Основным энергетическим субстратом для большинства клеток является глюкоза.
Впроцессе гликолиза каждый моль глюкозы выделяет 56000 калорий, из них 24000 кал идет на образование 2 молей АТФ, а остальное количество, т.е. примерно свыше 50% выделяется в виде тепла. В ходе превращения 1 грамм-моля глюкозы 456000 кал идет на образование АТФ, а остальные из 686000 кал, заключенных в 1 грамм-моле глюкозы выделяется в виде свободной (первичной) теплоты, т.е. 60-70% энергии глюкозы идет на образование АТФ и 30-40% выделяется в виде первичной теплоты.
Важным источником образования тепла, особенно в условиях патологии является разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования. Оно связано с набуханием митохондрий и наблюдается при действии 2,4-динитроферола, избытке катехоламинов, тироксина. При этом меньше энергии энергетического субстрата используется на образование химических связей АТФ и больше выделяется в виде первичной теплоты.
АТФ используется для разнообразных процессов в клетке. При этом при ее распаде энергия химических связей выделяется в виде тепла, и такая теплота получила название вторичной.
Особенно АТФ необходима для осуществления сокращения по- перечно-полосатой мускулатуры. При мышечном сокращении потребление АТФ возрастает примерно в 150 раз, что и обеспечивает кроме сокращения быстрое и в больших количествах выделение тепла. Это так называемый «сократительный термогенез».
Вусловиях покоя потребление энергии человеком среднего веса равно 1800—2000 ккал/сутки, что и составляет основной обмен. На что же используется эта энергия? Подсчитано, что 60—70 % всей свободной энергии, поступающей в организм из пищи, используется для синтеза АТФ. Остальная энергия пищи выделяется из организма в виде так называемой «первичной теплоты». В свою очередь, последующее расщепление АТФ сопровождается выделением тепла. Вся энергия, аккумулированная в макроэргах, в том числе и АТФ, идет для осуществления биологических и биохимических процессов в клетках.
Значительное количество энергии утилизируется для синтеза веществ в организме. Так, только лишь белки некоторых ферментов обновляются за один час на 10 %. Полагают, что 90 % химической работы сердца идет на синтез белка. Энергия необходима также для синтеза полисахаридов и липидов. Для осуществления синтеза белков, полисахаридов и липидов в условиях покоя расходуется 415 ккал/сутки.
Работа сердца, дыхательных мышц и желудочно-кишечного трак-
та требует 10—15 % энергии основного обмена.
В настоящее время считается общепризнанным, что для осуществления осмотической работы живой клетки необходима энергия. Это значит, что перенос ионов против градиента концентрации требует расхода энергии в клетке. В целом, по ориентировочным подсчетам, на поддержание ионных градиентов используется 215 ккал/сутки. Кроме того, процесс проведения и передачи импульсов также нуждается в обеспечении энергией.
251
Таким образом, в условиях физиологического покоя энергия используется для синтеза АТФ, белков, полисахаридов, липидов на поддержание неравенства концентраций электролитов между клеткой и околоклеточной средой и в небольшом количестве - для работы мышц. Следовательно, энергия пищи обеспечивает в организме три важнейших вида работы - химическую, механическую и осмотическую. Уменьшение или прекращение первого вида работы ведет к деструкции элементов клетки, второй - к гипо- и адинамии, а третьей - к потере возбудимости - важнейшего свойства нервной и мышечной ткани (К.П. Иванов).
При совершении физической работы потребление организмом энергии резко возрастает. Достаточно сказать, что человек среднего веса, поднимаясь по лестнице в течение часа, затрачивает примерно 1000 ккал. При холодовой мышечной дрожи теплопродукция целостного организма возрастает. В этом случае теплопродукция за сутки может увеличиться в три раза в сравнении с основным обменом. В этом плане представляют интерес данные, приведенные в монографии К.П. Иванова «Биоэнергетика и температурный гомеостазис». «Человек при беге потребляет столько энергии на единицу веса, сколько потребляет ее океанский пароход; муха в полете в этом смысле сравнима с автомобилем, а бактерии - с реактивным самолетом». Таким образом, 60 - 70 % энергии пищевых продуктов используется для осуществления трех видов работ - синтеза, механической и осмотической. Остальная часть энергии пищи не утилизируется, теряется в виде первичной теплоты и принимает участие в поддержании температурного гомеостаза в организме.
Клетки животных являются гетеротрофами, т.е. существуют за счет энергии аэробного и анаэробного окисления. Окислительные процессы в клетках протекают по двум взаимосвязанным путям - нефосфорилирующего и фосфорилирующего окисления, приводящего к синтезу макроэргов. Оба указанные пути окисления взаимно обусловленны. Разобщение их ведет к тому, что часть энергии, рассеиваемой в виде первичной теплоты, возрастает, а часть ее, которая идет на образование макроэргов, уменьшается. При снижении внешней температуры увеличивается метаболическая активность организма. Контроль осуществляется центром теплообразования, находящимся в преоптической области переднего гипоталамуса, реализация этих влияний происходит по симпатической нервной системе, гипоталамо-гипофизарно-надпочеч- никовой и гипоталамо-гипофизарно-щитовидной системам. Эффекторным звеном является усиление метаболической активности (несократительный термогенез). При недостаточности этого механизма начинаются непроизвольные сокращения скелетной мускулатуры и озноб (сократительный термогенез). Во время дрожания очень много энергии выделяется в виде тепла.
ТЕПЛООТДАЧА
Тепло, образуемое в живом организме, должно выводиться, ибо в противном случае, накапливаясь, может вызвать повышение температуры тела и, в конечном итоге, гибель. Если внезапно прекратить теплоотдачу, то даже в состоянии полного покоя опасные для жизни явления
252
перегревания (гипертермии) наступают через 3-4 часа. В условиях мышечной работы перегревание наступает в несколько раз быстрее.
Поддержание температуры тела гомойотерных и человека осуществляется также с помощью теплоотдачи, реализующейся за счет физиологических механизмов изменения диаметра сосудов, интенсивности кровотока и потоотделения. Непосредственная потеря тепла в окружающую среду обеспечивается физическими реакциями теплопроведения, теплоизлучения, испарения жидкости.
Первые два пути реализуются путем изменения интенсивности кровотока, последний — за счет потоотделения.
Теплоизлучение и теплопроведение функционируют в условиях, когда температура окружающей среды меньше температуры тела, точнее кожи. Потеря организмом тепла этими путями полностью прекращается при температуре окружающей среды выше температуры тела. В этом случае единственным путем теплоотдачи остается испарение пота. Известно, что для испарения 1 г воды требуется затратить 580 кал. Если учесть, что за сутки человек может терять 10—12 литров пота, станет понятным эффективность данного механизма терморегуляции. Вместе с потом теряется Na+ и Сl—. При резком и длительном потоотделении может возникнуть дефицит хлористого натрия и как следствие — снижение АД.
Как указано выше, величина теплоотдачи обусловлена во многом интенсивностью кровотока. Известно, например, что при переходе от холода к теплу за счет расширения кожных сосудов и ускорения кровотока теплоотдача возрастает в восемь раз.
У животных теплоотдача также осуществляется с помощью сосудистых реакций и испарения жидкости. Так, у грызунов тепло теряется через кожу хвоста, а у собак 60 % всего тепла выделяется за счет тепловой одышки, испарения жидкости с языка и дыхательных путей.
При температуре окружающей среды выше температуры тела и относительной влажности 100 % теплоотдача всеми тремя путями полностью прекращается. В этих условиях развивается перегревание, при котором температура тела начинает повышаться.
Наряду с гипоталамусом в терморегуляции принимает участие кора мозга и некоторые центры спинного мозга.
Таким образом, осуществление теплорегуляции и поддержание температуры на постоянном уровне обусловленно координированным взаимодействием процессов теплообразования и теплоотдачи, которые, в свою очередь, контролируются различными звеньями нервной и эндокринной систем.
При уменьшении теплоотдачи и увеличении теплопродукции температура тела повышается.
В условиях патологии кроме перегревания может развиваться особый процесс — лихорадка.
Лихорадка - это типовой, выработанный в ходе эволюции патологический процесс (патологическая реакция), возникающий при действии на организм пирогенов и характеризующийся повышением температуры тела вследствие активной перестройки теплообмена на новый более высокий уровень.
253
Анализируя это определение, можно сказать, что лихорадку вызывают различные факторы, но патогенез ее во всех случаях одинаков. Поэтому эта реакция и названа типовой.
Лихорадка как процесс формируется на определенном этапе эволюционного развития и наблюдается только у гомойотермных животных и человека. Лихорадить может организм с сохраненной функцией теплообмена, ибо повышение температуры есть следствие активной деятельности аппарата терморегуляции. При повреждении аппарата терморегуляции формирование лихорадки невозможно. Повышенная температура при лихорадке может переноситься человеком многие не только часы, но дни и даже недели, в то время как при перегревании гибель организма может произойти при высокой температуре уже через несколько часов, а при злокачественной его форме - десятков минут. Эти различия станут особенно понятны, если учесть различие мезанизмов этих процессов. Так, если при лихорадке организм активно изменяет терморегуляцию и поддерживает на новом высоком уровне, то при гипертермии механизмы терморегуляции нарушены, прежде всего, за счет несостоятельности теплоотдачи в поддержании постоянства температуры тела. Кроме того, максимальное повышение температуры тела при перегревании возможно до 44-45 °С, а при лихорадке только до 42,2 °С. Таким образом, при лихорадке температура тела повышается благодаря активной и целенаправленной деятельности аппарата терморегуляции, а при перегрезании — вследствие несостоятельности механизмов теплоотдачи, несмотря на максимально высокий уровень их функционирования.
Этиология лихорадки
Вещества, вызывающие лихорадку, называются пирогенами. Термин «пироген» был предложен в 1875 году Бурдон-Зандерсоном. Такое название получила субстанция, выделенная из гнилого мяса, не содержавшая живых микробов и вызывавшая при введении животным повышение температуры. Различают экзо- и эндогенные пирогены. В 10% случаев у взрослых и в 19% у детей (Карташов В.В.) врач не может установить причину лихорадки. Это так называемая «лихорадка неясного генеза».
Экзогенные пирогены
Изучение пирогенных свойств различных видов бактерий показало, что этой активностью характеризуются как патогенные, так и непатогенные бактерии. Основным пирогенным действием обладают липополисахариды, являющиеся составной частью эндотоксинов. Показано, что токсические свойства липополисахаридов превышают пирогенные в несколько тысяч раз. Одним из часто используемых пирогенов липополисахаридной природы является пирогенал, полученный П.З. Будницкой в 1957-1963 годах.
Все препараты липополисахаридного комплекса бактерий вызывают лихорадку, однако при введении высоких доз может наблюдаться,
254
наоборот, снижение температуры, вероятно вследствие повреждения центров терморегуляции.
Белковые компоненты экзотоксинов ряда возбудителей инфекций (дизентерия, паратиф, туберкулез) также способны вызывать лихорадку. При воздействии высокой температуры на белковые компоненты бактерий их пирогенное действие исчезает, в то время как пирогенные свойства липополисахаридных комплексов сохраняются.
Пирогенной активностью обладают вирусы и продукты их метаболизма (например, среда, в которой они выращиваются).
Сейчас не вызывает сомнение пирогенное действие грибков, гельминтов и простейших. Кроме того, пирогенной активностью обладают белки, липиды, и другие вещества, вводимые в организм человека.
Эндогенные пирогены
Согласно современным представлениям, экзогенные пирогены опосредуют свое действие на организм через образование эндогенных пирогенов, функцию которых выполняют цитокины IL-1, IL-6, TNFa (см.табл.15.3-15.5). Действительно, повышение температуры в ответ на действие бактериальных пирогенов происходит спустя значительный латентный период. Даже при внутривенном введении бактериальных эндотоксинов лихорадка начинает развиваться через 90 минут после инъекции.
Экспериментальное доказательство наличия эндогенных пирогенов было получено Аткинс и Вуд в 1955 году. Опыт проводился на трех группах кроликов, две их которых были интактны, а у третьей заранее было достигнуто состояние толерантности к определенному экзогенному бактериальному пирогену. Первым интактным животным вводился экзогенный пироген и через различные промежутки времени (15, 30, 60, 120 минут) у них забиралась кровь для получения сыворотки. Каждая порция сыворотки крови первого животного вводилась второму (интактному) и третьему (толерантному) кроликам. При введении животным порции сыворотки, полученной у первых животных через 15 минут после пирогенного воздействия, температура тела повышается только у второго (интактного) кролика, а у третьего (толерантного) не изменилась. Следовательно, в этой 15-минутной порции сыворотки содержится лишь введенный первому животному внешний пироген, к которому толерантное животное нечувствительно. 30-минутная порция сыворотки почти не вызывает лихорадки ни у второго, ни у третьего животного, следовательно, через 30 минут у первого животного введенный внешний пироген исчезает из крови. 60- и 120-минутные порции сыворотки вызывают лихорадку и у интактного, и у толерантного кроликов. Поскольку толерантный кролик не способен отвечать лихорадкой на внешний пироген, необходимо признать, что лихорадку у него вызывает новый, эндогенный пироген, появившийся в крови первого кролика через 1-2 часа после действия внешнего пирогена.
Основным источником эндогенного пирогена являются гранулоциты, макрофаги, лимфоциты крови. Готовые пирогены в лейкоцитах не содержатся, они образуют их в процессе жизнедеятельности. Если
255