Безруких М.М., Сонькин В.Д., Фарбер Д.А. Возрастная физиология (физиология развития ребенка)

Подождите немного. Документ загружается.

ет их эффективность в борьбе с новым вторжением уже известно-

го организму патогенного агента.

В-лимфоциты ответственны за гуморальный иммунный ответ.

Они составляют примерно 15% от общего числа лимфоцитов

крови. На поверхностной мембране этих клеток располагаются

специфические белки — иммуноглобулины, которые и обуслов-

ливают их защитные свойства. Однако для того чтобы эти защит-

ные свойства проявились, необходимо совместное участие в им-

мунных реакциях В- и Т-лимфоцитов. В-лимфоциты способны

уничтожать не только возбудителей болезней, но и собственные

клетки организма, в которых произошло опухолевое перерожде-

ние и которые стали синтезировать чуждый организму белок.

Образуемые В-лимфоцитами антитела называют также иммуно-

глобулинами, поскольку химически они представляют собой

молекулы белков-глобулинов, к которым прикреплены специ-

фические участки, предназначенные для связывания с конкрет-

ными антигенами. В организме человека встречается 5 видов им-

муноглобулинов, самый распространенный из них — IgG, или

гамма-глобулин.

К Т-лимфоцитам относится 70—80 % всех лимфоцитов крови,

и они ответственны за клеточный иммунный ответ. Существует

довольно большое разнообразие этих клеток, одни из которых

участвуют в активации В-лимфоцитов; другие уничтожают клет-

ки, несущие антиген; третьи тормозят активность своих собрать-

ев, чтобы иммунные реакции не нанесли вреда тканям собствен-

ного организма; четвертые хранят в себе память о предыдущих

вторжениях в организм инородных агентов.

Неспецифические гуморальные защитные механизмы. Для того

чтобы уничтожить чужеродную клетку, на нее должны подейство-

вать антитела. Однако их действие будет неэффективным, если в

этом процессе не будут участвовать 9 веществ, растворенных в

плазме крови, которые все вместе называются комплементом. Одни

из них нейтрализуют вирусы, другие — воспалительные реакции,

растворяют мембраны болезнетворных бактерий и т.п., но, так

или иначе, их участие необходимо для полноценного иммунного

ответа организма.

Во многих тканях организма обнаружены лейкоциты и макро-

фаги, содержащие большое количество лизоцима — специального

белка, подавляющего рост бактерий и вирусов. В значительных ко-

личествах лизоцим содержится в легочной ткани, в слюне и сле-

зах, в слизистой желудочно-кишечного тракта, носоглотки и дру-

гих органов человека, имеющих контакт с окружающей средой.

Еще одним неспецифическим агентом служит так называемый

С-реактивный белок, содержание которого в плазме резко увели-

чивается при любом воспалительном процессе. Он участвует в по-

давлении жизнедеятельности чужеродных микробов.

101

Защиту от вторжения вирусов в значительной мере обеспечива-

ет интерферон — специальный белок, вырабатываемый нескольки-

ми типами лейкоцитов. Помогая организму справиться с вирусным

заболеванием, интерферон в то же время подавляет размножение

собственных клеток организма, в том числе лимфоцитов. Именно

поэтому при вирусных инфекциях наблюдается общее снижение

иммунитета. Это же обстоятельство накладывает ограничения на

использование в лечебных целях синтетического интерферона.

Неспецифические клеточные защитные механизмы. Неспецифи-

ческий клеточный иммунитет обусловливают специальные клетки

белой крови — лейкоциты и макрофаги, способные осуществлять

фагоцитоз, т.е. уничтожать болезнетворные агенты и комплексы

антиген-антитело. Фагоциты способны активно передвигаться к

очагу воспаления и вступать в непосредственный контакт с чуже-

родной клеткой. Выпуская псевдоподии, они окружают такую клет-

ку, образуя пузырек — фагосому, а затем постепенно ее перева-

ривают.

Аллергические реакции. Иммунный ответ организма на вторже-

ние болезнетворного или чужеродного агента должен быть адек-

ватен, так как при недостаточной активности иммунной системы

организм остается не полностью защищенным, а при чрезмерной

активности возникают состояния гиперчувствительности. Именно

к таким состояниям относятся разного рода аллергии. Чрезмерная

чувствительность и реактивность организма в ответ на попадание

в него сравнительно безобидных белков — серьезная проблема,

часто сопровождающая детей раннего возраста, а порой и взрос-

лых. В тяжелых случаях может возникать несовместимость с широ-

ким спектром продуктов питания, экологических и иных факто-

ров. В большинстве случаев на сегодняшний день ситуация разре-

шается благодаря использованию разнообразных антигистаминных

препаратов, частично снижающих иммунитет.

Иммунизация. Для формирования устойчивого иммунитета про-

тив многих заболеваний широко применяется активная иммуниза-

ция — обычно в форме вакцинации. В организм вводят либо ослаб-

ленный штамм болезнетворного агента, либо вырабатываемый им

антиген в небольшом количестве. В результате развивается естествен-

ный иммунный ответ и формируется иммунная память, благодаря

которой повторное внедрение в организм этого же болезнетворно-

го микроба уже не застанет его иммунную систему врасплох. Имен-

но в этом состоит смысл прививок, которые делают детям раннего

возраста, а иногда и взрослым при угрозе эпидемий. В последние

годы многие родители стараются избежать проведения прививок их

детям, опасаясь аллергических реакций. Только опытный врач мо-

жет в каждом конкретном случае определить, что более разумно:

подвергать ребенка опасности заболеть тяжелой болезнью или под-

вергать его риску развития аллергической реакции.

102

При некоторых заболеваниях проводят пассивную иммунизацию:

больному вводят антисыворотку против определенного антигена.

Так лечат, например, бешенство и спасают от действия укусов

ядовитых насекомых, пауков, змей и других животных. Во всех

этих случаях лечение начинается уже после того, как вредоносное

вещество попало в кровь, и вырабатывать иммунитет организма к

этому веществу уже поздно, нужно срочно оказать помощь в унич-

тожении опасного для жизни чужеродного белка. Эту функцию и

выполняет антисыворотка.

Вопросы и задания

1. Расскажите, из каких компонентов состоит кровь.

2. Чем отличается кровь ребенка от крови взрослого по составу и свой-

ствам?

3. Как реагируют компоненты крови на учебную и физическую на-

грузку?

4. Чем отличаются лимфа и тканевая жидкость от крови?

5. Что такое гомеостаз? Приведите пример.

6. Что такое иммунитет, какие бывают виды иммунитета?

7. Какие клетки в организме отвечают за иммунные реакции?

8. Чем отличается иммунитет у детей?

9. Что такое иммунизация и для чего она проводится?

Глава 7. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ (МЕТАБОЛИЗМ)

Биоэнергетические основы жизни

Формы обмена энергией. В физике хорошо известны переходы

энергии из одной формы в другую — например, потенциальной в

кинетическую, электрической в химическую энергию молекуляр-

ных взаимодействий или механическую энергию электродвигате-

ля, и т.д. В живом организме взаимопревращения форм энергии

также многообразны. Например, свет (лучистая энергия) преоб-

разуется зелеными растениями в энергию химических связей. Есть

микроорганизмы, которые способны химическую энергию окру-

жающей среды преобразовывать в химическую энергию собствен-

ного организма. Для животных организмов, к которым относится

человек, характерно превращение химической энергии окисли-

тельных процессов в тепловую и механическую энергию, а также

в химическую энергию образования сложнейших органических

молекул. Потребляя пищу и кислород, организм использует эти

вещества для получения энергии, которую затем выделяет в окру-

жающее пространство в виде тепла или в виде механических пере-

мещений предметов или частей собственного тела.

103

Баланс между продукцией и расходованием энергии. Суммарное

потребление энергии организмом равно суммарному количеству

энергии, которое выделяется им в процессе жизнедеятельности.

Надо подчеркнуть, что такой баланс можно наблюдать только в

том случае, если наблюдение за организмом ведется достаточно

длительно и при этом строго учитываются все виды потребленной

или выделенной им энергии. В короткие промежутки времени (не-

сколько минут или часов) баланс может и не наблюдаться из-за

способности организма регулировать потребление и отдачу энер-

гии в зависимости от конкретных условий, в которых он находит-

ся. В растущем организме некоторая (сравнительно небольшая, не

выше 5—7 %) доля энергии аккумулируется в виде новых струк-

тур, молекул, клеток, и поэтому такой организм выделяет в ок-

ружающий мир чуть меньше энергии, чем потребляет. Такое соот-

ношение процессов образования и расходования энергии принято

называть анаболизмом. К старости, напротив, деструктивные про-

цессы начинают преобладать над процессами синтеза, в результа-

те чего выделение энергии может несколько превышать ее по-

требление. Такое соотношение называется катаболизм. Анаболизм

и катаболизм (как две стороны одной медали — энергетического

метаболизма) непрерывно протекают в любом живом организме,

причем они либо разделены в пространстве (т. е. в одних клетках в

данный момент идет катаболизм, а в других — анаболизм), либо

во времени, чередуясь в одной и той же клетке как фазы единого

процесса. Однако при некоторых состояниях организма одно из

этих направлений получает временное преимущество. Так, болезнь

часто связана с преобладанием катаболизма, тогда как выздоров-

ление обычно означает преобладание анаболизма.

Биологическое окисление. Единственным источником энергии для

животного организма является химический процесс биологиче-

ского окисления белков, жиров и углеводов. Если по той или иной

причине организм лишен пищи, то его жизнедеятельность под-

держивается за счет окисления накопленных заранее резервов уг-

леводов (в печени и мышцах), жиров (жировая ткань), а также

белков (собственные мышцы). Главное при этом — обеспечить

достаточное энергоснабжение нервных клеток, от которых зави-

сит управление всеми функциями организма. Гибель нервной си-

стемы означает гибель организма.

Химически процесс биологического окисления не отличается

от процесса горения, только протекает гораздо медленнее, по-

скольку разделен на множество фаз и управляется специальными

внутриклеточными ферментами. Такая «замедленность» окисле-

ния в живой клетке имеет глубокий биологический смысл: благо-

даря разделению процесса окисления на многочисленные фазы

организму удается максимально полно использовать энергию, за-

ключенную в химических связях окисляемых веществ. В результате

104

КПД внутриклеточного окисления бывает очень высоким — 90 %

и более. В чем же «полезный результат» процесса биологического

окисления? В отличие от процесса горения, в результате которого

освобождается тепловая энергия, т.е. энергия химических связей

превращается в энергию хаотического движения молекул, биоло-

гическое окисление энергию одних химических связей (в молеку-

лах питательных веществ) преобразует в энергию других химиче-

ских связей (в молекулах синтезируемых веществ).

Продукция энергии в клетке

АТФ — универсальная энергетическая «валюта» клетки. Одно

из наиболее удивительных «изобретений» природы — это молеку-

лы так называемых «макроэргических» веществ, в химической

структуре которых имеется одна или несколько связей, которые

выполняют функцию накопителей энергии. В живой природе най-

дено несколько подобных молекул, но в организме человека встре-

чается только одна из них — аденозинтрифосфорная кислота (АТФ).

Это довольно сложная органическая молекула, к которой присо-

единены 3 отрицательно заряженных остатка неорганической фос-

форной кислоты

РО^".

Именно эти фосфорные остатки связаны с

органической частью молекулы «макроэргическими» связями,

легко разрушающимися при разнообразных внутриклеточных ре-

акциях. Однако энергия этих связей не рассеивается в простран-

стве в виде тепла, а используется на движение или химическое

взаимодействие других молекул. Именно благодаря этому свой-

ству АТФ выполняет в клетке функцию универсального накопи-

теля (аккумулятора) энергии, а также универсальной «валюты».

Ведь почти каждое химическое превращение, происходящее в

клетке, либо поглощает, либо высвобождает энергию. Согласно

закону сохранения энергии, общее количество энергии, образо-

ванное в результате окислительных реакций и запасенное в виде

АТФ, равно количеству энергии, которое может использовать

клетка на свои синтетические процессы и выполнение любых

функций. В качестве «оплаты» за возможность произвести то или

иное действие клетка вынуждена расходовать свой запас АТФ. При

этом следует особо подчеркнуть: молекула АТФ столь крупна, что

она не способна проходить через клеточную мембрану. Поэтому

АТФ, образованная в одной клетке, не может быть использована

другой клеткой. Каждая клетка тела вынуждена синтезировать АТФ

для своих нужд самостоятельно в тех количествах, в которых она

необходима для выполнения ее функций.

Три источника ресинтеза АТФ в клетках организма человека.

По-видимому, далекие предки клеток человеческого организма

существовали много миллионов лет назад в окружении раститель-

105

ных клеток, которые в избытке снабжали их углеводами, причем

кислорода было недостаточно или не было еще вовсе. Именно уг-

леводы — наиболее употребимая для производства энергии в орга-

низме составная часть питательных веществ. И хотя большинство

клеток человеческого тела приобрело способность использовать в

качестве энергетического сырья также белки и жиры, некоторые

(например, нервные, красные кровяные, мужские половые) клет-

ки способны производить энергию только за счет окисления угле-

водов.

Процессы первичного окисления углеводов — вернее, глюко-

зы, которая и составляет, собственно, основной субстрат окисле-

ния в клетках, — происходят непосредственно в цитоплазме: имен-

но там расположены ферментные комплексы, благодаря которым

молекула глюкозы частично разрушается, а освободившаяся энер-

гия запасается в виде АТФ. Этот процесс называется гликолиз, он

может проходить во всех без исключения клетках организма чело-

века. В результате этой реакции из одной 6-углеродной молекулы

глюкозы образуется две 3-углеродные молекулы пировиноград-

ной кислоты и две молекулы АТФ.

Гликолиз — весьма быстрый, но сравнительно малоэффектив-

ный процесс. Образовавшаяся в клетке после завершения реакций

гликолиза пировиноградная кислота почти тут же превращается в

молочную кислоту и порой (например, во время тяжелой мышеч-

ной работы) в весьма больших количествах выходит в кровь, так

как это небольшая молекула, способная свободно проходить че-

рез клеточную мембрану. Такой массированный выход кислых

продуктов обмена в кровь нарушает гомеостаз, и организму при-

ходится включать специальные гомеостатические механизмы, что-

бы справиться с последствиями мышечной работы или другого

активного действия.

Образовавшаяся в результате гликолиза пировиноградная кис-

лота содержит в себе еще много потенциальной химической энер-

гии и может служить субстратом для дальнейшего окисления, но

для этого нужны специальные ферменты и кислород. Этот про-

цесс происходит во многих клетках, в которых содержатся специ-

альные органеллы — митохондрии. Внутренняя поверхность мем-

бран митохондрий сложена из крупных липидных и белковых

молекул, среди которых большое количество окислительных фер-

ментов. Внутрь митохондрии проникают образовавшиеся в цито-

плазме 3-углеродные молекулы — обычно это бывает уксусная

кислота (ацетат). Там они включаются в непрерывно идущий цикл

реакций, в процессе которых от этих органических молекул по-

очередно отщепляются атомы углерода и водорода, которые, со-

единяясь с кислородом, превращаются в углекислый газ и воду.

В этих реакциях выделяется большое количество энергии, которая

запасается в виде АТФ. Каждая молекула пировиноградной кисло-

106

ты, пройдя полный цикл окисления в митохондрии, позволяет

клетке получить 17 молекул АТФ. Таким образом, полное окисле-

ние 1 молекулы глюкозы обеспечивает клетку 2+ 17 х 2 = 36 моле-

кулами АТФ. Не менее важно, что в процесс митохондриального

окисления могут включаться также жирные кислоты и аминокис-

лоты, т. е. составляющие жиров и белков. Благодаря этой способ-

ности митохондрии делают клетку сравнительно независимой от

того, какими продуктами питается организм: в любом случае не-

обходимое количество энергии будет добыто.

Некоторая часть энергии запасается в клетке в виде более мел-

кой и подвижной, чем АТФ, молекулы креатинфосфата (КрФ).

Именно эта маленькая молекула может быстро переместиться из

одного конца клетки в другой — туда, где в данный момент более

всего нужна энергия. КрФ не может сам отдавать энергию на про-

цессы синтеза, мышечного сокращения или проведение нервного

импульса: для этого требуется АТФ. Но зато КрФ легко и практи-

чески без потерь способен отдать всю заключенную в нем энер-

гию молекуле аденазиндифосфата (АДФ), которая сразу же пре-

вращается в АТФ и готова к дальнейшим биохимическим превра-

щениям.

Таким образом, затраченная в ходе функционирования клетки

энергия, т.е. АТФ, может возобновляться за счет трех основных

процессов: анаэробного (бескислородного) гликолиза, аэробно-

го (с участием кислорода) митохондриального окисления, а так-

же благодаря передаче фосфатной группы от КрФ к АДФ.

Креатинфосфатный источник — самый мощный, поскольку

реакция КрФ с АДФ протекает очень быстро. Однако запас КрФ в

клетке обычно невелик — например, мышцы могут с максималь-

ным усилием работать за счет КрФ не более 6—7 с. Этого обычно

достаточно, чтобы запустить второй по мощности — гликолити-

ческий — источник энергии. В этом случае ресурс питательных ве-

ществ во много раз больше, но по мере работы происходит все

большее напряжение гомеостаза из-за образования молочной кис-

лоты, и если такую работу выполняют крупные мышцы, она не

может продолжаться более 1,5—2 мин. Зато за это время почти пол-

ностью активируются митохондрии, которые способны сжигать не

только глюкозу, но также жирные кислоты, запас которых в орга-

низме почти неисчерпаем. Поэтому аэробный митохондриальный

источник может работать очень долго, правда, мощность его срав-

нительно невелика — в 2—3 раза меньше, чем гликолитического

источника, и в 5 раз меньше мощности креатинфосфатного.

Особенности организации энергопродукции в различных тканях

организма. Разные ткани обладают различной насыщенностью ми-

тохондриями. Меньше всего их в костях и белом жире, больше

всего — в буром жире, печени и почках. Довольно много митохонд-

рий в нервных клетках. Мышцы не обладают высокой концентра-

107

цией митохондрий, но ввиду того, что скелетные мышцы — самая

массивная ткань организма (около 40 % от массы тела взрослого

человека), именно потребности мышечных клеток во многом оп-

ределяют интенсивность и направленность всех процессов энерге-

тического обмена. И.А.Аршавский называл это «энергетическим

правилом скелетных мышц».

С возрастом происходит изменение сразу двух важных состав-

ляющих энергетического обмена: изменяется соотношение масс

тканей, обладающих разной метаболической активностью, а так-

же содержание в этих тканях важнейших окислительных фермен-

тов. В результате энергетический обмен претерпевает достаточно

сложные изменения, но в целом его интенсивность с возрастом

снижается, причем весьма существенно.

Энергетический обмен

Энергетический обмен представляет собой наиболее интеграль-

ную функцию организма. Любые синтезы, деятельность любого

органа, любая функциональная активность неминуемо отражает-

ся на энергетическом метаболизме, поскольку по закону сохране-

ния, не имеющему исключений, любой акт, связанный с преоб-

разованием вещества, сопровождается расходованием энергии.

Энергозатраты организма складываются из трех неравных час-

тей базального метаболизма, энергообеспечения функций, а так-

же энергозатрат на рост, развитие и адаптивные процессы. Соот-

ношение между этими частями определяется этапом индивиду-

ального развития и конкретными условиями (табл. 2).

Базальный метаболизм — это тот минимальный уровень энер-

гопродукции, который существует всегда, вне зависимости от

функциональной активности органов и систем, и никогда не ра-

вен нулю. Базальный метаболизм складывается из трех основных

видов энергозатрат: минимальный уровень функций, футильные

циклы и репаративные процессы.

Минимальная потребность организма в энергии. Вопрос о ми-

нимальном уровне функций достаточно очевиден: даже в условиях

полного покоя (например, спокойного сна), когда на организм

никакие активирующие факторы не действуют, необходимо под-

держание определенной активности головного мозга и желез внут-

ренней секреции, печени и желудочно-кишечного тракта, сердца

и сосудов, дыхательных мышц и легочной ткани, тонической и

гладкой мускулатуры, и т.п.

Футильные циклы. Менее известно, что в каждой клетке тела

непрерывно происходят миллионы циклических биохимических

реакций, в результате которых ничего не производится, но на их

осуществление необходимо определенное количество энергии. Это

108

так называемые футильные циклы, процессы, сохраняющие «бое-

способность» клеточных структур при отсутствии реальной функ-

циональной задачи. Как вращающийся волчок, футильные циклы

придают стабильность клетке и всем ее структурам. Расход энер-

гии на поддержание каждого из футильных циююв невелик, но их

множество, и в итоге это выливается в достаточно заметную долю

базальных энергозатрат.

Таблица 2

Структура энергетических затрат организма

Репаративные процессы. Многочисленные сложно организован-

ные молекулы, участвующие в метаболических процессах, рано

или поздно начинают повреждаться, теряя свои функциональные

свойства или даже приобретая токсические. Необходимы непре-

рывные «ремонтно-восстановительные работы», убирающие из

клетки поврежденные молекулы и синтезирующие на их месте

новые, идентичные прежним. Такие репаративные процессы про-

исходят постоянно в каждой клетке, так как время жизни любой

белковой молекулы обычно не превышает 1—2 нед, а их в любой

клетке сотни миллионов. Факторы внешней среды — неблагопри-

ятная температура, повышенный радиационный фон, воздействия

токсических веществ и многое другое — способны существенно

укоротить жизнь сложных молекул и, как следствие, повысить

напряжение репаративных процессов.

Минимальный уровень функционирования тканей многоклеточного

организма. Функционирование клетки — это всегда некая внешняя

работа. Для мышечной клетки это ее сокращение, для нервной

клетки — выработка и проведение электрического импульса, для

109

железистой клетки — выработка секрета и акт секретирования, для

эпителиальной клетки — пиноцитоз или другая форма взаимодей-

ствия с окружающими ее тканями и биологическими жидкостями.

Естественно, что любая работа не может осуществляться без затрат

энергии на ее реализацию. Но любая работа, кроме того, приводит

к изменению внутренней среды организма, так как продукты жиз-

недеятельности активной клетки могут быть небезразличны для

других клеток и тканей. Поэтому второй эшелон энергозатрат при

выполнении функции связан с активным поддержанием гомеоста-

за, на что порой расходуется весьма значительная часть энергии.

Между тем не только состав внутренней среды меняется по ходу

выполнения функциональных задач, нередко меняются и структу-

ры, причем часто в сторону разрушения. Так, при сокращении ске-

летных мышц (даже небольшой интенсивности) всегда происходят

разрывы мышечных волокон, т.е. нарушается целостность формы.

Организм располагает специальными механизмами поддержания

постоянства формы (гомеоморфоз), обеспечивающими скорейшее

восстановление поврежденных или измененных структур, но на это

опять же расходуется энергия. И, наконец, для развивающегося

организма очень важно сохранить главные тенденции своего разви-

тия, независимо от того, какие функции приходится активировать

в результате воздействия конкретных условий. Поддержание неиз-

менности направления и каналов развития (гомеорез) — еще одна

форма энергозатрат при активации функций.

Для развивающегося организма важной статьей энергозатрат

является собственно рост и развитие. Впрочем, для любого, в том

числе зрелого организма, не менее энергоемкими по объему и

весьма близкими по существу являются процессы адаптивных пе-

рестроек. Здесь расходы энергии направлены на активацию гено-

ма, деструкцию устаревших структур (катаболизм) и синтезы (ана-

болизм).

Затраты на базальный метаболизм и затраты на рост и разви-

тие с возрастом существенно снижаются, а затраты на осуществ-

ление функций становятся качественно иными. Поскольку мето-

дически крайне трудно разделить базальные энергозатраты и расход

энергии на процессы роста и развития, их обычно рассматривают

совместно под названием «основной обмен».

Возрастная динамика основного обмена. Со времен М.Рубнера

(1861) хорошо известно, что у млекопитающих по мере возраста-

ния массы тела интенсивность теплопродукции в расчете на еди-

ницу массы снижается; тогда как величина обмена, рассчитанная

на единицу поверхности, остается постоянной («правило поверх-

ности»). Удовлетворительного теоретического объяснения эти фак-

ты до сих пор не имеют, и поэтому для выражения связи между

размерами тела и интенсивностью метаболизма пользуются эм-

лирическими формулами. Для млекопитающих, включая и чело-

110