Обмен веществ и энергии 3

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ - совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Является основой жизнедеятельности и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи, отличающих живое от неживого. В процессе обмена поступившие в организм вещества путем хим. изменений превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продукты, к-рые выводятся из организма. При этих хим. превращениях освобождается и поглощается энергия. Обмен веществ, или метаболизм, представляет собой процесс, в к-ром участвует множество ферментных систем и к-рый обеспечен сложнейшей регуляцией на разных уровнях.
У всех организмов клеточный метаболизм выполняет четыре основные специфические функции: извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию высокоэргических, или макроэргических, соединений в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; образование из экзогенных веществ (или получение в готовом виде) промежуточных соединений, являющихся предшественниками макромолекулярных компонентов клетки; синтез белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов из этих предшественников; синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад к-рых связаны с выполнением различных специфических функций данной клетки.
Для понимания сущности обмена веществ и энергии в живой клетке нужно учитывать ее энергетическое своеобразие. Все части клетки имеют примерно одинаковую температуру, т. е. клетка изотермична. Различные части клетки мало отличаются и по давлению. Т. о., клетки не способны использовать тепло в качестве источника энергии, т. к. работа при постоянном давлении может совершаться лишь при переходе тепла от более нагретой зоны к менее нагретой. Поэтому живую клетку можно рассматривать как изотермическую химическую машину.
С точки зрения термодинамики живые организмы являются открытыми системами, поскольку они обмениваются энергией и веществом с окружающей средой. Однако живые организмы не находятся в равновесии с окружающей средой и поэтому могут быть названы неравновесными открытыми системами. Тем не менее при наблюдении в течение определенного отрезка времени в хим. составе организма видимых Изменений не происходит. Кажущееся постоянство хим. состава живого организма объясняется тем, что скорость переноса вещества и энергии из среды в систему точно уравновешивается скоростью переноса из системы в среду.
Источник углерода и энергии для жизнедеятельности. Все клетки можно разделить на большие группы в зависимости от того, в какой форме они получают из окружающей среды углерод и энергию. По форме получаемого углерода клетки делят на аутотрофные - "сами себя питающие", использующие в качестве единственного источника углерода двуокись углерода СО2 (углекислый газ), из к-рой они способны строить все нужные им углеродсодержащие соединения; и гетеротрофные - "питающиеся за счет других", не способные усваивать СО2 и получающие углерод в форме сравнительно сложных органических соединений, таких, напр., как глюкоза. В зависимости от формы потребляемой энергии клетки бывают фототрофными - непосредственно использующими энергию солнечного света, и хемотрофными - живущими за счет хим. энергии, освобождающейся в ходе окислительно-восстановительных реакций (см. Дыхание тканевое). Подавляющее большинство аутотрофных организмов является фототрофными, или фототрофами. Это зеленые клетки высших растений, сине-зеленые водоросли, Фотосинтезирующие бактерии. Гетеротрофные организмы чаще всего ведут себя как хемотрофные, или хемотрофы. К гетеротрофным организмам относятся все животные, большая часть микроорганизмов, нефотосинтезирующие клетки растений. Исключение представляет небольшая группа бактерий (водородные, серные, железные и денитрофицирующие), к-рые по форме используемой энергии являются хемотрофами, но в то же время источником углерода для них служат СО2. Гетеротрофные клетки, в свою очередь, можно разделить на два больших класса: аэробы, к-рые в качестве конечного акцептора электронов в дыхательной цепи используют кислород, и анаэробы, где такими акцепторами служат другие вещества. Многие клетки (факультативные анаэробы) могут существовать как в аэробных, так и в анаэробных условиях. Клетки, совершенно не способные использовать кислород и даже гибнущие в его атмосфере, получили название облигатных анаэробов.
Все живые организмы биосферы так или иначе связаны друг с другом с точки зрения питания. Это явление носит название синтрофии - "совместного питания". Фототрофы, являясь Фотосинтезирующими организмами, образуют из содержащегося в атмосфере СО2 органические вещества (напр., глюкозу) и выделяют в атмосферу кислород; гетеротрофы используют глюкозу и кислород в процессе свойственного им метаболизма и в качестве конечного продукта обмена возвращают в атмосферу СО2. Этот круговорот углерода в природе теснейшим образом связан с планетарным энергетическим циклом. Солнечная энергия преобразуется в ходе фотосинтеза в хим. энергию восстановленных органических молекул, к-рая используется гетеротрофами для покрытия своих энергетических потребностей. Хим. энергия, получаемая гетеротрофами, особенно высшими организмами, из окружающей среды, частично превращается непосредственно в тепло (поддержание постоянной температуры тела), а частично - в другие формы энергии, связанные с выполнением различного рода работы: механической (мышечное сокращение), электрической (проведение нервного импульса), химической (биосинтетические процессы, протекающие с поглощением энергии), работы, связанной с переносом веществ (железы, кишечник, почки и др.).
Между обменом вещества и обменом энергии существует одно принципиальное различие. Земля не теряет и не получает сколько-нибудь заметного количества вещества. Вещество в биосфере обменивается по замкнутому циклу и т. о. используется многократно. Обмен энергией осуществляется иначе. Она не возвращается целиком по замкнутому циклу, а частично рассеивается во внешнее пространство. Поэтому для поддержания жизни на Земле необходим постоянный приток энергии Солнца. Количество энергии, участвующей в биол. круговороте, огромно. За один год в процессе фотосинтеза на земном шаре поглощается ок. 1021 кал солнечной энергии. Хотя это составляет лишь 0, 02% всей энергии Солнца, это неизмеримо больше, чем та энергия, к-рая используется всеми машинами, созданными руками человека. Столь же велико количество участвующего в круговороте вещества (годовой оборот углерода составляет 33-Ю9 т).
Кругооборот азота. Не менее важным для живых организмов элементом, чем углерод, является азот, необходимый для синтеза белков и нуклеиновых к-т. Главным резервом азота на Земле служит атмосфера, почти на 4/5 состоящая из молекулярного азота. Однако вследствие хим. инертности атмосферного азота живые организмы, кроме азотфиксирующих бактерий, его не усваивают. Восстановленный азот, попадающий в почву в виде аммиака как продукт обмена веществ у животных или образуемый азотфиксирующими бактериями, подвергается почвенными микроорганизмами окислению до нитритов и нитратов, к-рые попадают из почвы в высшие растения, где восстанавливаются с образованием аминокислот, аммиака и ряда других азотсодержащих продуктов. Уже в готовом виде эти соединения попадают в организм животных, питающихся растительной пищей, затем в организм хищных животных, поедающих травоядных, и все еще в восстановленной форме возвращаются в почву, после чего весь цикл повторяется снова.
Валовой (суммарный) обмен веществ и энергии. Законы сохранения вещества и энергии послужили теоретической основой для разработки важнейшего метода исследования обмена веществ и энергии - установления балансов, т. е. определения количества энергии и веществ, поступающих в организм и покидающих его в форме тепла и конечных продуктов обмена. Для определения баланса веществ потребовались создание точных хим. методов их определения и знание путей выделения различных веществ из организма. Известно, что главными пищевыми веществами являются белки, липиды (жиры) и углеводы. Как правило, для оценки содержания белков в пище и в продуктах распада достаточно определить количество азота, т. к. практически весь азот пищи находится в белках; незначительным количеством азота, входящим в состав нек-рых липидов и углеводов, можно пренебречь. Содержание азота в белках приблизительно постоянно и составляет в среднем 16 г на 100 г белка, 1 г выделенного азота соответствует б 25 г белка, вовлеченного в метаболизм. Определение липидов и углеводов в пищевых продуктах производится специфическими методами, конечными же продуктами обмена липидов и углеводов являются почти исключительно СО2 и вода.
При анализе конечных продуктов обмена веществ необходимо принимать во внимание пути выделения их из организма. Азот выделяется гл. обр. с мочой, но также и с калом и в небольшом количестве через кожу, волосы и ногти. Углерод выделяется почти исключительно в форме СО2 через легкие, но нек-рое его количество выделяется с мочой и калом. Водород в виде воды выделяется преимущественно с мочой и через легкие (водяной пар), но также через кожу и с калом.
Баланс энергии определяют на основании учета калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, к-рое может быть измерено или рассчитано. При этом надо учитывать, что абсолютная величина калорийности может отличаться от физиол. калорической (энергетической) ценности пищевых веществ, т. к. некоторые вещества в организме полностью не сгорают, а образуют конечные продукты обмена, еще способные к дальнейшему окислению. В первую очередь это относится к белкам, азот к-рых выделяется из организма гл. обр. в виде мочевины, сохраняющей нек-рый потенциальный запас калорий.
Важной величиной, характеризующей особенности обмена отдельных веществ, является дыхательный коэффициент (ДК), который численно равен отношению объема выдыхаемого СО2 к объему поглощенного О2. Калорическая ценность, ДК и величина теплообразования, рассчитанная на 1 л потребленного О2, для разных веществ различны. Средние значения этих величин для важнейших пищевых веществ приведены в таблице 1. Эти данные широко используются для количественных расчетов, проводимых при характеристике энергетического обмена в организме животных и человека. Зная количество поглощенного О2, выдохнутого СО2 и выделенного с мочой азота можно вычислить теплопродукцию и количество белка, углеводов и липидов, превращенных до конечных продуктов за определенный период времени.
Влияние различных условий на обмен веществ и энергии. Интенсивность обмена, оцениваемая по общему расходу энергии, может меняться в зависимости от многих условий и в первую очередь от физической работы. Однако и в состоянии полного покоя обмен веществ и энергии не прекращается, и для обеспечения непрерывного функционирования внутренних органов, поддержания тонуса мышц и др. расходуется энергия. Для оценки индивидуальных особенностей обмена веществ принято определять интенсивность обмена в так наз. стандартных условиях, т. е. при полном физическом и психическом покое, в положении лежа, через 14 ч после последнего приема пищи, при окружающей температуре, обеспечивающей ощущение комфорта. Полученную величину называют основным обменом. Так, у молодых мужчин основной обмен составляет 1300- 1600 ккал/сутки или 40 ккал/м2/ч. С возрастом (начиная с 5 лет) величина основного обмена неуклонно снижается (с 52, 7 ккал/м2/ч у шестилетних мальчиков до 34, 2 ккал/м2/ч у мужчин 75-79 лет). У женщин величина основного обмена на 6-10% ниже, чем у мужчин. С повышением температуры тела на 1° величина основного обмена у человека увеличивается приблизительно на 13%. Возрастание интенсивности обмена наблюдают также при снижении температуры окружающей среды ниже зоны комфорта. При сравнении основного обмена у лиц с разным весом тела было замечено, что обмен делается более интенсивным с увеличением размеров тела, однако прямой пропорциональности между основным обменом и массой тела не отмечено; большее соответствие наблюдается между основным обменом и поверхностью тела, т. к. именно поверхность тела
Нормальные величины суточной потребности в калориях для городского населения в зависимости от рода деятельности (данные Института питания АМН СССР) в значительной мере определяет потерю тепла путем проведения и излучения.
Определяющее влияние на величину обмена веществ и энергии оказывает физическая работа. Обмен при интенсивной физической нагрузке по расходу энергии может в 10 раз превышать основной обмен, а в очень короткие периоды времени (напр., при заплыве на короткие дистанции) даже в 100 раз. Суточная потребность в калориях определяется, в первую очередь, характером выполняемой работы (табл. 2).
Среди факторов, влияющих на обмен веществ и энергии, имеет значение особое свойство пищи, называемое ее специфически-динамическим действием (СДД). При потреблении человеком или животным пищевых продуктов теплоотдача возрастает на величину, превышающую количество калорий, содержащихся в принятой пище. Это свойство, к-рое оказалось различным для разных пищевых веществ, и было названо СДД. Наиболее высоким СДД отличаются белки. Принято считать, что прием белка с потенциальной калорической ценностью 100 ккал увеличивает энергетический обмен до 130 ккал, то есть СДД составляет 30%. У углеводов и жиров СДД находится в пределах 4-6%. Главным в механизме СДД следует считать влияние пищевых продуктов на промежуточный обмен. Так, расчеты показали, что количество калорий, затрачиваемое на образование 1 моля АТФ (см. Аденозинфосфорные кислоты) при метаболизме белков, примерно на 30% выше, чем при обмене жиров и углеводов.
Промежуточный обмен веществ. Совокупность хим. превращений веществ, к-рые происходят в организме начиная с момента поступления переваренных пищевых веществ в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называют промежуточным или межуточным обменом (промежуточным метаболизмом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса: катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция). Катаболизм - это ферментативное расщепление сравнительно крупных органических молекул, осуществляемое у высших организмов, как правило, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в сложных структурах крупных органических молекул, и запасанием ее в форме энергии фосфатных связей АТФ. Анаболизм - это ферментативный синтез из более простых соединений крупномолекулярных клеточных компонентов, таких как полисахариды, нуклеиновые к-ты, белки, липиды, а также нек-рых их предшественников. Анаболические процессы протекают с потреблением энергии. Катаболизм и анаболизм происходят в клетках одновременно и неразрывно связаны друг с другом. По существу, их следует рассматривать не как два отдельных процесса, а как две стороны одного общего процесса - метаболизма, в к-ром превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращениями энергии.
Более подробное рассмотрение метаболических путей показывает, что расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих три главные стадии катаболизма. На первой стадии крупные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз (см. Углеводы), белки - до аминокислот, нуклеиновые к-ты - до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды - до жирных к-т, глицерина и других веществ. Все эти реакции протекают в основном гидролитическим путем (см. Гидролиз), и количество энергии, освобождающейся на этой стадии, очень невелико - менее 1 %. На второй стадии катаболизма формируются еще более простые молекулы, причем число их типов существенно уменьшается. Очень важно, что на второй стадии образуются продукты, к-рые являются общими для обмена разных веществ. Эти продукты представляют собой ключевые соединения, являющиеся как бы узловыми станциями, соединяющими разные пути метаболизма. К таким соединениям относятся, напр., пируват, образующийся при распаде углеводов, жиров и многих аминокислот; ацетил-КоА, дополнительно объединяющий обмен жирных к-т, углеводов и многих аминокислот; альфа-кетоглутарат, оксалоацетат, фумарат и сукцинат, образующиеся из разных аминокислот, и др. Продукты, образовавшиеся на второй стадии катаболизма, вступают в третью стадию катаболизма, к-рая известна под названиями цикла трикарбоновых к-т, терминального окисления, цикла лимонной к-ты, цикла Кребса. В ходе этой стадии все продукты в конечном счете окисляются до СО2 и воды. Практически вся энергия, заключенная в превращаемых веществах, освобождается на второй и третьей стадиях катаболизма.
Процесс анаболизма тоже проходит три стадии. Исходными веществами для него служат те продукты, к-рые подвергаются превращениям на третьей стадии катаболизма. Т. о., третья стадия катаболизма является в то же время первой, исходной стадией анаболизма. Реакции, протекающие на этой стадии, выполняют как бы двойную функцию. С одной стороны, они участвуют в завершающих этапах катаболизма, а с другой служат и для анаболических процессов, поставляя вещества-предшественники для последующих стадий анаболизма. Нередко такие реакции называют амфиболическими. На этой стадии, напр., начинается синтез белка. Исходными реакциями этого процесса можно считать образование нек-рых альфа-кетокислот. На следующей, второй стадии анаболизма в ходе реакций аминирования или трансаминирования эти к-ты превращаются в аминокислоты, к-рые на третьей стадии анаболизма объединяются в полипептидные цепи. В результате ряда последовательных реакций происходит также синтез нуклеиновых к-т, липидов и полисахаридов. Однако пути анаболизма не являются простым обращением процессов катаболизма. Нек-рые реакции катаболизма практически необратимы, поэтому в ходе эволюции были выработаны другие, обходные реакции, позволившие обойти эти тупики.
Катаболический и анаболический пути отличаются, как правило, и по своей локализации в клетке. Напр., окисление жирных кислот до ацетата осуществляется с помощью набора ферментов, локализованных в митохондриях, тогда как синтез жирных к-т катализирует другая система ферментов, находящихся в цитозоле. Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно.
В многообразии путей метаболизма можно усмотреть проявление удивительного единства, к-рое представляет собой наиболее типичную и специфическую черту обмена веществ. Это единство состоит в том, что биохим. реакции от бактерий до самой высокодифференцированной ткани высшего организма не только внешне сходны, напр. по балансовым уравнениям, внешним эффектам, но и абсолютно тождественны во всех деталях. Другим проявлением такого единства следует считать циклическое протекание важнейших метаболических процессов (напр., цикл трикарбоновых к-т, цикл мочевины, аденозинтрифосфатный цикл, пентозный путь и др.). Видимо, и эти биохим. реакции, отобранные и закрепленные в ходе эволюции, и циклический способ их протекания оказались наиболее приспособленными для обеспечения физиол. функций организмов.
Регуляция обмена веществ и энергии. Клеточный метаболизм характеризуется высокой устойчивостью и в то же время значительной изменчивостью. Оба эти свойства, представляющие собой диалектическое единство, обеспечивают постоянное приспособление клеток и организмов к меняющимся условиям окружающей и внутренней среды. Так, скорость катаболизма в клетке определяется потребностью клетки в энергии в каждый данный момент. Точно так же скорость биосинтеза клеточных компонентов определяется нуждами данного момента. Клетка, напр., синтезирует аминокислоты именно с той скоростью, к-рая достаточна для того, чтобы обеспечить возможность образования минимального количества необходимого ей белка. Такая экономичность и гибкость метаболизма объясняется тонкими и чуткими механизмами его регуляции на разных уровнях постепенно возрастающей сложности. Простейший тип регуляции затрагивает все основные параметры, влияющие на скорость ферментативных реакций (см. Ферменты). К ним относятся величина рН среды (см. Водородный показатель), концентрация кофермента, субстрата, продукта реакции, наличие активаторов или ингибиторов и т. д. Воздействие на каждый из этих параметров может изменить скорость ферментативной реакции. Напр., накопление кислых продуктов реакции может сдвинуть рН среды за пределы оптимума для данного фермента и таким образом затормозить процесс. Нередко ингибитором фермента является сам субстрат, и при его высокой концентрации реакция не идет (см. Ингибиторы).
Следующий уровень регуляции сложных метаболических процессов касается многоферментных реакций, к-рые обеспечивают строгую последовательность превращений веществ и катализируются целой системой ферментов. В такой системе существуют регуляторные ферменты, расположенные обычно в начальных звеньях цепи реакций. Регуляторные ферменты, как правило, ингибируются конечным продуктом этой метаболической последовательности. Т. о., накопление продукта реакции до определенной концентрации прекращает дальнейшее его образование.
Третий уровень регуляции - это генетический контроль, определяющий скорость синтеза ферментов, к-рая может сильно варьировать. Регуляция на уровне гена может привести к увеличению или уменьшению концентрации тех или иных ферментов, к изменению типов ферментов, к изменению относительного содержания в клетке различных форм данного фермента, к-рые, катализируя одну и ту же реакцию, различаются по своим каталитическим свойствам. Наконец, в нек-рых случаях может иметь место индукция или подавление одновременно целой группы ферментов. Генетическая регуляция отличается высокой специфичностью, экономичностью и обеспечивает широкие возможности для контроля метаболизма.
У высших животных и человека существуют еще два уровня, или два механизма, регуляции обмена веществ и энергии, к-рые отличаются тем, что связывают между собой метаболизм, совершающийся в разных тканях и органах, и таким образом направляют и приспосабливают его для выполнения функций, присущих не отдельным клеткам, а всему организму в целом. Таким механизмом, прежде всего, является эндокринная система. Гормоны, вырабатываемые железами внутренней секреции, служат хим. посредниками, или медиаторами, стимулирующими или подавляющими определенные метаболические процессы в других тканях или органах.
Самым высшим уровнем регуляции, наиболее совершенной ее формой является нервная регуляция. Нервная система, в частности ее центральные отделы, выполняет в организме высшие интегративные функции. Получая сигналы из окружающей среды и от внутренних органов, ц. н. с. преобразует их и направляет импульсы к тем органам, изменение скорости метаболизма в к-рых необходимо в данный момент для выполнения определенной функции. Чаще всего свою регулирующую роль нервная система осуществляет через железы внутренней секреции, усиливая или подавляя поступление гормонов в кровь. Хорошо известно влияние эмоций на метаболизм, напр. предстартовое повышение показателей обмена веществ и энергии у спортсменов, усиленное образование адреналина и связанное с этим повышение концентрации глюкозы в крови у студентов во время экзаменов и др. Во всех случаях действие нервной системы на обмен веществ и энергии направлено на наиболее эффективное приспособление организма к изменившимся условиям.
Нарушения обмена веществ и энергии лежат в основе всех функциональных изменений и органических повреждений органов и тканей, ведущих к возникновению болезни. Происходящие при этом изменения в протекании хим. реакций сопровождаются большими или меньшими сдвигами в энергетических процессах. Различают 4 уровня, на к-рых могут происходить нарушения обмена веществ и энергии: молекулярный; клеточный; органный и тканевой; целостный организм. Нарушения обмена веществ и энергии на любом из этих уровней могут носить первичный или вторичный характер. Во всех случаях они реализуются на молекулярном уровне, на к-ром изменения обмена веществ и энергии и приводят к нарушениям функций организма.
Нормальное протекание метаболизма на молекулярном уровне обусловлено гармоничным сочетанием процессов катаболизма и анаболизма. При нарушении катаболических процессов прежде всего возникают энергетические трудности, нарушаются регенерация АТФ, а также поступление необходимых для биосинтетических процессов исходных субстратов анаболизма. В свою очередь, первичное или связанное с изменениями процессов катаболизма повреждение анаболических процессов ведет к нарушению воспроизведения функционально важных соединений - ферментов, гормонов и др. Повреждение различных звеньев метаболизма по своим последствиям неравнозначно. Наиболее существенные, глубокие нарушения катаболизма происходят при повреждении системы биологического окисления (блокада ферментов тканевого дыхания, гипоксия и пр.) или при повреждении механизмов сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования (напр., эффект их разобщения при тиреотоксикозе). Клетки лишаются основного источника энергии. Примерно на две трети сокращается выработка энергии в реакциях катаболизма при блокировании цикла трикарбоновых к-т, в частности его ключевой реакции - синтеза лимонной к-ты. При нарушении нормального течения гликолитических процессов (гликолиза, гликогенолиза) организм лишается способности адаптироваться к гипоксии, что особенно отражается на функционировании мышечной ткани.
Нарушение использования углеводов, уникальных метаболических источников энергии в условиях недостатка кислорода, является одной из причин существенного снижения мышечной силы у больных сахарным диабетом. Ослабление гликолитических процессов затрудняет метаболическое использование углеводов (см. Углеводный обмен), ведет к гипергликемии, переключению биоэнергетики на липидные и белковые субстраты, к угнетению цикла трикарбоновых к-т. Возникают условия для накопления недоокисленных метаболитов - кетоновых тел, усиливается распад белков, интенсифицируется глюконеогенез. Развиваются ацетонемия (см. Кетоновые тела), азотемия, ацидоз. Утилизация липидов (см. Жировой обмен) затрудняется при торможении процессов липолиза (гидролитического расщепления молекул различных липидов), угнетении активирования жирных к-т, фосфорилирования глицерина. Последние два процесса страдают при недостаточной регенерации (восстановлении) высокоэргических (богатых энергией) соединений. Катаболизм белков и аминокислот может нарушаться при отклонениях в процессах протеолиза, трансаминирования, дезаминирования, расщепления углеродных скелетов аминокислот и при несостоятельности систем обезвреживания азотистых шлаков.
Ведущее значение при нарушении анаболизма имеют дефекты в системе биосинтеза нуклеиновых к-т и белков. Причиной нарушения синтеза нуклеиновых к-т и белков может быть блокирование отдельных стадий синтеза нуклеотидов и заменимых аминокислот. Нарушение глюконеогенеза - процесса анаболизма углеводов существенно сказывается на поддержании энергетического гомеостаза организма. Особое значение имеет ингибирование ферментов, катализирующих ряд ключевых реакций гликолиза и глюконеогенеза. Недостаток этих ферментов в результате ослабления их синтеза может наблюдаться при низком уровне секреции АКТГ (см. Адренокортикотропный гормон) и кортикостероидов. Биосинтез липидов может нарушаться при недостатке биотина в результате блокирования реакции карбоксилирования ацетил-КоА, а также при снижении интенсивности реакций пентозного пути. Недостаток холина, метионина, ненасыщенных жирных к-т, цитидилтрифосфатов сказывается на синтезе фосфолипидов. Дефицит пентоз, возникающий при блокировании пентозного пути, существенно тормозит синтез нуклеотидов, коферментов нуклеотидной природы и нуклеиновых к-т. Существенные нарушения обмена веществ и энергии, связанные с дисрегуляцией метаболизма, возникают при расстройстве процессов синтеза биологически активных веществ, особенно производных аминокислот (медиаторов, гормонов и др.).
При нарушении обмена веществ и энергии на клеточном уровне прежде всего повреждаются биол. мембраны (см. Мембраны биологические), что влечет за собой изменение нормальных взаимоотношений клетки с окружающей средой, а также клеточного метаболизма. Нарушаются оптимальная топография внутриклеточных ферментов, трансмембранный перенос, челночные механизмы обмена метаболитами между различными органеллами клетки. При повреждении мембран лизосом может начаться аутолиз компонентов цитозоля лизосомными протеолитическими ферментами, при нарушении целостности внутренней мембраны митохондрий прекращается образование АТФ и т. п. Важным следствием повреждения клеточных мембран является разбалансированность регуляторных механизмов метаболизма на клеточном уровне. Изменения в оболочке клеточного ядра и повреждения структур хроматина ведут к нарушению передачи генетической информации в цитозоль, препятствуют управлению активностью хроматина со стороны гормонов и внутриклеточных регуляторов синтеза белков. В результате нарушения процессов нормального распределения хромосомного материала в ходе деления клеток (на ранних стадиях эмбриогенеза) развиваются хромосомные болезни (см. Наследственные болезни) с тяжелыми нарушениями обмена веществ и энергии. Расстройства метаболизма на уровне клеточных структур могут возникать и в результате аутоиммунных процессов.
В зависимости от специфической роли тех или иных органов и систем при нарушении их функций страдают взаимоотношения внутриклеточного метаболизма с окружающей средой, ухудшается адаптация клеток к изменению условий окружающей среды или нарушаются метаболическое постоянство внутренней среды организма и регуляторные процессы. Особенно опасно нарушение биоэнергетики головного мозга. Резервные энергетические возможности позволяют мозгу переносить прекращение доставки энергетических субстратов (прежде всего глюкозы) и кислорода не более чем в течение 3-5 мин.
На уровне целостного организма при нарушении обмена веществ и энергии ведущее значение имеет расстройство процессов регуляции (выпадение регуляторных сигналов, их усиление или дискоординация вследствие гипофункции, гиперфункции и дисфункции ц. н. с. и желез внутренней секреции). Нарушения иннервации органов и тканей ведут к расстройствам трофики, механизмы к-рых связаны с дискоординацией или выпадением функцональных взаимосвязей в различных отделах нервной системы, а также с изменением нормальных взаимодействий медиаторов с клетками. Ослабление или усиление выработки гормонов, нарушение процессов их депонирования, выброса в кровь, транспорта, взаимодействия с рецепторами клеток-мишеней, инактивации ведут к развитию характерных расстройств обмена веществ и энергии организма в целом, как это имеет место при сахарном диабете, диффузном токсическом зобе, гипотиреозе и др. Крайними формами проявления этих расстройств являются ожирение и кахексия, сопровождающиеся глубокими нарушениями согласованности между процессами катаболизма и анаболизма.
Нарушения обмена веществ и энергии могут быть обусловлены действием как внешних, так и внутренних факторов. Внешними факторами являются качественные и количественные нарушения питания, поступление чужеродных токсических веществ (в т. ч. бактериальных токсинов), проникновение в организм патогенных микроорганизмов и вирусов. Недостаток незаменимых аминокислот и жирных к-т, микроэлементов, витаминов, несбалансированность содержания белков, жиров и углеводов в пище, несоответствие количественного (по калорийности) и качественного состава пищи конкретным энерготратам организма, существенные сдвиги в величине парциального давления кислорода и СО2 во вдыхаемом воздухе, появление во вдыхаемом воздухе угарного газа СО, окислов азота, других токсических газов, попадание в организм ионов тяжелых металлов, соединений мышьяка, цианидов, канцерогенов и др. ведут к нарушениям обмена веществ и энергии. Конечными объектами воздействия всех перечисленных факторов чаще всего являются ферменты.
К внутренним факторам, вызывающим нарушения обмена веществ и энергии, относятся генетически обусловленные дефекты в процессе синтеза или действия ферментов, дыхательных пигментов и транспортных белков (гемоглобина, трансферрина, церулоплазмина и др.), иммуноглобулинов, белковых и пептидных гормонов, структурных компонентов биол. мембран и др. В результате генетически обусловленного блокирования какого-либо фермента или системы ферментов в организме накапливаются их непревращенные субстраты - предшественники нарушенной стадии метаболизма. Генетически обусловленное блокирование гидролитических ферментов ведет к развитию так наз. болезней накопления (гликогенозов, гликозидозов, липидозов и др.). В нек-рых случаях накапливаются непревращенные соединения - продукты промежуточного обмена, метаболиты, нередко оказывающие токсическое действие на организм в результате ингибирования тех или иных ферментов (напр., галактоза или галактит при галактоземии, фенилпировиноградная к-та при фенилкетонурии). Нарушение нормального синтеза нек-рых, особенно важных функциональных белков, напр. гемоглобина (гемоглобинопатии), может привести к тяжелой тканевой гипоксии или к другим, не менее опасным состояниям. Известно большое число других болезней, характер расстройства обмена веществ и энергии при к-рых определяется функциональной ролью дефектного белка.
Обмен веществ и энергии у детей имеет особенности. В последние недели внутриутробного развития у плода резко активируются анаболические процессы. Сразу после рождения происходит активная адаптация метаболизма в связи с переходом на дыхание атмосферным кислородом и др. У грудного ребенка и в первые годы жизни наблюдается максимальная интенсивность обмена веществ и энергии, а затем отмечают нек-рое снижение его основных показателей.
Нарушение процессов репарации поврежденной ДНК в критические периоды внутриутробного развития влечет за собой формирование пороков развития. Характер этих пороков (множественных или изолированных) зависит от стадии эмбриогенеза, но не от специфической природы повреждающего воздействия (генная мутация, вирусная инфекция, токсические, радиационные поражения). Значительные нарушения метаболической адаптации во внутриутробном периоде или у новорожденных проявляются как симптомокомплекс родовой травмы новорожденного с поражением ц. н. с. или ведут к гибели ребенка.
В раннем детском возрасте при различных инфекциях и расстройствах питания особенно часто развиваются нарушения гомеостаза, токсический синдром, дегидратация (см. Обезвоживание организма), ацидоз, белково-энергетическая недостаточность. Нарушения анаболических процессов проявляются задержкой роста, что может быть связано с недостаточной секрецией соматотропного гормона, нанизмом, гипотиреозом, а также гиповитаминозами (см. Витаминная недостаточность), рахитом, хрон. воспалительными процессами. Инф. болезни, протекающие с поражением нервной системы, ведут к нарушениям липидного обмена, в частности процесса миелинизации мозга, обусловливая тем самым задержку нервно-психического развития ребенка. Большинство наследственных болезней обмена веществ проявляется в грудном и раннем детском возрасте (см. Наследственные болезни, Энзимопатии). К наиболее частой патологии обмена липидов относятся такие состояния, как ожирение, а также гиперлипопротеинемии, являющиеся факторами риска развития ишемической болезни сердца и гипертонической болезни. Нарушения генетического контроля синтеза иммуноглобулинов могут стать причиной развития иммунодефицитных состояний. Неустойчивость регуляции углеводного обмена в раннем детском возрасте создает предпосылки для возникновения гипогликемических реакций, ацетонемической рвоты. Рано проявляются ювенильные формы сахарного диабета (см. Диабет сахарный). Нередко причиной, обусловливающей нарушение обмена веществ у детей, служит дефицит микроэлементов.
В пубертатном периоде (периоде полового созревания) наступает новая перестройка метаболизма, происходящая под влиянием половых гормонов.
Неравномерными, разнонаправленными изменениями обмена веществ и энергии, ведущими к снижению адаптационных возможностей организма и способствующими возникновению болезней, характеризуется старение. При старении уменьшается количество метаболически активных белков и растет масса белков, метаболически инертных; неравномерно изменяются содержание и активность отдельных ферментов, соотношение их множественных форм, интенсивность синтеза, что служит причиной нарушения нормального течения ряда метаболических циклов. Величина основного обмена у пожилых и старых людей снижается. Старческий организм становится более чувствительным к недостатку кислорода. При старении уменьшается интенсивность дыхания многих тканей (тканей миокарда, мозга, почек и др.), причем снижается интенсивность не только окисления, но и фосфорилирования. В клетках уменьшается число митохондрий, и это ограничивает возможность клетки образовывать высокоэргические соединения, т. е. создавать запасы энергии. Весь комплекс изменений обмена веществ и энергии при старении ограничивает функциональные возможности клеток и органов и способствует развитию их недостаточности при повышенных нагрузках.
Диагностика нарушений обмена веществ и энергии осуществляется на основании результатов исследований крови, мочи, других биол. жидкостей и тканей. Суммарную оценку нарушений обмена веществ и энергии можно произвести путем определения основного обмена, азотистого баланса (см. Азотистый обмен), величины дыхательного коэффициента, сдвигов кислотно-щелочного равновесия и других параметров. Более детальную информацию получают при исследованиях концентрации отдельных метаболитов, как нормальных, так и патологических, т. е. обычно не образующихся или не присутствующих в биол. жидкостях в норме. Об органной локализации нарушений, о глубине повреждений клеточной структуры, а также о характере энзимопатии позволяют судить исследования ферментов в сыворотке крови. Степень разбалансированности регуляции обмена веществ и энергии может быть оценена путем исследования активности и концентрации в крови и моче гормонов, медиаторов, простагландинов и др.
Лечение болезней обмена веществ и энергии основывается на подборе соответствующей диеты, гормонотерапии, использовании для лечения веществ, имеющих специфическое сродство к отдельным железам внутренней секреции, терапии заболевания, являющегося причиной нарушения обмена веществ и энергии, и т. д. Кардинальное решение задачи лечения этих болезней связано с успехами генетической инженерии и направленной регуляции активности ферментов. Любое вмешательство в обменные процессы больного ребенка должно контролироваться с помощью соответствующих биохимических тестов. Энзимотерапия и индуцирование ряда ферментов с помощью введения гормонов коры надпочечников или щитовидной железы, а также нек-рых лекарственных средств и витаминов занимают все более заметное место в ряду мероприятий по коррекции нарушенного обмена веществ и энергии у детей. Отмечается так наз. пубертатный скачок роста, в механизме которого соматотропный гормон (гормон роста) не играет существенной роли (его концентрация в крови в этот период не повышается). Несомненное стимулирующее влияние на метаболизм в пубертатном периоде оказывает активация функции щитовидной железы. Допускают также, что в период полового созревания снижается интенсивность липолитических процессов. В дальнейшем регуляция гомеостаза у подростков становится устойчивой, поэтому тяжелых клин. синдромов, связанных с нарушением регуляции обмена, ионного состава жидкостей тела, кислотно-щелочного равновесия, в этом возрасте почти не встречается.
Основными путями профилактики нарушений обмена веществ и энергии являются так наз. сбалансированное питание, т. е. питание, качественный и количественный состав к-рого научно обоснован, включающее все витамины и микроэлементы в оптимальных для организма соотношениях, а также рациональный режим труда и отдыха, защита окружающей среды от токсичных веществ; в профилактике эндогенных нарушений (молекулярных болезней) - медико-генетическое консультирование, ранняя диагностика и лечебное питание.
В. И. Розенгарт, Р. А. Зарембский, Ю. Е. Вельп