V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Стимуляция эндокринной функции поджелудочной железы физическими нагрузками

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Сафарова Д.Д. 1

---

1ГБОУ СОШ №521

Смирнова Ю.И. 1

---

1ГБОУ СОШ №521

Работа в формате PDF

736 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Человек никогда не был защищен от болезней, которые нёс окружающий мир, и потребовались сотни лет, чтобы научиться их сдерживать. В наш век, развитие медицины за счет открытия новых методов и способов исследования достигли невообразимых высот. Сейчас большая часть смертельно опасных болезней излечима либо предотвратима. Страдают от них теперь по собственной глупости. Современная медицина смогла вычеркнуть такие болезни как черная оспа, лепра и чума. Но у столь стремительного развития общества имеются и свои недостатки. Так «сидячий» или малоподвижный образ жизни, питание полуфабрикатами, нарушенный режим дня, ведут к значительным проблемам со здоровьем.

Одной из востребованных в современной медицине специальностей является эндокринология (наука о строении и функциях желез внутренней секреции, вырабатываемых ими гормонах, путях их образования и действия на организм человека и животных) занимающая главенствующее место, а исследование поджелудочной железы, в связи с «неинфекционной эпидемией» сахарного диабета (ВОЗ- Всемирная организация здравоохранения), находиться на первом плане.[1] Эндокринология отличается от других специальностей тем, что эндокринные болезни поражают организм как целое, одновременно большинство органов и систем, при этом эндокринная система жизненно важна для организма, так как она регулирует работу других систем органов.

На ранних стадиях эндокринные заболевания очень трудно выявимы из-за отсутствия внешних признаков. Именно поэтому диагностика в большей степени зависит от гормонального статуса пациента, а не от установления совокупности симптомов.

Цель данной работы состоит в изучении особенностей стимуляции эндокринной функции поджелудочной железы при помощи физических нагрузок. Для этого предстоит ознакомиться с анатомией и физиологией поджелудочной железы, с ее гормонами, непосредственно связанными с углеводным обменом, а также с механизмом их распространения и влияния на ткани и клетки. В заключение исследовательской работы я экспериментально попытаюсь подтвердить факт того, что физические нагрузки влияют на работу поджелудочной железы.

Часть 1

История изучения

В развитии эндокринологии можно выделить 4 этапа: описательный; экспериментальный; выделение гормонов в чистом виде и расшифровка их химической структуры; синтезирование гормонов.

Возникновение эндокринологии как науки относится к середине XIX в., когда немецкий физик и зоолог Арнольд Бертольд впервые путем экспериментальной работы смог показать важность половых желез, используя в исследованиях домашних птиц. Позже подобным занимались Борде, И. Мюллер и Т.Аддисон. К концу XIX века Т. Кохер и Ж. Л. Реверден изучили эндемический зоб и обосновали его оперативное лечение. Именно с этого момента начало появляться обоснованное оперативное лечение при эндокринологических заболеваниях.

В XX веке эндокринология сделала качественный скачок развития, связанный с великими научными открытиями в естествознании и в химии. За первую половину века было открыто большинство известных нам гормонов. В изучении эндокринной части поджелудочной железы можно выделить несколько имен. Это Пауль Лангерганс, который в 1869-ом году впервые заметил и описал обособленные скопления клеток в ткани поджелудочной железы, которые позднее были названы его именем. А также Л. В. Соболев который уже в начале века показал, что именно эти островки выполняют функцию поддержания углеводного баланса. Он показал, что при перевязывании протока поджелудочной железы возникает атрофия всей железы кроме островкового аппарата и только при полном удалении железы возникают нарушения углеводного баланса.

Одно из достижений современной эндокринологии — открытие иммунологических и радиоиммунологических методов определения уровня белковых гормонов в крови и моче. Благодаря использованию этих методов, обладающих высокой специфичностью, представилась возможность более точно по сравнению с биологическими тестами выявить изменения секреции, метаболизма и выделения белковых гормонов из организма. Успехи современной эндокринологии, физиологии и морфологии позволяют более детально изучать механизмы регуляции различных функций организма

Поджелудочная железа

Развитие железы

Закладка поджелудочной железы начинается еще на 4-5 неделе эмбрионального формирования плода. Она развивается рядом с тем местом, где будет находиться печень. Основным материалом для нее служит мезенхима и энтодерма. Из мезенхимной части в дальнейшем развитии будет образована соединительная ткань, а энтодермальные клетки послужат для развития выводных протоков и эндокринной части поджелудочной железы. Ближе к 3 месяцу начинаются закладываться островки Лангерганса. В это время количество клеток, отвечающих за эндокринную функцию, превышает количество пищеварительных клеток, но в последующем количество пищеварительных клеток становиться преобладающим.

Анатомия железы

Поджелудочная железа располагается позади желудка, обычно на уровне I и II поясничных позвонков, и занимает пространство от двенадцатиперстной кишки до ворот селезенки. Длина органа 10—23 см, ширина 3—9 см, толщина 2—3 см, масса 70—100 г. В поджелудочной железе различают три отдела: головку, тело и хвост. Головка располагается в дуге двенадцатиперстной кишки. Передняя поверхность тела железы обращена к задней поверхности желудка, задняя соприкасается с забрюшинной клетчаткой, с верхним полюсом левой почки и надпочечником, нижняя — с тонким кишечником. Хвост располагается ретро-перитонеально, достигая ворот селезенки. [2]

Она имеет два выводных протока для внешнего секрета: Общий желчный и Вирсунгов6 или просто дополнительный проток, впадающие в двенадцатиперстную кишку, в 80% случаев предварительно соединяясь и реже по отдельности. Омывается железа в районе головки: 2-мя нижними поджелудочно-двенадцатиперстными артериями и 2-мя верхними поджелудочно-двенадцатиперстными артериями. В районе тела: тыльной, большой и нижней поджелудочными и пограничной артериями. В хвосте: артерией хвоста поджелудочной железы. Выделить другие, более мелкие сосуды сложно из-за большого разнообразия вариантов расположения артерий

Островковый аппарат

Островки Лангерганса— скопления инсулоцитов (эндокриноцитов) — гормон-продуцирующих эндокринных клеток поджелудочной железы. Расположены островки преимущественно в её хвосте. Диаметр колеблется от 100 до 300 мкм, а общий объём не превышает 3% объёма всей железы. Они выглядят как сложные дольчатые структуры с обособленными сосудистыми руслами и нервными элементами.

В островках Лангерганса различают несколько видов клеток: Р-клетки, расположенные ближе к центру островка и составляющие 60—70% всех его клеток; 6-клетки — предшественники других клеток островка (от 2 до 8%); а-клетки,, располагающиеся ближе к периферии островка. В протоплазме а- и J3-клетки содержатся гранулы, а 8-клетки негранулированные. Альфа-клетки (неаргирофильные) являются местом образования глюкагона, Р-клетки — инсулина, 8-клетки — соматостатина, а в эпителии мелких выводных протоков поджелудочной железы образуется липокаин.

Поджелудочная железа. Микроскопическое

строение. Окраска гематоксилин-эозином (по В. Г. Елисееву)

б — об. 90, ок. 10:

/ — концевой отдел; 2 — вставочный отдел; 3 — оксн-

фильная (зимогенная) часть клетки; 4 — базофильная

(гомогенная) часть клетки; 5 — центроационозные клетки; 6 — кровеносный капилляр; 7 — клетки островка Лангерганса

Выводы: Поджелудочная железа является не только эндокринным, но даже в большей степени пищеварительным органом. Она анатомически связана с пищеварительным трактом, а эндокринный аппарат является лишь малой её частью. Хотя островковый аппарат не менее важен, так как складывается первым и гораздо более активно снабжается кровью.

Регуляция углеводного обмена

Инсулин

Он образуется в В-клетках из его предшественника - проинсулина, который синтезируется на рибосомах грубой эндоплазматической сети. Предшественником проинсулина в процессе его биосинтеза является препроинсулин. Он быстро превращается в проинсулин на полисомах.

Самый мощный стимулятор секреции инсулина - глюкоза, которая взаимодействует с рецепторами цитоплазматической мембраны. Ответ инсулина на ее воздействие является двухфазным: первая фаза - быстрая - соответствует выбросу запасов синтезированного инсулина (1-й пул), вторая - медленная - характеризует скорость его синтеза (2-й пул). Сигнал от цитоплазматического фермента - аденилатциклазы - передается на систему цАМФ, мобилизующую из митохондрий кальция, который принимает участие в освобождении инсулина. Кроме глюкозы, стимулирующим влиянием на освобождение и секрецию инсулина обладают: аминокислоты (аргинин, лейцин), глюкагон, гастрин, секретин, панкреозимин, желудочный ингибирующий полипептид, неиротензин, бомбезин, сульфаниламидные препараты, бета-адреностимуляторы, глюкокортикоиды, СТГ, АКТГ. Подавляют секрецию и освобождение инсулина: гипогликемия, соматостатин, никотиновая кислота, диазоксид, альфа-адреностимуляция, фенитоин, фенотиазины.

Инсулин в крови находится в свободном (иммунореактивный инсулин, ИРИ) и связанном с белками плазмы состоянии. Деградация инсулина происходит в печени (до 80 %), почках и жировой ткани под влиянием глютатионтрансферазы и глютатионредуктазы (в печени), инсулиназы (в почках), протеолитических ферментов (в жировой ткани). Проинсулин также подвергаются деградации в печени, но значительно медленнее.

Инсулин дает множественный эффект на инсулинзависимые ткани (печень, мышцы, жировая ткань). На почечную и нервную ткани, хрусталик, эритроциты он не оказывает непосредственного действия. Инсулин является анаболическим гормоном, усиливающим синтез углеводов, белков, нуклеиновых кислот и жира.

Глюкагон

Он расщепляется в организме при помощи протеолитических ферментов. Секрецию глюкагона регулируют: глюкоза, аминокислоты, гастроинтестинальные гормоны и симпатическая нервная система. Ее усиливают: гипогликемия, аргинин, гастроинтестинальные гормоны, особенно панкреозимин, факторы, стимулирующие симпатическую нервную систему (физическая нагрузка и др.), уменьшение содержания в крови СЖК.

Угнетают продукцию глюкагона: соматостатин, гипергликемия, повышенный уровень СЖК в крови. Содержание глюкагона в крови повышается при декомпенсированном сахарном диабете, глюкагономе. Период полураспада глюкагона составляет 10 мин. Инактивируется он преимущественно в печени и почках путем расщепления на неактивные фрагменты под влиянием ферментов карбоксипептидазы, трипсина, хемотрипсина и др.

Основной механизм действия глюкагона характеризуется увеличением продукции глюкозы печенью путем стимуляции его распада и активации глюконеогенеза. Глюкагон связывается с рецепторами мембраны гепатоцитов и активирует фермент аденилатциклазу, которая стимулирует образование цАМФ (Циклический аденозинмонофосфат). При этом происходит накопление активной формы фосфорилазы, участвующей в процессе глюконеогенеза. Кроме того, подавляется образование ключевых гликолитических ферментов и стимулируется выделение энзимов, участвующих в процессе глюконеогенеза. Другая глюкагонзависимая ткань - жировая. Связываясь с рецепторами адипоцитов, глюкагон способствует гидролизу триглицеридов с образованием глицерина и СЖК. [5]Этот эффект осуществляется путем стимуляции цАМФ (Циклический аденозинмонофосфат) и активации гормоночувствительной липазы. Усиление липолизы сопровождается повышением в крови СЖК, включением их в печень и образованием кетокислот. Глюкагон стимулирует гликогенолиз в сердечной мышце, что способствует увеличению сердечного выброса, расширению артериол и уменьшению общего периферического сопротивления, уменьшает агрегацию тромбоцитов, секрецию гастрина, панкреозимина и панкреатических ферментов. Образование инсулина, соматотропного гормона, кальцитонина, катехоламинов, выделение жидкости и электролитов с мочой под влиянием глюкагона увеличиваются. Его базальный уровень в плазме крови составляет 50-70 пг/мл. После приема белковой пищи, во время голодания, при хронических заболеваниях печени, хронической почечной недостаточности, глюкагономе содержание глюкагона увеличивается.

Соматостатин

Впервые он был обнаружен в переднем гипоталамусе, а затем - в нервных окончаниях, синаптических пузырьках, поджелудочной железе, желудочно-кишечном тракте, щитовидной железе, сетчатке. Наибольшее количество гормона образуется в переднем гипоталамусе и D-клетках поджелудочной железы. Биологическая роль соматостатина заключается в подавлении секреции соматотропного гормона, АКТГ (Адренокортикотропный гормон), ТТГ (Тиреотропный гормон), гастрина, глюкагона, инсулина, ренина, секретина, вазоактивного желудочного пептида (ВЖП), желудочного сока, панкреатических ферментов и электролитов. Он понижает абсорбцию ксилозы, сократимость желчного пузыря, кровоток внутренних органов (на 30-40 %), перистальтику кишечника, а также уменьшает освобождение ацетилхолина из нервных окончаний и электровозбудимость нервов. Период полураспада, парентерально введенного соматостатина составляет 1-2 мин, что позволяет рассматривать его как гормон и нейротрансмиттер. Многие эффекты соматостатина опосредуются через его влияние на вышеперечисленные органы и ткани. Механизм же его действия на клеточном уровне пока неясен. Содержание соматостатина в плазме крови здоровых лиц составляет 10-25 пг/л и повышается у больных сахарным диабетом I типа, акромегалией и при D-клеточной опухоли поджелудочной железы (соматостатиноме).

Выводы:

В связи со сложностью системы регуляции углеводного обмена, следует с осторожностью связывать уровень глюкозы в крови с наличием или отсутствием того или иного гормона.

Стресс влияет на уровень сахара наиболее эффективно, так как снижает секрецию инсулина и повышает секрецию глюкагона и сходного с ним по действию в данной ситуации адреналина, чей эффект, однако, гораздо менее заметен и важен.

Поджелудочная железа является одной из немногих железой смешенной секреции, а именно синтез и секреция пищеварительных ферментов и выработку гормонов, регулирующих обмен углеводов.

Выдвинем гипотезу о том, что, при воздействии физических нагрузок на организм, поджелудочная железа усиливает секрецию глюкагон и угнетает секрецию инсулина, что приводит к временному увеличению уровня сахара в крови, до того момента пока ткани не израсходуют выделившийся сахар.

Часть 2

Экспериментальная проверка выдвинутой в прошлой части гипотезы.

Предположим, что при физических нагрузках в поджелудочной железе будет выделен гормон, который подаст сигнал печени о необходимости выделения дополнительного сахара в кровеносную систему.

Для доказательства этого предположения будем фиксировать уровень сахаров крови в разные периоды эксперимента. Сложность экспериментальной части заключается в том, что если измерить уровень слишком рано, то мы не увидим изменений, так как организм не успеет отреагировать, а если измерить слишком поздно, то сахар по кровеносной системе уже успеет поступить в мышцы и всосаться, и результат может оказаться некорректным. К данным фактам, необходимо добавить индивидуальные особенности каждого из испытуемых, что невозможно учесть. Из этого можем сделать вывод, что результаты измерений может нести только качественный характер.

Описание эксперимента

Условия эксперимента

Для измерений были выбрана возрастная группа 16-17 лет. Строгие рамки были необходимы из-за особенностей различных периодов жизни человека. Так у детей это может выражаться в незрелости эндокринной системы. А в более пожилом возрасте в уменьшении чувствительности тканей к инсулину или же резким снижением двигательной активности, что приводит к более низкой всасываемости глюкозы. Именно эти факторы обуславливали выбор именно этой узкой возрастной полоски.

Для стабилизации и нормализации уровня сахара в крови испытуемых просили не принимать пищу в течении 4-5 часов до измерения.

Если уровень сахара находиться в норме, то просим выполнить физическую нагрузку в течении 1 минуты и ждем еще порядка 30 секунд. Время подбирается с учетом времени необходимое организму на реакцию с последующим выделением глюкозы и прохождение ее из артерий до капилляров. Также в учет времени закладывается факт о том, что глюкоза движется несколько медленнее общей скорости тока в данных сосудах.

Также одним из важнейших условий является максимальная стерильность, как пальцев, из которых берется кровь, так и самого оборудования, часть из которого является индивидуальной. Это вызвано тем, что современным глюкометрам необходимо примерно0я 0,3 мкл крови и даже несколько молекул глюкозы, попавшие на иглу или палец могут увеличить результат в десятки раз.

Кадры с эксперимент

При анализе результатов мы можем наблюдать, что некоторые результаты не подтверждают нашу гипотезу. Это может быть вызвано несоблюдением одного из условий эксперимента. Для проверки значимость различий между фактическим (выявленным в результате исследования) количеством исходов выборки, попадающих в каждую категорию, и теоретическим количеством, которое можно ожидать в изучаемых группах при справедливости нулевой гипотезы, используем ​Критерий χ2 Пирсона определяющийся по следующей формуле:

где i – номер строки (от 1 до r), j – номер столбца (от 1 до с), O_ij– фактическое количество наблюдений в ячейке ij, E_ij – ожидаемое число наблюдений в ячейке ij. Полученные результаты говорят о том, что «выбивающиеся» показатели, являются допустимой погрешностью, а значит наша гипотеза подтверждается.

Выводы

Гормоны поджелудочной железы включают в себя инсулин и глюкагон.

Глюкагон

Строение Представляет собой полипептид, включающий 29 аминокислот с молекулярной массой 3,5 кДа и периодом полураспада 3-6 мин.

Синтез Осуществляется в клетках поджелудочной железы и в клетках тонкого кишечника.

Мишени и эффекты Конечным эффектом является повышение концентрации глюкозы и жирных кислот в крови в следствие расщепления гликогена в печени. Жировая ткань

повышает активность внутриклеточной гормон-чувствительной ТАГ-липазы и, соответственно, стимулирует липолиз.

Печень

активация глюконеогенеза и гликогенолиза,

за счет повышенного поступления жирных кислот из жировой ткани усиливает кетогенез.

Инсулин.

Строение Представляет собой полипептид из 51 аминокислоты, массой 5,7 кД, состоящий из двух цепей А и В, связанных между собой дисульфидными мостиками.

Синтез Синтезируется в клетках поджелудочной железы в виде проинсулина, в этом виде он упаковывается в секреторные гранулы и уже здесь образуется инсулин и С-пептид.

Мишени и эффекты

Основным эффектом является снижение глюкозы в крови благодаря усилению транспорта глюкозы внутрь миоцитов и адипоцитов и через активацию внутриклеточных реакций утилизации глюкозы. Избыток глюкозы синтезируется в печени и мышцах.

Печень

активация ферментов гликолиза

подавление глюконеогенеза,

усиление синтеза жирных кислот

Мышцы

стимуляция транспорта глюкозы в клетки,

активация синтеза гликогена,

усиление транспорта нейтральных аминокислот в мышцы,

стимулирование трансляции, т.е. рибосомальный синтез белков.

Жировая ткань

стимулирование транспорта глюкозы в клетки,

активация синтеза липопротеинлипазы,

Заключение

При повышенных физических нагрузках необходимо правильно сбалансированное питание: потребление продуктов богатых углеводами. По качественному составу правильное питание для человека, занимающегося физическими нагрузками, должно быть приближено к формуле: 30% — белки, 60% — углеводы, 10% — жиры. Из углеводов полезней употреблять «сложные», которые содержатся в коричневом рисе, пшенице, чёрном хлебе, фруктах и овощах, а не «простые» — те, что в избытке находятся сахаре, сладостях и лимонаде. Следует помнить также о микроэлементах и витаминах, которые могут поставляться в организм как в составе разнообразной по происхождению пищи, так и в виде специальных лекарственных комплексов.

Физические нагрузки действительно являются одним из ключевых факторов, стимулирующим работу поджелудочной железы. При этом стоит учитывать, что их влияние неоднозначно, так с одной стороны увеличивается выработка глюкагона и повышение уровня сахара, а с другой происходит увеличение скорости метаболизма, в результате чего уровень сахара также стремительно сокращается. В результате при нагрузках сахар короткое время поднимается, но позже уменьшается до изначального уровня.

Список источников

{displaystyle chi ^{2}} Большая советская энциклопедия

Потемкин В.В, Эндокринология (1986)

Боргер М.М. Методы исследования поджелудочной железы

http://gormonyplus.ru/vliyanie-insulina-na-obmen-veshestv

Теппермен Д., Теппермен Х. физиология обмена веществ и эндокринной системы

http://gormonyplus.ru/vliyanie-insulina-na-obmen-veshestv

Древаль, Мисникова, Редькин: Диабетологическая практика

Старкова Н.Т. - Клиническая эндокринология

http://medbe.ru/materials/mozg-i-nervnaya-sistema/anatomiya-i-fiziologiya-ostrovkovogo-apparata-podzheludochnoy-zhelezy/

http://belinfomed.com/podzheludochnaya-zheleza/endokrinnaya-funkciya-podzheludochnoj-zhelezy.html

Всеволод Скворцов. Клиническая эндокринология. Краткий курс

Джон Ф. Лейкок Основы эндокринологии: Пер. с англ (Essential Endorinology)

http://medbe.ru/materials/anatomiya-drugoe/anatomiya-i-fiziologiya-ostrovkovogo-apparata-podzheludochnoy-zhelezy/

http://zrenie100.com/laboratoriya-horoshego-zreniya/zabolevaniya-ostrovkovogo-apparata-podzheludochnoj-zhelezy-zabolevaniya-rogovoj-obolochki.html

http://lekmed.ru/info/arhivy/endokrinologiya.html

Инсулинотерапия сахарного диабета 1 типа у детей и подростков - Дедов И.И. (2003)

Холодова Е.А. Клиническая эндокринология (2011)