Обмен веществ и энергии (метаболизм)

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ (метаболизм) - совокупность процессов химических превращений веществ и энергии в живых организмах и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.

Обмен веществ и энергии представляет собой основу жизнедеятельности и является важнейшим специфическим признаком живой материи, отличающим живое от неживого. Сущностью его является диалектическое единство процессов непрерывного поступления в организм извне различных органических и неорганических соединений, их усвоения, изменения и выведения в окружающую среду образовавшихся продуктов распада. Ф. Энгельс, определяя жизнь как способ существования белковых тел, отмечал, что существенным моментом «является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой».

Для каждого вида животных характерен свой особый тип обмена, который зависит от наследственных свойств, пола, возраста, условий существования и т. д. Совокупность химических превращений различных веществ с момента их поступления в кровь и до образования конечных продуктов распада называется промежуточным обменом веществ и энергии, или промежуточным метаболизмом.

Промежуточный обмен происходит в основном внутриклеточно, поэтому термины «промежуточный», «межуточный» или «внутриклеточный» обмен обозначают одно и то же. В основе промежуточного обмена веществ и энергии лежат противоположно направленные ферментативные процессы, тесно связанные друг с другом и взаимообусловленные. Эти процессы называют ассимиляцией (анаболизмом) и диссимиляцией (катаболизмом).

Ассимиляция представляет собой синтез из более простых соединений, образующихся при переваривании веществ пищи, крупномолекулярных клеточных компонентов, таких как нуклеиновые кислоты, белки, липиды (жиры и жироподобные вещества) и др.

Диссимиляция — это ферментативное расщепление крупных молекул (у высших организмов осуществляемое, как правило, окислительным путем), сопровождающееся освобождением энергии, заключенной в химических связях больших молекул органических веществ.

Высвобождающаяся энергия используется для всех процессов жизнедеятельности: сокращения мышц, проведения нервных импульсов, поддержания температуры тела, различных процессов синтеза, всасывания и секреции, поддержания физиологических концентраций органических и неорганических ионов по обе стороны клеточной мембраны (внутри и вне клетки) и др.

Благодаря процессам обмена веществ и энергии происходит перестройка поступающих пищевых веществ в соединения, характерные для данного организма и используемые как строительный или энергетический материал. Обмен веществ и энергии способствует постоянному, непрерывному обновлению органов и тканей без изменения их химического состава.

Основные классы веществ (белки, жиры, углеводы и др.) играют различную роль в процессах обмена.

Белки используются организмом в основном в качестве строительного (пластического) материала, углеводы и жиры — в качестве материалов для покрытия энергетических затрат.

Углеводы являются основным источником энергии в организме, т. к. при их превращении образуется более половины всей энергии, необходимой организму.

Обмен веществ и энергии можно условно разделить на следующие ступени:

  1. пищеварение — расщепление в жел.-киш. тракте под действием пищеварительных ферментов (пепсина, трипсина, химотрипсина и др.) сложных составных частей пищи до низкомолекулярных соединений общих для обмена разных веществ, способных усваиваться организмом и представляющих собой как бы узловые станции, соединяющие разные пути метаболизма;
  2. всасывание в кишечнике и поступление в кровь продуктов пищеварения и доставка их к различным органам и тканям;
  3. построение из доставленных веществ соединений, характерных (или, как их называют, специфических) для данного организма;
  4. расщепление таких соединений с образованием промежуточных и конечных продуктов обмена;
  5. выведение из организма конечных продуктов обмена.

Процессы биосинтеза и расщепления происходят в клетках одновременно. Основным путем утилизации энергии, освобождающейся в процессах обмена веществ и энергии, является ее накопление в специальных веществах, так называемых макроэргических (высокоэргических) соединениях, таких как аденозинтрифосфат (АТФ) и другие.

Среди макроэргических соединений АТФ наиболее универсален. Образование АТФ из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и неорганического фосфата происходит различными путями, причем энергетическая ценность путей образования АТФ неравнозначна. Расщепление АТФ на АДФ и неорганический фосфат сопровождается выделением 8—10 ккал энергии. Энергия АТФ превращается (трансформируется) в другие формы энергии — механическую, химическую, тепловую и др. переносится на другие соединения, используется на нужды биосинтеза и т. д.

В процессах обмена веществ и энергии важное место занимают витамины, вода и различные минеральные вещества. Чрезвычайно важны для обмена натрий, калий, кальций, фосфор, а также ряд микроэлементов — магний, марганец, цинк, молибден, фтор, кобальт и другие неорганические соединения. Эти вещества принимают участие в биоэлектрических (проведение нервного импульса) и осмотических процессах в клетках, входят в состав зубов, костей, необходимы для действия многих ферментов и дыхательных пигментов (например, гемоглобина).

В процессе жизнедеятельности уровень обмена веществ и энергии не бывает постоянным, благодаря чему организм приспосабливается к меняющимся условиям существования. Достигается это согласованностью и слаженностью процессов обмена, которые являются результатом пластичной и строго координированной работы всех механизмов, участвующих в нем как на уровне клетки, так и в органах и тканях. Этим определяется характерны и для данного организма уровень обмена веществ и энергии, складывающийся в процессе исторического развития (филогенеза> и направляемый механизмами наследственности при постоянном взаимодействии с окружающей средой.

При изменении условий включаются регуляторные механизмы, изменяющие процесс обмена веществ и энергии в требуемом для организма направлении. Так, в анаэробных условиях (т. е. при отсутствии кислорода) процесс окислительного фосфорилирования сменяется гликолизом. Наоборот, при повышении содержания кислорода в тканях гликолиз тормозится и усиливаются процессы окислительного фосфорилирования.

Регуляция обмена веществ и энергии в клетках и тканях осуществляется путем определенного воздействия на ферментативные реакции, на механизмы регуляции синтеза и активности ферментов. Обменные процессы в клетке могут саморегулироваться по так называемому типу обратной связи. Например, количество АТФ в клетке, образуемое при окислительном фосфорилировании, определяет интенсивность этого процесса. Если синтез АТФ преобладает над его потреблением, процесс окислительного фосфорилирования тормозится, и наоборот.

Важная роль в регуляции обмена веществ и энергии в клетках и тканях принадлежит биологическим мембранам, которые контролируют интенсивность поступления в клетку и выхода из нее различных соединений.

Главной, координирующей формой регуляции обмена у человека и животных является нервно-гормональная регуляция ферментативных реакций, лежащих в основе метаболизма. Например, при значительном понижении содержания сахара в крови усиливается выделение адреналина, влияющего на ферментативные механизмы, катализирующие распад гликогена и образование глюкозы. При избытке сахара в крови усиливается секреция инсулина, который тормозит процесс расщепления гликогена в печени. Инсулин усиливает потребность периферических тканей (мышц, центральной нервной системы и др.) в глюкозе, вследствие чего уменьшается поступление ее в кровь.

Центральная и вегетативная нервные системы обеспечивают нервную регуляцию процессов обмена. Эта регуляция осуществляется непосредственно (трофические влияния) или через гормоны, секретируемые железами внутренней секреции.

Любое заболевание человека сопровождается нарушениями обмена веществ и энергии, которые особенно отчетливо проявляются при расстройствах функций нервной системы и желез внутренней секреции.

Обмен веществ и энергии нарушается при неправильном питании — избыточном, недостаточном или качественно неполноценном. Общее нарушение обмена веществ и энергии, обусловленное изменением интенсивности окислительных процессов, проявляется сдвигами в основном обмене.

Основной обмен (обмен веществ в покое) — это то количество тепла, которое образуется при минимальной интенсивности процессов обмена веществ у человека в условиях полного покоя.

При обследовании в клинике очень часто определяют интенсивность основного обмена (в состоянии физического и психического покоя, утром, натощак) с помощью специальной аппаратуры. В норме основной обмен составляет у молодых мужчин 1300—1600 ккал в сутки, у женщин величина основного обмена на 10—15% ниже, чем у мужчин. С возрастом основной обмен снижается; у людей, занимающихся тяжелым физическим трудом, он может возрастать до 2000 ккал в сутки.

Основной обмен повышается при заболеваниях, связанных с усилением функции щитовидной железы, и понижается при заболеваниях, обусловленных недостаточной функцией этой железы (см. Зоб диффузный токсический ), а также при снижении функции гипофиза, надпочечников, половых желез и при общем голодании.

Выделяют нарушения белкового, жирового, углеводного, минерального и водно-солевого обмена. Однако все виды обмена веществ взаимосвязаны, и деление является условным.

Нарушения обмена веществ и энергии проявляются в изменении взаимодействия и превращения различных соединений, избыточном накоплении промежуточных продуктов метаболизма, в неполном или чрезмерном их выделении и извращении течения различных процессов с образованием веществ, чуждых нормальному организму.

Диагностика нарушений обмена веществ и энергии основывается на исследовании газообмена, соотношений между количеством поступающих веществ и их выделением из организма, определением химического состава крови, мочи и др.

Лечение нарушений обмена направлено главным образом на устранение их причин или на лечение основного заболевания, которое сопровождается изменением обмена веществ и энергии.