Глава 5. Общее понятие об обмене веществ и энергии

Одной из характерных особенностей живого организма является его неразрывная связь с окружающей средой. Организм постоянно

воспринимает питательные вещества извне, видоизменяет их, превращает в себе подобные, извлекает из них энергию и выделяет отработанные продукты. Совокупность химических реакций, обеспечивающих связь живого с окружающей средой, и составляет обмен веществ.

Обмен веществ (или метаболизм) состоит из двух процессов: ассимиляции (или анаболизма) - синтеза характерных для организма соединений и диссимиляции (или катаболизма) - распада веществ и выведения продуктов этого распада из организма. Совокупность процессов ассимиляции (синтеза) и диссимиляции (распада) составляет основу жизни. Химические реакции, составляющие эти процессы, взаимосвязаны и протекают в определённой последовательности. Различают общий (внешний) обмен веществ, учитывающий поступления в организм веществ и их выделение, и промежуточный обмен веществ, который охватывает превращения этих веществ в организме.

Первым этапом обмена веществ является превращение поступивших веществ пищи в желудочно-кишечном тракте. Превращение начинается в ротовой полости, однако основные пищеварительные процессы протекают в тонком кишечнике. Далее процессы промежуточного обмена веществ совершается внутри клеток, и понятие внутриклеточного почти совпадает с понятием промежуточного обмена.

Изучение общего обмена веществ состоит в определении баланса поступивших и выделившихся веществ и проводится в основном в физиологических исследованиях, в то время как биохимические исследования главным образом направлено на изучение внутриклеточных превращений. Обмен веществ может быть изучен как в целостном организме, так и вне организма, т. е. в отдельных удаленных органах и тканях.

В тесной взаимной связи с обменом веществ в организме находятся реакции превращении энергии. Процессы катаболизма на некоторых своих этапах сопровождаются генерированием энергии, запасаемой в виде фосфатных связей, обычно в форме АТФ. Эти процессы получили названия экзергонических. Анаболические реакции, напротив, утилизируют энергию фосфатных связей и называются эндергоническими.

Энергия, заключённая в молекулах пищи, выделяется в процессе их превращения в организме в виде тепла. Значительная часть этой энергии запасается в виде макроэргических связей в молекуле АТФ, других нуклеотидтрифосфатов, ацилфосфатов, креатинфосфатов и др. Эти вещества могут как запасать, так отдавать энергию.

Высвобождение энергии пищи в организме можно условно разбить на три этапа. Первый этап включает в себя процессы переваривания и всасывания пищи. На этом этапе высвобождается очень незначительное количество энергии. Второй этап состоит из различных превращений моноструктурных единиц в клетках и тканях до веществ, представляющих основной энергетический материал, например, превращение моносахаридов, глецирина и жирных кислот до ацетил-КоА. На этом этапе образуется 1/3 от всего количества энергии. Основную часть энергии (почти 2/3 ) даёт третий этап – это цикл Кребса (цикл ди- и трикарбоновых кислот) , представляющий собой систему химических реакций, в ходе которых ацетил – КоА окисляется до СО₂и Н₂О.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТРЕБНОСТИ ОРГАНИЗМА В ЭНЕРГИИ.

Необходимая энергия в организме образуется за счет катаболизма углеводов, жиров и белков. При окислении в организме человека 1г. углеводов освобождается 4,2 ккал энергии, 1г. жиров-9,4 ккал, а 1г.-4,1 ккал.

Баланс энергии определяют на основе данных о калорийности потребляемых питательных веществ и энергетических затрат самого организма. Для этого, во-первых, необходимо определить калорийность пищевых веществ, т. е. величину энергии пищи, и, во-вторых, энергию, выделившуюся в организме в виде тепла и механической работы.

Определение калорийности питательных веществ производится обычно калориметрическим методом путем сжигания в калориметрической «бомбе». Определение энергетических затрат самого организма производится также экспериментальным путем и выражается в килокалориях. Для этой цели существуют специальные методы, которые сводятся к прямой и непрямой калориметрии. При прямой калориметрии учитывается количество тепла в килокалориях, которое освобождается за сутки. Для этих целей служат просторные камеры, в которых человек может свободно двигаться и совершать работу.

Метод непрямой калориметрии является наиболее распространенным и простым. С помощью этого метода об энергетических затратах судят по количеству поглощенного организмом кислорода и выделенного углекислого газа. Объемные отношения между потребленным кислородом и образовавшимся при этом углекислым газом составляет величину дыхательного коэффициента- СО₂/О₂.

Дыхательный коэффициент при окислении углеводов равен 1. Это означает, что при окислении в тканях углеводов до углекислоты и воды объем выделенной углекислоты равен объему поглощенного кислорода. Что это действительно так, явствует из уравнения окисления углеводов (см. с. 62). Дыхательный коэффициент для жиров равен 0,7. Это говорит о том, что объем выделенной углекислоты при окислении в тканях жиров всегда меньше объема поглощенного кислорода. Это совершенно понятно, так как по сравнению с углеводами жиры содержат в своей молекуле меньше кислорода. Дыхательный коэффициент для белков равен 0,8.

В клинике для характеристики энергетического обмена используют определение величин так называемого основного обмена, при измерении которого проводят определение количества потребленного кислорода и выделенного СО₂ (часто измеряют лишь количество потребленного кислорода) натощак в состоянии полного покоя за 1 час. Размер основного обмена в норме составляет около 1 ккал в 1 час на 1 кг веса. Эти энерготраты идут на обеспечение основных процессов жизнедеятельности организма (работу мозга, кровообразование, дыхание и т. д.).