Обмен веществ и энергии

— совокупность химических превращений веществ, поступающих в организм извне; превращения этих веществ в клетках приводят к образованию энергии, необходимой для осуществления всех многочисленных функций организма. О. в. и э. лежит в основе жизнедеятельности всех живых организмов. Сущностью О. в. и э. является диалектич. единство процессов непрерывного поступления в организм извне различных органич. и неорганич. соединений, их усвоения, изменения и выведения во внешнюю среду образовавшихся продуктов распада. Ф. Энгельс, определяя жизнь как способ существования белковых тел, указывал, что существенным моментом «является постоянный обмен веществ с окружающей их внешней природой». Для каждого вида животных характерен свой особый уровень О. в. и э., к-рый зависит от наследственных свойств, пола, возраста, условий существования и т. д. В основе О. в. и э. лежат ферментативные процессы двух типов, тесно друг с другом связанные и взаимообусловленные. Первый тип таких процессов называется ассимиляцией или анаболизмом. Эти процессы связаны с потреблением энергии и приводят к усвоению клетками соединений, поступающих в организм из внешней среды, синтезу в клетке из более простых более сложных молекул. Второй тип ферментативных процессов называется диссимиляцией или катаболизмом. Эти процессы направлены на расщепление веществ, как поступающих в клетку извне, так и входящих в состав клеток организма, и сопровождаются выделением энергии. Энергия, высвобождающаяся при расщеплении пищевых и других веществ, используется для всех процессов жизнедеятельности: сокращения мышц, проведения нервных импульсов, поддержания температуры тела, различных процессов синтеза, процессов всасывания и секреции, поддержания физиологич. концентраций органич. и неорганич. ионов по обе стороны клеточной мембраны (внутри и вне клетки) и др. В живом организме благодаря процессам О. в. и э. происходит перестройка поступающих пищевых веществ в соединения, характерные для данного организма, к-рые используются или как строительный, или как энергетич. материал. О. в. и э. способствует постоянному, непрерывному обновлению органов и тканей без изменения химич. состава тела организма. Основные группы веществ (белки, жиры, углеводы и др.) неравнозначно участвуют в процессах О. в. и э. Белки используются организмом в основном в качестве строи- тельного (пластического) материала, тогда как углеводы и жиры — для покрытия энергетич. затрат. Углеводы являются основным источником энергии в организме, т. к. дают более половины всей энергии. Превращение различных веществ с момента их поступления в организм и до образования конечных продуктов распада называется промежуточным обменом веществ и энергии или метаболизмом. Промежуточный О. в. и э. происходит в основном внутриклеточно, поэтому термины «промежуточный», «межуточный» или «внутриклеточный» обмен обозначают одно и то же. Промежуточный О. в. и э. 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, способных усваиваться организмом; 2) всасывание из жел.-киш. тракта в кровь продуктов пищеварения и доставка их к различным органам и тканям; 3) перестройка веществ, полученных в процессе пищеварения, в вещества клеток и тканей и образование (биосинтез) соединений, характерных 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 и приводят к образованию ряда соединений, являющихся общими при метаболизме различных классов соединений — белков, жиров и углеводов. Из большого числа продуктов, поступивших с пищей в организм, в конечном счете в результате обмена веществ образуются три соединения, имеющих основное энергетич. значение: ацетилкофермент А, ot-кетоглутаровая и щавелевоуксусная к-ты. Образование конечных продуктов распада (углекислоты, воды, мочевины и др.) происходит, как правило, в различных ферментативных процессах. Центральное место среди этих процессов занимает так наз. цикл лимонной к-ты (цикл трикарбоновых кислот или цикл Кребса). В цикле Кребса перекрещиваются пути белкового, жирового и углеводного обмена. Основным путем утилизации энергии, освобождающейся в процессах О. в. и э., является ее накопление в специальных веществах, так наз. макроэргических соединениях. К этим веществам относятся нуклеозидтрифосфаты (аденозинтрифосфат, гуанозинтрифосфат и ряд других). Среди макроэргических соединений наиболее универсальным является аденозинтрифосфат (АТФ). Образование АТФ из аденозиндифосфорной к-ты (АДФ) и неорганич. фосфата происходит при расщеплении глюкозы, т. е. в процессе гликолиза, при окислении а-кетоглутаровой к-ты и в цепи реакций, катализируемых окислительными дыхательными ферментами и называемых окислительным фосфорилированием. Энергетич. ценность различных путей образования АТФ неравнозначна. В расчете на 1 молекулу глюкозы гликолиз дает 2 молекулы АТФ, а процесс окислительного фосфорилирования — 34 молекулы АТФ . Расщепление АТФ на АДФ и неорганич. фосфат сопровождается выделением 8—10 ккал энергии. Энергия АТФ трансформируется (превращается) в другие формы энергии — механическую, химическую, тепловую и т. д., переносится на другие соединения, используется в процессах биосинтеза и расходуется на различные нужды организма. В процессах О. в. и э. важное место занимают витамины, вода и различные минеральные вещества. Чрезвычайно важны для О. в. и э. натрий, калий, кальций, фосфор, а также ряд микроэлементов —¦ магний, марганец, цинк, молибден, фтор, кобальт и другие неорганич. 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 (напр., гемоглобина). В процессе жизнедеятельности уровень О. в. и э. не бывает постоянным, благодаря чему организм приспосабливается к меняющимся условиям существования. Достигается это согласованностью и слаженностью процессов О. в. и э., к-рые являются результатом пластичной и строго координированной работы всех механизмов, участвующих в О. в. и э. как в клетке, так и в органах и тканях. Этим определяется характерный для данного организма уровень О. в. и э., складывающийся в-процессе исторического развития {филогенеза) и направляемый механизмами наследственности при постоянном взаимодействии организма с окружающей средой. При изменении условий включаются регуляторные механизмы, изменяющие процесс О. в. и э. 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 О. в. и э. 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 наз. типу обратной связи. Напр., количество АТФ в клетке, образуемое при окислительном фосфорилировании, определяет интенсивность этого процесса. Если синтез АТФ преобладает над его потреблением, то процесс окислительного фосфорилирования тормозится, и наоборот. Важная роль в регуляции О. в. и э. в клетках и тканях принадлежит биологич. мембранам, к-рые контролируют интенсивность поступления в клетку и выхода из нее различных соединений. Главной, координирующей, формой регуляции О. в. и э. у человека и животных является нервногормональная регуляция ферментативных реакций, лежащих в основе метаболизма. Напр., 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, к-рый тормозит процесс расщепления гликогена в печени, вследствие чего уменьшается поступление глюкозы в кровь. Центральная и вегетативная нервная система обеспечивают нервную регуляцию процессов О. в. и э. Эта регуляция осуществляется непосредственно (трофические влияния) или через гормоны, секретируемые железами внутренней секреции (см. Гормоны). Любое заболевание человека сопровождается нарушениями О. в. и э., к-рые особенно отчетливо проявляются при расстройствах функций нервной системы и желез внутренней секреции. О. в. и э. нарушается при неправильном питании (избыточный, недостаточный или качественно неполноценный пищевой рацион). П роявлением общего нарушения О. в. и э., обусловленного изменением интенсивности окислительных процессов, являются сдвиги в основном обмене. Основной обмен (обмен веществ в покое) — это то количество тепла, к-рое 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 физич. и психич. покоя, утром, натощак) с помощью специальной аппаратуры. В норме основной обмен составляет 1600—1700 ккал в сутки; у людей, занимающихся тяжелым физич. трудом, он возрастает до 5000 ккал в сутки. Повышение основного обмена наблюдается при заболеваниях, связанных с усилением функции щитовидной железы, понижение — при заболеваниях, связанных с недостаточностью функции этой железы (см. Зоб диффузный токсический), а также наблюдается при снижении функции гипофиза, надпочечников, половых желез и при общем голодании. Выделяют нарушения белкового, жирового, углеводного, минерального и водносолевого обмена. Однако все виды обмена веществ взаимосвязаны и это деление является условным. Н арушения О. в. и э. 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 О. в. и э. основывается tia исследовании газообмена, соотношений между количеством поступающих веществ и их выделением из организма, определением химич. состава крови, мочи и др. Лечение нарушений О. в. и э. гл. обр. направлено на устранение причин, к-рые их вызвали, или на лечение основного заболевания, к-рое сопровождается изменением О. в. и э-