Обмен веществ – это основа жизнедеятельности организма, существенный и непременный признак жизни. Сущность обмена веществ заключается в совокупности физиологических и биохимических реакций, идущих в живых организмах, включая усвоение из внешней среды органических и неорганических соединений (ассимиляция) и их расщепление (диссимиляция) вплоть до образования и выделения конечных продуктов обмена. В результате химических превращений белков, жиров и углеводов, поступающих в организм, происходит постепенное упрощение органических соединений, что дает возможность синтезировать новые, необходимые для организма вещества, кроме того, освобождается энергия, заключенная в молекулах сложных органических соединений. 12.1. ПАТОФИЗИОЛОГИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО И ОСНОВНОГО ОБМЕНОВ 12.1.1. Нарушения обмена энергии Сущность обмена энергии в живом организме состоит в том, что энергия, заключенная в молекулах углеводов, жиров и белков, освобождается при их расщеплении и используется для функционирования клеток. При этом энергия расщепления может накапливаться в химических соединениях, называемых макроэргами. Носителями энергии служат различные фосфорные соединения, в которых связь остатка фосфорной кислоты является макроэргической. Главное место среди них принадлежит АТФ. В форме этого соединения в организме аккумулируется около 55% энергии, освобождающейся при распаде органических молекул, остальная часть превращается в тепло. Синтез АТФ в основном идет в митохондриях клеток в реакциях биологического окисления. Процесс одновременного освобождения энергии окисления и использования этой энергии в синтезе фосфатных макроэргов называется процессом сопряженного фосфорилирования. При действии факторов, разобщающих реакции окисления субстратов и образования макроэргов, снижается синтез АТФ и повышается теплопродукция. Это явление называется состоянием разобщения. К разобщающим факторам относятся: 1. гормоны щитовидной железы в больших концентрациях; 2. снижение температуры окружающей среды; 3. бактерии и их токсины, вирусы; 4. гипервитаминоз С (усиливается свободное окисление); 5. 2,4-а-динитрофенол и др. Факторы, способствующие повышению образования АТФ при высвобождении энергии в реакциях биологического окисления, называются сопрягающими. К сопрягающим факторам следует отнести гормоны щитовидной железы в физиологических дозах, паратгормон, витамины Е, К, Н, витамины группы В - В1, В2, В12; ионы К+, Mg2+, Са2+ 12.1.2. Нарушения основного обмена Основной обмен – то количество энергии, которое необходимо для поддержания нормальных функций организма при полном мышечном и психическом покое, натощак (через 12-18 ч после приема пищи), при температуре окружающей среды 20-22 °С. Основной обмен у взрослого человека составляет около 1600-1700 ккал/сутки (соответствует 6700-7120 кДж/сутки). В течение жизни основной обмен изменяется и зависит от возраста, пола, массы тела и роста. У детей в возрасте 3-5 лет и в период полового созревания он выше, чем у взрослых, у пожилых людей он снижается. У женщин основной обмен ниже, чем у мужчин, на 5-10%. Основной обмен также зависит от времени суток, сезона (зимой выше, чем летом), климата (у коренного населения Севера выше, чем у жителей южных районов). На основной обмен влияют центральная нервная и эндокринная системы и другие факторы. Оценивается основной обмен методами прямой и непрямой калориметрии. Метод прямой калориметрии основан на прямом определении количества калорий, выделяемых человеком в специальной камере (калориметре). Количество калорий оценивается путем определения нагревания содержащейся в стенках калориметра воды. Метод непрямой калориметрии основан на определении количества поглощаемого кислорода и выделяемой углекислоты в единицу времени (минута, час, сутки). Калорическая ценность одного литра поглощенного кислорода находится в зависимости от величины дыхательного коэффициента. Дыхательный коэффициент – это отношение объема углекислого газа в выдыхаемом воздухе к потребляемому кислороду. Дыхательный коэффициент изменяется в зависимости от состава пищи, употребляемой пациентом. Наибольшая калорическая ценность 1 л кислорода отмечается у пациентов, использующих углеводную пищу. При такой диете дыхательный коэффициент может приближаться к 1,0. При употреблении белковой и жирной пищи понижается калорическая ценность поглощаемого кислорода и снижается дыхательный коэффициент. При окислении глюкозы дыхательный коэффициент равен 1,0, при окислении жиров снижается до 0,7. Среди причин снижения основного обмена выделяются следующие: 1) голодание, кахексия; 2) анемии; 3) гипоксии различного генеза (тяжелой степени); 4) гипофункция эндокринных желез: щитовидной, половых, надпочечников, гипофиза; 5) гиперинсулинизм; 6) поражение ЦНС - некоторые психические заболевания, прогрессивный паралич, старческая деменция, олигофрения и др.; 7) состояние сна. Причинами повышения основного обмена являются: 1) эмоциональное возбуждение, стресс; 2) расстройства функций ЦНС - некоторые формы неврозов, поражения стволового отдела мозга, повышение тонуса симпатической нервной системы; 3) лихорадочные и лихорадоподобные состояния; 4) патология эндокринной системы: сахарный диабет, повышение продукции гормонов: тиреотропного, адренокортикотропного (при базофильной аденоме гипофиза), соматотропного (при эозинофильной аденоме гипофиза), половых (при опухолях тестикул, сетчатой зоны коры надпочечников); тиреоидных (при диффузном токсическом зобе), катехоламинов (при феохромоцитоме); 5) сенсибилизация организма при введении чужеродного белка, различных антигенов; 6) умеренная активация сердечной деятельности и дыхания (физическая нагрузка, гипоксия легкой степени). Значительные изменения основного обмена наблюдаются также при травмах, кровоизлияниях, опухолях мозга, поражении вегетативных отделов гипоталамуса. 12.2. ГОЛОДАНИЕ Голодание – состояние организма при недостаточном или полном прекращении поступления пищи, а также при нарушении переваривания и всасывания пищевых веществ. Выраженная пищевая недостаточность в большинстве развитых стран встречается редко, хотя в определенной степени она может наблюдаться у неимущих или пожилых людей, в группах с особыми потребностями в питании (дети, беременные или кормящие женщины, больные и выздоравливающие, алкоголики), а также у лиц, потребляющих ограниченное количество пищи по желанию, болезни или в силу необходимости. В природе голодание как физиологическое явление имеет широкое распространение: во время зимней (и летней) спячки у ряда млекопитающих, при холодовом оцепенении у рептилий, рыб и др. При этом голодание сочетается с глубоким торможением жизнедеятельности и с резким снижением интенсивности обмена веществ, что позволяет животному длительно поддерживать жизнь при ничтожных тратах энергии в периоды года, не благоприятные для активного образа жизни. Временное голодание связано с биологически выработанными специальными видовыми реакциями приспособления организмов. В процессе эволюции у человека сформировалась и генетически закрепилась способность переносить относительно длительные периоды голодания. Различают следующие формы голодания: полное - при полном отсутствии пищи, но с приемом воды, и абсолютное, если отсутствует и прием воды; неполное голодание (недоедание) - недостаточное по отношению к общему расходу энергии (в данных условиях) питание; частичное, или качественное, голодание (неполноценное, или одностороннее, питание) недостаточное поступление с пищей одного или нескольких пищевых веществ при достаточной энергетической ценности. Выделяют белковое, липидное, углеводное, минеральное, водное, витаминное частичное голодание, а также ограничение поступления пищевых волокон (клетчатки) - компонентов мембран растительных клеток. В естественных условиях разграничение неполного и частичного голодания затруднительно, поскольку недоедание обычно сочетается с нарушением состава пищи. Чистые формы частичного голодания чаще наблюдаются только в экспериментальных условиях. Самым тяжелым видом голодания у людей является полное голодание без приема воды (абсолютное), приводящее к гибели организма в течение 4-7 суток при явлениях обезвоживания и интоксикации. При полном голодании, но с поступлением воды (количественное, или общее, голодание) отмечены случаи продолжения жизни человека дольше 70 суток. При полном голодании жизнь поддерживается за счет утилизации в процессах обмена и выработки энергии имеющихся запасов питательного материала (липиды, углеводы) и продуктов, освобождающихся при постепенной атрофии части собственных тканей организма. Общее образование энергии в течение периода голодания постепенно понижается в соответствии с падением массы тела, но при расчете на единицу массы образование энергии, снижаясь на 20% вначале, затем мало изменяется в течение всего оставшегося периода голодания, в связи с чем регуляторные механизмы продолжают функционировать почти до периода агонии. Поэтому все условия, повышающие метаболизм (мышечная деятельность, понижение окружающей температуры, ведущее к увеличению теплопродукции, перегревание организма, обезвоживание, гормональная активация обмена и др.), ускоряют гибель при голодании. Молодые растущие животные и дети погибают при голодании быстрее, чем взрослые. Суточные потери массы новорожденных при голодании в 2-3 раза больше, чем у более старших детей, что объясняется как меньшими размерами тела, так и менее совершенной регуляцией метаболизма. Обычно чем больше запасы жировой ткани, тем дольше организм может переносить голодание, при этом, однако, большое значение имеют индивидуальные особенности. Мужчины переносят голодание тяжелее женщин. В развитии полного голодания различают три периода: 1) период начального приспособления, который длится 1-2 дня; 2) период относительно равномерного расходования собственных белков, энергетических субстратов и приспособления организма к жизни в условиях голодания («стационарный» период, наиболее длительный) и 3) «терминальный» период, длящийся последние 3-5 дней, заканчивающийся комой и смертью, предагональные нарушения обмена и функций организма. Иногда второй период полного голодания разделяют на две фазы: первая длится неделю, вторая - несколько недель. В первую фазу полного голодания биоэнергетика организма поддерживается за счет распада углеводов, липидов и образующихся ацетоновых тел, во вторую - в основном за счет распада белков. Жизненные функции организма в течение первого и второго периодов голодания сохраняются в пределах, близких к норме. Чувство голода, особенно выраженное в первые дни, в дальнейшем ослабевает. Температура тела колеблется в пределах нижней границы нормы, артериальное кровяное давление вначале может повышаться, позже снижается, развивающаяся первоначально тахикардия затем сменяется брадикардией, моторная деятельность желудка и кишечника вначале резко повышается (голодные сокращения, иногда спастического характера), в дальнейшем угнетается. У голодающих людей наблюдается вначале повышенная раздражительность, часто головные боли, беспокойный сон, позднее - понижение возбудимости, вялость, апатия, сонливость. Однако у человека отмечено сохранение умственной деятельности даже после 30-40 дней голодания. Мышечная активность значительно падает, но выполнение физической работы возможно в течение обоих периодов. 1. В первом периоде голодания основной обмен несколько снижается, дыхательный коэффициент близок к единице, что свидетельствует о включении в метаболизм углеводов. За первые сутки исчерпываются запасы гликогена, концентрация инсулина в крови снижается в 10-15 раз по сравнению с периодом пищеварения, концентрации глюкагона и кортизола увеличиваются. В результате изменения гормонального статуса и действия внутриклеточных механизмов регуляции нарастает скорость мобилизации жиров и глюконеогенеза из аминокислот и глицерина. Содержание глюкозы в крови уменьшается до нижних пределов нормы (3,5 ммоль/л) и на этом уровне поддерживается и в последующие периоды голодания (за счет глюконеогенеза). 2. Второй период голодания связан с продолжением мобилизации жиров. Концентрация жирных кислот в крови увеличивается в 3-4 раза по сравнению с постабсорбтивным состоянием, уровень кетоновых тел в крови через неделю голодания повышается в 10-15 раз. При такой концентрации ацетоуксусная кислота активно декарбоксилируется с образованием ацетона, который выводится с выдыхаемым воздухом и через кожу: уже на 3-4-й дни изо рта и от кожи голодающего исходит запах ацетона. Энергетические потребности мышц и большинства других органов удовлетворяются за счет жирных кислот и кетоновых тел. При низком уровне инсулина глюкоза в мышечные клетки не проникает, потребителями глюкозы являются инсулинонезависимые клетки, и прежде всего клетки мозга, но и в этой ткани биоэнергетика частично обеспечивается кетоновыми телами. Глюконеогенез продолжается за счет распада тканевых белков. Интенсивность обмена веществ в целом снижена: через неделю голодания потребление кислорода уменьшается примерно на 40%, происходят торможение окислительных процессов в митохондриях и угнетение окислительного фосфорилирования с образованием АТФ, т.е. развивается гипоэнергетическое состояние. Снижается превращение ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот, в связи с этим он включается в синтез холестерола через образование гидроксиметилглутарил-КоА и ацетоновых тел, поэтому у голодающих отмечено накопление холестерола. Дыхательный коэффициент снижается за счет участия в метаболизме липидов, потери которых определяют характерный внешний вид голодающих (обилие кожных складок на животе, конечностях, шее, грудной клетке). Выделение азота с мочой, сниженное на 2-3-й дни, к 5-6-му дням возрастает, но держится на уровне 5,0 г мочевины в сутки (норма - 25-30 г) в течение нескольких недель, что соответствует отрицательному азотистому балансу с расщеплением примерно 20-25 г собственных тканевых белков в сутки. При снижении скорости распада белков уменьшается и активность глюконеогенеза. В этой фазе голодания основным источником энергии для мозга становятся ацетоновые тела. Если в это время голодающему вводить аланин или другие гликогенные аминокислоты, уровень глюкозы в крови повышается, а концентрация кетоновых тел снижается. При продолжении голодания нарастает атрофия органов (рис. 12-2): масса жировой ткани уменьшается на 97%, селезенки - на 60%, печени - на 50%, тестикул - на 40%, мышц - на 31%. В наименьшей степени снижается масса сердечной мышцы и мозга - на 3-4%. Сохранение массы этих жизненно важных органов обусловлено адаптационными биологическими механизмами. Распад тканевых нуклеопротеидов вызывает повышенное выделение с мочой мочевой кислоты, а также усиленную экскрецию солей калия, кальция, фосфора. Указанные особенности метаболизма у голодающих сочетаются с изменениями функций многих органов и систем. Прогрессирующие процессы торможения в нервной системе проявляются нарастанием апатии и сонливостью; со стороны сердечно-сосудистой системы выявляются брадикардия и повышение кровяного давления; число дыхательных движений за единицу времени уменьшается; изменяется клеточный состав крови: снижается количество эритроцитов и лейкоцитов; отмечается гипопротеинемия; в результате мобилизации жира из жировых депо развивается выраженная триацилглицеролемия вплоть до появления липемии (мутная плазма). Гипопротеинемия способствует развитию отеков («голодные отеки») из-за падения осмотической и онкотической активности белков, особенно альбуминов. Иммунологическая и аллергическая реактивность голодающего организма резко снижается, меняется его восприимчивость к действию различного ряда инфекционных возбудителей. Этим объясняется тот факт, что у голодающих жителей блокадного Ленинграда практически не регистрировались такие болезни, как бронхиальная астма, ангина; значительно изменилась клиническая картина пневмонии, кишечных и ряда других заболеваний. 3. Терминальный период голодания наступает при расходовании 1/3-1/2 части всех белков (в норме 15 кг) и характеризуется усиленным распадом тканей. Развивается глубокое угнетение центральной нервной системы, нарастают слабость, апатия, переходящие в глубокую кому. Температура тела постепенно падает, опускаясь к моменту смерти до 30-28 °С. Выделение азотсодержащих продуктов с мочой (мочевина, креатинин, мочевая кислота, аминокислоты, пептиды), содержание калия, фосфора в моче, явления ацидоза и ацетонемии возрастают. Смерть наступает от интоксикации и истощения запасных веществ организма, в крови прогрессирующе нарастает содержание биогенных аминов, ряда гормонов (катехоламины) и других биологически активных веществ. Откармливание при голодании возможно даже в терминальном периоде. Сначала применяется искусственное стимулирование сокоотделения в желудке и введение жидкой пищи в ограниченном количестве, затем постепенно переходят к более энергичному питанию после восстановления возбудимости пищевого центра. Перегрузка пищей в первые дни откармливания может вызвать тяжелые расстройства желудочно-кишечного тракта (рвота, поносы) и интоксикацию. 12.2.1. Лечение голоданием Никаких отрицательных последствий после перенесенного кратковременного голодания не отмечается. При часто повторяющихся голоданиях (4-5 раз) масса тела восстанавливается с каждым разом труднее, развивается жировая дистрофия печени. Голодание с лечебной целью применялось в древней Индии, Греции, Египте, в начале 80-х гг. XIX в. стало использоваться и в Европе для лечения сахарного диабета, ревматизма, подагры, при заболеваниях почек, гипертонии, бронхиальной астме, некоторых кожных, нервно-психических болезнях и др. По окончании лечебного голодания применяется ахлоридная диета (фруктовые соки, кефир, позже растительное масло) с максимальным содержанием витаминов и минеральных солей. При постоянном увеличении объема пищи и ее энергетической ценности осторожность связана с тем, что желудочнокишечный тракт в период лечебного голодания находится в состоянии гипофункции и атрофии. Период откармливания продолжается около 2 недель. Курс повторного лечебного голодания переносится значительно легче, но обязательным требованием является полное восстановление после предыдущего голодания 12.2.2. Белково-калорийная недостаточность При длительном неполном голодании в форме белковокалорийной недостаточности развивается выраженная гипопротеинемия, нарушается соотношение между различными белковыми фракциями плазмы крови (в первую очередь резко сокращается фракция альбуминов). Из-за нарушения секреторной деятельности желудочно-кишечного тракта пищеварительная система не в состоянии усваивать даже те питательные вещества, которые всетаки поступают в организм. Развивается прогрессирующая дистрофия органов и тканей. Резкое снижение содержания белка в сыворотке крови становится причиной так называемых голодных отеков. При продолжающейся белковокалорийной недостаточности развиваются тяжелейшие расстройства со стороны эндокринной, иммунной и нервной систем, неизбежно приводящие к распаду личности (алиментарный маразм) и гибели организма. У детей белково-калорийная недостаточность протекает значительно тяжелее, чем у взрослых, что связано с большей и постоянно растущей потребностью в белках. Одним из видов нарушения питания, связанного с недостаточным содержанием в пище белков и потреблением низкокалорийных продуктов, является квашиоркор (kwashiorkor) (рис. 12-3).
