Как работи метаболизмът вътре в човека?

2024 Автор: Seth Attwood | [email protected]. Последно модифициран: 2023-12-16 15:58

Първата клетка не би могла да оцелее, ако не беше специалният "климат" на живот, създаден от морето. По същия начин всяка от стотиците трилиони клетки, които изграждат човешкото тяло, би умряла без кръв и лимфа. През милионите години, откакто се е появил животът, природата е разработила вътрешна транспортна система, която е неизмеримо по-оригинална, ефективна и по-ясно контролирана от всяко транспортно средство, създадено някога от човека.

Всъщност кръвта се състои от различни транспортни системи. Плазмата, например, служи като средство за телца, включително еритроцити, левкоцити и тромбоцити, които се придвижват до различни части на тялото, ако е необходимо. От своя страна червените кръвни клетки са средство за транспортиране на кислород до клетките и въглероден диоксид от клетките.

Течната плазма носи в разтворен вид много други вещества, както и свои собствени компоненти, които са изключително важни за жизнените процеси на организма. Освен хранителни вещества и отпадъци, плазмата пренася топлина, като я натрупва или отделя при необходимост и така поддържа нормален температурен режим в тялото. Тази среда носи много от основните защитни вещества, които предпазват тялото от болести, както и хормони, ензими и други сложни химични и биохимични вещества, които играят голямо разнообразие от роли.

Съвременната медицина разполага с доста точна информация за това как кръвта изпълнява изброените транспортни функции. Що се отнася до други механизми, те все още остават обект на теоретични спекулации, а някои, несъмнено, тепърва ще бъдат открити.

Добре известно е, че всяка отделна клетка умира без постоянно и директно снабдяване с основни материали и не по-малко спешно изхвърляне на токсични отпадъци. Това означава, че "транспортът" на кръвта трябва да е в пряк контакт с всички тези много трилиони "клиенти", задоволявайки нуждите на всеки един от тях. Огромността на тази задача наистина се противопоставя на човешкото въображение!

На практика товаренето и разтоварването в тази голяма транспортна организация се извършва чрез микроциркулация - капилярни системи … Тези малки съдове проникват буквално във всяка тъкан на тялото и се приближават до клетките на разстояние не повече от 0,125 милиметра. Така всяка клетка на тялото има свой собствен достъп до Реката на Живота.

Най-неотложната и постоянна нужда на тялото е от кислород. Човек, за щастие, не трябва да яде постоянно, тъй като повечето от хранителните вещества, необходими за метаболизма, могат да се натрупват в различни тъкани. С кислорода ситуацията е различна. Това жизненоважно вещество се натрупва в тялото в незначителни количества, а нуждата от него е постоянна и спешна. Следователно човек не може да спре да диша за повече от няколко минути - в противен случай това ще доведе до най-сериозните последици и смърт.

За да отговори на тази спешна нужда от постоянно снабдяване с кислород, кръвта е разработила изключително ефективна и специализирана система за доставяне, която използва еритроцити, или червени кръвни телца … Системата се основава на невероятно свойство хемоглобин да се абсорбира в големи количества и след това незабавно да се откаже от кислорода. Всъщност хемоглобинът на кръвта носи шестдесет пъти повече от количеството кислород, което може да се разтвори в течната част на кръвта. Без този пигмент, съдържащ желязо, ще са необходими около 350 литра кръв, за да доставят кислород на нашите клетки!

Но това уникално свойство да абсорбира и пренася големи обеми кислород от белите дробове към всички тъкани е само едната страна на наистина безценния принос, който хемоглобинът има за оперативната работа на кръвоносната система. Хемоглобинът също така транспортира големи количества въглероден диоксид от тъканите към белите дробове и по този начин участва както в началния, така и в крайния етап на окисление.

Когато обменя кислород с въглероден диоксид, тялото използва характерните черти на течностите с невероятно умение. Всяка течност - и газовете в това отношение се държат като течности - са склонни да се движат от област с високо налягане към област с ниско налягане. Ако газът е от двете страни на порестата мембрана и от едната й страна налягането е по-високо, отколкото от другата, тогава той прониква през порите от областта на високо налягане до страната, където налягането е по-ниско. И по подобен начин газът се разтваря в течност само ако налягането на този газ в заобикалящата атмосфера надвишава налягането на газа в течността. Ако налягането на газа в течността е по-високо, газът изтича от течността в атмосферата, както се случва, например, когато се отпуши бутилка шампанско или газирана вода.

Тенденцията на течностите да се придвижват в зона с по-ниско налягане заслужава специално внимание, тъй като е свързана с други аспекти на кръвоносната система, а също така играе роля в редица други процеси, протичащи в човешкото тяло.

Интересно е да проследим пътя на кислорода от момента, в който вдишваме. Вдишаният въздух, богат на кислород и съдържащ малко количество въглероден диоксид, навлиза в белите дробове и достига система от малки торбички, наречени алвеоли … Стените на тези алвеоли са изключително тънки. Те се състоят от малък брой влакна и най-фината капилярна мрежа.

В капилярите, които изграждат стените на алвеолите, тече венозна кръв, която навлиза в белите дробове от дясната половина на сърцето. Тази кръв е тъмна на цвят, нейният хемоглобин, почти лишен от кислород, е наситен с въглероден диоксид, който идва като отпадък от тъканите на тялото.

Забележителен двоен обмен настъпва в момента, когато въздухът, богат на кислород и почти свободен от въглероден диоксид, в алвеолите влиза в контакт с въздух, богат на въглероден диоксид и почти лишен от кислород. Тъй като налягането на въглеродния диоксид в кръвта е по-високо, отколкото в алвеолите, този газ навлиза в алвеолите на белите дробове през стените на капилярите, които при издишване го отстраняват в атмосферата. Налягането на кислорода в алвеолите е по-високо, отколкото в кръвта, така че газът на живота моментално прониква през стените на капилярите и влиза в контакт с кръвта, чийто хемоглобин бързо го абсорбира.

Кръвта, която има яркочервен цвят поради кислорода, който сега насища хемоглобина на червените кръвни клетки, се връща в лявата половина на сърцето и оттам се изпомпва в системното кръвообращение. Веднага след като попадне в капилярите, червените кръвни клетки буквално „в задната част на главата“се изстискват през тесния им лумен. Те се движат по клетките и тъканните течности, които в хода на нормалния живот вече са изразходвали запасите си от кислород и сега съдържат относително висока концентрация на въглероден диоксид. Кислородът отново се обменя с въглероден диоксид, но сега в обратен ред.

Тъй като налягането на кислорода в тези клетки е по-ниско, отколкото в кръвта, хемоглобинът бързо отстъпва кислорода си, който прониква през стените на капилярите в тъканните течности и след това в клетките. В същото време въглеродният диоксид под високо налягане се движи от клетките в кръвта. Обменът се извършва така, сякаш кислородът и въглеродният диоксид се движат в различни посоки през въртящи се врати.

По време на този процес на транспортиране и обмен кръвта никога не освобождава целия си кислород или целия си въглероден диоксид. Дори венозната кръв задържа малко количество кислород, а въглеродният диоксид винаги присъства в кислородната артериална кръв, макар и в незначително количество.

Въпреки че въглеродният диоксид е страничен продукт от клетъчния метаболизъм, той самият също е необходим за поддържане на живота. Малко количество от този газ се разтваря в плазмата, част от него се свързва с хемоглобина, а известна част в комбинация с натрий образува натриев бикарбонат.

Натриевият бикарбонат, който неутрализира киселините, се произвежда от "химическата индустрия" на самия организъм и циркулира в кръвта, за да поддържа жизненоважния киселинно-алкален баланс. Ако по време на заболяване или под въздействието на някакъв дразнител киселинността в човешкото тяло се повиши, тогава кръвта автоматично увеличава количеството на циркулиращия натриев бикарбонат, за да възстанови желания баланс.

Системата за транспортиране на кислород в кръвта почти никога не е празна. Трябва обаче да се спомене едно нарушение, което може да бъде изключително опасно: хемоглобинът лесно се комбинира с кислород, но още по-бързо абсорбира въглеродния оксид, който няма абсолютно никаква стойност за жизнените процеси в клетките.

Ако във въздуха има равен обем кислород и въглероден оксид, хемоглобинът за една част от кислорода, който е толкова необходим на тялото, ще усвои 250 части напълно безполезен въглероден оксид. Следователно, дори при относително ниско съдържание на въглероден окис в атмосферата, носителите на хемоглобина бързо се насищат с този безполезен газ, като по този начин лишават тялото от кислород. Когато доставката на кислород падне под нивото, необходимо за оцеляването на клетките, настъпва смърт от така нареченото изгаряне.

Освен тази външна опасност, от която дори абсолютно здрав човек не е застрахован, кислородната транспортна система, използваща хемоглобина от гледна точка на нейната ефективност, изглежда е върхът на съвършенството. Разбира се, това не изключва възможността за нейното подобряване в бъдеще, било чрез непрекъснат естествен подбор, било чрез съзнателни и целенасочени човешки усилия. В крайна сметка природата е отнела вероятно поне милиард години грешки и неуспехи, преди да създаде хемоглобин. А химията като наука съществува само от няколко века!

* * *

Транспортирането на хранителни вещества - химичните продукти на храносмилането - от кръвта е също толкова важно, колкото транспортирането на кислород. Без него метаболитните процеси, които подхранват живота, биха спрели. Всяка клетка в нашето тяло е вид химическо растение, което се нуждае от постоянно попълване на суровини. Дишането доставя кислород на клетките. Храната ги снабдява с основни химически продукти – аминокиселини, захари, мазнини и мастни киселини, минерални соли и витамини.

Всички тези вещества, както и кислородът, с който се комбинират в процеса на вътреклетъчно изгаряне, са най-важните компоненти на метаболитния процес.

както е известно, метаболизъм, или метаболизмът, се състои от два основни процеса: анаболизъм и катаболизъм, създаване и разрушаване на телесни вещества. В процеса на анаболите простите храносмилателни продукти, влизайки в клетките, се подлагат на химическа обработка и се превръщат в вещества, необходими за организма - кръв, нови клетки, кости, мускули и други вещества, необходими за живота, здравето и растежа.

Катаболизмът е процес на разрушаване на телесните тъкани. Засегнатите и износени клетки и тъкани, които са загубили своята стойност, безполезни, се преработват в прости химикали. Те или се натрупват и след това се използват отново в същата или подобна форма – точно както желязото на хемоглобина се използва отново за създаване на нови червени кръвни клетки – или се унищожават и отделят от тялото като отпадък.

Енергията се отделя при окисляване и други катаболни процеси. Именно тази енергия кара сърцето да бие, позволява на човек да извършва процесите на дишане и дъвчене на храна, да тича след излизащия трамвай и да извършва безброй физически действия.

Както може да се види дори от това кратко описание, метаболизмът е биохимична проява на самия живот; транспортирането на вещества, участващи в този процес, се отнася до функцията на кръвта и свързаните с нея течности.

Преди хранителните вещества от храната, която ядем, могат да достигнат до различните части на тялото, те трябва да бъдат разградени чрез процеса храносмилане до най-малките молекули, които могат да преминат през порите на чревните мембрани. Колкото и да е странно, храносмилателният тракт не се счита за част от вътрешната среда на тялото. Всъщност това е огромен комплекс от тръби и свързани органи, заобиколени от нашето тяло. Това обяснява защо мощните киселини функционират в храносмилателния тракт, докато вътрешната среда на тялото трябва да е алкална. Ако тези киселини наистина бяха във вътрешната среда на човек, те биха я променили толкова много, че това може да доведе до смърт.

По време на процеса на храносмилане въглехидратите в храната се превръщат в прости захари, като глюкоза, а мазнините се разграждат до глицерин и прости мастни киселини. Най-сложните протеини се превръщат в аминокиселинни компоненти, от които около 25 вида вече са ни известни. Храната, преработена по този начин в тези най-прости молекули, е готова за проникване във вътрешната среда на тялото.

Най-тънките дървовидни израстъци, които са част от лигавицата, покриваща вътрешната повърхност на тънките черва, доставят смляната храна в кръвта и лимфата. Тези малки израстъци, наречени въси, са съставени от централно разположен самотен лимфен съд и капилярна бримка. Всяка вла е покрита с един слой клетки, произвеждащи слуз, които служат като бариера между храносмилателната система и съдовете вътре във вилите. Общо има около 5 милиона въси, разположени толкова близо една до друга, че придава на вътрешната повърхност на червата кадифен вид. Процесът на усвояване на храната се основава на същите основни принципи като усвояването на кислорода в белите дробове. Концентрацията и налягането на всяко хранително вещество в червата е по-високо, отколкото в кръвта и лимфата, протичащи през ворсинките. Затова и най-малките молекули, в които храната ни се превръща, лесно проникват през порите на повърхността на вилите и влизат в малките съдове, разположени вътре в тях.

Глюкозата, аминокиселините и част от мазнините проникват в кръвта на капилярите. Останалите мазнини влизат в лимфата. С помощта на въси кръвта усвоява витамини, неорганични соли и микроелементи, както и вода; част от водата навлиза в кръвния поток и през дебелото черво.

Основните хранителни вещества, пренасяни от кръвния поток, влизат в порталната вена и се доставят директно в нея черен дроб, най-голямата жлеза и най-голямото "химическо предприятие" на човешкото тяло. Тук продуктите на храносмилането се преработват в други вещества, необходими за тялото, съхраняват се в резерв или отново се изпращат в кръвта без промени. Отделните аминокиселини, попаднали в черния дроб, се превръщат в кръвни протеини като албумин и фибриноген. Други се преработват в протеинови вещества, необходими за растежа или възстановяването на тъканите, докато останалите в най-простата си форма се изпращат до клетките и тъканите на тялото, които ги взимат и незабавно ги използват според нуждите си.

Част от глюкозата, постъпваща в черния дроб, се изпраща директно в кръвоносната система, която я пренася в състояние, разтворено в плазмата. В тази форма захарта може да бъде доставена до всяка клетка и тъкан, които се нуждаят от енергиен източник. Глюкозата, от която тялото не се нуждае в момента, се преработва в черния дроб в по-сложна захар – гликоген, който се складира в черния дроб в резерв. Веднага щом количеството захар в кръвта падне под нормалното, гликогенът се превръща обратно в глюкоза и навлиза в кръвоносната система.

Така че, благодарение на реакцията на черния дроб към сигналите, идващи от кръвта, съдържанието на транспортируема захар в тялото се поддържа на относително постоянно ниво.

Инсулинът помага на клетките да абсорбират глюкозата и да я преобразуват в мускулна и друга енергия. Този хормон навлиза в кръвта от клетките на панкреаса. Подробният механизъм на действие на инсулина все още не е известен. Известно е само, че отсъствието му в човешката кръв или недостатъчна активност причиняват сериозно заболяване - захарен диабет, който се характеризира с неспособността на организма да използва въглехидратите като енергийни източници.

Около 60% от усвоената мазнина влиза в черния дроб с кръвта, останалата част отива в лимфната система. Тези мастни вещества се съхраняват като енергийни резерви и се използват в някои от най-критичните процеси в човешкото тяло. Някои мастни молекули, например, участват в образуването на биологично важни вещества като половите хормони.

Изглежда, че мазнините са най-важното средство за съхранение на енергия. Приблизително 30 грама мазнини могат да генерират два пъти повече енергия от еднакво количество въглехидрати или протеини. Поради тази причина излишната захар и протеини, които не се отделят от тялото, се превръщат в мазнини и се съхраняват като резерв.

Обикновено мазнините се отлагат в тъкани, наречени мастни депа. Тъй като е необходима допълнителна енергия, мазнините от депото навлизат в кръвния поток и се пренасят в черния дроб, където се преработват в вещества, които могат да се превърнат в енергия. От своя страна тези вещества от черния дроб влизат в кръвния поток, който ги пренася до клетките и тъканите, където се използват.

Една от основните разлики между животните и растенията е способността на животните ефективно да съхраняват енергия под формата на гъста мазнина. Тъй като плътните мазнини са много по-леки и по-малко обемисти от въглехидратите (основният запас от енергия в растенията), животните са по-подходящи за движение - те могат да ходят, бягат, пълзят, плуват или летят. Повечето от растенията, огънати под бремето на резервите, са приковани на едно място поради нискоактивните си енергийни източници и редица други фактори. Има, разбира се, изключения, повечето от които се отнасят до микроскопично малки морски растения.

Заедно с хранителните вещества, кръвта пренася различни химични елементи до клетките, както и най-малките количества определени метали. Всички тези микроелементи и неорганични химикали играят решаваща роля в живота. Вече говорихме за желязото. Но дори и без мед, която играе ролята на катализатор, производството на хемоглобин би било трудно. Без кобалт в тялото, способността на костния мозък да произвежда червени кръвни клетки може да бъде намалена до опасни нива. Както знаете, щитовидната жлеза се нуждае от йод, костите се нуждаят от калций, а фосфорът е необходим за работата на зъбите и мускулите.

Кръвта също носи хормони. Тези мощни химически реагенти влизат в кръвоносната система директно от жлезите с вътрешна секреция, които ги произвеждат от суровини, получени от кръв.

Всеки хормон (това име идва от гръцкия глагол, означаващ „възбуждам, предизвиквам“), очевидно, играе специална роля в управлението на една от жизнените функции на тялото. Някои хормони са свързани с растежа и нормалното развитие, докато други влияят на умствените и физически процеси, регулират метаболизма, сексуалната активност и способността на човек да се възпроизвежда.

Ендокринните жлези снабдяват кръвта с необходимите дози от произвежданите от тях хормони, които чрез кръвоносната система достигат до тъканите, които се нуждаят от тях. Ако има прекъсване на производството на хормони или има излишък или дефицит на такива мощни вещества в кръвта, това причинява различни видове аномалии и често води до смърт.

Човешкият живот зависи и от способността на кръвта да отстранява продуктите на разпад от тялото. Ако кръвта не се справи с тази функция, човекът ще умре от самоотравяне.

Както отбелязахме, въглеродният диоксид, страничен продукт от процеса на окисление, се отделя от тялото през белите дробове. Други отпадъци се поемат от кръвта в капилярите и се транспортират до бъбреци които действат като огромни филтърни станции. Бъбреците имат приблизително 130 километра тръби, които пренасят кръв. Всеки ден бъбреците филтрират около 170 литра течност, отделяйки урея и други химически отпадъци от кръвта. Последните се концентрират в около 2,5 литра отделена урина на ден и се отстраняват от тялото. (Малки количества млечна киселина, както и урея се отделят през потните жлези.) Останалата филтрирана течност, приблизително 467 литра на ден, се връща в кръвта. Този процес на филтриране на течната част от кръвта се повтаря многократно. Освен това бъбреците действат като регулатор на съдържанието на минерални соли в кръвта, като отделят и изхвърлят излишъка.

Освен това е от решаващо значение за човешкото здраве и живот поддържане на водния баланс на тялото … Дори при нормални условия тялото непрекъснато отделя вода чрез урина, слюнка, пот, дъх и други пътища. При обичайната и нормална температура и влажност се отделя около 1 милиграм вода на всеки десет минути на 1 квадратен сантиметър от кожата. В пустините на Арабския полуостров или в Иран, например, човек губи около 10 литра вода всеки ден под формата на пот. За да компенсира тази постоянна загуба на вода, течността трябва постоянно да тече в тялото, която ще се пренася през кръвта и лимфата и по този начин ще допринесе за установяването на необходимия баланс между тъканната течност и циркулиращата течност.

Тъканите, които се нуждаят от вода, попълват своите резерви, като получават вода от кръвта в резултат на процеса на осмоза. От своя страна кръвта, както казахме, обикновено получава вода за транспорт от храносмилателния тракт и носи готов за употреба запас, който утолява жаждата на тялото. Ако по време на заболяване или злополука човек загуби голямо количество кръв, кръвта се опитва да замени загубата на тъкан за сметка на водата.

Функцията на кръвта за доставяне и разпределение на вода е тясно свързана с система за контрол на топлината на тялото … Средната телесна температура е 36,6 ° C. В различни часове на деня тя може да варира леко при индивиди и дори при един и същ човек. По някаква неизвестна причина телесната температура рано сутрин може да бъде с един до един и половина градуса по-ниска от вечерната. Въпреки това, нормалната температура на всеки човек остава относително постоянна, а резките й отклонения от нормата обикновено служат като сигнал за опасност.

Метаболитните процеси, протичащи постоянно в живите клетки, са придружени от отделяне на топлина. Ако се натрупва в тялото и не се отстранява от него, тогава вътрешната телесна температура може да стане твърде висока за нормално функциониране. За щастие, в същото време, когато топлината се натрупва, тялото също губи част от нея. Тъй като температурата на въздуха обикновено е под 36,6 ° C, тоест телесната температура, топлината, проникваща през кожата в заобикалящата атмосфера, напуска тялото. Ако температурата на въздуха е по-висока от телесната, излишната топлина се отстранява от тялото чрез изпотяване.

Обикновено човек отделя средно около три хиляди калории на ден. Ако той прехвърли повече от три хиляди калории в околната среда, тогава телесната му температура спада. Ако в атмосферата се отделят по-малко от три хиляди калории, телесната температура се повишава. Топлината, генерирана в тялото, трябва да балансира количеството топлина, отделено на околната среда. Регулирането на топлообмена е изцяло поверено на кръвта.

Точно както газовете се движат от зона с високо налягане към зона с ниско налягане, топлинната енергия се насочва от топла зона към студена. По този начин топлообменът на тялото с околната среда се осъществява чрез такива физически процеси като радиация и конвекция.

Кръвта абсорбира и отвежда излишната топлина по същия начин, както водата в радиатора на автомобила абсорбира и отвежда излишната топлина на двигателя. Тялото извършва този топлообмен, като променя обема на кръвта, протичаща през кожните съдове. В горещ ден тези съдове се разширяват и по-голям обем кръв тече към кожата от обикновено. Тази кръв отвежда топлината далеч от вътрешните органи на човек и докато преминава през съдовете на кожата, топлината се излъчва в по-хладна атмосфера.

При студено време съдовете на кожата се свиват, като по този начин намаляват обема на кръвта, доставяна на повърхността на тялото, и преносът на топлина от вътрешните органи се намалява. Това се случва в онези части на тялото, които са скрити под дрехите и са защитени от студа. Но съдовете на откритите участъци от кожата, като лицето и ушите, се разширяват, за да ги предпазят от студа с допълнителна топлина.

Два други механизма на кръвта също участват в регулирането на телесната температура. В горещите дни далакът се свива, освобождавайки допълнителна порция кръв в кръвоносната система. В резултат на това към кожата прилива повече кръв. През студения сезон далакът се разширява, увеличавайки кръвния резерв и по този начин намалявайки количеството кръв в кръвоносната система, така че по-малко топлина се пренася към повърхността на тялото.

Излъчването и конвекцията като средство за топлообмен действат само в случаите, когато тялото отдава топлина на по-студена среда. В много горещи дни, когато температурата на въздуха надвишава нормалната телесна температура, тези методи пренасят топлината само от гореща среда към по-малко затоплено тяло. При тези условия изпотяването ни спасява от прекомерно прегряване на тялото.

Чрез процеса на изпотяване и дишане тялото отдава топлина на околната среда чрез изпаряване на течности. И в двата случая кръвта играе ключова роля в доставянето на течности за изпаряване. Кръвта, нагрята от вътрешните органи на тялото, отдава част от водата си на повърхностните тъкани. Така възниква изпотяването, потта се отделя през порите на кожата и се изпарява от нейната повърхност.

Подобна картина се наблюдава и в белите дробове. В много горещи дни кръвта, преминавайки през алвеолите, заедно с въглеродния диоксид им дава част от водата си. Тази вода се отделя по време на издишване и се изпарява, което спомага за отстраняването на излишната топлина от тялото.

По тези и много други начини, които все още не са ни съвсем ясни, транспортът на Реката на Живота служи на човека. Без неговите енергични и изключително организирани услуги, многото трилиони клетки, които изграждат човешкото тяло, биха могли да се разпаднат, да се изхабят и в крайна сметка да загинат.