Глава 8. Общие закономерности обмена веществ и энергии в организме

С точки зрения термодинамики, все системы по характеру обме­на с окружающей средой делятся на три вида:

1) изолированные - нет обмена со средой ни веществом, ни энер­гией;

2) закрытые - обмен со средой только энергией;

3) открытые - обмен со средой и веществом, и энергией.

Примерами открытых систем могут служить озеро или река, до­менная печь, узел трения какого - либо станка или машины, а также жи­вой организм. Во всех этих системах происходит преобразование химиче­ских соединений, взаимодействие их друг с другом, разрушение одних из них и синтез других, и все эти процессы сопровождаются изменением энергии. Однако при этом неживая система любого типа в отличие от живой не самообновляется, а лишь видоизменяется.

Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельно­сти любого организма. Прекращение этого обмена означает прекращение жизни. Обмен веществ и обмен энергии неразрывно связаны и представ­ляют собой диалектическое единство.

8.1. Обмен веществ

В обмене веществ организма выделяют внешний обмен, вклю­чающий поступление веществ из среды в организм (в результате питания и дыхания) и выделение конечных продуктов обмена, а также промежу­точный обмен. Под промежуточным обменом, или метаболизмом, пони­мают совокупность всех химических реакций, протекающих в живом ор­ганизме, включая усвоение веществ (ассимиляция) и их расщепление (диссимиляция) до конечных продуктов, и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения.

Определенная последовательность химических превращений какого-либо вещества в организме называется метаболическим путем, а образующиеся промежуточные продукты - метаболитами.

Метаболизм осуществляется при условии и в результате посто­янного взаимодействия организма и среды. В связи с этим ход и характер этого процесса зависят от условий внешней среды. Характерные организмам химические превращения осуществляются лишь в определенных, ограни­ченных интервалах температуры, давления, радиации; лишь при условии постоянного притока веществ, пригодных для организма, и оттока ве­ществ, которые уже не могут служить исходным материалом для по­строения органов и тканей организма.

При изменениях состояния организма (температурные измене­ния, прием пищи, смена умственного труда физическим, переход от сна к двигательной активности) концентрация метаболитов в организме изме­няется и система (организм) переходит в новое стационарное состояние с новыми скоростями метаболических превращений или их направлением.

Таким образом, любой живой организм представляет саморегу­лирующуюся систему, закономерно и адекватно изменяющуюся при из­менении условий среды, которые организм ассимилирует. Саморегуляция обмена веществ и энергии - важнейшее свойство живых систем.

При нормальном обмене веществ и энергии организм человека находится в стационарном состоянии, то есть его масса сохраняется по­стоянной. Некоторые величины, характеризующие обмен веществ у чело­века, приведены в табл.10.

Основную массу элементов, из которых построены пищевые ве­щества, а также организм человека, составляют С, Н, О и N. Эти же эле­менты входят в состав главных конечных продуктов обмена веществ -СО₂, Н₂О и мочевины. Кроме этих продуктов человек выделяет с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом много и других веществ, но в незна­чительных количествах. Однако физиологическое значение выделения таких веществ может быть велико. Например, нарушение выделения про­дуктов распада гена или лекарственных препаратов может быть причи­ной нарушения обмена веществ и энергии, приводящего к заболеванию.

Основные пищевые вещества, как правило, представляют собой полимеры, которые не могут быть усвоены клетками организма. В желу­дочно-кишечном тракте они под действием ферментов-гидролаз расщеп­ляются на мономеры - в этом сущность пищеварения. В результате из различных белков, полисахаридов, жиров получается 20 белковых ами­нокислот, небольшое число моносахаридов (в основном, глюкоза, фрук­тоза, галактоза), глицерин, жирные кислоты (главным образом олеино­вая, стеариновая, пальмитиновая). Мономеры легко проникают через клеточные мембраны кишечного эпителия и, попадая в лимфу и кровь, транспортируются во все органы и ткани, где и используются в процессе метаболизма.

Таблица 10. Суточный обмен человека

(средние величины для взрослого человека с массой 70 кг.)

Вещества	Содержание в организме, г	Суточное потребление, г	Суточное выделение, г
О2	-	850	-
СО2	-	-	1000
Н2О	42000	2200	2600
Органические вещества:
белки	15000	80	-
липиды	10000	100	-
углеводы	700	400	-
нуклеиновые кислоты	700	-	-
мочевина	-	-	30
Минеральные соли	3500	20	20
Всего	71900	3650	3650

Различают две стороны метаболизма - анаболизм и катаболизм.

Анаболизм - это синтез сложных молекул из более простых, на­правленный на образование и обновление структурно-функциональных компонентов клетки, таких как белки, нуклеиновые кислоты, гормоны, коферменты и другие. Анаболические процессы преимущественно вос­становительные и требуют затрат энергии (эндергомические).

Катаболизм - это расщепление сложных молекул как поступив­ших с пищей, так и входящих в состав клетки, до простых компонентов (в конечном итоге чаще всего до СО₂ и Н₂О). Катаболические процессы обычно окислительные и сопровождаются выделением энергии (экзергонические).

Обе стороны метаболизма взаимосвязаны в пространстве и во времени, при этом установлена принципиальная общность совокупности метаболических превращений у разных видов живых организмов. Источ­ником энергии для реакций анаболизма служат процессы катаболизма.

При распаде веществ до конечных продуктов обмена у взрослого человека, например, освобождается 8000 - 12000 кДж энергии в сутки.

Энергия катаболизма используется не только в анаболических процессах, но и для обеспечения функциональной активности клетки (рис 22).

Рис.22. Схема метаболизма

Структурно-функциональные компоненты клеток непрерывно обновляются. В организме происходит постоянно и распад, и синтез структурных компонентов клеток. В растущем организме скорость обра­зования их превышает скорость распада, у взрослого человека скорости этих процессов одинаковы.

Катаболические и анаболические процессы, в особенности у эукариотов, отличаются по своей локализации в клетке. Принадлежность различных ферментных систем определенным участкам клетки (компартментализация) обеспечивает как разделение, так и интеграцию внутри­клеточных функций, возможность протекания в одно и то же время как анаболических, так и катаболических процессов и тем самым соответствующую регуляцию процессов обмена веществ и энергии в клетке.