Физиология: обмен веществ и работа организма

Физиология — раздел биологии, изучающий работу организма, его систем органов и клеток. Ниже — короткий, но содержательный обзор того, как на самом деле устроено наше тело: от обмена веществ до гормонов. Материал рассчитан как на тех, кто интересуется спортом, так и на тех, кто планирует получить свидетельство о профессиональной квалификации тренера.

Что такое физиология и где она граничит с другими науками

Физиология — экспериментальная наука, выросшая из изучения человека и животных. Предмет её изучения — обмен веществ, потребление тканями кислорода, температура тела, кровяное давление, биоэлектрические потенциалы и другие явления, характеризующие жизнедеятельность.

Эта область науки делится на три части:

• Общая физиология — рассматривает общие закономерности жизнедеятельности: возбудимость, преобразование энергии, гомеостаз.
• Частная физиология — работа разных организмов и систем органов: млекопитающих, птиц, насекомых, а также кровообращения, пищеварения, дыхания и т. д.
• Сравнительная физиология — работа организмов, находящихся на разных ступенях развития.

В физиологии человека, в свою очередь, выделяют спортивную, трудовую, возрастную физиологию и психофизиологию. Связь функционирования с развитием изучает эволюционная физиология, а работу больного организма — патологическая и клиническая физиология.

Из физиологии, в свою очередь, выделились анатомия, биохимия и биофизика. Изучать функции невозможно, не зная строения, — отсюда тесная связь с анатомией. Психология сформировалась на базе физиологии нервной системы и органов чувств. Методы исследования в основном химические или физические.

Физиология обмена веществ: анаболизм и катаболизм

Обмен веществ, или метаболизм, — это комплекс биохимических процессов, посредством которых организм связан с окружающей средой. Он обеспечивает рост, поддержание, обновление и размножение. В обмене веществ идут два противоположных, но неразделимых процесса:

• Анаболизм — усвоение питательных веществ, или ассимиляция. В результате образуются составные части организма. У зелёных растений анаболизм основан на фотосинтезе (CO₂, H₂O, NH₃). У животных и грибов он исходит главным образом из готового, но чужеродного для организма органического вещества, поступающего с пищей, которое после первоначального расщепления используется для построения собственных веществ организма.
• Катаболизм — расщепление собственных веществ организма или питательных веществ до более простых соединений, или диссимиляция. Конечные продукты — CO₂, H₂O и NH₃; также высвобождаются минеральные соединения (ортофосфат, сероводород и др.). Расщепление может останавливаться и на промежуточных стадиях, на уровне более сложных соединений.

Внутренняя среда организма поддерживается за счёт регуляции осмотического давления плазмы крови. Отклонение во внеклеточном или внутриклеточном пространстве вызывает перемещение воды или электролитов. Кроме того, сохраняется онкотическое, или коллоидно-осмотическое, давление, которое поддерживают белки плазмы: снижение концентрации альбуминов приводит к задержке воды внутри клеток.

Гомеостаз — это совокупность процессов, с помощью которых организм поддерживает постоянство условий, необходимых для его деятельности. Регуляция происходит как на уровне клетки, так и на уровне всего организма. Обмен веществ клетки — это обмен деятельности, готовности и сохранения; на уровне всего организма выделяют обмен покоя и основной обмен. Если обмен веществ в дыхательных или сердечных мышцах падает до уровня готовности, их активность прекращается и погибает весь организм. В регуляции участвуют главным образом нервная и гормональная системы; побудительными факторами служат голод и жажда.

Физиология белков, углеводов и липидов

Белки

Белки, или протеины, входят в структуру всех клеток, ускоряют химические реакции, а также выступают в роли регуляторов и антител. От них зависят обмен воды и растворённых веществ между кровью и тканями, транспорт O₂ и углекислого газа, сокращение мышц и многое другое.

Суточная потребность в белке составляет 0,8 г белка на 1 кг массы тела в состоянии покоя; при физической работе она в полтора раза выше. Из потребности в энергии белки покрывают 11-13 % всех энергозатрат. Решающее значение имеет аминокислотный состав: из 20 известных аминокислот 9 незаменимых — L-лейцин, изолейцин, лизин, метионин, фенилаланин, треонин, L-триптофан, валин и гистидин. Чем больше их в белке, тем выше его биологическая ценность. Незаменимые аминокислоты содержатся в основном в животных белках.

В пищеварительном тракте белки под действием ферментов поджелудочной железы расщепляются до поли- и олигопептидов, а затем до аминокислот, которые всасываются из тонкой кишки в кровь. Основные функции печени в обмене белков — транс- и дезаминирование аминокислот, синтез заменимых аминокислот на основе глюкозы, гликогена и жирных кислот, синтез структурных и ферментных белков печени и белков плазмы крови, детоксикация экзогенных веществ, а также образование аммиака и мочевины. Кроме того, печень вырабатывает желчь, необходимую для всасывания жиров в кишечнике.

Переработанные в печени аминокислоты разносятся с кровью по тканям, где в рибосомах клеток из них синтезируются тканевые белки. Излишки аминокислот направляются на покрытие энергозатрат или превращаются в углеводы и липиды.

При голодании сначала расходуются свободные углеводы, затем гликоген печени, потом запасённые жиры, а на последней стадии — мышечные и прочие белки организма.

Конечные продукты обмена белков — азотсодержащие соединения: креатинин, аммиак, мочевина и мочевая кислота. Большая часть выводится в виде мочевины. Креатинин образуется при белковом обмене в мышцах, его суточное количество зависит от мышечной массы, а концентрация в плазме относительно постоянна — 9 мг/л; креатинин выводится путём клубочковой фильтрации. Аммоний и аммиак выводятся в почечных канальцах: в клетках канальцев глутамин дезаминируется до глутамата, а затем до оксоглутарата, при этом образуется одна молекула аммония; одновременно высвобождается одна молекула бикарбоната. Чем кислее моча, тем больше выводится аммония.

О гормональной регуляции: соматотропный гормон передней доли гипофиза повышает проницаемость клеточной мембраны для аминокислот и усиливает интенсивность синтеза белка. Гормоны щитовидной железы тироксин и трийодтиронин стимулируют синтез и способствуют дифференцировке тканей. Глюкокортикоиды надпочечников (гидрокортизон, кортизон) усиливают распад белка, особенно в мышцах, а в печени, напротив, повышают уровень синтеза. Мужские половые гормоны обладают анаболическим действием. Инсулин и гормон роста обеспечивают транспорт аминокислот в клетки; инсулин усиливает транскрипцию ДНК в клеточном ядре и ускоряет синтез протеинов.

Углеводы

Углеводы — главный энергетический материал животного организма. За их счёт покрывается ~60 % суточных энергозатрат. Они легко окисляются, конечные продукты — углекислый газ и вода; при окислении 1 г углеводов высвобождается 4,0 ккал.

Целлюлоза — неперевариваемый для человека полисахарид, однако она увеличивает объём пищи, стимулирует моторику кишечника, ускоряет прохождение пищи по кишечнику и сохраняет мягкую консистенцию стула. Рекомендуемое количество — 30 г в сутки.

В пищеварительном тракте углеводы расщепляются до моносахаридов — главным образом до глюкозы, а также до галактозы и фруктозы, — которые всасываются из тонкой кишки в кровь. В печени они в ходе гликогенеза превращаются в запасное вещество — гликоген. Гликоген может образовываться и из молочной кислоты, а также из продуктов обмена белков и липидов — тогда говорят о глюконеогенезе. Гликоген хранится в печени и мышцах. При необходимости происходит гликогенолиз: гликоген печени расщепляется и поступает в кровь в виде глюкозы. Избыток углеводов превращается в липиды и откладывается в жировых депо.

Уровень глюкозы в крови поддерживается относительно постоянным в пределах 3,3…6,1 ммоль/л. Изменения уровня глюкозы регистрируют глюкорецепторы в печени, сосудах и вентролатеральном ядре гипоталамуса. При голодании и больших тренировочных нагрузках сахар в крови может снижаться — гипогликемия; избыток сладкого поднимает его выше нормы — гипергликемия. Если сахар в крови опускается ниже 0,5-0,2 г/л, развивается гипогликемический шок с помрачением сознания или комой. Глюкозурия — это выделение глюкозы с мочой; в норме в моче её нет.

Концентрация лактата в крови зависит от его продукции анаэробно работающими мышцами и от скорости элиминации. Лактат расщепляется или перерабатывается в неработающих скелетных мышцах, жировой ткани, печени, почках и сердечной мышце. В состоянии покоя лактат составляет 1 ммоль/л, при тяжёлой работе — до 15 ммоль/л (максимальное значение). При длительной тяжёлой работе концентрация лактата после первоначального роста снова снижается.

Нервная регуляция включает «сахарный укол» Бернара — повышение уровня глюкозы в крови в стрессовой ситуации (предстартовое состояние); клетки ЦНС покрывают свои большие энергетические запасы глюкозой независимо от инсулина. Со стороны гормональной регуляции: инсулин B-клеток островков Лангерганса снижает сахар в крови, усиливает поступление глюкозы во все клетки организма и интенсифицирует гликогенез. Глюкагон A-клеток стимулирует расщепление гликогена в печени, повышает сахар в крови, активирует аденилатциклазу и увеличивает образование цАМФ. Глюкокортикоиды стимулируют глюконеогенез в печени и снижают использование глюкозы клетками. Адреналин стимулирует образование глюкагона и повышает сахар в крови. Соматотропный гормон уменьшает запасы гликогена, тормозит поглощение глюкозы клетками и повышает сахар в крови. Под действием гормонов щитовидной железы возрастает активность ферментов, расщепляющих углеводы, и усиливается утилизация.

Липиды

Липиды составляют ~10-20 % массы тела. Между количеством липидов, входящих в структуру клеток, и депонированным жиром — большая разница: последний зависит от питания, образа жизни и наследственности. Липиды богаты энергией — 1 г при окислении даёт 9,0 ккал. В энергетическом балансе у них важное место: за счёт липидов покрывается ~30 % суточных энергозатрат.

Суточная потребность в липидах составляет 80-90 г, из которых с пищей усваивается 95 %. Пища должна содержать как растительные, так и животные жиры. В пищеварительном тракте липиды расщепляются до жирных кислот и глицерина, которые частично всасываются из тонкой кишки в кровь, но главным образом — в лимфатические сосуды и переносятся лимфой в кровоток. Цитоплазматические липиды используются для построения тканей и покрытия энергетических потребностей; излишки откладываются в подкожной жировой клетчатке. В липиды в организме могут превращаться и углеводы.

Основные функции печени в липидном обмене: при полном окислении конечными продуктами становятся углекислый газ и вода; при неполном окислении образуются кетоновые тела, которые выводятся с мочой.

О гормональной регуляции: липидный обмен контролирует гипоталамус. Эпинефрин, норэпинефрин и глюкагон стимулируют липолиз. Глюкокортикоиды расщепляют триглицериды и повышают уровень жирных кислот в крови. Гормон роста уменьшает жировые запасы; под действием инсулина и соматотропного гормона гипофиза ускоряется поглощение свободных жирных кислот мышечной тканью.

Физиология воды и минеральных веществ

Организм человека состоит из воды на ~57-65 %. Без воды жизнь возможна лишь очень короткое время: не выводятся продукты обмена веществ, нарушается регуляция осмотического давления и кислотно-щелочного баланса, а также ход химических реакций, протекающих в водном растворе. Обычному человеку требуется 2,2-2,8 л воды в сутки, из которых с пищей поступает 1,9-2,4 л, а в виде эндогенной воды — 0,3-0,4 л (она образуется прежде всего при окислении липидов). Вода выводится с мочой, потом, калом и выдыхаемым воздухом. Количество полученной и выделенной воды должно быть одинаковым; чрезмерная потеря воды — это дегидратация.

В организме вода распределяется между двумя пространствами: внутриклеточная, или интрацеллюлярная, вода составляет 60 %, а внеклеточная, или экстрацеллюлярная, жидкость — 40 %. Через внеклеточную жидкость питательные вещества, продукты обмена и регуляторные вещества доставляются в клетку и выводятся из неё. Экстрацеллюлярная вода в свою очередь делится так: 31 % приходится на жидкость интерстициальной ткани, 7 % — на плазму крови и 2 % — на трансцеллюлярную жидкость. На это распределение влияют концентрация электролитов во внеклеточной жидкости, капиллярное давление крови и концентрация белков плазмы крови.

Важные макро- и микроэлементы:

• Натрий и калий (достаточно NaCl 10-20 г и KCl 2-4 г в сутки) — компоненты клеток и тканевых жидкостей, поддерживают осмотическое давление и участвуют в возникновении биоэлектрических потенциалов клеточных мембран.
• Кальций (1 г) — строительный материал костной ткани; участвует в возникновении и распространении возбуждения, влияет на проводимость мембран для K и Na, необходим для электромеханического сопряжения при мышечном сокращении, обеспечивает высвобождение медиаторов в синапсах, участвует в свёртывании крови, активирует ферменты и действует как вторичный посредник.
• Соли фосфорной кислоты (1 г) — незаменимы при формировании костной ткани и синтезе богатых энергией соединений (АТФ, цАМФ, креатинфосфат, ДНК, цГМФ).
• Железо (15 мг для женщин, 10 мг для мужчин) — необходимо для синтеза гемоглобина и миоглобина, а также ферментов и белков, участвующих в окислительных процессах. Железо выводится в небольших количествах; оно удерживается в обороте и используется многократно.
• Цинк — участвует в кроветворении и в обмене углеводов, липидов и белков; кобальт, йод (синтез гормонов щитовидной железы); в небольших количествах марганец, магний, медь и фтор.

Основные функции печени в обмене воды и минеральных веществ — роль депо воды и регуляция обмена кальция при посредничестве витамина D.

Обмен воды регулирует нервная система — через скоординированную работу рецепторов слизистой рта, барорецепторов желудка, осморецепторов тканей, объёмных рецепторов сердца и сосудистой системы, гипоталамуса, а также потовых желёз и почек. Со стороны гормонов участвуют ренин, ангиотензин II, антидиуретический гормон и альдостерон. Обменом кальция управляют кальцитонин и паратгормон.

Часто задаваемые вопросы о физиологии

В чём разница между анаболизмом и катаболизмом?

Анаболизм — созидательный процесс: из питательных веществ образуются составные части организма. Катаболизм — расщепляющий процесс, в ходе которого образуются более простые соединения (CO₂, H₂O, NH₃) и высвобождается энергия. Оба протекают постоянно и одновременно.

Почему уровень глюкозы в крови так важен?

Глюкоза — главный источник энергии для мозга и многих тканей. Если её уровень падает ниже 0,5-0,2 г/л, развивается гипогликемический шок с помрачением сознания. Нормальный диапазон — 3,3-6,1 ммоль/л, и его поддерживают несколько гормонов: инсулин снижает уровень глюкозы, а глюкагон, адреналин, глюкокортикоиды и гормон роста повышают.

Сколько белка нужно получать в сутки?

В состоянии покоя — 0,8 г белка на 1 кг массы тела. При физической работе — примерно в два раза больше. Важно не только количество, но и аминокислотный состав: все 9 незаменимых аминокислот должны поступать с пищей.

Автор: EKFL

PS Все нужные или недостающие пищевые добавки ты найдёшь здесь: https://turg.fitness.ee/et

PPS Приходи на тренировку! ArtGym