Обмен веществ, неразрывно связанный с обменом энергии - это закономерный порядок превращения вещества и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение. Ф. Энгельс важнейшим свойством жизни отмечал обмен веществ, с прекращением которого прекращается сама жизнь. Он подчеркивал диалектический характер этого процесса и указывал, что

"Растение, животное, каждая клетка в каждое мгновение своей жизни тождественны с собой и тем не менее отличаются от самих себя благодаря усвоению и выделению веществ, благодаря дыханию, образованию и отмиранию клеток, благодаря происходящему процессу циркуляции - словом, благодаря сумме непрерывных молекулярных изменений, которые составляют жизнь и общие итоги которых выступают воочию в виде жизненных фаз...". Энгельс Ф. Диалектика природы. - В кн.: Маркс К. и Энгельс Ф. Соч., 2-е изд., т. 20, с. 529.

С последовательно материалистических позиций рассматривал роль обмена веществ в жизни организмов основоположник отечественной физиологии И. М. Сеченов. К. А. Тимирязев последовательно проводил идею о том, что основное свойство, которое характеризует живые организмы, заключается в постоянном деятельном обмене между веществом, составляющим организм, и веществом окружающей среды, которое организм постоянно воспринимает, ассимилирует, превращает его в себе подобное, вновь изменяет и выделяет в процессе диссимиляции. И. П. Павлов рассматривал обмен веществ как основу проявления жизнедеятельности, как основу физиологических функций организма. Существенный вклад в познание химизма жизненных процессов сделал А. И. Опарин, который изучал основные закономерности эволюции обмена веществ в ходе возникновения и развития жизни на Земле.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ

Обмен веществ, или метаболизм, - это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности: самосохранения и самовоспроизведения. Под самовоспроизведением понимают превращение вещества, поступающего извне, в вещества и структуры самого организма, в результате чего происходит непрерывное обновление тканей, рост и размножение.

В обмене веществ выделяют:

• внешний обмен - включает внеклеточное превращение веществ на путях их поступления в организм и выведения продуктов метаболизма из него [показать] .

  Поступление веществ в организм и выделение продуктов метаболизма в совокупности составляет обмен веществами между средой и организмом, и определяется как внешний обмен.

  Внешний обмен веществами (и энергией) осуществляется постоянно.

  В организм человека из внешней среды поступает кислород, вода, минеральные соли, питательные вещества, витамины, необходимые для построения и обновления структурных элементов клеток и тканей, и образования энергии. Все эти вещества можно назвать продуктами питания, одни из которых имеют биологическое происхождение (растительные и животные продукты) и меньшая часть небиологическое (вода и растворенные в ней минеральные соли).

  Поступающие с пищей питательные вещества подвергаются распаду с образованием аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, нуклеотидов и других веществ, которые смешиваясь с такими же вещствами, образующимися в процессе непрерывного распада структурно-функциональных компонентов клетки, составляют общий фонд метаболитов организма. Этот фонд расходуется по двум направлениям: часть используется для возобновления распавшихся структурно-функциональных компонентов клетки; другая часть превращается в конечные продукты обмена веществ, которые выводятся из организма.

  При распаде веществ до конечных продуктов обмена освобождается энергия, у взрослого человека 8 000-12 000 кДж (2000-3000 ккал) в сутки. Эта энергия используется клетками организма для совершения разного рода работы, а также для поддержания температуры тела на постоянном уровне.

• промежуточный обмен - включает превращение веществ внутри биологических клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов (например, метаболизм аминокислот,метаболизм углеводов и т.д.)

Этапы обмена веществ. Выделяют три последовательных этапа.

1. поступление веществ из среды в организм (в результате питания, дыхания), их переваривание - приведение к состоянию, в котором они могут проникнуть во внутреннюю среду и, собственно всасывание
2. перемещения и превращения, которым подвергаются всосавшиеся вещества в толще слизистой тонкого кишечника или после транспортировки в ткани. Данный этап нередко обозначали как промежуточный обмен, а в последнее время именно этот этап называют метаболизмом.

   Это наиболее сложная часть обмена веществ, которая включает молекулярные процессы, представляющие физико-химические взаимодействия на основе комплементарных поверхностей (центров связывания) [показать] .

   Молекулярные процессы промежуточного обмена

   1. Взаимодействие молекул без изменения их ковалентной структуры: образование олигомерных белков из протомеров; самосборка клеточных органелл, включая мембраны; образование двойной спирали ДНК; присоединение аминоацил-тРНК к мРНК и рибосомам; присоединение аллостерических эффекторов к регуляторным центрам ферментов; присоединение кислорода к гемоглобину и др. Все эти взаимодействия представляют собой физико-химические процессы. Это послужило основанием тому, что отрасль биохимии, изучающую преимущественно явления такого рода, в последнее время называют физико-химической биологией.
   2. Взаимодействия молекул, завершающиеся изменением их ковалентной структуры, т. е. собственно химические процессы. Именно совокупность этих процессов обычно называют метаболизмом (metabole - изменение, превращение).

      Большинство химических реакций протекают в организме только в присутствии катализаторов. Биологические катализаторы - это вещества белковой природы, которые принято называть ферментами или энзимами. Ферменты катализируют химические реакции с образованием нековалентных связей между ферментом и субстратом, изменение конформации и др.

   3. Перенос веществ. Существуют разные механизмы и маршруты транспорта веществ в организме.
      1. Транспорт с циркулирующей жидкостью по кровеносным и лимфатическим сосудам. Это механический процесс. Однако многие вещества транспортируются в форме соединений со специальными транспортными белками, подобно переносу кислорода в форме Hb·О₂. В крови имеются транспортные белки для переноса многих соединений - гормонов, витаминов, липидов, ионов металлов и др. Образование и распад комплекса транспортного белка с переносимым веществом - это обычно физико-химические процессы, не связанные с изменением ковалентной структуры веществ.
         
      2. Трансмембранный перенос, который может быть межклеточным и внутриклеточным. Основные формы межклеточного переноса следующие:

         - из кишечника в кровь через мембраны клеток кишечного эпителия и стенок капилляров;

         - из крови и межклеточного пространства в клетки разных органов через мембраны этих клеток;

         - из клеток в межклеточное вещество или в кровь через те же мембраны;

         - в почечных клубочках из крови в первичную мочу, а в почечных канальцах из первичной мочи в кровь через мембраны соответствующих клеток.

         Примером внутриклеточного трансмембранного переноса является транспорт мРНК из ядра в цитоплазму.

      Трансмембранный перенос как путем простой диффузии, так и с участием переносчиков представляет собой физико-химический процесс - основу всех важнейших процессов организма на молекулярном уровне.

3. выделение конечных продуктов обмена.

Этапы обмена веществ I. Поступление веществ из среды в организм (в результате питания, дыхания), их переваривание - приведение к состоянию, в котором они могут проникнуть во внутреннюю среду и, собственно всасывание Подробнее о поступлении (Питание - составная часть обмена веществ (поступление веществ из среды в организм)) переваривании (Биохимия пищеварения (переваривание питательных веществ)) всасывании (Биохимия пищеварения (всасывание питательных веществ)) II. Перемещения и превращения веществ в организме (промежуточный обмен) Промежуточный обмен (или метаболизм) - превращение веществ в организме с момента поступления их в клетки до образования конечных продуктов обмена, т. е. совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения. Это наиболее сложная часть обмена веществ. Попав внутрь клетки, питательное вещество метаболизируется - претерпевает ряд химических изменений, катализируемых ферментами. Определенная последовательность таких химических изменений называется метаболическим путем, а образующиеся промежуточные продукты - метаболитами. Метаболические пути могут быть представлены в форме карты метаболизма. Метаболизм питательных веществ Углеводов Липидов Белков Катаболические пути углеводов Гликолиз Гликогенолиз Это вспомогательные пути образования энергии из глюкозы (или других моносахаридов) и гликогена при распаде их до лактата (в анаэробных условиях) или до СО2 и Н2О (в аэробных условяих). Пентозофосфатный путь (гексозомонофосфатный или фосфоглюконатный шунт). По имени ученых, сыгравших основную роль в его описании, пентозофосфатный цикл называют циклом Варбурга-Диккенса-Хорекера-Энгельгарда. Этот цикл является ответвлением (или шунтом) гликолиза на стадии глюкозо-6-фосфата. Анаболические пути углеводов Глюконеогенез (новообразование глюкозы). Возможен во всех тканях организма, главное место - печень. Гликогеногенез (биосинтез гликогена). Происходит во всех тканях организма (может быть исключение составляют эритроциты), особенно активно протекает в скелетных мышцах и печени. Катаболический путь липидов Внутриклеточный гидролиз липидов (тканевой липолиз) с образованием глицерина и свободной жирной кислоты Окисление глицерина Окисление жирных кислот в цикле Кноопа-Линена Анаболический путь липидов Синтез жирных кислот (насыщенных и ненасыщенных). В тканях млекопитающих возможно только образование моноеновых жирных кислот (из стеариновой - олеиновая, из пальмитиновой - пальмитоолеиновая). Этот синтез происходит в эндоплазматической сети клеток печени с помощью монооксигенной цепи окисления. Остальные ненасыщенные жирные кислоты в организме человека не образуются и должны поступать с растительной пищей (в растениях образуются полиненасыщенные жирные кислоты). Полиненасыщенные жирные кислоты являются для млекопитающих незаменимыми факторами пищи. Синтез триацилглицеринов. Происходит при депонировании липидов в жировой ткани или в других тканях организма. Процесс локализуется в гиалоплазме клеток. Синтезируемый триацилглицерин накапливается в виде жировых включений в цитоплазме клеток. Катаболический путь белков Внутриклеточный гидролиз белков Окисление до конечных продуктов (мочевина, вода, углекислый газ). Путь служит для извлечения энергии при распаде аминокислот. Анаболический путь аминокислот Синтез белков и пептидов - основной путь потребления аминокислот Синтез небелковых азотсодержащих соединений - пуринов, пиримидинов, порфиринов, холина, креатина, меланина, некоторых витаминов, коферментов (никотинамид, фолиевая кислота, кофермент А), тканевых регуляторов (гистамин, серотонин), медиаторов (адреналин, норадреналин, ацетилхолин) Синтез углеводов (глюконеогенез) с использованием углеродных скелетов аминокислот Синтез липидов с использованием ацетильных остатков углеродных скелетов аминокислот Синтез фосфолипидов. Протекает в гиалоплазме тканей, связан с обновлением мембран. Синтезированные фосфолипиды переносятся с помощью липидпереносящих белков цитоплазмы к мембранам (клеточным, внутриклеточным) и встраиваются на мсто старых молекул. Вследствие конкуренции между путями синтеза фосфолипидов и триацилглицеринов за общие субстраты все вещества, способствующие синтезу фосфолипидов, препятствуют отложению триацилглицеринов в тканях. Эти вещества называют липотропными факторами. К ним можно отнести структурыне компопненты фосфолипидов: холин, инозит,серин; вещество, облегчающее декарбоксилирование серинфосфатидов - пиридоксальфосфат; донор метильных групп - метионин; фолиевую кислоту и цианокобаламин, участвующих в образовании коферментов переноса метильных групп (ТГФК и метилкобаламин). Их можно использовать как лекарственные препараты, препятствующие избыточному отложению триацилглицерина в тканях (жировая инфильтрация). Синтез кетоновых тел. Происходит в митохондриях печени (в других органах кетогенез отсутствует). Существует два пути: гидроксиметилглутаратный цикл (наиболее активный) и деацилазный цикл (малоактивный). Синтез холестерина. Наиболее активен в печени взрослого человека. Печень участвует в распределении холестерина по другим органам и в выделении холестерина с желчью. Холестерин используется на построение биомембран в клетках, а также для образования желчных кислот (в печени), стероидных гормонов (в коре надпочечников, женских и мужских половых железах, плаценте), витамина D3, или холекальциферола (в коже). III. Выделение конечных продуктов обмена Таблица 24. Суточный обмен человека (округленные величины; взрослый человек с массой тела около 70 кг) Вещества Содержание в организме, г Суточное потребление, г Суточное выделение O2 - 850 - CO2 - - 1000 Вода 42 000 2200 2600 Органические вещества: белки 15 000 80 - липиды 10 000 100 - углеводы 700 400 - нуклеиновые кислоты 700 - - мочевина - - 30 Минеральные соли 3 500 20 20 Всего 71 900 3650 3650 В результате метаболической деятельности во всех частях организма образуются вредные вещества которые поступают в кровь, и которые необходимо удалить. Эту функцию выполняют почки, отделяющие вредные вещества и направляющие их в мочевой пузырь, откуда затем они выводятся из организма. В процессе метаболизма принимает участие и другие органы: печень, поджелудочная железа, желчный пузырь, кишечник, потовые железы. Человек выделяет с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом главные конечные продукты обмена веществ - СО2, Н2О, мочевину H2N - СО - NH2. В форме Н2О выводится водород органических веществ, причем организм выделяет воды больше, чем потребляет (см. табл. 24): примерно 400 г воды образуется за сутки в организме из водорода органических веществ и кислорода вдыхаемого воздуха (метаболическая вода). В форме СО2 выводятся углерод и кислород органических веществ, а в форме мочевины - азот. Кроме того человек выделяет и много и других веществ, но в незначительных количествах, так что их вклад в общий баланс обмена веществами между организмом и средой невелик. Однако надо отметить, что физиологическое значение выделения таких веществ может быть существенным. Например, нарушение выделения продуктов распада гема или продуктов метаболизма чужеродных соединений, в том числе лекарств, может быть причиной тяжелых нарушений обмена веществ и функций организма.

Субстраты метаболизма - химические соединения, поступающие с пищей. Среди них можно выделить две группы: основные пищевые вещества (углеводы, белки, липиды) и минорные, поступающие в малых количествах (витамины, минеральные соединения).

Принято различать среди пищевых веществ заменимые и незаменимые. Незаменимыми называют те пищевые вещества, которые не могут синтезироваться в организме и, следовательно, должны обязательно поступать с пищей.

Метаболический путь - это характер и последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образующиеся в процессе превращения, называют метаболиты, а последнее соединение метаболического пути - конечный продукт.

Химиические превращения протекают в организме непрерывно. В результате питания организма исходные вещества подвергаются метаболическим превращениям; из организма постоянно выводятся конечные продукты метаболизма. Таким образом, организм представляет собой термодинамически открытую химическую систему. Простейший пример метаболической системы - отдельная неразветвленная метаболическая цепь:

--> a --> b --> c --> d -->

При постоянном потоке веществ в такой системе устанавливается динамическое равновесие, когда скорость образования каждого метаболита равна скорости его расходования. Это значит, что концентрация каждого метаболита сохраняется постоянной. Такое состояние системы называют стационарным, а концентрации веществ в этом состоянии - стационарными концентрациями.

Живой организм в каждый данный момент не отвечает приведенному определению стационарного состояния. Однако, рассматривая среднее значение его параметров за сравнительно большой промежуток времени, можно отметить их относительное постоянство и тем самым оправдать приложение понятия стационарная система к живым организмам [показать] .

На рис. 64 представлена гидродинамическая модель неразветвленной метаболической цепи. В этом приборе высота столба жидкости в цилиндрах моделирует концентрации метаболитов a-d соответственно, а пропускная способность соединительных трубок между цилиндрами моделирует скорость соответствующих ферментативных реакций.

При постоянной скорости поступления жидкости в систему высота столба жидкости во всех цилиндрах остается постоянной: это стационарное состояние.

Если скорость поступления жидкости увеличится, то увеличатся и высота столба жидкости во всех цилиндрах, и скорость протекания жидкости через всю систему: система перешла в новое стационарное состояние. Аналогичные переходы происходят и в метаболических процессах в живой клетке.

Регуляция концентрации метаболитов

Обычно в метаболической цепи есть реакция, протекающая значительно медленнее, чем все другие реакции, - это лимитирующая стадия пути. На рисунке такую стадию моделирует узкая соединительная трубка между первым и вторым цилиндрами. Лимитирующая стадия определяет общую скорость превращения исходного вещества в конечный продукт метаболической цепи. Часто фермент, катализирующий лимитирующую реакцию, является регуляторным ферментом: его активность может изменяться при действии клеточных ингибиторов и активаторов. Таким путем обеспечивается регуляция метаболического пути. На рис. 64 переходная трубка с заслонкой между первым и вторым цилиндрами моделирует регуляторный фермент: поднимая или опуская заслонку, можно переводить систему в новое стационарное состояние, с другой общей скоростью протекания жидкости и другими уровнями жидкости в цилиндрах.

В разветвленных метаболических системах регуляторные ферменты обычно катализируют первые реакции в месте разветвления, например реакции b --> c и b --> i на рис. 65. Этим обеспечивается возможность независимой регуляции каждой ветви метаболической системы.

Многие реакции метаболизма обратимы; направление их протекания в живой клетке определяется расходованием продукта в последующей реакции или удалением продукта из сферы реакции, например путем экскреции (рис. 65).

При изменениях состояния организма (прием пищи, переход от покоя к двигательной активности и др.) концентрация метаболитов в организме изменяется, т. е. устанавливается новое стационарное состояние. Однако в одинаковых условиях, например после ночного сна (до завтрака), они примерно одинаковы у всех здоровых людей; за счет действия регуляторных механизмов концентрация каждого метаболита поддерживается на характерном для него уровне. Средние значения этих концентраций (с указанием пределов колебаний) служат одной из характеристик нормы. При болезнях стационарные концентрации метаболитов изменяются, причем эти изменения часто бывают специфичными для той или иной болезни. На этом основаны многие биохимические методы лабораторной диагностики болезней.

Различают два направления в метаболическом пути - анаболизм и катаболизм (рис. 1).

• Анаболические реакции направлены на превращение более простых веществ в более сложные, образующие структурно-функциональные компоненты клетки, такие, как коферменты, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты и др. Эти реакции преимущественно восстановительные, сопровождаются затратой свободной химической энергии (эндергонические реакции). Источником энергии для них служит процесс катаболизма. Кроме того, энергия катаболизма используется для обеспечения функциональной активности клетки (двигательной и других).
• Катаболические превращения - процессы расщепления сложных молекул, как поступивших с пищей, так и входящих в состав клетки, - до простых компонентов (диоксида углерода и воды); эти реакции обычно окислительные, сопровождаются выделением свободной энергии (экзергонические реакции).

Амфиболический путь (двойственный) - путь, в ходе которого сочетаются катаболические и анаболические превращения т.е. наряду с разрушением какого-либо соединения происходит синтез другого.

Амфиболические пути связаны с терминальной, или окончательной, системой окисления веществ, где они сгорают до конечных продуктов (СO₂ и Н₂O) с образованием большого количества энергии. Кроме них конечными продуктами метаболизма являются мочевина и мочевая кислота, образующиеся в специальных реакциях обмена аминокислот и нуклеотидов. Схематически связь метаболизма через систему АТФ-АДФ и амфиболический цикл метаболитов показан на рис. 2.

Система АТФ-AДФ (АТФ-AДФ цикл) - цикл, в котором происходит непрерывное образование молекул АТФ, энергия гидролиза которых используется организмом в различных видах работ.

Метаболический цикл - это такой метаболический путь, один из конечных продуктов которого идентичен одному из соединений, вовлеченных в этот процесс (рис. 3).

Анаплеротический путь - метаболический, конечный продукт которого идентичен одному из промежуточных продуктов какого-либо циклического пути. Анаплеротический путь в примере рис. 3 пополняет цикл продуктом X (анаплероз - пополнение).

Частные и общие пути метаболизма. Воспользуемся таким примером. В городе курсируют автобусы марок X, Y, Z. Их маршруты показаны на схеме (рис. 4).

На основе этого примера определим следующее.

• Частный путь метаболизма - это совокупность превращений, свойственная только определенному соединению (например, углеводам, липидам или аминокислотам).
• Общий путь метаболизма - совокупность превращений, в которые вовлекаются два и более видов соединений (например, углеводы и липиды или углеводы, липиды и аминокислоты).

Локализация метаболических путей

Катаболические и анаболические пути у эукариотических особей отличаются по своей локализации в клетке (таб.22.).

Такое деление обусловлено приуроченностью ферментных систем к определенным участкам клетки (компартментализация), которая обеспечивает как сегрегацию, так и интеграцию внутриклеточных функций, а также соответствующий контроль.

В настоящее время благодаря электронно-микроскопическим и гистохимическим исследованиям, а также методу дифференциального центрифугирования достигнуты значительные успехи в определении внутриклеточной локализации ферментов. Как видно из рис. 74, в клетке можно обнаружить клеточную, или плазменную, мембрану, ядро, митохондрии, лизосомы, рибосомы, систему канальцев и пузырьков - эндоплазматический ретикулум, пластинчатый комплекс, различные вакуоли, внутриклеточные включения и др. Главную по массе недифференцированную часть цитоплазмы клетки составляет гиалоплазма (или цитозоль).

Установлено, что в ядре (точнее, в ядрышке) локализованы РНК-полимеразы, т. е. ферменты, катализирующие, образование мРНК. В ядре содержатся ферменты, участвующие в процессе репликации ДНК, и некоторые другие (табл. 23).

Связь ферментов со структурами клетки:

• Митохондрии. С митохондриями связаны ферменты цепи биологического окисления (тканевого дыхания) и окислительного фосфорилирования, а также ферменты пируватдегидрогеназного комплекса, цикла трикарбоновых кислот, синтеза мочевины, окисления жирных кислот и др.
• Лизосомы. В лизосомах содержатся в основном гидролитические ферменты с оптимумом pH в области 5. Именно из-за гидролитической принадлежности ферментов эти частицы названы лизосомами.
• Рибосомы. В рибосомах локализованы ферменты белкового синтеза, в этих частицах происходят транслирование мРНК и связывание аминокислот в полипептидные цепи с образованием молекул белка.
• Эндоплазматический ретикулум. В эндоплазматической сети сосредоточены ферменты синтеза липидов, а также ферменты, участвующие в реакциях гидроксилирования.
• Плазматическая мембрана. С плазматической мембраной прежде всего связаны АТФ-аза, транспортирующая Na⁺ и К⁺ , аденилатциклаза и ряд других ферментов.
• Цитозоль. В цитозоле (гиалоплазме) локализованы ферменты гликолиза, пентозного цикла, синтеза жирных кислот и мононуклеотидов, активирования аминокислот, а также многие ферменты глюконеогенеза.

В табл. 23 суммированы данные о локализации важнейших ферментов и отдельных метаболических стадий в различных субклеточных структурах.

Мультиферментные системы локализуются в структуре органелл таким образом, что каждый фермент располагается в непосредственной близости от следующего фермента данной последовательности реакций. Благодаря этому сокращается время, необходимое для диффузии промежуточных продуктов реакций, и вся последовательность реакций оказывается строго координированной во времени и пространстве. Это справедливо, например, для ферментов, участвующих в окислении пировиноградной кислоты и жирных кислот, в синтезе белка, а также для ферментов переноса электронов и окислительного фосфорилирования.

Компартментализация обеспечивает кроме того протекание в одно и то же время химически несовместимых реакций, т.е. самостоятельность путей катаболизма и анаболизма. Так, в клетке одновременно может происходить окисление жирных кислот с длинной цепью до стадии ацетил-КоА и противоположно направленный процесс - синтез жирных кислот из ацетил-КоА. Эти химически несовместимые процессы протекают в разных частях клетки: окисление жирных кислот - в митохондриях, а их синтез вне митохондрий - в гиалоплазме. Если бы эти пути совпадали и различались лишь направлением процесса, то в обмене возникли бы так называемые бесполезные, или футильные, циклы. Такие циклы имеют место при патологии, когда возможен бесполезный круговорот метаболитов.

Выяснение отдельных звеньев метаболизма у разных классов растений, животных и микроорганизмов обнаруживает принципиальную общность путей биохимических превращений в живой природе.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РЕГУЛЯЦИИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Регуляция метаболизма на клеточном и субклеточном уровнях осуществляется

1. путем регуляции синтеза и каталитической активности ферментов.

   К таким регуляторным механизмам относятся

   • подавление синтеза ферментов конечным продуктов метаболического пути,
   • индукция синтеза одного или более ферментов субстратами,
   • модуляция активности уже присутствующих молекул ферментов,
   • регуляция скорости поступления метаболитов в клетку. Здесь ведущая роль за биологическими мембранами, окружaющими протоплазму и находящиеся в ней ядро, митохондрии, лизосомы и другие субклеточные органеллы.

2. путем регуляции синтеза и активности гормонов. Так, на белковый обмен оказывает влияние гормон щитовидной железы - тироксин, на жировой - гормоны поджелудочной и щитовидной желез, надпочечников и гипофиза, на углеводный - гормоны поджелудочной железы (инсулин) и надпочечников (адреналин). Особая роль в механизме действия гормонов принадлежит циклическим нуклеотидам (цАМФ и цГМФ).

   У животных и человека гормональная регуляция обмена веществ тесно связана с координирующей деятельностью нервной системы. Примером влияния нервной системы на углеводный обмен является так называемый сахарный укол Клода Бернара, который приводит к гипергликемии и глюкозурии.

3. Важнейшая роль в процессах интеграции обмена веществ принадлежит коре головного мозга. Как указывал И П. Павлов: "Чем совершеннее нервная система животного организма, тем она централизованнее, тем высший ее отдел является все в большей и большей степени распорядителем и распределителем всей деятельности организма... Этот высший отдел содержит в своем ведении все явления, происходящие в теле".

Таким образом, особое сочетание, строгая согласованность и темп протекания реакций обмена веществ в совокупности образуют систему, обнаруживающую свойства механизма обратной связи (положительной или отрицательной).

Для изучения обмена веществ применяют два подхода:

• исследования на целом организме (эксперименты in vivo) [показать]

  Классический пример исследований на целом организме, проведенных еще в начале нашего века, составляют эксперименты Кноопа. Он изучал способ распада жирных кислот в организме. Для этого Кнооп скармливал собакам различные жирные кислоты с четным (I) и нечетным (II) числом атомов углерода, в которых один атом водорода в метильной группе был замещен на фенильный радикал С₆Н₅:

  I	II
  С6Н5-СН2-СН2-СН2-СООН	С6Н5-СН2-CH2-COOH
  фенилмасляная кислота	фенилпропионовая кислота
  С6Н5-СН2СН2СН2СН2СН2-СООН	С6Н5-СН2-CH2-СН2-СН2-СООН
  фенилкапроновая кислота	фенилвалериановая кислота

  В первом случае с мочой собак всегда выводилась фенилуксусная кислота С₆Н₅-СН₂-СООН, а во втором - бензойная кислота С₆Н₅-СООН. На основании этих результатов Кнооп сделал вывод, что распад жирных кислот в организме происходит путем последовательного отщепления двууглеродных фрагментов, начиная с карбоксильного конца:

  СН₃-СН₂-|-СН₂-CH₂-|-CH₂-СН₂-|-СН₂-СН₂-|-СН₂- СООН

  Позднее этот вывод был подтвержден другими методами.

  По существу в этих исследованиях Кнооп применил метод мечения молекул: он использовал в качестве метки фенильный радикал, не подвергающийся изменениям в организме. Начиная примерно с 40-х годов XX в. получило распространение применение веществ, молекулы которых содержат радиоактивные или тяжелые изотопы элементов. Например, скармливая экспериментальным животным разные соединения, содержащие радиоактивный углерод (¹⁴С), установили, что все атомы углерода в молекуле холестерина происходят из углеродных атомов ацетата:

  

  Обычно используются либо стабильные изотопы элементов, отличающиеся по массе от широко распространенных в организме элементов (обычно тяжелые изотопы), либо радиоактивные изотопы. Из стабильных изотопов чаще используют изотопы водорода с массой 2 (дейтерий, ²Н), азот с массой 15 (¹⁵N), углерод с массой 13 (¹³С) и кислород с массой 18 (¹⁸C). Из радиоактивных изотопов применяются изотопы водорода (тритий, ³Н), фосфора (³²Р и ³³Р), углерода (¹⁴С), серы (³⁵S), йода (¹³¹I), железа (⁵⁹Fe), натрия (⁵⁴Na) и др.

  Пометив при помощи стабильного или радиоактивного изотопа молекулу исследуемого соединения и введя его в организм, определяют затем меченые атомы или содержащие их химические группы и, открыв их в определенных соединениях, делают заключение о путях превращения меченого вещества а организме. С помощью изотопной метки можно также установить время пребывания вещества в организме, которое с известным приближением характеризует биологический период полураспада, т. е. время, за которое количество изотопа или меченого соединения уменьшается вдвое, или получить точные сведения относительно проницаемости мембран отдельных клеток. Изотопы применяются также, чтобы установить, является ли данное вещество предшественником или продуктом распада другого соединения, а также определить скорость обновления тканей. Наконец, при существовании нескольких путей обмена веществ можно определить, какой из них превалирует.

  В исследованиях на целых организмах изучают и потребности организма в пищевых веществах: если устранение из рациона какого-либо вещества приводит к нарушению роста и развития или физиологических функций организма, значит, это вещество является незаменимым пищевым фактором. Сходным образом определяются и необходимые количества пищевых веществ.

• и исследования на изолированных частях организма - аналитически-дезинтегрирующие методы (эксперименты in vitro, т. е. вне организма, в пробирке или других лабораторных сосудах). Принцип этих методов состоит в поэтапном упрощении, а точнее дезинтеграции, сложной биологической системы с целью изолирования отдельных процессов. Если рассматривать эти методы в нисходящей последовательности, т. е. от более сложных к более простым системам, то их можно расположить в следующем порядке:
  • удаление отдельных органов [показать]

    При удалении органов имеются два объекта исследования: организм без удаленного органа и изолированный орган.

    Изолированные органы. Если в артерию изолированного органа вводить раствор какого-либо вещества и анализировать вещества в жидкости, вытекающей из вены, то можно установить, каким превращениям подвергается это вещество в органе. Например, таким путем было найдено, что печень служит главным местом образования кетоновых тел и мочевины.

    Сходные опыты можно проводить на органах без их выделения из организма (метод артерио-венозной разницы): в этих случаях кровь для анализа отбирают с помощью канюль, вставленных в артерию и вену органа, или с помощью шприца. Таким путем, например, можно установить, что в крови, оттекающей от работающих мышц, увеличена концентрация молочной кислоты, а протекая через печень, кровь освобождается от молочной кислоты.

  • метод тканевых срезов [показать]

    Срезы - это тонкие кусочки тканей, которые изготовляются с помощью микротома или просто бритвенного лезвия. Срезы инкубируют в растворе, содержащем питательные вещества (глюкозу или другие) и вещество, превращения которого в клетках данного типа хотят выяснить. После инкубации анализируют продукты метаболизма исследуемого вещества в инкубационной жидкости.

    Метод тканевых срезов впервые был предложен Варбургом в начале 20-х годов. C помощью такой методики можно изучать тканевое дыхание (потребление кислорода и выделение углекислоты тканями). Существенным ограничением в изучении метаболизма в случае применения тканевых срезов являются клеточные мембраны, которые - чаще действуют как барьеры между содержимым клетки и "питательным" раствором.

  • гомогенаты и субклеточные фракции [показать]

    

    Гомогенаты - это бесклеточные препараты. Их получают путем разрушения клеточных мембран растиранием ткани с песком или в специальных приборах - гомогенизаторах (рис. 66). В гомогенатах нет барьера непроницаемости между добавляемыми субстратами и ферментами.

    Разрушение клеточных мембран делает возможным непосредственный контакт между содержимым клетки и добавленными соединениями. Это дает возможность установить, какие ферменты, коферменты и субстраты имеют значение для исследуемого процесса.

    Фракционирование гомогенатов. Из гомогената можно выделить субклеточные частицы как надмолекулярные (клеточные органеллы), так и отдельные соединения (ферменты и другие белки, нуклеиновые кислоты, метаболиты). Например, с помощью дифференциального центрифугирования можно получить фракции ядер, митохондрий, микросом (микросомы - это фрагменты эндоплазматического ретикулума). Эти органеллы различаются размерами и плотностью и поэтому осаждаются при разных скоростях центрифугирования. Использование изолированных органелл позволяет изучать процессы обмена веществ, связанных с ними. Например, для изучения путей и механизмов синтеза белка используются изолированные рибосомы, а для исследования окислительных реакций цикла Кребса или цепи дыхательных ферментов служат митохондрии.

    После осаждения микросом в надосадочной жидкости остаются растворимые компоненты клетки - растворимые белки, метаболиты. Каждую из этих фракций можно разными методами фракционировать дальше, выделяя составляющие их компоненты. Из выделенных компонентов можно реконструировать биохимические системы, например простую систему "фермент + субстрат" и такие сложные, как системы синтеза белков и нуклеиновых кислот.

  • частичная или полная реконструкция ферментной системы in vitro с использованием ферментов, коферментов и других компонентов реакции [показать]

    Использование с целью интеграции высоко очищенных ферментов и коферментов. Например, с помощью данного метода стало возможным полностью воспроизвести систему брожения, которая имеет все существенные признаки брожения дрожжей.

Разумеется, эти методы имеют ценность только как этап, необходимый для решения конечной цели - понимания функционирования целого организма.

ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ БИОХИМИИ ЧЕЛОВЕКА

В молекулярных процессах разных организмов, населяющих Землю, имеется далеко идущее сходство. Такие фундаментальные процессы, как матричные биосинтезы, механизмы трансформации энергии, основные пути метаболических превращений веществ примерно одинаковы у организмов от бактерий до высших животных. Поэтому многие результаты исследований, проведенных с кишечной палочкой, оказываются применимыми и к человеку. Чем больше филогенетическое родство видов, тем больше общего в их молекулярных процессах.

Подавляющую часть знаний о биохимии человека получают таким путем: исходя из известных биохимических процессов у других животных, строят гипотезу о наиболее вероятном варианте данного процесса в организме человека, а затем проверяют гипотезу прямыми исследованиями клеток и тканей человека. Такой подход позволяет проводить исследования на небольшом количестве биологического материала, получаемого от человека. Чаще всего используют ткани, удаляемые при хирургических операциях, клетки крови (эритроциты и лейкоциты), а также клетки тканей человека, выращиваемые в культуре in vitro.

Изучение наследственных болезней человека, необходимое для разработки эффективных методов их лечения, одновременно дает много информации о биохимических процессах в организме человека. В частности, врожденный дефект фермента приводит к тому, что в организме накапливается его субстрат; при изучении таких нарушений обмена иногда открывают новые ферменты и реакции, количественно незначительные (поэтому они и не были замечены при изучении нормы), которые имеют, однако, витальное значение.