Борьба со старением, или Не все мы умрем…
Мы будем двигаться по пищеварительной системе сверху вниз, следя за пищевым комком (рис. 1.3.1).
Рот и слюнные железы. Первые превращения пища претерпевает уже во рту под действием слюны. Слюноотделение осуществляется множеством слюнных желёз, среди которых выделяется три пары больших слюнных желёз: околоушные, подчелюстные и подъязычные слюнные железы. Их расположение очевидно из названий. Остальные железы считаются малыми. Железы выделяют 1–2 литра слюны в сутки.
Пища во рту (16–18 секунд до проглатывания) анализируется рецепторами, и результаты анализа передаются всем органам пищеварения для соответствующей подготовки. Слюна – активный пищеварительный сок. В ней содержится около 50 различных ферментов, обеспечивающих ротовое пищеварение. За счет ферментов (амилазы и мальтазы) слюна расщепляет углеводы до простых сахаров. Она смачивает и склеивает пищевой комок. Кроме того, некоторые ферменты могут убивать определенные вирусы и дезинфицировать пищу.
Пищевод – следующий этап прохождения пищевого комка – представляет собой полую, покрытую внутри слизью трубку из мышечной ткани, идущую от гортани до желудка. Со стороны глотки и желудка расположены два запирающих клапана (сфинктера), препятствующих выбрасыванию агрессивных жидкостей из желудка в пищевод (нижний сфинктер) и из пищевода в глотку (верхний сфинктер)[56]. Пищевой комок транспортируется по пищеводу под действием самопроизвольных мышечных сокращений 8–10 секунд.
Рис. 1.3.1. Система пищеварения
Желудок – полый, выстланный эпителием и слизью мышечный орган, идущий от пищевода к двенадцатиперстной кишке. Его объем меняется от полулитра (пустой) до 2 литров (полный). Мышцы желудка интенсивно перемешивают пищу, а примерно 15 млн желёз слизистой оболочки желудка выделяет желудочный сок, содержащий соляную кислоту и пищеварительные ферменты (пепсин, липазу и др.). Желудочный сок расщепляет белки до пептидов и аминокислот (пепсин) и частично жиры (липаза), соляная кислота убивает бактерии. Клетки эпителия постоянно соприкасаются с соляной кислотой и поэтому нуждаются в замене примерно раз за двое суток. После переваривания в желудке пищевой комок, который в желудке становится пищевой кашицей и приобретает новое название химус, готов к движению в двенадцатиперстную кишку, куда его проталкивают мышцы желудка.
Двенадцатиперстная кишка[57] – первая часть тонкого кишечника – отделена от желудка еще одним клапаном-сфинктером, красиво названным привратником желудка. Он отделяет желудок с его кислой средой от тонкого кишечника с преимущественно щелочной средой. В двенадцатиперстную кишку через еще один клапан-сфинктер впрыскивается желчь из желчного пузыря и поджелудочный (панкреатический)[58] сок из, соответственно, поджелудочной железы. Сюда же добавляется произведённый собственными железами тонкого кишечника кишечный сок, содержащий 22 фермента. Смесь кишечного, поджелудочного сока и желчи действует гораздо эффективнее, чем каждое составляющее вещество в отдельности. Так, ферменты поджелудочного сока расщепляют жиры в присутствии желчи в 20 раз эффективнее, чем без нее. Ферменты поджелудочного (панкреатического) сока ДНК-аза и РНК-аза расщепляют длинные последовательности ДНК и РНК до очень коротких, состоящих из относительно небольшого числа нуклеотидов. Поэтому страхи о возможности генно-модифицированных организмов (ГМО) передавать свои гены съевшему содержащий ГМО продукт человеку совершенно беспочвенны.
Тонкий кишечник – орган пищеварения длиной 5 метров и толщиной 3–3,5 см. В нем продолжается и практически завершается пищеварительный процесс, то есть процесс расщепления белков на аминокислоты, углеводов на моносахариды и жира на жирные кислоты и глицерин. Аминокислоты и совсем небольшие пептиды, глюкоза и другие простые сахара, жирные кислоты и глицерин всасываются в тонком кишечнике множеством специальных ворсинок и по крови и лимфе доставляются во все клетки организма. Причем в лимфу поступают продукты переработки жиров, а в кровь – аминокислоты и простые углеводы.
Кишечник – самый защищенный иммунной системой орган. Здесь находится около 80 % всех иммунных клеток, образующих барьер от вредных веществ и бактерий.
При питании белки пищи усваиваются в среднем на 84,5 %, жиры – 94 %, углеводы – 95,6 %. Не переваренные в тонком кишечнике остатки, основную часть которых составляет клетчатка, проталкиваются мышцами кишечника в толстый кишечник.
Толстый кишечник имеет длину около 1,5 метра и толщину от 4 до 7 см в разных частях. Толстая кишка вырабатывает собственный сок, который по составу близок к кишечному соку тонкой кишки, но примерно в 10 раз меньшей концентрации. Собственный сок и проникающий в толстую кишку сок тонкой кишки завершают пищеварительный процесс. В толстом кишечнике из поступающего в него пищевого комка (химуса) формируется каловая масса. В слепой кишке, расположенной правее входа тонкой кишки в толстую кишку, из пищевого комка высасывается большая часть воды. В толстом кишечнике живет почти вся микробиота – около 1000 видов различных бактерий. О микробиоте мы поговорим чуть позже. В толстом кишечнике при помощи микробиоты вырабатываются витамины группы B и витамин K. Каловая масса под действием мышц толстого кишечника (перистальтика[59]) выталкивается из толстого кишечника через его конечную часть – прямую кишку и задний проход (анус).
Многие важные органы работают в двух или даже нескольких системах. Мы будем в общих чертах описывать их при первой встрече, а затем при рассмотрении каждой системы отмечать выполняемые конкретным органом функции. Важные функции в системе пищеварения, и не только в ней, играют печень и поджелудочная железа.
Печень – самый большой (около 1,5 кг) и невероятно многофункциональный внутренний орган, расположенный в правом подреберье (рис. 1.3.1). Печень – единственный орган человека, способный к регенерации при удалении до 75 % его массы. Она восстанавливается, как хвост у ящерицы! У печени множество функций, из которых к пищеварению и энергообеспечению можно отнести производство желчи и гликогена.
Гликоген представляет собой полимер глюкозы и служит для ее хранения. То есть связанные друг с другом молекулы глюкозы образуют гликоген. Его также называют животным крахмалом, поскольку гликоген и крахмал – полимеры глюкозы. В теле человека обычно имеется около 450 г гликогена, из которых треть – в печени, а остальные – в мышцах. При нехватке энергии гликоген расщепляется, молекулы глюкозы освобождаются и вырабатывают АТФ в циклах Кребса, происходящих в клетках мышц и в других клетках.
Желчь производится в объеме до 2 литров в сутки клетками печени (гепатоцитами). В ней содержатся желчные кислоты, которые синтезируются в печени из холестерола и поступают в желчный пузырь, служащий для временного хранения желчи. Жиры не растворяются в воде, поэтому они могут подвергаться действию растворённых в воде ферментов только на границе раздела вода / жир. Для увеличения площади этого раздела желчные кислоты разделяют жиры на мелкие капли (эмульгируют их), смешивают капли жира с водой. Это дает доступ к жирам содержащимся в панкреатическом (поджелудочном) соке ферментам (липазе), разлагающим жиры. Желчь способствует не только перевариванию жиров, но и их всасыванию.
Поджелудочная железа распложена прямо под желудком в изгибе двенадцатиперстной кишки[60]. Она делится на две части. Одна из них выполняет эндокринную функцию. Она синтезирует два важных гормона – инсулин и глюкагон. О них мы поговорим позже, когда будем описывать эндокринную систему. Вторая часть относится к пищеварительной системе и поставляет в двенадцатиперстную кишку поджелудочный (панкреатический) сок, который содержит расщепляющие жиры ферменты. Поджелудочный сок и желчь, которая усиливает его действие, вливаются в двенадцатиперстную кишку через один проход, перекрываемый управляющим потоком клапаном (сфинктер Одди).
Энергоснабжение человека устроено чрезвычайно эффективно. Задумайтесь, в 60 трлн клеток человека постоянно, днем и ночью идут тысячи химических реакций, каждая из которых требует подвода энергии. Количество энергии, необходимое для этих реакций при полном покое, называют основной обмен. Для каждого человека энергия покоя, или основного обмена, конечно, разная. Она характеризует интенсивность химических реакций, метаболизма. Однако в среднем она равна 1 ккал на кг веса в час и для конкретного человека может отклоняться, но не сильно. Это значит, что при весе 70 кг для поддержания работы тела в состоянии покоя человеку нужно 1680 ккал в сутки. Дополнительная энергия нужна для выполнения различных движений: ходьбы, различных работ, физических упражнений. Например, быстрая ходьба требует 300 ккал в час, печатание на компьютере – 150 ккал в час. Расходы энергии на все виды деятельности приведены, например, на сайте https://hiki-soft.ru/info/4.html.
В среднем офисный работник тратит около 2200 ккал в сутки, а каменщик – 5000 ккал. Значит, энергия, которую тратит человек на химические реакции всех его клеток, на снабжение всех его органов и мышц при сидячей работе, примерно равна энергии обычной лампочки мощностью 100 ватт[61]. Это удивительно экономно.
Необходимая энергия получается, естественно, из продуктов питания. В конечном итоге, от их сгорания в митохондриях в бесчисленных циклах Кребса. Мы помним (это хорошо бы запомнить), что один грамм углеводов и белков дает около 4 ккал, а грамм жиров – 9 ккал. Исходя из этого, можно рассчитать, сколько энергии дает та или иная пища. Впрочем, для большинства продуктов они, конечно, подсчитаны и сведены в таблицы (http://www.calorizator.ru/product).
Баланс энергии свести совсем нетрудно. Нужно подсчитать энергию пищи и вычесть из нее израсходованную энергию. Если разность положительна, то вес вырастет, если отрицательна – убавится. Конечно, насколько вес прибавится или убавится, зависит от особенностей человека, но не так сильно, как принято думать. Биологические системы, к которым относится человек, довольно инертны. Изменения в весе могут запаздывать, но обязательно произойдут.
Нужно запомнить, что прибавки или уменьшение веса на 90 % вопрос баланса энергии. В очень, очень редких случаях следует учитывать эндокринные (гормональные) особенности. И как говорится, «что сверх того, то от лукавого»[62].
Баланс энергии – важнейший фактор здоровья. Во второй части мы рассмотрим разбалансировку этого баланса, приводящую к метаболическому синдрому, а в третьей – способы ограничения калорийности как доказанный метод противодействия старению.
1.3.2. Дыхательная система
Дыхание, то есть окисление элементов питания кислородом, фактически их медленное сжигание, стало величайшим завоеванием эволюции. Энергия из глюкозы может извлекаться и без кислорода, простым ее разложением – гликолизом. Так получали энергию простейшие организмы в докислородную эпоху. Однако участие кислорода в 16 раз увеличивает выход энергии из одной молекулы глюкозы, то есть делает энергообеспечение в 16 раз эффективнее. Сейчас у человека гликолиз продолжает использоваться на первом этапе переработки глюкозы. Из него получается всего 2 молекулы АТФ. Затем включается кислород и процесс «горения» дает еще 32 молекулы АТФ. Так что общая формула переработки глюкозы в энергию будет: глюкоза + кислород → углекислый газ + вода + энергия.
Для организации этого процесса необходимо подать кислород к каждой клетке организма. Это делает дыхательная система.
Если по пищеварительной системе мы двигались с пищевым комком, то по дыхательной системе естественно идти вслед за вдохом воздуха. Вдох обеспечивается клетками мускульной ткани, дыхательной мышцей.
Глотка соединяется каналами с носом и ртом и ведет к гортани. Это общий путь воздуха при вдохе и пищевого комка, что иногда приводит к опасным ситуациям. Воздух в объеме около 500 см3 мышечным усилием втягивается в нос. Далее через носоглотку он попадает в ротоглотку, в которой сходятся дыхательные и пищеварительные пути.
Рис. 1.3.2. Дыхательная система
Гортань – сложный орган, стенки которого состоят из хрящей. Он соединяет глотку с трахеей. Полость гортани выстлана эпителиальной слизистой оболочкой. При прохождении пищевого комка гортань закрывается клапаном-надгортанником, чтобы избежать его попадания в дыхательные пути. В гортани расположены голосовые связки, через которые проходит воздух при выдохе. Связки вибрируют, как струны. Высота издаваемого звука зависит от натяжения связок. При натяжении связок тон выше.
Трахея, бронхи и легкие. Дальше воздух поступает в трахею (хрящевая трубка длиной 10–13 см, выстланная эпителием), которая снизу делится на два бронха, ведущих в легкие. Оба бронха делятся на всё более мелкие трубочки-бронхиолы, образующие бронхиальное дерево.
Это дерево заканчивается маленькими листиками – пузырьками, которые называют альвеолами. Их у человека около 500 млн. Каждая альвеола выстлана клетками легочного эпителия – альвеолоцитами (дословный перевод – «клетки альвеол»). Именно через альвеолоциты происходит газообмен с клетками крови. Кислород из альвеол через клетки-альвеолоциты попадает в клетки крови эритроциты (дословный перевод – «красные клетки»), где он связывается с ионом железа Fe2+ гемоглобина, который и придает эритроциту красный цвет. Эритроцит – маленькая клетка без ядра – легко проникает во все мельчайшие капилляры. Гемоглобин обладает замечательным свойством. Если в среде много углекислого газа, связь иона железа с кислородом ослабевает и кислород высвобождается. То есть он высвобождается в тех местах, где накопилось много CO2. Именно там и нужен кислород. Эритроцит отдает кислород в межклеточную жидкость, откуда он проникает в клетку и используется для ее жизни. Углекислый газ из межклеточной жидкости диффундирует в эритроцит и доставляется ими в альвеолы, в которых он обменивается на кислород.
Легкими называют парные органы, образованные бронхами, бронхиолами и альвеолами. В них происходит газообмен. Легкие заключены в двухслойную оболочку плевры. Между слоями имеется немного жидкости. Снизу легкие отгорожены от брюшной полости большой мышцей – диафрагмой. Правое легкое состоит из трех долей и немного больше, чем двухдольное левое легкое, которое освобождает место для сердца.
У легких нет собственных мышц, поэтому при вдохе межреберные мышцы и диафрагма раздвигают их и создают область пониженного давления (вдох), а затем сжимают (выдох). Так происходит вентиляция альвеол.
В результате этого процесса наша клетка отдает в клеточную жидкость накопленный в результате жизнедеятельности углекислый газ и получает из нее же необходимый ей кислород.
1.3.3. Система кровообращения – транспортная система человека
Для клеток человека необходим постоянный подвод кислорода и питательных веществ. Для этого нужно обеспечить транспортировку кислорода из легких и белков, жиров, углеродов из пищеварительной системы ко всем без исключения 60 трлн клеткам. Это делает кровеносная система.
Кровь, как мы уже знаем, – соединительная ткань, состоящая из жидкой части, плазмы крови, и кровяных клеток – эритроцитов, тромбоцитов и лейкоцитов. Именно плазма переносит питательные вещества: аминокислоты, глюкозу, жирные кислоты. Для переноса нерастворимых и плохо растворимых в воде веществ в плазме имеются специальные небольшие белки (альбумины), которые называют «молекулы такси».
Кислород переносят, как мы уже говорили, небольшие, лишенные ядра клетки эритроциты. Железо придает им и всей крови красный цвет. Они живут недолго – около 120 дней.
Тромбоциты также невелики и лишены ядра. Они отвечают за свертываемость крови и быстрое закрытие мест повреждения сосуда.
Лейкоциты (белые[63] клетки крови) – общее название множества различных по строению и функциям клеток иммунной системы. Они довольно крупные, но их примерно в 1000 раз меньше, чем эритроцитов. Лейкоциты обитают не только в крови, но и в лимфе, а также легко проходят через капилляры в межклеточную жидкость.
Все клетки крови вырабатываются главным образом в костном мозге тазобедренных и некоторых других костей.
Теперь обратимся к кругам кровообращения и пройдем по ним вместе с порцией крови, получившей импульс от сердца.
Сердце традиционно считается важнейшим внутренним органом. В лирических стихах, песнях, пословицах оно выступает как сущность человека, аналог его «Я». Видимо, человека всегда удивлял этот орган, удары которого мы слышим всю жизнь. Причём волнения и переживания явно ускоряют темп этих ударов, а спокойствие быстро умиротворяет работу сердца.
Сердце состоит из действительно необычных клеток – кардиомиоцитов, которые составляют основу сердечной мышцы миокарда[64]. Сокращение кардиомиоцитов происходит примерно так же, как обычных мышечных клеток – миоцитов. В каждой клетке мышцы параллельно друг другу имеются две белковые нити: первая – с изгибами-зацепками (актин), а вторая – с головками, которые могут входить в изгибы первой нити (миозин). Когда от нервной системы приходит электрический сигнал на сокращение, открываются каналы для прохода ионов кальция в клетку. Эти ионы связываются с изгибами первой нити и создают надежное скрепление для головок второй нити. Головки прикрепляются к первой нити и заставляют ее сокращаться. Разумеется, для сокращений кардиомиоцитам постоянно нужна энергия. К каждому выступу и головке для сцепления нужна молекула АТФ. Поэтому 30 % объема кардиомиоцитов занимают митохондрии.
Если кальция не хватает, число тянущих головок, прикрепляющихся к первой нити, уменьшится и сжатие сердца будет проходить менее интенсивно. Объем прогоняемой крови за одно сжатие уменьшится.
Электрический сигнал на сокращение клеток миокарда кардиомиоцитов подает работающая на уровне подсознания вегетативная нервная система. Сигнал приходит в синусовый узел правого предсердия. После этого сигнал на сокращение и расслабление передается всем клеткам в автоматическом режиме. То есть клетки сами передают сигнал соседям, наподобие того как кости домино, поставленные рядом друг другом, начинают падать одна за другой после падения первой кости. Синусовый узел представляет собой группу кардиомиоцитов, ответственных за ритм сердца. Этот узел является водителем ритма для всех клеток сердца.
В норме ритм сердца – 60–70 ударов в минуту. Более частый пульс называют тахикардией, а более медленный – брадикардией[65]. В случае болезни ритм может сбиться или переключаться на другой узел. Возникает нарушение сердечного ритма, или аритмия. О возрастных болезнях сердца мы подробно поговорим во второй части книги.
Итак, с сокращениями и расслаблениями сердца мы разобрались. Допустим теперь, что сердце сократилось и порция богатой кислородом крови (как она обогатилась кислородом, мы обсудим позже) из левого желудочка устремилась в самую большую артерию – аорту. Принято называть сосуды, несущие кровь от сердца, артериями, а к сердцу – венами.
Рис. 1.3.3. Система кровообращения
Аорта разветвляется на артерии, артерии – на артериолы, а артериолы – на капилляры. В капиллярах происходит газообмен. Кислород отрывается от гемоглобина в доставляющих кислород клетках крови эритроцитах и поступает в различные клетки тела, а от них кровь забирает и уносит углекислый газ и другие отходы жизнедеятельности.
Часть крови из аорты идет в мозг, а другая часть поступает во все жизненно важные органы: печень, почку, желудок, кишечник, селезенку и др.
Печень играет огромную роль в системе кровообращения. Как мы знаем, питательные вещества из желудка и кишечника всасываются в кровь, точнее в капилляры, расположенные в брюшной полости. Эта кровь собирается в одну большую вену, называемую воротной, и поступает в печень. Клетки печени гепатоциты обрабатывают всю проходящую через печень кровь. Они не только обезвреживают токсины, убивают вредные бактерии и вирусы, но и преобразуют избыточную глюкозу в гликоген, синтезируют белки плазмы крови (помните, «молекулы-такси»), желчь и холестерин (о нем поговорим позже). Из печени выходит очищенная и обогащенная питательными веществами кровь.
Почки – два почти одинаковых органа, по форме напоминающие фасоль, примерно по 150 г каждая (левая почка чуть больше правой). В кровеносной системе они выполняют фильтрующую функцию. Кровь поступает в почки по артерии, затем, как обычно, расходится по артериолам и дальше по капиллярам. Из них кровь всасывается в клетки почек нефроны (по-древнегречески «нефрон» означает «почка»). Здесь она проходит очистку от вредных веществ. Затем из получившейся уже обезвреженной жидкости (первичная моча) откачиваются оставшиеся полезные вещества. После этого вторичная моча поступает в мочевой пузырь – накопитель и далее в мочеточник.
Отдавшая кислород кровь собирается множеством вен через верхнюю (от мозга и верхней части тела) и нижнюю (от нижней части тела) полые вены и поступает в правое предсердие. Отсюда она идет в правый желудочек и с силой выталкивается в так называемый малый, легочный круг кровообращения. Здесь кровеносная система, как всегда, ветвится до капилляров и соприкасается с альвеолами, с которыми происходит уже хорошо нам знакомый газообмен. Обогащенная кислородом кровь поступает в левое предсердие, оттуда в левый желудочек. Круг замкнулся.
Итак, левая часть сердца – предсердие и желудочек – толкают кровь по всему телу (большой круг), а правая часть – по легочному, малому кругу. Кровь всегда входит в предсердия, а выходит из желудочка. Части сердца изолированы, это два отдельных насоса, правда работающих синхронно.
Сосуды кровеносной системы делятся на артерии, по которым кровь под большим давлением движется от сердца, и вены, несущие кровь уже при небольших давлениях в направлении сердца. Различают систолическое давление в сосудах, возникающее при сокращении сердца, и диастолическое[66] – при его расслаблении.
Сосуды – это не просто полые трубки, по которым идет, вернее бежит кровь. Мы употребили слово «бежит», поскольку кровь, например эритроцит, делает полный круг кровообращения всего за 20 секунд[67].
Артерии имеют трехслойную структуру стенок: внутренний и внешний слои выложены эпителием, а между ними слой мышц, которые закручены вокруг сосуда. Эти мышцы, так же как и мышца сердца – миокард, могут сокращаться, сжимая просвет сосуда, и расслабляться, расширяя его. Степень сжатия мышц называют тонусом сосуда.
В системе кровоснабжения, в отличие от привычной нам системы водообеспечения, изменение скорости потока происходит не за счет повышения давления, а, в основном, благодаря расширению сосудов. То есть сосуд вместе с сердцем выполняет насосную функцию.
Артериальная стенка состоит из коллагена, эластина и гладкомышечных клеток. Жесткость коллагена с годами увеличивается в 2 раза, вместе с ним растет жесткость стенок сосуда. При этом в возрасте 20–40 лет расход энергии левым желудочком сердца составляет 11,7 ватт, а в возрасте 60 лет и выше – 14,1 ватт. (Мы помним, что общий расход энергии человеком в секунду – около 100 ватт. Значит, на работу сердца тратится около 15 % всей энергии.)
Под влиянием различных факторов сосуды могут сжиматься и даже спазмировать. Сосуды расслабляет повышение концентрации углекислого газа в крови, а сжимает гормон ангиотензин II. Подробно эту тему мы обсудим во второй части книги.
Вены устроены совсем не так, как артерии. Внутренняя поверхность вен, так же как и у артерий, выстлана эндотелием. Внешняя же поверхность состоит из плотной соединительной ткани, придающей венам характерную синюю окраску. Во внутреннем слое гораздо меньше мышц, чем у артерий. Кровь идет по венам под малым давлением, и, чтобы не допускать противоток, в венах имеются специальные перекрывающие их клапаны, которые направляют кровь в нужном направлении. Давление в венах гораздо меньше, чем в артериях, поэтому объем их намного больше. В венах в каждый момент времени находится две трети всей крови человека.