Тема 1. Физиология питания как наука о полноценном питании человека и функционировании его пищеварительной системы

Пища является пластическим и энергетическим ресурсом организма, повышает активность его защитных сил, влияет на обменные процессы и психологическое состояние человека. Правильно составленный рацион питания является своеобразным способом регуляции систем жизнедеятельности человека: он может излечить человека, но может и, наоборот, привести к формированию патологии.

Физиология – это наука о жизнедеятельности целостного организма и его отдельных частей – клеток, органов, функциональных систем. Физиология изучает механизмы отдельных функций живого организма – рост, размножение, дыхание, пищеварение и т.п., их взаимосвязь, механизмы регуляции и адаптацию к внешним факторам, становление в процессе эволюции и индивидуального развития.

Физиология питания представляет собой раздел физиологии человека и является одной из основополагающих наук, изучение которой является обязательным для формирования специалистов в сфере питания человека. Физиология питания изучает механизмы пищеварения, знание которых позволяет оценить потребности организма в пищевых веществах и изучить условия их оптимального усвоения, а также разработать адекватную технологию обработки и хранения пищевых продуктов. Академиком А.А. Покровским сформулирована концепция сбалансированного питания, основанная на принципе соответствия состава пищевого рациона и потребностей организма человека.

1.1. Физиологические системы, связанные с функцией питания.

Организм человека – это целостная физиологическая система, постоянно взаимодействующая с окружающей средой. Ее жизнедеятельность обеспечивается через ряд функций, одной из которых является функция питания. Функция питания осуществляется не только за счет работы пищеварительной системы организма, но и систем с ней связанных (системы нервной и гуморальной регуляции, система крови, сердечно-сосудистая и выделительная система, эндокринная система).

Системой регуляции называется система, отвечающая за целостность организма, взаимодействие его систем и координацию их деятельности, за адаптацию к постоянно меняющимся условиям внешней и внутренней среды. В целостном организме функционирует единая система нейрогуморальной регуляции, которую условно делят на нервную и гуморальную. Структурами нервной системы регуляции являются центральная нервная система (ЦНС) и вегетативная нервная система (ВНС), а «носителями информации» являются нервные импульсы. Структурами гуморальной системы регуляции являются эндокринные железы, а «носителями информации» являются гормоны и биологически активные вещества, транспортирующиеся жидкими средами организма (кровь, лимфа, межклеточная жидкость).

1.1.1. Основы физиологии возбудимых тканей.

По отношению к внешнему раздражению ткани организма делятся на невозбудимые (эпителиальная, соединительная, костная) и возбудимые (нервная и мышечная). При раздражении нервной и мышечной ткани в ней возникает возбуждение, которое распространяется по этой ткани вдоль нее от места раздражения. Чтобы понять, как возникает и распространяется возбуждение, необходимо изучить электрические процессы на мембранах клеток, связанные с формированием потенциала покоя и потенциала действия.

Потенциал покоя: В условиях функционального покоя при отсутствии раздражений поверхностные мембраны клеток возбудимой ткани поляризованы. Внутренняя поверхность мембран заряжена отрицательно, а наружная - положительно. Это связано с работой Na⁺,К⁺-АТФ-азы – фермента, который встроен в поверхностную мембрану возбудимой клетки, и за счёт энергии АТФ, образующейся при её расщеплении, закачивает внутрь клетки ионы К⁺ и переносит наружу ионы Na⁺ (рис. 1.).

Во внутриклеточной жидкости ионов К⁺ в 20-30 раз больше, чем во внеклеточной жидкости, и в клетке они связаны с отрицательно заряженными белками цитоплазмы. Во внеклеточной жидкости превалирует Na⁺,причем его в 10-15 раз больше, чем в самой клетке. Внеклеточная жидкость также содержит в 20-30 раз больше Са⁺⁺ и Мg⁺⁺, что обусловлено работой мембранных ферментов. Ионы Сl^- уравновешивают положительный заряд катионов во внеклеточной жидкости, и, поэтому их в 15-25 раз больше во внеклеточной жидкости, чем во внутриклеточной.

А- - крупные анионы цитоплазмы.

Рис. 1. Основные ионные процессы потенциала покоя.

Основными ионами, формирующими потенциал покоя и потенциал действия, являются ионы Na⁺ и К⁺. При этом ионы Na⁺ стремятся по градиенту концентрации войти внутрь клетки, но в покое мембрана клетки непроницаема для них. Это приводит к тому, что с наружной стороны мембраны сохраняется высокая концентрация ионов Na⁺. Для ионов К⁺ мембрана частично проницаема, и они пассивно по концентрационному градиенту выходят через калиевые поры, т.е. «вытекают» из клетки и скапливаются около наружной поверхности мембраны. Последнее обусловлено тем, что на внутренней поверхности мембраны остаются отрицательно заряженные крупные анионы белковых молекул цитоплазмы, которые электростатически притягивают ионы К⁺. В результате из клетки выходит менее 1 % ионов К⁺. Устанавливается динамическое равновесие между концентрационным градиентом ионов К⁺, определяющим выход ионов К⁺, и электростатическим градиентом, обуславливающим прекращение выхода ионов К⁺ и скопление их на наружной поверхности мембраны. На мембране возникает калиевый равновесный потенциал (или потенциал покоя - ПП), который является одной из наиболее важных причин поляризации мембран клеток в покое. Величина потенциала покоя имеет значения от -50 до -100 мВ, что вызвано разной активностью АТФ-фазы и разным количеством пор для ионов К⁺ в различных возбудимых клетках.

Воэбуждение. Потенциал действия: Действующие на возбудимую ткань раздражения делятся по силе на подпороговые, пороговые и надпороговые. При подпороговых раздражениях потенциал покоя мембраны уменьшается на небольшую величину в месте раздражающих электродов. Это изменение называется локальным ответом. Величина локального ответа увеличивается при увеличении силы подпорогового раздражения. При пороговом раздражении локальный ответ достигает уровня критической деполяризации мембраны и переходит в потенциал действия, который характеризует изменение заряда на мембране при распространяющемся от раздражающих электродов возбуждении. В потенциале действия выделяют несколько частей: предспайк, спайк, отрицательный и положительный следовые потенциалы (рис. 2).

Р – раздражение. КД – критическая деполяризация. ПП – потенциал покоя. ПД – потенциал действия. ПС – предспайк. С – спайк. «-» - отрицательный следовой потенциал. «+» – положительный следовой потенциал.

Рис. 2. Потенциал действия нервного волокна.

Обычно спайк длится более короткое время, чем следовые потенциалы. Форма и длительность потенциалов действия существенно различаются в различных возбудимых тканях: нейронах, рецепторах, миоцитах скелетных и гладких мышц и кардиомиоцитах. Амплитуда потенциала действия каждой клетки индивидуальна, но в то же время постоянна для этой клетки. Амплитуда потенциала действия в нервном волокне примерно равняется 100 мВ.

Постоянство амплитуды потенциала действия отражено в законе раздражения возбудимых тканей "Всё или ничего", который гласит, что при подпороговом раздражении потенциал действия или распространяющееся возбуждение не возникает, а при пороговом и надпороговых раздражениях потенциал действия возникает максимальной амплитуды. Закону "Всё или ничего" подчиняются нейроны, нервные волокна, мышечные волокна, гладкие мышцы и сердечная мышца. Не подчиняются этому закону нервы и скелетная мышца. Это обусловлено различным порогом раздражения нервных волокон, входящих в состав нерва, и мышечных волокон, образующих скелетную мышцу.

При возникновении потенциала действия возникают процессы, характеризующие изменение поляризации мембраны. Так, во время предспайка происходит медленная частичная деполяризация мембраны за счёт постепенного открытия в мембране пор для ионов Na⁺, вхождения их в клетку и частичного уменьшения отрицательного заряда на внутренней поверхности мембраны. При достижении уровня критической деполяризации происходит открытие всех пор для ионов Na⁺, и лавина ионов Na⁺ пассивно по градиенту концентрации входит внутрь клетки, вызывая быструю полную деполяризацию, а затем инверсию знака заряда на мембране (рис.3). Изменение знака заряда на мембране вызывает открытие всех оставшихся неоткрытыми пор для ионов К⁺, и ионы К⁺ выходят наружу клетки, вызывая повторную поляризацию мембраны, что называется реполяризацией. Иногда возникает явление повышенной поляризации или гиперполяризации мембраны, ионные механизмы которого связаны с повышенным выходом наружу ионов К⁺ и иногда с входом в клетку ионов Сl^-. После окончания потенциала действия Na⁺,К⁺-АТФ-фаза перекачивает наружу ионы Na⁺ и внутрь ионы К⁺ при сохраняющемся потенциале покоя мембраны.

Д – деполяризация. И – инверсия. Р – реполяризация. Г – гиперполяризация.

Рис.3. Ионные процессы возбуждения.

Возбудимость. Возбуждение – это процесс, характеризующийся изменением заряда мембраны при действии определённой силы раздражения. Возбудимость – это свойство возбудимой ткани возбуждаться при действии раздражения. Мерой возбудимости является порог раздражения. Порог раздражения - это минимальная сила раздражения, которая вызывает распространяющееся возбуждение, характеризующееся потенциалом действия. Величина порога раздражения для каждой клетки индивидуальна и зависит от разности между уровнем заряда мембраны и уровнем критической деполяризации. Возбудимость и порог раздражения находятся в обратно пропорциональной зависимости. Чем больше порог, тем меньше возбудимость и наоборот. Так, например, нервная ткань обладает высокой возбудимостью и низким порогом, а мышечная ткань - низкой возбудимостью и высоким порогом.

Проведение возбуждения: Общим свойством возбудимых тканей является их способность проводить возбуждение.. Существует два способа проведения возбуждения: непрерывный и сальтоторный.

При непрерывном способе проведения возбуждения оно проводится по всем участкам мембраны. Это происходит за счет местных токов, возникающих между её возбуждённым участком и невозбуждёнными участками. Местные токи вызывают частичную деполяризацию невозбужденных участков мембраны, уровень заряда мембраны достигает критического уровня, открываются все поры для ионов Na⁺, и возникает потенциал действия. Между вновь возбужденным участком и последующими невозбужденными участками возникают местные токи, за счёт которых возбуждение продолжает распространяться далее по мембране. Непрерывное проведение происходит в безмиелиновых нервах и всех видах мышечной ткани.

Сальтоторный (прыжковый) способ проведения возбуждения существует в миелиновых нервах. Возбуждение распространяется по перехватам Ранвье также за счёт местных токов. При этом возбуждение захватывает до 3 – 5 последующих невозбужденных перехватов. Скорость распространения возбуждения при этом выше, чем при непрерывном способе проведения возбуждения.

Законы проведения возбуждения по нерву: