Обмен веществ и превращения энергии

Явления обмена веществ заключаются в поступлении в организм из внешней среды различных веществ, в усвоении и изменении их и в выделении образующихся продуктов распада. При всех этих процессах изменения веществ в организме наблюдается множество различных химических, механических, термических и электрических явлений, непрерывно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений при их расщеплении освобождается и превращается в тепловую, механическую, электрическую. Преимущественно в организме освобождается тепловая и механическая энергии. Количественно ничтожно освобождение электрической энергии, имеющее, однако, весьма важное физиологическое значение в функциях нервной системы. Потенциальная химическая энергия у некоторых организмов превращается также в световую энергию.

Энергия, освобождающаяся в организме, используется не только на поддержание температуры тела и совершение внешней работы, но и на поддержание структуры и жизнедеятельности клеток и на процессы, связанные с их ростом и  развитием.

Организм животных постоянно расходует различные вещества, расщепляющиеся в нем, и значительные количества энергии. Поэтому он нуждается в пище, содержащей сложные органические соединения, которые являются источником пластического материала и энергии.

Обмен веществ и превращения энергии неотделимы друг от друга. Не существует изменения вещества без превращения энергии и нет обмена энергии без обмена веществ. Количественно преобладающим результатом энергетических процессов, происходящих в организме, является образование тепла. Определение освободившейся в организме тепловой энергии и пересчет в единицы тепла механической энергии внешней работы могут служить способом количественного выражения энергетических затрат организма и показателем интенсивности процессов обмена. Современная физиология широко использует данные энергетики, теоретические основы термодинамики и ее методы исследования для изучения биологических процессов. Подобное направление исследования возможно ввиду того, что процессы обмена веществ и энергии живого организма протекают согласно величайшему обобщению естествознания — закону сохранения материи и энергии.

В живом организме материя и энергия не создаются и не исчезают, происходит лишь их изменение, поглощение и выделение.

Первые экспериментальные доказательства этого были получены еще Л. Л. Лавуазье и II. С. Лапласом в 1781 г. Они определили количество тепла, отданного организмом морской свинки в ледяном калориметре. Одновременно исследовалось выделение животным углекислого газа, что дало возможность установить количество окисленного в организме углерода. Затем Лавуазье и Лаплас определили величину тепловой энергии, освобождающейся при сгорании в калориметре угля в количестве, соответствующем количеству окисленного в теле животного углерода. Оказалось, что результаты обоих родов калориметрических определений совпали. Таким путем было доказано, что освобождение энергии в организме является следствием окислительных процессов.

Выводы Лавуазье и Лапласа многократно выверялись, причем применялась все более совершенная техника исследования и получались аналогичные по их теоретическому значению результаты. Особенно четкие данные были получены М. Рубнером в опытах на собаках и У. Этуотером и исследованиях, проведенных на людях. Несмотря на чрезвычайную сложность эксперимента, исследователи получили удивительно близко совпадающие величины тепловой анергии, выделяемой как при окисления в организме определенных питательных веществ, так и при сжигании их вне организма.

Обмен веществ представляет собой единство двух процессов: ассимиляции и диссимиляции.

• Ассимиляция и диссимиляция

Химические превращения, происходящие в различных органах, тканях и клетках одного и того же организма и разных видов живых существ, неодинаковы. Неодинаково и их физиологическое значение. Клеткам разных тканей и органов и клеткам разных видов живых организмов свойственны как общие для них всех, так и присущие только некоторым из них синтетические процессы — образование определенных химических соединений, имеющих значение в жизнедеятельности клетки и целостного организма.

Эволюция видов и индивидуальное развитие организмов проявляются не только в морфологических, но и в биохимических изменениях (биохимическая эволюция), лежащих в основе фило- и онтогенеза функции. Определенная направленность процессов обмена веществ характеризует процессы формообразования, т. е. рост и развитие организма, дифференциацию его клеток. Различия в молекулярных и внутримолекулярных физико-химических процессах, происходящих в микроструктурах ядра и протоплазмы клеток, в их органеллах, неразрывно связаны с особенностями их жизнедеятельности, с их функциями.

Наибольшее биологическое значение в жизни клеток — в их обмене веществ — имеют белки и нуклеиновые кислоты. С этими веществами связаны все основные проявления жизни.

• Нуклеиновые кислоты
• Белки

В разных клетках происходит множество специфичных лишь для них химических превращений. Так, некоторые химические соединения образуются лишь в определенных клетках или внутриклеточных структурах. Их образование и выделение клеткой во внешнюю или внутреннюю среду составляют основную функцию данной клетки. Например, образование и выделение соляной кислоты свойственны лишь обкладочным клеткам желудочных желез; образование фермента трипсиногена происходит лишь во внешнесекреторных клетках поджелудочной железы. Синтез инсулина, имеющего важное значение в углеводном обмене организма, происходит также в клетках поджелудочной железы, только не во внешне-секреторных, а во внутрисекреторных — в так называемых бета-клетках островковой ткани. Образование ацетилхолина, являющегося химическим передатчиком нервного импульса с нервного окончания на иннервируемый орган, происходит в определенном участке нервного окончания.

Процессы обмена веществ — синтез и распад различных соединений — различны пе только в разных клетках, но и в разных структурах высоко-дифференцированной клетки.

Гистохимические методы и методика изотопных индикаторов позволили установить участие различных структур клетки в процессах обмена веществ. При этом оказалось, что расщепление углеводов — гликолиз — происходит в цитоплазме, процессы окислительного фосфорилирования осуществляются в митохондриях; ранние стадии синтеза белка происходят в цитоплазме, а более поздние — в микросомах. Соответственно этому неодинаково распределение различных ферментов в разных частях клетки.

Непрерывно протекающие в клетках организма процессы обмена веществ, так же, впрочем, как и все остальные физиологические функции, не являются постоянными и неизменными. Они динамичны и изменчивы. Под влиянием воздействий внешней среды и сдвигов во внутренней среде организма обмен веществ может усиливаться или уменьшаться, он может и качественно изменяться. Так всегда происходит при деятельности клеток. При этом совершается переход от обмена покоя (всякий покой к организме является относительным, ибо жизненные процессы характеризуются затратой веществ и энергии) к рабочему обмену, тем более интенсивному, чем больше совершаемая клеткой деятельность.