3. Виды обмена веществ

Выделяют несколько разновидностей обмена веществ: обмен с окружаю­щей средой, промежуточный, пластический, функциональный и энергети­ческий.

Обмен веществ с окружающей средой включает химические процессы, которые обеспечивают поступление питательных и других веществ в орга­низм и выведение продуктов обмена во внешнюю среду. Осуществляется этот вид обмена за счет деятельности систем пищеварения, дыхания и вы­ведения.

Промежуточный обмен объединяет внутриклеточные превращения ве­ществ, поступивших из внешней среды и синтезированных в клетках. Этот вид обмена обеспечивает организм необходимыми структурными компо­нентами и энергией в зависимости от его потребностей.

Пластический обмен — это комплекс химических реакций, которые обеспечивают синтез специфических для организма веществ: структур­ных компонентов, сократительных белков, ферментов, гормонов, жиров, сложных углеводов и многих других. В пластических процессах исполь­зуется энергия, которая затем извлекается при распаде питательных ве­ществ.

Функциональный обмен — это химические реакции, которые лежат в основе функциональной активности клеток, органов, систем организма. Этот вид обмена обеспечивает такие сложные процессы, как деление кле­ток, сокращение мышц, передачу нервного импульса, обмен газов и др. Он связан непосредственно с энергетическим обменом.

Энергетический обмен включает метаболические процессы, связан­ные с образованием АТФ, запасанием энергии при ее синтезе и последу­ющими преобразованиями энергии при различных видах активности кле­ток. Эффективность этого обмена зависит от состояния функционального и пластического обмена, обеспеченности клеток энергетическими суб­стратами, сложности работы различных механизмов энергообразования, а также от особенностей их нервной и гормональной регуляции. В процессе адаптации организма к мышечной деятельности повышается эффектив­ность процессов энергообразования, в результате организм работает энергетически более экономично.

Биологическое окисление Биологическое окисление — центральный процесс диссимиляции

Окислительные процессы, происходящие в организме, занимают одно из центральных мест среди процессов освобождения химической энергии, превращаемой затем в специфические виды энер­гии, физиологических функций. Еще в XVIII в. М. В. Ломоносов пока­зал, что окисление металлов является «соединением их с воздухом» (кис­лород в то время еще не был открыт). Несколько позднее А. Л. Лавуазье установил, что при горении органических веществ также происходит окисление, т.е. соединение углерода и водорода, содержащихся в этих веществах, с кислородом, причем конечными продуктами окисле­ния являются СО₂ и Н₂О. Это позволило в дальнейшем понять про­цесс дыхания, при котором, как и при горении, потребляется кисло­род воздуха и выделяются из организма образующиеся в нем СО₂ и Н₂О. Изучение газового состава крови, начатое уже в XIX в., пока­зало, что ткани и органы потребляют кислород, содержащийся в арте­риальной крови, и отдают в кровь СО₂. Наконец, было установлено, что ткани и органы и вне организма способны некоторое время погло­щать кислород и выделять СО₂. Таким образом возникло представле­ние о тканевом дыхании, являющемся непременным усло­вием существования всякой живой клетки.

Химические реакции горения органических веществ (например, сахара) и окисления их в организме оказались одинаковыми.

Однако окисление органических веществ, происходящее в органи­зме, отличается от процесса горения по своему химизму тем, что осу­ществляется при сравнительно низкой температуре тела в присутствии воды, которая вне организма препятствует горению.

Окислительные процессы происходят во всякой живой клетке, обеспечивая ее энергией, необходимой для поддержания жизни. Чем интенсивнее жизнедеятельность организма, тем интенсивнее проте­кают процессы окисления. Об этом можно судить как на основании изучения газообмена целостного организма, так и по величине тка­невого дыхания. Всякое усиление функциональной деятельности — пищеварения, дыхания, сердечной деятельности, работы мышц и т.д. — сопровождается увеличением потребления кислорода и выде­ления СО₂. Например, при интенсивной мышечной деятельности потребление кислорода и выделение СО₂ может возрастать по сравне­нию с состоянием покоя почти в 10 раз. У детей в связи с большой по­требностью в энергии, необходимой для обеспечения роста и разви­тия организма, окислительные процессы протекают более интенсивно, чем у взрослых. Так, трехлетний ребенок потребляет на 1 кг веса тела вдвое больше кислорода, чем взрослый человек. При старении организма в связи с уменьшением функциональной активности ин­тенсивность окислительных процессов понижается; при расчете на 1 кг веса тела 70-летний человек потребляет кислорода на 40% мень­ше, чем человек, находящийся в расцвете сил.

Основы современной теории биологического окисления были по­ложены акад. В. И. Палладиным в начале прошлого столетия. Им было доказано, что окисление различных веществ, происходящее в орга­низме, заключается не в соединении их с кислородом, а в отнятии во­дорода. Кислород же является лишь акцептором последнего. Примером может служить окисление спиртов в альдегиды, когда степень окисленности углеродного атома повышается не вследствие присоедине­ния кислорода, а вследствие отнятия водорода, переносимого на ки­слород.

Из приведенных примеров следует, что вдыхаемый организмом кислород используется в окислительных процессах как акцептор во­дорода и входит в состав образующейся воды. Углекислота же обра­зуется за счет тех атомов кислорода, которые входили в состав окисля­емого органического соединения. Однако даже в наиболее богатых кислородом органических веществах — углеводах — кислорода со­держится меньше, чем в образующихся конечных продуктах окисле­ния, половина кислородных атомов должна бы­ла бы вновь присоединиться к углеродным атомам.

Однако это присоединение происходит не в виде кислорода как такового, а в виде воды. Примером может служить окисление масля­ной кислоты до двух частиц уксусной.

Этот пример показывает, что кислородные атомы, присоединившиеся ко второму углеродному атому масляной кислоты и приведшие к образованию карбоксильной группы, участвовали в реакции не в виде кислорода как такового, а в составе воды. Следовательно, био­логическое окисление представляет собой отнятие водорода (дегидрогенирование), нередко сочетаемое с присоединением воды.

Из всего сказанного следует еще один важный вывод: при наличии какого-либо акцептора водорода окисление органического вещества может происходить и без участия кислорода. Например, вне организма при проведении опытов с тканевыми экстрактами, ферментативное окисление молочной кислоты в пировиноградную может происходить в отсутствии кислорода, при наличии краски метиленовой сини, спо­собной акцептировать (присоединять) водород и переходить в бес­цветное соединение, так называемую лейко-форму.

Итак, окислительные процессы могут происходить как с участи­ем кислорода (аэробно), так и без его участия (анаэроб­но). Существует немало организмов (многие бактерии, паразити­ческие черви и др.), которые черпают энергию только из процессов анаэробного окисления и гибнут в присутствии кислорода. Есть орга­низмы, которые могут в равной мере использовать оба типа окисли­тельных процессов, например, дрожжи. В отсутствии кислорода они берут энергию из анаэробного окисления углеводов (брожения), за­канчивающегося образованием этилового спирта, а в условиях хо­рошего снабжения кислородом в процессе аэробного дыхания обра­зуют СО₂ и Н₂О.

У большинства животных и человека процессы аэробного окисле­ния являются преобладающими. Поэтому при отсутствии кислорода человек жить не может. Однако многие окислительные реакции в организме человека могут протекать анаэробно, например, анаэроб­ное окисление углеводов в мышцах, резко усиливающееся при интен­сивной мышечной деятельности. Именно благодаря этому человек некоторое время может выполнять мышечную работу при недоста­точном снабжении организма кислородом.