8. Обмен веществ

Обмен веществ обеспечивает выполнение двух функций: пластическую и энергетическую, наиболее «нежной», легко повреждаемой из которых является энергетическая. Большинство процессов жизнедеятельности клеток совершается с использованием энергии. Она расходуется на поддержание целостности клеточных структур, сохранение ионных градиентов, обеспечения биосинтетических процессов, обеспечение специфических форм клеточной активности (сокращение, проведение нервного импульса, секрецию) и т.д. Универсальным источником энергии является АТФ. В клетках готовой АТФ относительно немного, поэтому она должна постоянно ресинтезироваться. Первый, безинерционный путь ресинтеза – КФ, который также содержится в клетке, но и его также немного. Поэтому, для поддержания жизнедеятельности клетки, а особенно тогда, когда она начинает выполнять свою функцию более активно, то встает необходимость ресинтезировать как АТФ, так и КФ. При поступлении кислорода это обеспечивается за счет митохондриального окисления, а в его отсутствии – путем гликолиза. И при прекращении доставки кислорода наиболее чувствительные клетки – нейроны погибают через 5-6 минут.

В процессе образования макроэргов часть энергии сразу выделяется в виде тепла - это первичное тепло. После использования АТФ часть энергии трансформируется в тепло, называемое вторичным теплом. Валовая энергия, вырабатываемая организмом в единицу времени, является суммой внешней работы, потерь тепла и запасенной энергии. Исходя из этого, можно определить КПД клеток:

КПД = Внешн. раб. / Выраб. энерг.  100% (8.1)

К примеру, КПД изолированной мышцы может достигать 35%, хотя в естественных условиях организма при мышечной работе этот показатель редко может превышать 25%.

Теоретически можно выделить три типа метаболических уровней клеток (рис. 8.1).

Р ис. 99. Принципиальная схема метаболических состояний клеток (и организма в целом).

Уровень активности - интенсивность обменных процессов при выполнении специфической функции клетки (секреция, сокращение мышечных и т.д.). Уровень готовности - тот уровень метаболизма, который неактивная в данный момент клетка должна поддерживать для того, чтобы в любой момент быть готовой начать функционировать. Уровень поддержания целостности - тот минимум, который достаточен для сохранения клеточной структуры. Для последнего необходимо сохранить в клетке не менее 15% энергии уровня активности. При меньшем уровне энергии клетка погибнет. C некоторым приближением о таких же уровнях использования энергии можно говорить и для целостного организма. Так, например, если при интенсивной физической работе макроэргов будет израсходовано больше, чем этот критический уровень, то организм может не восстановиться и погибнуть (это одно из последствий применения допинга, задерживающего наступление утомления у спортсменов).

Израсходованные энергетические ресурсы организм должен постоянно восстанавливать за счет приема пищи. Поступающие с пищей белки, жиры, углеводы и другие соединения используются для восстановления структур организма и для восполнения энергетических затрат. Снижение интенсивности этих процессов или полное прекращение приводит к гибели данных структур. Причем в первую очередь организм страдает именно из-за нарушения энергетического обмена. Последнее необходимо учитывать при различного рода нарушениях обменных процессов, при отравлениях, затруднении доставки кислорода. Время сохранения жизнеспособности при нарушениях доставки энергии зависит от особенностей образования энергии в органах, относительного уровня метаболизма и филогенетической зрелости структур. Так, при полной ишемии головного мозга, где энергия образуется преимущественно за счет аэробных процессов, приблизительно через 10 с наступает потеря сознания, а через 3-8 мин в клетках коры возникают необратимые изменения. В других органах эти изменения возникают позднее: в сердце, почках через 30-40 мин, скелетных мышцах спустя 1-2 часа.