молекул которых больше 6,4 нм (т. е. не проходят веще­ства, радиус молекулы которых превышает 3,2 нм). Поэтому в просвет нефрона свободно проникает инулин (радиус молекулы 1,48 нм, молекулярная масса около 5200), может фильтроваться лишь 22 % яичного альбумина (радиус молекулы 2,85 нм, молеку­лярная масса 43 500), 3 % гемоглобина (радиус молекулы 3,25 нм, молекулярная масса 68 000 и меньше 1 % сывороточного альбумина (радиус молекулы 3,55 нм, молекулярная масса 69 000).

Прохождению белков через клубочковый фильтр препятствуют отрицательно заряженные молекулы — полианионы, входящие в состав вещества базальной мембраны, и сиалогликопротеиды в выстилке, лежащей на поверхности подоцитов и между их «нож­ками». Ограничение для фильтрации белков, имеющих отрицатель­ный заряд, обусловлено размером пор клубочкового фильтра и их электронегативностью. Таким образом, состав клубочкового фильтрата зависит от свойств эпителиального барьера и базальной мембраны. Естественно, размер и свойства пор фильтрационного барьера вариабельны, поэтому в обычных условиях в ультрафиль­трате обнаруживаются лишь следы белковых фракций, характер­ных для плазмы крови. Прохождение достаточно крупных молекул через поры зависит не только от их размера, но и конфигурации молекулы, ее пространственного соответствия форме поры.

Уровень клубочковой фильтрации зависит от разности между гидростатическим давлением крови (около 44—47 мм рт. ст. в ка­пиллярах клубочка), онкотическим давлением белков плазмы крови (около 25 мм рт. ст.) и гидростатическим давлением в кап­суле клубочка (около 10 мм рт. ст.). Эффективное фильтрацион­ное давление, определяющее скорость клубочковой фильтрации, составляет 10—15 мм рт. ст. [47 мм рт. ст.— (25 мм рт. ст.+ + 10 мм рт. ст.) = 12 мм рт. ст.]. Фильтрация происходит только в том случае, если давление крови в капиллярах клубочков превы-

шает сумму онкотического давления белков в плазме и давления жидкости в капсуле клубочка.

Ультрафильтрат, извлеченный микропипеткой из полости клу­бочка, практически не содержит белков, но подобен плазме по общей концентрации осмотически активных веществ, глюкозы, мо­чевины, мочевой кислоты, креатинина и др. Небольшое различие концентрации ряда ионов по обеим сторонам клубочковой мембра­ны обусловлено равновесием Доннана — наличием в плазме крови анионов, не диффундирующих через мембрану и удерживающих часть катионов. Следовательно, для расчета количества фильтруе­мых веществ в клубочках необходимо учитывать, какая их часть может проходить из плазмы в просвет нефрона через гломеруляр-ный фильтр.

Для внесения поправки на связывание некоторых ионов белка­ми плазмы крови вводится понятие об улътрафилътруемой фрак­ции (f) — той части вещества от общей его концентрации в плазме крови, которая не связана с белком и свободно проходит через клубочковый фильтр. Ультрафильтруемая фракция для кальция составляет 0,6, для магния — 0,75. Эти величины свидетельствуют о том, что около 40 % кальция плазмы связано с белком и не фильтруется в клубочках. Однако в профильтровавшейся жидкости кальций (и магний) также состоит из двух фракций: одна из них — ионизированный кальций (магний), другая — кальций (магний), связанный с низкомолекулярными соединениями, прохо­дящими через клубочковый фильтр.

В ультрафильтрате обнаруживаются следы белка. Различие размера пор в клубочках даже у здорового человека обусловливает проникновение небольшого количества особенно измененных бел­ков; из нормальной мочи удалось выделить в следовых количествах белковые фракции, характерные для плазмы крови.

Измерение скорости клубочковой фильтрации. Для расчета объема жидкости, фильтруемой в 1 мин в почечных клубочках (скорость клубочковой фильтрации), и ряда других показателей процесса мочеобразования используют методы и формулы, осно­ванные на принципе очищения (иногда их называют «клиренсовые методы», от английского слова clearance — очищение). Для измере­ния величины клубочковой фильтрации используют физиологи­чески инертные вещества, не токсичные и не связывающиеся с белком в плазме крови, свободно проникающие через поры мем­браны клубочкового фильтра из просвета капилляров вместе с без­белковой частью плазмы. Следовательно, концентрация этих ве­ществ в клубочковой жидкости будет такой же, как в плазме кро­ви. Это вещества не должны реабсорбироваться и секретироваться в почечных канальцах, тем самым с мочой будет выделяться все количество данного вещества, поступившего в просвет нефрона с ультрафильтратом в клубочках. К веществам, используемым для измерения скорости клубочковой фильтрации, относятся полимер фруктозы инулин, маннитол, полиэтиленгликоль-400, креатинин.

Рассмотрим принцип очищения на примере измерения объема

клубочковой фильтрации с помощью инулина (рис. 12.5). Количество профильтровавшегося в клубочках инулина (In) равно произведению объема фильтрата (С,_п) на концентрацию в нем инулина (она равна его концентрации в плазме крови, Р,_п). Выде­лившееся за то же время с мочой количество инулина равно про­изведению объема экскретированной мочи ( V ) на концентрацию в ней инулина ( U_In ).

Так как инулин не реабсорбируется и не секретируется, то ко­личество профильтровавшегося инулина (С,_п * Р_/п), равно коли­честву выделившегося ( V * U , _n ), откуда:

Эта формула является основной для расчета скорости клубоч­ковой фильтрации. При использовании других веществ для измере­ния скорости клубочковой фильтрации инулин в формуле заменя­ют на анализируемое вещество и рассчитывают скорость клубочко­вой фильтрации данного вещества. Скорость фильтрации жидкости вычисляют в мл/мин; для сопоставления величины клубочковой фильтрации у людей различных массы тела и роста ее относят к стандартной поверхности тела человека (1,73 м ). В норме у муж­чин в обеих почках скорость клубочковой фильтрации на 1,73 м² составляет около 125 мл/мин, у женщин — приблизительно 110 мл/мин.

Измеренная с помощью инулина величина фильтрации в клу­бочках, называемая также коэффициентом очищения от инулина (или инулиновым клиренсом), показывает, какой объем плазмы крови освобожден от инулина за это время. Для измерения очи­щения от инулина необходимо непрерывно вливать в вену раствор инулина, чтобы в течение всего исследования поддерживать по­стоянной его концентрацию в крови. Очевидно, что это весьма сложно и в клинике не всегда осуществимо, поэтому чаще исполь­зуют креатинин — естественный компонент плазмы, по очи­щению от которого можно было бы судить о скорости клубочковой фильтрации, хотя с его помощью скорость клубочковой фильтра­ции измеряется менее точно, чем при инфузии инулина. При не­которых физиологических и особенно патологических состояниях креатинин может реабсорбироваться и секретироваться, тем самым очищение от креатинина может не отражать истинной величины клубочковой фильтрации.

У здорового человека вода попадает в просвет нефрона в ре­зультате фильтрации в клубочках, реабсорбируется в канальцах, и вследствие этого концентрация инулина растет. Концентрацион­ный показатель инулина U_ln / P , _n указывает, во сколько раз умень­шается объем фильтрата при его прохождении по канальцам. Эта величина имеет важное значение для суждения об особенностях обработки любого вещества в канальцах, для ответа на вопрос о том, подвергается ли вещество реабсорбции или секретируется клетками канальцев. Если концентрационный показатель данного вещества X U_x / P_x меньше, чем одновременно измеренная вели­чина и_1п/Р,_п, то это указывает на реабсорбцию вещества X в ка­нальцах, если Ux / Px больше, чем UIn / P_In , то это указывает на его секрецию. Отношение концентрационных показателей вещества X и инулина Ux / Px : UI_n / PI_n носит название экскретируемой фрак­ ции (EF).

12.2.3.2. Канальцевая реабсорбция

Начальный этап мочеобразования, приводящий к фильтрации всех низкомолекулярных компонентов плазмы крови, неизбежно должен сочетаться с существованием в почке систем, реабсорби-рующих все ценные для организма вещества. В обычных условиях в почке человека за сутки образуется до 180 л фильтрата, а выде­ляется 1,0—1,5 л мочи, остальная жидкость всасывается в ка­нальцах. Роль клеток различных сегментов нефрона в реабсорб­ции неодинакова. Проведенные на животных опыты с извлечением микропипеткой жидкости из различных участков нефрона позво­лили выяснить особенности реабсорбции различных веществ в раз­ных частях почечных канальцев (рис. 12.6). В проксимальном сегменте нефрона практически полностью реабсорбируются ами­нокислоты, глюкоза, витамины, белки, микроэлементы, значи­тельное количество ионов Na⁺, Cl~, HCOj. В последующих от-

делах нефрона всасываются преимущественно электролиты и Вода.

Реабсорбция натрия и хлора представляет собой наиболее значительный по объему и энергетическим тратам про­цесс. В проксимальном канальце в результате реабсорбции боль­шинства профильтровавшихся веществ и воды объем первичной

мочи уменьшается, и в начальный отдел петли нефрона поступает около 1/3 профильтровавшейся в клубочках жидкости. Из всего количества натрия, поступившего в нефрон при фильтрации, в пет­ле нефрона всасывается до 25 %, в дистальном извитом каналь­це — около 9 %, и менее 1 % реабсорбируется в собирательных трубках или экскретируется с мочой.

Реабсорбция в дистальном сегменте характеризуется тем, что клетки переносят меньшее, чем в проксимальном канальце, коли­чество ионов, но против большего градиента концентрации. Этот сегмент нефрона и собирательные трубки играют важнейшую роль в регуляции объема выделяемой мочи и концентрации в ней осмотически активных веществ (осмотическая концентрация'). В конечной моче концентрация натрия может снижаться до 1 ммоль/л по сравнению со 140 ммоль/л в плазме крови. В дис­тальном канальце калий не только реабсорбируется, но и секре-тируется при его избытке в организме.

В проксимальном отделе нефрона реабсорбция натрия, калия, хлора и других веществ происходит через высокопроницаемую для воды мембрану стенки канальца. Напротив, в толстом восхо­дящем отделе петли нефрона, дистальных извитых канальцах и собирательных трубках реабсорбция ионов и воды происходит че­рез малопроницаемую для воды стенку канальца; проницаемость мембраны для воды в отдельных участках нефрона и собиратель­ных трубках может регулироваться, а величина проницаемости изменяется в зависимости от функционального состояния организ­ма (факультативная реабсорбция). Под влиянием импульсов, по­ступающих по эфферентным нервам, и при действии биологически активных веществ реабсорбция натрия и хлора регулируется в проксимальном отделе нефрона. Это особенно отчетливо проявля­ется в случае увеличения объема крови и внеклеточной жидкости, когда уменьшение реабсорбции в проксимальном канальце спо­собствует усилению экскреции ионов и воды и тем самым — вос­становлению водно-солевого равновесия. В проксимальном каналь­це всегда сохраняется изоосмия. Стенка канальца проницаема для воды, и объем реабсорбируемой воды определяется количест­вом реабсорбируемых осмотически активных веществ, за которыми вода движется по осмотическому градиенту. В конечных частях дистального сегмента нефрона и собирательных трубках про­ницаемость стенки канальца для воды регулируется вазопрес-сином.

Факультативная реабсорбция воды зависит от осмотической про­ницаемости канальцевой стенки, величины осмотического градиен­та и скорости движения жидкости по канальцу.

Для характеристики всасывания различных веществ в почеч­ных канальцах существенное значение имеет представление о по-

роге выведения. Непороговые вещества выделяются при любой их концентрации в плазме крови (и соответственно в ультрафильтра­те) . Такими веществами являются инулин, маннитол. Порог выве­дения практически всех физиологически важных, ценных для ор­ганизма веществ различен. Так, выделение глюкозы с мочой (глю-козурия) наступает тогда, когда ее концентрация в клубочковом фильтрате (и в плазме крови) превышает 10 ммоль/л. Физиологи­ческий смысл этого явления будет раскрыт при описании механиз­ма реабсорбции.

Механизмы канальцевой реабсорбции. Обратное всасывание различных веществ в канальцах обеспечивается активным и пас­сивным транспортом. Если вещество реабсорбируется против электрохимического и концентрационного градиентов, процесс называется активным транспортом. Различают два ви­да активного транспорта — первично-активный и вторично-актив­ный. Первично-активным транспорт называется в том случае, ког­да происходит перенос вещества против электрохимического гра­диента за счет энергии клеточного метаболизма. Примером служит транспорт ионов Na⁺, который происходит при участии фермента Na⁺, К⁺-АТФазы, использующей энергию АТФ. Вторично-актив­ным называется перенос вещества против концентрационного гра­диента, но без затраты энергии клетки непосредственно на этот процесс; так реабсорбируются глюкоза, аминокислоты. Из просве­та канальца эти органические вещества поступают в клетки прок­симального канальца с помощью специального переносчика, кото­рый обязательно должен присоединить ион Na⁺. Этот комплекс (переносчик + органическое вещество + Na⁺) способствует пере­мещению вещества через мембрану щеточной каемки и его поступ­лению внутрь клетки. Движущей силой переноса этих веществ через апикальную плазматическую мембрану служит меньшая по сравнению с просветом канальца концентрация натрия в цито­плазме клетки. Градиент концентрации натрия обусловлен непре­станным активным выведением натрия из клетки во внеклеточную жидкость с помощью Na⁺, К⁺-АТФазы, локализованной в лате­ральных и базальной мембранах клетки.

Реабсорбция воды, хлора и некоторых других ионов, мочевины осуществляется с помощью пассивного транспорта — по электрохимическому, концентрационному или осмотическому градиенту. Примером пассивного транспорта является реабсорбция в дистальном извитом канальце хлора по электрохимическому гра­диенту, создаваемому активным транспортом натрия. По осмоти­ческому градиенту транспортируется вода, причем скорость ее всасывания зависит от осмотической проницаемости стенки ка­нальца и разности концентрации осмотически активных веществ по обеим сторонам его стенки. В содержимом проксимального канальца вследствие всасывания воды и растворенных в ней ве­ществ растет концентрация мочевины, небольшое количество ко­торой по концентрационному градиенту реабсорбируется в кровь.

Достижения в области молекулярной биологии позволили ус-

тановить строение молекул ионных и водных каналов (аквапори-нов) рецепторов, аутакоидов и гормонов и тем самым проник­нуть в сущность некоторых клеточных механизмов, обеспечиваю­щих транспорт веществ через стенку канальца. Различны свойства клеток разных отделов нефрона, неодинаковы свойства цитоплаз-матической мембраны в одной и той же клетке. Апикальная мем­брана клетки, обращенная в просвет канальца, имеет иные харак­теристики, чем ее базальная и боковые мембраны, омываемые межклеточной жидкостью и соприкасающиеся с кровеносным ка­пилляром. Вследствие этого апикальная и базальная плазматичес­кие мембраны участвуют в транспорте веществ по-разному; спе­цифично и действие биологически активных веществ на ту и дру­гую мембраны.

Клеточный механизм реабсорбции ионов рассмотрим на при­мере Na⁺. В проксимальном канальце нефрона всасывание Na⁺ в кровь происходит в результате ряда процессов, один из кото­рых — активный транспорт Na⁺ из просвета канальца, другой — пассивная реабсорбция Na⁺ вслед за активно транспортируемыми в кровь как ионами гидрокарбоната, так и С l . При введении одно­го микроэлектрода в просвет канальцев, а второго — в околока-нальцевую жидкость было выявлено, что разность потенциалов между наружной и внутренней поверхностью стенки проксимально­го канальца оказалась очень небольшой — около 1,3 мВ, в области дистального канальца она может достигать — 60 мВ (рис. 12.7). Просвет обоих канальцев электроотрицателен, а в крови (следова­тельно, и во внеклеточной жидкости), концентрация Na⁺ выше, чем в жидкости, находящейся в просвете этих канальцев, поэтому реаб­сорбция Na⁺ осуществляется активно против градиента электрохи­мического потенциала. При этом из просвета канальца Na⁺ входит в клетку по натриевому каналу или при участии переносчика. Внутрен­няя часть клетки запряжена отрицательно, и положительно заря­женный Na⁺ поступает в клетку по градиенту потенциала, движется в сторону базальной плазматической мембраны, через которую натриевым насосом выбрасывается в межклеточную жидкость; гра­диент потенциала на этой мембране достигает 70—90 мВ.

Имеются вещества, которые могут влиять на отдельные эле-

менты системы реабсорбции Na⁺. Так, натриевый канал в мембра­не клетки дистального канальца и собирательной трубки блоки­руется амилоридом и триамтереном, в результате чего Na⁺ не может войти в канал. В клетках имеется несколько типов ионных насосов. Один из них представляет собой Na⁺, К⁺-АТФазу. Этот фермент находится в базальной и латеральных мембранах клетки и обеспечивает транспорт Na⁺ из клетки в кровь и поступление из крови в клетку К⁺. Фермент угнетается сердечными гликозидами, например строфантином, уабаином. В реабсорбции гидрокарбоната важная роль принадлежит ферменту карбоангидразе, ингибитором которого является ацетазоламид — он прекращает реабсорбцию гидрокарбоната, который экскретируется с мочой.

Фильтруемая глюкоза практически полностью реабсорбируется клетками проксимального канальца, и в норме за сутки с мочой выделяется незначительное ее количество (не более 130 мг). Про­цесс обратного всасывания глюкозы осуществляется против высо­кого концентрационного градиента и является вторично-активным. В апикальной (люминальной) мембране клетки глюкоза соеди­няется с переносчиком, который должен присоединить также Na⁺, после чего комплекс транспортируется через апикальную мембра­ну, т. е. в цитоплазму поступают глюкоза и Na⁺. Апикальная мем­брана отличается высокой селективностью и односторонней про­ницаемостью и не пропускает ни глюкозу, ни Na⁺ обратно из клетки в просвет канальца. Эти вещества движутся к основанию клетки по градиенту концентрации. Перенос глюкозы из клетки в кровь через базальную плазматическую мембрану носит характер облегченной диффузии, a Na⁺, как уже отмечалось выше, удаляет­ся натриевым насосом, находящимся в этой мембране.

Аминокислоты почти полностью реабсорбируются клетками проксимального канальца. Имеется не менее 4 систем транспорта аминокислот из просвета канальца в кровь, осуществляющих реабсорбцию нейтральных, двуосновных, дикарбоксильных амино­кислот и иминокислот. Каждая из этих систем обеспечивает вса­сывание ряда аминокислот одной группы. Так, система реабсорб­ции двуосновных аминокислот участвует во всасывании лизина, аргинина, орнитина и, возможно, цистина. При введении в кровь избытка одной из этих аминокислот начинается усиленная экскре­ция почкой аминокислот только данной группы. Системы тран­спорта отдельных групп аминокислот контролируются раздельны­ми генетическими механизмами. Описаны наследственные заболе­вания, одним из проявлений которых служит увеличенная экскре­ция определенных групп аминокислот (аминоацидурия).

Выделение с мочой слабых кислот и оснований зависит от их клубочковой фильтрации, процесса реабсорбции или секреции. Процесс выведения этих веществ во многом определяется «неион­ной диффузией», влияние которой особенно сказывается в дисталь-ных канальцах и собирательных трубках. Слабые кислоты и осно­вания могут существовать в зависимости от рН среды в двух фор­мах — неионизированной и ионизированной. Клеточные мембраны

более проницаемы для неионизированных веществ. Многие слабые кислоты с большей скоростью экскретируются с щелочной мочой, а слабые основания, напротив, — с кислой. Степень ионизации оснований увеличивается в кислой среде, но уменьшается в ще­лочной. В неионизированном состоянии эти вещества через липи-ды мембран проникают в клетки, а затем в плазму крови, т. е. они реабсорбируются. Если значение рН канальцевой жидкости сдви­нуто в кислую сторону, то основания ионизируются, плохо всасы­ваются и экскретируются с мочой. Никотин — слабое основание, при рН 8,1 ионизируется 50 %, в 3—4 раза быстрее экскретирует-ся с кислой (рН около 5), чем с щелочной (рН 7,8) мочой. Про­цесс «неионной диффузии» влияет на выделение почками слабых оснований и кислот, барбитуратов и других лекарственных ве­ществ.

Небольшое количество профильтровавшегося в клубочках бел­ка реабсорбируется клетками проксимальных канальцев. Выделе­ние белков с мочой в норме составляет не более 20—75 мг в сутки, а при заболеваниях почек оно может возрастать до 50 г в сутки. Увеличение выделения белков с мочой (протеинурия) может быть обусловлено нарушением их реабсорбции либо увели­чением фильтрации.

В отличие от реабсорбции электролитов, глюкозы и аминокис­лот, которые, проникнув через апикальную мембрану, в неизме­ненном виде достигают базальной плазматической мембраны и транспортируются в кровь, реабсорбция белка обеспечивается принципиально иным механизмом. Белок попадает в клетку с по­мощью пиноцитоза. Молекулы профильтровавшегося белка ад­сорбируются на поверхности апикальной мембраны клетки, при этом мембрана участвует в образовании пиноцитозной вакуоли. Эта вакуоль движется в сторону базальной части клетки. В около­ядерной области, где локализован пластинчатый комплекс (аппа­рат Гольджи), вакуоли могут сливаться с лизосомами, обладаю­щими высокой активностью ряда ферментов. В лизосомах захва­ченные белки расщепляются и образовавшиеся аминокислоты, дипептиды удаляются в кровь через базальную плазматическую мембрану. Следует, однако, подчеркнуть, что не все белки подвер­гаются гидролизу в процессе транспорта и часть их переносится в кровь в неизмененном виде.

Определение величины реабсорбции в канальцах почки. Обрат­ное всасывание веществ, или, иными словами, их транспорт (Т) из просвета канальцев в тканевую (межклеточную) жидкость и в кровь, при реабсорбции R ( T^R_X ) определяется по разности между количеством вещества X ( F * P_{x *} f_x ), профильтровавшегося в клу­бочках, и количеством вещества, выделенного с мочой ( U_{X *} V ).

где F — объем клубочковой фильтрации, f_x — фракция веще­ства X , не связанная с белками в плазме по отношению к его об-

щей концентрации в плазме крови, Р — концентрация вещества в плазме крови, U — концентрация вещества в моче.

По приведенной формуле рассчитывают абсолютное количество реабсорбируемого вещества. При вычислении относительной реаб- сорбции (% R) определяют долю вещества, подвергшуюся обрат­ному всасыванию по отношению к количеству вещества, про­фильтровавшегося в клубочках:

Для оценки реабсорбционной способности клеток проксималь­ных канальцев важное значение имеет определение максимальной величины транспорта глюкозы (Т_та). Эту величину измеряют при полном насыщении глюкозой системы ее канальцевого тран­спорта (см. рис. 12.5). Для этого вливают в кровь раствор глюкозы и тем самым повышают ее концентрацию в клубочковом фильтрате до тех пор, пока значительное количество глюкозы не начнет вы­деляться с мочой:

где F — клубочковая фильтрация, P_G — концентрация глюкозы в плазме крови, a U_G — концентрация глюкозы в моче; Т_т — максимальный канальцевый транспорт изучаемого вещества. Вели­чина Т_{т g} характеризует полную загрузку системы транспорта глю­козы; у мужчин эта величина равна 375 мг/мин, а у женщин — 303 мг/мин при расчете на 1,73 м² поверхности тела.

12.2.3.3. Канальцевая секреция

В выделении продуктов обмена и чужеродных веществ имеет значение их секреция из крови в просвет канальца против кон­центрационного и электрохимического градиентов. Этот дополни­тельный механизм выделения ряда веществ, помимо их фильтра­ции в клубочках, позволяет быстро экскретировать некоторые ор­ганические кислоты и основания, а также некоторые ионы, напри­мер К⁺. Секреция органических кислот (феноловый красный, ПАГ, диодраст, пенициллин) и органических оснований (холин) происходит в проксимальном сегменте нефрона и обусловлена функционированием специальных систем транспорта. Калий секре-тируется в конечных частях дистального сегмента и собиратель­ных трубках.

Рассмотрим механизм процесса секреции органических кислот на примере выделения почкой ПАГ. При введении ПАГ в кровь че­ловека ее выделение с мочой зависит от фильтрации в клубочках и секреции клетками канальцев (см. рис. 12.5). Когда секреция ПАГ (РАН) достигает максимального уровня (Ттр_АН), она ста­новится постоянной и не зависит от содержания ПАГ в плазме крови. Принцип секреторного процесса при транспорте органиче­ских соединений состоит в том, что в мембране клетки прокси-

мального канальца, обращенной к интерстициальной жидкости, имеется переносчик А, обладающий высоким сродством к ПАГ. В присутствии ПАГ образуется комплекс А—ПАГ, который обе­спечивает перемещение ПАГ через мембрану, и на ее внутренней поверхности ПАГ освобождается в цитоплазму. При этом перенос­чик снова приобретает способность перемещаться к внешней поверхности мембраны и соединяться с новой молекулой ПАГ. Механизм транспорта состоит в том, что переносчик обменивает ПАГ на а-кетоглутарат на базальной плазматической мембране клетки проксимального канальца. Переносчик обеспечивает по­ступление ПАГ внутрь клетки. Угнетение дыхания цианидами, разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования в при­сутствии динитрофенола снижают и прекращают секрецию. Уро­вень секреции зависит от числа переносчиков в мембране. Секре­ция ПАГ возрастает пропорционально увеличению концентрации ПАГ в крови до тех пор, пока все молекулы переносчика не насы­щаются ПАГ. Максимальная скорость транспорта ПАГ достигает­ся в тот момент, когда количество ПАГ, доступное для тран­спорта, становится равным количеству молекул переносчика А, которые могут образовывать комплекс А—ПАГ.

Поступившая в клетку ПАГ движется по цитоплазме к апи­кальной мембране и с помощью имеющегося в ней специального механизма выделяется в просвет канальца. Способность клеток почки к секреции органических кислот и оснований носит адап­тивный характер. Если в течение нескольких дней часто инъециро­вать ПАГ (или пенициллин), то интенсивность секреции возраста­ет. Это обусловлено тем, что в клетках проксимальных канальцев при участии систем белкового синтеза вырабатываются вещества, являющиеся необходимыми компонентами процесса переноса че­рез мембрану органических веществ.

Подобно секреции органических кислот, секреция органических оснований (например, холина) происходит в проксимальном сег­менте нефрона и характеризуется Т_т. Системы секреции органи­ческих кислот и оснований функционируют независимо друг от друга, при угнетении секреции органических кислот пробенецидом секреция оснований не нарушается.

Транспорт в нефроне К⁺ характеризуется тем, что К+ не только подвергается обратному всасыванию, но и секретируется клетками эпителия конечных отделов нефрона и собирательных трубок. При реабсорбции из просвета канальца К⁺ поступает в эпителиальную клетку, где концентрация К⁺ во много раз выше, чем в канальцевой жидкости, и К⁺ диффундирует из клетки через базальную плазматическую мембрану в тканевую интерстициаль-ную жидкость, а затем уносится кровью. При секреции К⁺ посту­пает в клетку в обмен на Na⁺ через эту же мембрану с помощью натрий-калиевого насоса, который удаляет Na⁺ из клетки; тем самым поддерживается высокая внутриклеточная концентрация К⁺. При избытке К⁺ в организме система регуляции стимулирует его секрецию клетками канальцев. Возрастает проницаемость для К⁺

мембраны клетки, обращенной в просвет канальца, появляются «каналы», по которым К⁺ по градиенту концентрации может вы­ходить из клетки. Скорость секреции К⁺ зависит от градиента электрохимического потенциала на этой мембране клетки: чем больше электроотрицательность апикальной мембраны, тем выше уровень секреции. При введении в кровь и поступлении в просвет канальца слабо реабсорбируемых анионов, например сульфатов, увеличивается секреция К⁺. Таким образом, секреция К⁺ зависит от его внутриклеточной концентрации, проницаемости для К⁺ апи­кальной мембраны клетки и градиента электрохимического потен­циала этой мембраны. При дефиците К⁺ в организме клетки ко­нечных отделов нефрона и собирательных трубок прекращают секрецию К⁺ и только реабсорбируют его из канальцевой жид­кости. В этом случае К⁺ из просвета канальца транспортируется через апикальную плазматическую мембрану внутрь клетки, дви­жется по цитоплазме в сторону основания клетки и через базаль-ную плазматическую мембрану поступает в тканевую жидкость, а затем в кровь. Приведенные данные указывают на высокую плас­тичность клеток этих отделов канальцев, способных под влиянием регуляторных факторов перестраивать свою деятельность, изменяя направление транспорта К⁺, осуществляя то его реабсорбцию, то секрецию.

Определение величины канальцевой секреции. Секреторную функцию проксимальных канальцев измеряют с помощью веществ, которые выделяются из организма главным образом посредством канальцевой секреции. В кровь вводят ПАГ (или диодраст) вме­сте с инулином, который служит для измерения клубочковой филь­трации. Величина транспорта (Г) органического вещества (Тр_АН) при секреции (5) его из крови в просвет канальца опре­деляется по разности между количеством этого вещества, выде­ленным почкой ( U_{PAH *} - V ), и количеством попавшего в мочу вслед­ствие фильтрации в (С_1п-Р_РАН):

Приведенная формула характеризует величину секреции вещест­ва почкой при любом уровне загрузки секреторной системы. В то же время мерой работы секреторного аппарата почки служит его мак­симальная загрузка.

При условии полного насыщения секреторного аппарата ПАГ определяется величина максимального канальцевого транспорта ПАГ (Тmран), которая является мерой количества функциони­рующих клеток проксимальных канальцев. У человека Тmpан со­ставляет 80 мг/мин на 1,73 м² поверхности тела.

---

Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 909; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!