Этот гормон снижает уровень глюкозы в крови

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

1. Общее понятие об обмене веществ и энергии.

5. Водный и минеральный обмен.

Общее понятие об обмене веществ и энергии.

Обмен веществ — одно из основных свойств живых организмов. Суть его состоит в постоянном обмене веществ и энергии между организмом и внешней средой. Вещества, поступающие с пищей, распадаются на относительно простые химические соединения, кото­рые усваиваются организмом и служат пластическим материалом для его построения. При распаде и превращении различных компо­нентов пищи выделяется энергия, расходуемая для осуществления ряда функций.

Конечные продукты распада выводятся из организма. Совокупность всех химических превращений (процессов ассимиляции и диссимиляции) в живом организме, обеспечивающих его жизне­деятельность, называют обменом веществ, или метаболизмом. В пе­риод роста организма преобладает ассимиляция. Во взрослом орга­низме устанавливается относительное равновесие между ассимиляци­ей и диссимиляцией. В старческом возрасте ассимиляция отстает от диссимиляции.

Обмен белков.

Белки — это сложные высокомолекулярные соедине­ния, состоящие из аминокислот. Роль белков в организме чрезвычай­но велика, так как их функции многообразны. Белки входят в состав ядра, протоплазмы, мембран клеток всех органов и тканей, т.е. выпол­няют пластическую функцию. Белки входят в состав нуклеопротеидов, таким образом, участвуют в процессах воспроизводства живой материи. Белки костей, хрящей выполняют опорную функцию. Актин и миозин обеспечивают сокращение мышц. Белки обладают каталити­ческой активностью (ферменты). Защитные реакции организма связа­ны с белками, в частности, антитела, образующиеся при поступлении чужеродных веществ, являются протеинами. Белки выполняют и антитоксическую функцию, участвуют в свертывании крови, являются источником энергии.

Биологическая ценность белков пищи обусловлена наличием в них незаменимых аминокислот, их соотношением с заменимыми. Заме­нимые аминокислоты (глицин, аланин, цистеин и др.) могут синтезироваться в организме. Незаменимые аминокислоты (аргинин, лейцин, лизин, триптофан и др.) не синтезируются в организме и обязательно должны поступать с пищей. Наиболее полноценными по аминокислотному составу продуктами являются белки яйца, молока, мяса. Бел­ки растительного происхождения биологически менее полноценны, т.к. в них либо мало некоторых незаменимых аминокислот, либо они отсутствуют.

Белки расщепляются в пищеварительном тракте до аминокислот и низкомолекулярных полипептидов, которые всасываются в кровь. С током крови они поступают в печень, где подвергаются дезаминированию и переаминированию. Из части аминокислот в печени син­тезируются специфические белки альбумины, глобулины, фибриноген. Основная часть аминокислот поступает к тканям организма и ис­пользуется для синтеза тканевых белков. Конечными продуктами расщепления белков в тканях являются аммиак, мочевина, мочевая кислота, креатинин и другие вещества.

Об использовании белков в организме судят по азотистому ба­лансу. Его можно рассчитать по количеству азота, поступившего с пищей и выделенного с мочой, потом и. калом.

Суточная потребность в белках зависит от возраста, вида и усло­вий деятельности, от состояния организма. Для взрослых здоровых людей, выполняющих среднюю по тяжести работу, суточная потреб­ность в белке составляет 100-110 г.

Регуляция белкового обмена осуществляется нервной системой через железы внутренней секреции. На белковый обмен оказывают влияние соматотропный гормон передней доли гипофиза, гормон щи­товидной железы тироксин иглюкокортикоиды коркового вещества надпочечников.

Обмен жиров (липидов).

Под липидами понимают сложные орга­нические вещества, к которым относятся нейтральные жиры, со­стоящие из глицерина и жирных кислот, и близкие к ним по фи­зико-химическим свойствам липоиды: лецитин, холестерин. В, состав липоидов, кроме жирных кислот, входят многоатомные спирты, фосфаты и азотистые соединения.

Жиры выполняют несколько функций:

1) окисляются, освобождая при этом энергию;

2) служат пластическим веществом для образова­ния тканевых структур;

3) превращаются в печени в гликоген, кото­рый затем используется как источник глюкозы;

4) откладываются в виде жировых отложений (жировых депо) и по мере надобности ис­пользуются организмом;

5) являются растворителями витаминов (А, D, Е, К) и способствуют их усвоению.

Жиры пищи под действием ферментов поджелудочного и кишечных соков (при участии желчи) расщепляются на глицерин и жирные ки­слоты. Из глицерина и жирных кислот в эпителиальных клетках вор­синок тонкого кишечника синтезируется жир, свойственный орга­низму человека. Эти жиры попадают в лимфу и далее разносятся кровью по всем органам и тканям.

Конечными продуктами распада жиров является вода и углекислый газ. Суточная потребность в жирах в среднем составляет 100 г.

В регуляции жирового обмена существенную роль играют централь­ная нервная система, а также железы внутренней секреции (половые и щитовидные железы, гипофиз, надпочечники).

Обмен углеводов.

Углеводы делятся на простые и сложные. С пищей поступают главным образом сложные углеводы: полисахари­ды — крахмал, гликоген и дисахариды — молочный, свекловичный, тро­стниковый и Другие сахара. При их расщеплении в пищеварительном тракте образуются простые моносахариды: глюкоза, фруктоза и га­лактоза, которые всасываются из кишечника в кровь.

В крови углеводы содержатся в виде глюкозы (3,3-5,5 ммоль/л); в печени и мышцах — в виде небольших запасов гликогена. При сни­жении концентрации глюкозы в крови ниже физиологической нормы происходит распад гликогена в печени. Таким образом, сущность углеводного обмена сводится к поддержанию оптимальной концентра­ции глюкозы в крови. Суточная потребность в углеводах у взрослого человека составляет 400-500 г.

В регуляции углеводного обмена принимают участие нервная система и железы внутренней секреции. Адреналин, глюкагон и адренокортикотропный гормон вызывают повышение расщепления гликогена, тогда как инсулин тормозит распад гликогена и способствует его синтезу из глюкозы в печени.

Водный и минеральный обмен.

Вода составляет около 70% мас­сы тела. Она является непременной составной частью каждой клет­ки, имеется в межклеточной жидкости, составляет жидкую основу крови и лимфы. Суточная потребность в воде для взрослого организ­ма составляет 2,5-3 л. Воду, которую человек получает в виде питья (1500 мл) и в составе пищевых продуктов (1000-1200 мл), называют экзогенной. Воду, которая образуется при окислительном распаде в организме белков, жиров и углеводов, называют эндогенной (500 мл).

В нормальных условиях организм взрослого человека находится в состоянии равновесия относительно потребления воды и ее выделения, которое осуществляется почками — 1200-1500 мл, кожей — 800 мл, легкими в виде водяного пара — 500 мл, через кишечник с калом -100-150 мл. Поступление воды контролируется потребностью в ней, проявляющейся в чувстве жажды. Это чувство возникает при возбуж­дении питьевого центра в гипоталамусе.

Организм нуждается в поступлении не только воды, но и мине­ральных веществ. Минеральные вещества участвуют в построении ор­ганоидов клетки, входят в состав ферментов, гормонов, участвуют в мышечном сокращении, нервной проводимости и т.д.

В сутки человеку необходимо не менее 8 г натрия, 4 г хлора, 3 г ка­лия, 0,8 г кальция, 2 г фосфора, 15-20 мг железа и др. Натрий, калий и хлор необходимы для поддержания кислотно-щелочного равновесия, калий участвует в обеспечении процессов возбудимости нервной и мы­шечной тканей, фосфор входит в состав нуклеиновых кислот, АТФ и некоторых ферментов. В соединении с кальцием и магнием фосфор об­разует костный скелет. Железо необходимо в составе гемоглобина, миоглобина, а также ферментов, участвующих в окислительно-восста­новительных реакциях. Большое значение имеют микроэлементы: йод входит в состав гормонов щитовидной железы; цинк — поджелудочной; фтор придаёт прочность эмали зубов; кобальт является компонентом витамина В,₂; медь необходима для процесса кроветворения, синтеза гемоглобина, влияет на рост.

Витамины.

Витамины — это сложные биоорганические соединения, необходимые для нормального протекания процессов обмена веществ. Впервые наличие таких веществ в пище было обнаружено русским врачом Н. И. Луниным в 1880 году.

Роль витаминов многообразна:

1) они ускоряют биохимические реак­ции в организме;

2) взаимодействуя с гормонами и ферментами, повы­шают их эффективность;

3) участвуют в образовании пищеваритель­ных ферментов.

При отсутствии какого-либо витамина или его предшественника возникает болезненное состояние — авитаминоз, при недостаточном по­ступлении витамина с пищей — гиповитаминоз.

Витамины делят на две группы: жирорастворимые (A, D, Е, К) и во­дорастворимые (В, В₂, В₆ , В₁₂, РР, Р, С и др.). (

Витамин А (ретинол). Биологическая роль ретинола многообразна: он необходим для роста костей, формирования клеток эпителия, участвует в процессах фоторецепции. При авитаминозе происходит нарушение процессов сумеречного зрения (куриная слепота), поврежде­ние роговицы глаз, сухость эпителия. Витамин А широко распростра­нен в продуктах животного происхождения (мясе, печени, рыбьем жире, молоке, яйцах). В растениях находится провитамин А — каротин, кото­рый в организме животных превращается в витамин А. Источники каротина — морковь, абрикосы, крапива. Суточная потребность в вита­мине А — 1,0-1,5 мг.

Витамин D (кальциферол). Регулирует обмен кальция и фосфора. При недостатке данного витамина в детском возрасте развивается ра­хит (нарушается процесс костеобразования). Приём больших доз вита­мина D ведёт к тяжёлому заболеванию, которое характеризуется отло­жением кальция в органах и тканях. Витамин D содержится в яич­ном желтке, рыбьем жире, печени, растительных маслах, образуется в коже под влиянием ультрафиолетовых лучей. Суточная потребность — 2,5 мкг.

Витамин Е (токоферол). Обладает противоокислительным действи­ем на внутриклеточные липиды. Играет важную роль в обеспечении функции размножения. При недостатке витамина Е развивается дис­трофия скелетных мышц, ослабляется половая функция. В большом ко­личестве витамин Е содержится в салате, петрушке, растительном мас­ле, кукурузе, овсяной муке. Суточная потребность — 14-15 мг.

Витамин К (филлохинон). Участвует в синтезе протромбина, способ­ствует нормальной свёртываемости крови. При К-авитаминозе понижа­ется свёртываемость крови, наблюдаются кровоизлияния. Источником витамина К являются зелёные листья шпината, салата, капусты. Много его в томатах, ягодах рябины. Суточная потребность в этом витамине равна 0,2-0,3 мг.

Витамин В (тиамин). Участвует в обмене жиров, белков и углево­дов, в проведении нервного импульса. При недостатке возникают рас­стройства двигательной активности, параличи, нарушения работы желу­дочно-кишечного тракта. Витамином Bi наиболее богаты зерновые и бобовые культуры, печень, куриный желток. Суточная потребность в витамине — 1,5-2 мг.

Витамин В(рибофлавин). Участвует в клеточном дыхании. При недостатке развивается помутнение хрусталика, поражение слизистой оболочки рта, слабость мышц. Витамин В₂ содержится в пивных дрож­жах, печени, яйцах, томатах, зерновых и бобовых культурах. Суточная потребность — 2-3 мг.

Витамин В₆ (пиридоксин). Участвует в обмене белков, синтезе фер­ментов, обеспечивающих обмен аминокислот. Влияет на кроветворение. При его недостатке наблюдаются потеря аппетита, тошнота, слабость, воспалительные поражения кожи и нервов. Витамин В₆ содержится в молоке, яйцах, овощах, мясе и рыбе, кроме того, он частично синтезиру­ется микрофлорой кишечника. Суточная потребность в нем составляет 1,5-3 мг.

Витамин В₁₂ (цианокобаламин). Оказывает влияние на функцию кроветворения. Для всасывания его из кишечника необходим гастромукопротеид (внутренний фактор Касла), который находится в желу­дочной слизи. Гиповитаминоз В приводит к развитию анемии. Содер­жится в печени, почках, мясе. Может синтезироваться и микрофлорой кишечника при условии поступления с пищей кобальта. Суточная по­требность — 2 мкг.

Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид). Участвует в кле­точном дыхании. Нехватка и отсутствие витамина РР в пище приводит к развитию заболевания с названием пеллагра, которое проявляется в поражении кожи, пищеварительной и нервной систем. Витамин РР содержится в мясе, рыбе, молоке, печени, чае, пшенице, рисе, ячмене. Суточная потребность в нем — 15 мг.

Витамин Р (рутин). Уменьшает проницаемость и ломкость капилля­ров. ПриР-авитаминозе возникают общая слабость, боли в ногах, крово­излияния. Наиболее богаты витамином Р лимоны, гречневая крупа, чер­ная смородина, плоды шиповника. Суточная потребность — около 50 мг.

Витамин С (аскорбиновая кислота). Участвует в окислительно-восстановительных процессах. Увеличивает устойчивость к инфекциям. При недостатке аскорбиновой кислоты развивается цинга (поражение стенок кровеносных сосудов, развитие мелких кровоизлияний в коже, кровоточивость десен). Источником витамина С являются шиповник, лимоны, перец, зелёный лук, чёрная смородина, картофель, капуста и др. Суточная потребность в витамине С составляет 50-100 мг.

Обмен энергии.

Для жизнедеятельности организма необходима энер­гия. Она освобождается в процессе диссимиляции сложных органиче­ских соединений: белков, жиров и углеводов, потенциальная энергия которых при этом переходит в кинетические виды энергии, в основном, тепловую, механическую и частично в электрическую. Расщепление идет путем присоединения кислорода — окисления. При окислении 1 г жира в организме выделяется 9,3 ккал энергии, 1 г углеводов — 4,1 ккал, 1 г белка — 4,1 ккал. То количество тепла, которое выделяется при окис­лении в организме 1 г вещества, называют теплотой сгорания. Часть освобождающейся энергии используется для синтетических процессов восстановления изнашиваемых и построения новых клеток и тканей, часть потребляется в процессе функционирования органов и тканей: сокращения мышц, проведения нервных импульсов, синтеза ферментов и гормонов и др. Большая часть химической энергии переходит в теп­ло, которое идет на поддержание постоянной температуры тела.

Обмен энергии человека, или так называемый общий обмен, скла­дывается из основного обмена и рабочей прибавки. Если человек нахо­дится в состоянии полного мышечного покоя: лежа с расслабленной мускулатурой, натощак (через 14 часов после последнего приема пищи), при температуре комфорта (18-22° С), то расход энергии составляет примерно 1700 ккал в сутки и называется основным обменом. В услови­ях основного обмена энергия расходуется на поддержание жизнедея­тельности организма, работу внутренних органов (сердце, дыхатель­ный аппарат и др.), а также на поддержание температуры тела. Основ­ной обмен нарушается при заболевании эндокринных желез. При ги­перфункции щитовидной железы он может повышаться до 150%. При недостаточности гипофиза основной обмен понижается — наступает гипофизарное ожирение.

Повышение энергетического обмена сверх основного обмена назы­вают рабочей прибавкой. Факторами, повышающими расход энергии, являются прием пищи, низкая или высокая (свыше 30° С) внешняя тем­пература и мышечная работа.

Терморегуляция.

В живом организме, благодаря непрерывному об­мену веществ, постоянно образуется тепло. Одновременно с поверх­ности тела происходит постоянная отдача тепла в окружающую среду. Следовательно, температура тела должна зависеть от соотношения двух процессов — теплообразования и теплоотдачи.

В организме тепло образуется главным образом в мышцах и печени. Образование тепла происходит за счет окисления углеводов и жиров.

Теплоотдача происходит несколькими путями:

1) проведением (пря­мой отдачей тепла от тела);

2) конвекцией (прямой передачей тепла перемещающимся частицам воздуха, воды);

3) излучением (в виде лучи­стой энергии инфракрасных лучей);

Источник статьи: http://studopedia.ru/1_93430_lektsiya—obmen-veshchestv-i-energii.html

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

Обмен веществ и энергии — совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих в живых организмах, и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Обмен веществ и энергии представляет собой основу 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 высокоинтегрированный и целенаправленный 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: 1) извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию высокоэргических соединений (см. ) в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; 2) образование из экзогенных веществ (или получение в готовом виде) промежуточных соединений, являющихся предшественниками макромолекулярных компонентов клетки; 3) синтез белков, нуклеиновых к-т, углеводов, липидов и других клеточных компонентов из этих предшественников; 4) 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 по существу изотермична. Различные части клетки мало отличаются и по давлению. Это значит, что 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. Т. о., живые клетки не похожи на обычные тепловые или электрические двигатели. Живую клетку можно рассматривать как изотермическую химическую машину.

С точки зрения термодинамики (см.) живые организмы представляют собой открытые системы, поскольку они обмениваются с окружающей средой как энергией, так и веществом, и при этом преобразуют и то, и другое. Однако они 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. Но это не значит, что хим. вещества, составляющие организм, не подвергаются никаким превращениям. Напротив, они постоянно и достаточно интенсивно обновляются, о чем можно судить по скорости включения в сложные вещества организма стабильных и радиоактивных изотопов, вводимых в клетку в составе более простых предшественников. Кажущееся постоянство хим. состава объясняется так наз. стационарным состоянием, т. е. таким положением вещей, при к-ром скорость переноса вещества и энергии из среды в систему точно уравновешивается скоростью переноса из системы в среду. Т. о., живая клетка представляет собой неравновесную открытую стационарную систему.

Содержание

• 1 Источники углерода и энергии для жизнедеятельности
• 2 Кругооборот азота
• 3 Валовый (суммарный) обмен веществ и энергии
• 4 Влияние различных условий на обмен веществ и энергии
• 5 Промежуточный обмен веществ
• 6 Регуляция обмена веществ и энергии
• 7 Нарушения обмена веществ и энергии
• 8 Диагностика нарушений обмена веществ и энергии
• 9 Профилактика нарушений обмена веществ и энергии
• 10 Лечение болезней обмена веществ н энергии
• 11 Изменения обмена веществ и энергии в процессе старения
• 12 Обмен веществ и энергии у детей
• 13 Таблицы

Источники углерода и энергии для жизнедеятельности

В зависимости от того, в какой форме клетки получают из окружающей среды углерод (см.) и энергию, все клетки можно разделить на большие группы. По форме получаемого углерода клетки делятся на аутотрофные — «сами себя питающие» (см. Аутотрофные организмы), использующие в качестве единственного источника углерода двуокись углерода (CO₂), из к-рой они способны строить все нужные им углеродсодержащие соединения; и гетеротрофные — «питающиеся за счет других» (см. Гетеротрофные организмы), не способные усваивать CO₂ и получающие углерод в форме сравнительно сложных органических соединений, таких, напр., как глюкоза (см.). По форме потребляемой энергии клетки могут быть фототрофными — непосредственно использующими энергию солнечного света, и хемотрофными — живущими за счет хим. энергии, освобождающейся в ходе окислительно-восстановительных реакций (см. Окисление биологическое). Подавляющее большинство аутотрофных организмов является в то же время фототрофами. Это зеленые клетки высших растений, сине-зеленые водоросли, фотосинтезирующие бактерии. Гетеротрофы чаще всего ведут себя как хемотрофы. К гетеротрофам относятся все животные, большая часть микроорганизмов, нефотосинтезирующие клетки растений. Исключение представляет собой небольшая группа бактерий (водородные, серные, железные и денитрофицирующие), к-рые но форме используемой энергии являются хемотрофами, но в то же время источником углерода для них служит CO₂, т. е. по этому признаку они должны быть отнесены к аутотрофам.

Гетеротрофные клетки в свою очередь можно разделить на два больших класса: аэробы, к-рые в качестве конечного акцептора электронов используют кислород, и анаэробы, где акцепторами служат другие вещества. Многие клетки могут существовать как в аэробных, так и в анаэробных условиях, их называют факультативными анаэробами. Другие клетки не могут использовать кислород и даже гибнут в его атмосфере, это облигатные анаэробы.

Рассматривая биосферу в целом, можно заметить, что в смысле питания все живые организмы так или иначе связаны друг с другом. Это явление носит название «синтрофия» (совместное питание). Фототрофы и гетеротрофы взаимно питают друг друга. Первые, являясь фотосинтезирующими организмами, образуют из содержащейся в атмосфере двуокиси углерода органические вещества (напр., глюкозу) и выделяют в атмосферу кислород; вторые используют глюкозу и кислород в процессе свойственного им метаболизма и в качестве конечного продукта обмена вновь возвращают в атмосферу CO₂. Этот круговорот углерода в природе теснейшим образом связан с энергетическим циклом. Солнечная энергия преобразуется в ходе фотосинтеза (см.) 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 (биосинтезы, протекающие с поглощением энергии), работы, связанной с транспортом веществ (железы, кишечник, почки и др.). Все эти виды работы суммарно могут быть учтены по теплопродукции.

Необходимо подчеркнуть, что 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. 10 21 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. Достаточно сказать, что годовой оборот углерода составляет 33•10 9 т.

Кругооборот азота

Другим не менее важным для живых организмов элементом, чем углерод, является азот (см.). Он необходим 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 большинство живых организмов его не усваивает. Лишь азотфиксирующие бактерии обладают способностью восстанавливать молекулярный азот и таким образом переводить его в связанное состояние. Связанный азот совершает беспрерывный кругооборот в природе. 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.

Валовый (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 потребовалось создание достаточно точных хим. методов их определения и знание путей, по к-рым различные вещества выделяются из организма. Известно, что главными пищевыми веществами являются белки (см.), липиды (см. Жиры) и углеводы (см.). 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, в т. ч. в нуклеопротеидах; незначительным количеством азота, входящим в состав нек-рых липидов и углеводов, в опытах по определению азотистого баланса можно пренебречь. Определение липидов и углеводов в пищевых продуктах требует специфических методов, что же касается конечных продуктов обмена липидов и углеводов, то это почти исключительно углекислота и вода.

При анализе конечных продуктов обмена 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 (см. Азотистый обмен). Углерод выделяется почти исключительно в форме CO₂ через легкие, но некоторое его количество выделяется с мочой и калом. Водород экскретируется в виде H₂O преимущественно с мочой и через легкие (водяной пар), но также через кожу и с калом.

Баланс энергии определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, к-рое может быть измерено или рассчитано (см. Калориметрия). При этом надо учитывать, что величина калорийности, получаемая при сжигании веществ в калориметрической «бомбе», может отличаться от физиологической калорической ценности, т. к. нек-рые вещества в организме не сгорают полностью, а образуют конечные продукты обмена, 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), к-рый численно равен отношению объема выдохнутого CO₂ к объему поглощенного O₂. Легко убедиться, что для углеводов ДК равен 1, на примере уравнения окисления глюкозы:

Поскольку отношение объемов газов равно отношению числа их молей, ДК для данной реакции равен 6:6 = 1. Иная картина получается при обмене липидов. Напр., в реакции полного окисления жира — трипальмитина ДК равен 102 : 145 = 0,703:

Т. о., и калорическая ценность, и ДК, и величина теплообразования, рассчитанная на 1 л потребленного O₂, для разных веществ являются различными. Средние значения этих величин для важнейших пищевых веществ приведены в таблице 1. Эти данные широко используются для количественных расчетов, связанных с характеристикой энергетического обмена в организме животных и человека.

Различают прямые и непрямые методы определения интенсивности обмена веществ и энергии. В прямых методах используют большой калориметр, с помощью к-рого путем тончайшего измерения температуры определяют отдачу тепла и одновременно производят полное определение баланса отдельных пищевых веществ. В непрямых методах, значительно более простых, определяют лишь отдельные показатели обмена, чаще всего газометрические: количество потребленного O₂ и выделенной CO₂ за определенное время, и, кроме того, для оценки белкового обмена определяют количество азота, выделенного за это же время с мочой. Поскольку содержание азота в белках приблизительно постоянно и составляет в среднем 16 г на 100 г белка, 1 г выделенного азота соответствуют 6,25 г белка, вовлеченного в метаболизм. Зная количество белка, метаболизировавшего за время опыта, и пользуясь цифрами, приведенными в таблице 1, рассчитывают, сколько O₂ пошло на окисление белка и сколько CO₂ выделилось за счет белка. Эти количества вычитают из общего количества O₂ и CO₂, измеренного в ходе опыта. В результате получают так наз. небелковые O₂ и CO₂. Из их соотношения находят небелковый ДК. С помощью данных, помещенных в таблице 2, по величине небелкового ДК находят общую теплопродукцию за счет небелковых веществ и долю углеводов и липидов в этой теплопродукции. Т. о., на основании данных о количестве поглощенного O₂, выдохнутого CO₂ и выделенного с мочой азота за определенный период времени может быть вычислена теплопродукция (см.) и определены количества белка, углеводов и липидов, катаболизировавшихся за этот период.

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 пр. расходуется нек-рое количество энергии. Для оценки индивидуальных особенностей обмена у разных людей условились производить определение интенсивности обмена в стандартных условиях: при полном физическом и психическом покое, в лежачем положении, не менее чем через 14 час. после последнего приема пищи, при окружающей температуре, обеспечивающей ощущение комфорта. Полученную величину называют основным обменом (см.). У молодых мужчин основной обмен составляет 1300—1600 ккал/сут, или 40 ккал/ м 2 /час. У женщин величина основного обмена на 6—10% ниже, чем у мужчин. С возрастом (начиная с 5 лет) величина основного обмена неуклонно снижается (с 52,7 ккал/м 2 / час у шестилетних мальчиков до 34,2 ккал/м 2 /час у мужчин 75—79 лет). С повышением температуры тела на 1° величина основного обмена у человека возрастает приблизительно на 13% . Возрастание интенсивности обмена наблюдают также при снижении температуры окружающей среды ниже зоны комфорта. Это адаптационный процесс, связанный с необходимостью поддерживать постоянную температуру тела (хим. терморегуляция).

При сравнении основного обмена у людей разного веса (массы) было замечено, что обмен интенсифицируется с увеличением размеров тела, но не прямо пропорционально весу (массе) тела; большая корреляция наблюдается между основным обменом и поверхностью тела. Эта зависимость, впервые установленная М. Рубнером, получила название закона поверхности. По Рубнеру, у всех теплокровных животных (птицы и млекопитающие) теплопродукция независимо от веса тела составляет в сутки ок. 1000 ккал на 1 м 2 поверхности тела. Более поздние исследования не подтвердили этих результатов. Теоретическое значение исследований М. Рубнера состоит в том, что он привлек внимание к роли величины поверхности тела в обмене веществ и энергии, т. к. поверхность тела в значительной мере определяет потерю тепла организмом путем проведения и излучения (см. Теплоотдача). Гораздо более строгая прямолинейная зависимость между размерами тела и теплоотдачей описывается уравнениями, найденными эмпирически, напр, формулой Бенедикта:

где W — теплоотдача, М — масса тела.

Главное 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 (напр., при плавании на короткие дистанции) даже в 100 раз. Общая суточная потребность в калориях определяется, в первую очередь, характером выполняемой работы (см. таблицу 3).

При обсуждении факторов, влияющих на обмен веществ и энергии, следует упомянуть особое свойство пищи, называемое ее специфически-динамическим действием (СДД). Уже давно было замечено, что 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 обмен до 130 ккал, т. е. СДД составляет 30% . У углеводов и жиров СДД находится в пределах 4—6%. Механизм СДД заключается не только в том, что прием пищи стимулирует активность пищеварительного аппарата, СДД проявляется и при внутривенном введении аминокислот. Главным в механизме СДД следует считать влияние пищевых продуктов на промежуточный обмен. Так, расчеты показали, что количество калорий, затрачиваемое на образование 1 моля АТФ 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 метаболизм 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, 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, и количество энергии, освобождающейся на этой стадии, очень невелико — менее 1%. На второй стадии катаболизма образуются 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 терминального окисления, цикла лимонной к-ты, цикла Кребса, цикла Трикарбоновых к-т (см. Трикарбоновых кислот цикл). В ходе этой стадии все продукты в конечном счете окисляются до CO₂ и воды. Практически вся энергия освобождается на второй и третьей стадиях катаболизма .

Процесс анаболизма тоже проходит через 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 веще-ства-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 в ходе реакций аминиро-вания или трансаминирования (см.) они 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. Необходимо подчеркнуть, что наши знания о конкретных хим. путях анаболизма сложились значительно позже, чем знания о реакциях катаболизма, и лишь в 60— 70-х гг. 20 в. выяснилось, что пути анаболизма не являются простым обращением процессов катаболизма. Это связано с энергетическими особенностями хим. реакций. Нек-рые реакции катаболизма практически необратимы, т. к. их протекание в обратном направлении имеет непреодолимый в обычных условиях барьер. В ходе эволюции были выработаны другие, обходные реакции, позволившие обойти эти барьеры и взобраться на ту же энергетическую вершину пусть более длинным, но зато менее крутым путем.

Катаболические и анаболический пути отличаются, как правило, и по своей локализации в клетке. Напр., окисление жирных к-т до ацетата осуществляется с помощью набора ферментов, локализованных в митохондриях, тогда как синтез жирных к-т катализирует другая система ферментов, локализующихся в цитозоле. Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно.

Даже такой краткий обзор путей метаболизма говорит о его чрезвычайном многообразии. Однако в этом многообразии можно усмотреть проявление удивительного единства, к-рое является наиболее типичной и специфической чертой обмена веществ. Это единство состоит в том, что от бактерий до самой высоко-дифференцированной ткани высшего организма мы встречаемся с биохимическими реакциями, не только внешне сходными, напр., по балансовым уравнениям, по внешним эффектам, но и абсолютно тождественными во всех деталях. Другим проявлением такого единства следует считать наблюдаемое также на всем пути эволюции циклическое протекание важнейших метаболических процессов, напр, цикл Трикарбоновых к-т, цикл мочевины, аденозинтрифосфатный цикл, пентозный путь и др. Видимо, и сами биохимические 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 возможна лишь при наличии достаточно тонких и чутких механизмов его регуляции. Регуляция метаболических процессов осуществляется на разных уровнях постепенно возрастающей сложности. Можно говорить об иерархии метаболической регуляции. Простейший тип регуляции затрагивает все основные параметры, влияющие на скорость ферментативных реакций. К ним относятся величина pH среды, концентрация кофермента, субстрата, продукта реакции, наличие активаторов или ингибиторов и т. д. Влияние на каждый из этих параметров может изменить скорость реакции. Напр., накопление кислых продуктов реакции может сдвинуть pH среды за пределы оптимума для данного фермента и таким образом затормозить процесс. Нередко ингибитором фермента является сам субстрат и при наличии его в высокой концентрации реакция не идет.

Следующий уровень регуляции сложных метаболических процессов касается мультиферментных реакций, к-рые представляют собой строгую последовательность превращений 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 данной метаболической последовательности. Т. о., накопление продукта реакции до определенной концентрации прекращает дальнейшее его образование. Это явление называется ингибированием по типу обратной связи или ретроингибированием. По своему механизму ретроингибирование в подавляющем большинстве случаев является аллостерическим, т. е. ингибитор действует не на тот активный участок поверхности молекулы фермента, с к-рым связывается субстрат. Нередко специфические модуляторы не ингибируют, а наоборот, активируют аллостерические ферменты. Нек-рые аллостерические ферменты поливалентны, т. е. на них могут действовать два, три или даже большее число активаторов и ингибиторов, являющихся продуктами разных метаболических процессов. Такие поливалентные аллостерические ферменты могут координировать работу двух или нескольких ферментных систем. Аллостерическое воздействие чрезвычайно быстро, практически мгновенно меняет активность фермента, поэтому данный тип регуляции может рассматриваться как срочный, экстренный.

Третий уровень регуляции — это генетический контроль, определяющий скорость синтеза ферментов, к-рая может сильно варьировать. Специфические хим. сигналы могут инициировать или блокировать транскрипцию определенного участка ДНК в информационную РНК в зависимости от того, будет ли данный сигнал индуктором или репрессором. Регуляция на уровне генов может привести к увеличению или уменьшению концентрации тех или иных ферментов; к изменению типов ферментов; к изменению относительного содержания в клетке изоферментов 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 репрессия одновременно целой группы ферментов. Это происходит тогда, когда синтез всей этой группы ферментов закодирован в ДНК набором последовательно расположенных генов, называемым опероном (см.). Генетическая регуляция отличается высокой специфичностью, экономичностью и обеспечивает широкие возможности для контроля метаболизма. Однако в подавляющем большинстве клеток активация генов процесс медленный. Обычно время, необходимое для того, чтобы индуктор или репрессор мог заметно повлиять на концентрацию ферментов, измеряется часами. Поэтому данная форма регуляции непригодна для срочных случаев.

У высших животных и у человека существуют еще два уровня, 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 (см.), вырабатываемые эндокринными железами, служат хим. медиаторами, стимулирующими или подавляющими определенные метаболические процессы в других тканях или органах. Напр., когда поджелудочная железа начинает вырабатывать меньше инсулина, в клетки поступает меньше глюкозы, а это влечет за собой ряд вторичных метаболических эффектов, в частности уменьшение биосинтеза жирных к-т из глюкозы и усиление образования кетоновых тел в печени. Противоположное инсулину действие оказывает соматотропный гормон. Известно, что механизм действия многих гормонов состоит в активации фермента аденилатциклазы (КФ 4.6.1.1), расщепляющей АТФ на циклический 3′,5′-АМФ и неорганический пирофосфат. 3′,5′-АМФ, называемый вторым посредником, передает специфический сигнал внутриклеточной мишени, т. е. через систему 3′,5′-АМФ-зависимых протеинкиназ модулирует активность ферментов клеточного метаболизма (см. Гормональная регуляция).

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 эндокринные железы, усиливая или подавляя поступление гормонов в кровь. Хорошо известно влияние эмоции на метаболизм, напр, предстартовое повышение показателей обмена веществ и энергии у спортсменов, усиленная продукция адреналина и связанное с этим повышение концентрации сахара в крови у студентов во время экзаменов и др. Во всех случаях регулирующее действие нервной системы на обмен веществ и энергии весьма целесообразно и всегда направлено на наиболее эффективное приспособление организма к изменившимся условиям.

Нарушения обмена веществ и энергии

Нарушения обмена веществ и энергии лежат в основе всех функциональных 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: 1) молекулярный; 2) клеточный; 3) органный и тканевой; 4) целостный организм. Нарушения обмена веществ и энергии на любом из этих уровней могут носить первичный или вторичный характер. Их реализация во всех случаях осуществляется на молекулярном уровне, изменения обмена веществ и энергии на к-ром и приводят к патологическим 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, нарушается регенерация АТФ, а также поступление необходимых для биосинтетических процессов исходных субстратов анаболизма. В свою очередь, первичное или опосредованное нарушениями 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 наступают при повреждении системы биол, окисления (блокада ферментов тканевого дыхания, гипоксия и пр.) или при повреждении механизмов сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования (напр., разобщающий эффект при тиреотоксикозе). Клетки лишаются основного источника энергии. Блокируются или теряют способность аккумулировать освобождающуюся энергию в молекулах АТФ почти все окислительные реакции катаболизма, являющиеся донорами водорода. 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, наступающего, напр., в результате ингибирования фермента цитратсинтазы (КФ 4.1.3.7), при недостатке пантотеновой к-ты, снижении концентрации щавелево-уксусной к-ты. При нарушении нормального течения гликолитических процессов (гликолиза, гликогенолиза), в частности их ключевых реакций — гексокиназной, фосфофруктокиназной и фосфорилазной (см. Гликолиз), организм лишается способности адаптироваться к гипоксии, что особенно отражается на функционировании мышечной ткани. Нарушение использования углеводов, уникальных метаболических источников энергии в условиях недостатка кислорода, одна из причин существенного снижения мышечной силы у больных сахарным диабетом. Ослабление гликолитических процессов затрудняет метаболическое использование углеводов, ведет к гипергликемии, переключению биоэнергетики на липидные и белковые субстраты, к угнетению цикла Трикарбоновых к-т в результате недостатка щавелево-уксусной к-ты. Возникают условия для накопления недоокисленных метаболитов — кетоновых тел (см.), усиливается распад белков, интенсифицируется глюконеогенез. Развиваются ацетонемия (см.), азотемия (см.), ацидоз (см.). Окислительное декарбоксилирование пировиноградной к-ты, нарушающееся при B₁-авитаминозе, действии SH-ядов, блокирующих липоевую кислоту (см.), при недостатке пантотеновой к-ты как компонента КоА и пр., тормозит конечное окисление не только собственно углеводных субстратов, но и углеродных скелетов многих аминокислот, а также глицерина.

Утилизация липидов (см. Жировой обмен) затрудняется при торможении процессов липолиза (гидролитического расщепления молекул различных липидов), угнетении процесса активирования жирных к-т с образованием ацил-S-KoA, фосфорилирования глицерина при участии глицераткиназы (КФ 2.7.1.31). Последние два процесса страдают при недостаточной регенерации высокоэргических соединений.

Катаболизм белков и аминокислот (см. Азотистый обмен) может нарушаться при отклонениях в процессах протеолиза, трансаминирования, дезаминирования, деградации углеродных скелетов аминокислот и при несостоятельности систем обезвреживания азотистых шлаков — амидирования дикарбоновых аминокислот, биосинтеза мочевины, образования специфических конечных производных азотсодержащих метаболитов (мочевой к-ты, креатинина, гиппуровой к-ты, желчных пигментов и их производных и др.).

Ведущее значение при нарушении анаболизма имеют дефекты в системе биосинтеза нуклеиновых к-т и белков. Врожденные или возникающие в ходе онтогенеза мутации (см.), нарушения процесса транскрипции при синтезе информационных и других типов РНК, дефекты созревания (процессинга) информационных РНК, нарушения трансляции (см.), повреждения посттрансляционного формирования биологически активных белков — все это может вести к глубоким расстройствам обмена веществ и энергии. Причиной нарушений синтеза нуклеиновых к-т и белков может быть и блокирование отдельных стадий синтеза нуклеотидов и заменимых аминокислот.

Нарушение глюконеогенеза — процесса анаболизма углеводов (см. Гликолиз) существенно сказывается на поддержании энергетического гомеостаза организма. Особое значение имеет ингибирование ферментов, катализирующих ряд ключевых реакций: митохондриальной и цитоплазматической малатдегидрогеназ (см. Малатдегидрогеназа), пируваткарбоксилазы (КФ 6.4.1.1), фосфоенолпируваткарбоксикиназы (КФ 4.1.1.49), обеспечивающих превращение пировиноградной к-ты (пирувата) в фосфоенолпируват. Недостаток этих ферментов в результате ослабления их синтеза может наблюдаться при низком уровне секреции АКТГ и кортикальных гормонов.

Биосинтез липидов может нарушаться при недостаточности биотина (блокирование реакции карбоксилирования ацетил-КоА), а также при снижении интенсивности реакций пентозного пути, обеспечивающего восстановительные реакции биосинтеза. 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 дис-регуляцией 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 биомембраны (см. Мембраны биологические), что влечет за собой нарушение нормальных взаимоотношений клетки с окружающей средой, а также нарушение клеточного метаболизма. Расстраиваются оптимальная топография внутриклеточных ферментов, трансмембранный транспорт, челночные механизмы обмена метаболитами между различными органеллами клетки. При повреждении лизосомных мембран может начаться аутолиз компонентов цитозоля лизосомными ферментами, при нарушении внутренней мембраны митохондрий прекращается образование АТФ и т. д. Важным следствием повреждения клеточных мембран является дезинтеграция регуляторных механизмов метаболизма на клеточном уровне. Нарушаются восприятие и дальнейшая передача на метаболизм клетки и усиление гормональных и нервных регуляторных сигналов: расстройство циклазных систем, транспорта ионов Ca 2+ (см. Минеральный обмен), нарушение активности мембранных АТФаз, взаимодействия простагландинов с мембранными системами и пр. Изменения в ядерной оболочке и повреждения структур хроматина ведут к нарушению передачи генетической информации в цитозоль, препятствуют управлению активностью хроматина со стороны стероидных 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 с тяжелыми нарушениями обмена веществ и энергии. Расстройства метаболизма на уровне клеточных структур могут развиваться и в результате аутоиммунных процессов.

В зависимости от специфической роли тех или иных органов и систем при нарушении их функции страдают взаимоотношеция внутриклеточного метаболизма с окружающей средой, ухудшается их адаптация к изменению ее условий (жел.-киш. тракт, система внешнего дыхания и др.) или нарушаются метаболический гомеостаз внутренней среды организма (печень, почки, сердечнососудистая система и др.) и регуляторные процессы (ц. н. с., железы внутренней секреции). Особенно опасно нарушение биоэнергетики мозга. Резервные энергетические возможности позволяют мозгу переносить прекращение доставки энергетических субстратов (прежде всего глюкозы) и кислорода лишь в течение 3—5 мин., чем и определяется обратимость так наз. клинической смерти.

На уровне целостного организма при нарушении обмена веществ и энергии ведущее значение имеет расстройство процессов регуляции (выпадение регуляторных сигналов, их усиление или дискоординация вследствие гипо-, гипер- и дисфункции ц. н. с. и эндокринных желез). Как потеря иннервации органов и тканей, так и избыточная или извращенная импульсация ведут к трофическим расстройствам — атрофиям, дистрофиям. Механизмы этих расстройств связаны с изменением нормальных взаимодействий медиаторов с клетками, дискоординацией или выпадением функциональных взаимосвязей в различных отделах нервной системы. Ослабление или усиление выработки гормонов, нарушение процессов их депонирования, освобождения, 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, гипофизарном ожирении и т. п. Крайними формами проявления этих расстройств являются ожирение (см.) и кахексия (см.), сопровождающиеся глубокими нарушениями согласованности катаболизма и анаболизма.

Нарушения обмена веществ и энергии могут быть обусловлены действием как внешних, так и внутренних факторов. К внешним факторам следует отнести качественные и количественные изменения в составе пищи, поступление чужеродных токсических веществ (в т. ч. бактериальных токсинов), проникновение в организм патогенных микроорганизмов и вирусов. Недостаток незаменимых аминокислот (см.) и жирных кислот (см.), микроэлементов (см.), витаминов (см.), несбалансированность в соотношении 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 CO₂ во вдыхаемом воздухе, появление в атмосфере угарного газа (CO), 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 относятся генетически обусловленные нарушения синтеза ферментов (см. Энзимопатии), транспортных белков (гемоглобина, трансферрина, церулоплазмина и др.), иммунных белков, белковых и пептидных гормонов, структурных белков биомембран и др. В результате генетически обусловленного блокирования какого-либо фермента или системы ферментов накапливаются их непревращенные субстраты — предшественники нарушенной стадии метаболизма. Блокирование гидролитических ферментов ведет к развитию болезней накопления (гликогенная болезнь, гликози-дозы и т. п.). В иных случаях накапливаются метаболиты, оказывающие токсическое действие на организм путем вторичного ингибирования тех или иных ферментов (напр., галактоза или галактит при галактоземии, фенилпировиноградная к-та при фенилкетонурии и др.). Нарушение нормального синтеза нек-рых особо важных функц, белков, напр, гемоглобина (гемоглобинопатии), ведет к тяжелой тканевой гипоксии или к другим, не менее опасным состояниям. Известно большое число других молекулярных болезней, характер расстройства обмена веществ и энергии при к-рых определяется функц, ролью дефектного белка.

Особое место занимают расстройства обмена веществ и энергии, развивающиеся при малигнизации тканей. В основе злокачественного роста, по-видимому, лежат нарушения регуляции процессов синтеза белков. Все дальнейшие расстройства обмена веществ и энергии, ведущие в конечном счете к кахексии, имеют вторичное происхождение.

Диагностика нарушений обмена веществ и энергии

Диагностика нарушений обмена веществ и энергии базируется на результатах исследований компонентов крови, мочи, других биол, жидкостей, биопсий (см. таблицу 4). Суммарную оценку нарушений обмена веществ и энергии можно получить, определяя основной обмен (см.), азотистый баланс (см. Азотистый обмен), величину дыхательного коэффициента (см.), сдвигов кислотно-щелочного равновесия (см.) и другие параметры. Более детальную информацию дают исследования концентрации отдельных метаболитов, как нормальных, так и патологических, обычно не образующихся или не присутствующих в биол, жидкостях в норме. Об органной локализации нарушений, о глубине повреждений клеточной структуры, а также о характере энзимопатий позволяют судить энзимологические исследования сыворотки крови. Степень дискоординации регуляторных процессов обмена веществ и энергии может быть оценена путем исследования активности и концентрации гормонов, медиаторов, простагландинов, циклических нуклеотидов и др.

Нарушения метаболического гомеостаза, свидетельствующие о сдвигах в нейроэндокринной регуляции, могут быть установлены при помощи данных, полученных в результате биохим, анализа крови, т. е. прямым путем. Однако сведения о внутриклеточных обменных процессах, основанные на данных биохим, анализа крови, могут носить только косвенный характер. В нек-рых случаях уточнение возможно при исследовании биопсийного материала. Дополнительные косвенные данные могут быть получены путем интерполяции результатов исследования клеток крови (лейкоцитов, эритроцитов) как модельных клеточных систем. При оценке метаболических сдвигов в ц. н. с. особое значение приобретает исследование цереброспинальной жидкости.

Профилактика нарушений обмена веществ и энергии

Основной путь профилактики нарушений обмена веществ и энергии — это научно обоснованное по качественному и количественному составу, витаминизированное, содержащее все микроэлементы так наз. сбалансированное питание, защита окружающей среды от проникновения в нее токсических веществ, профилактика инф. заболеваний, стрессовых ситуаций, оптимальный режим работы и отдыха. В случаях эндогенных нарушений (молекулярных болезней) важное значение имеют ранняя диагностика и диетическая профилактика.

Лечение болезней обмена веществ н энергии

Лечение болезней обмена веществ н энергии базируется на подборе соответствующей диеты, на гормонотерапии, использовании веществ, тропных к отдельным железам внутренней секреции, парентерального питания, специфической терапии заболевания, являющегося первопричиной нарушения обмена веществ и энергии. Лечение нарушений обмена веществ и энергии при молекулярных болезнях, помимо диетотерапии, симптоматическое. Кардинальное решение задачи терапии этих болезней связано прежде всего с успехами генной инженерии (см.) и направленной регуляции активности ферментов.

Изменения обмена веществ и энергии в процессе старения

Старение характеризуется неравномерными, разнонаправленными изменениями обмена веществ и энергии, ведущими к снижению адаптационных возможностей стареющего организма и способствующими возникновению болезней. Первичные механизмы старения связаны с изменениями в процессе синтеза белка. С возрастом изменяется Изоэлектрическая точка ряда белков, их гидрофильность, способность к набуханию, изменяется перевариваемость белков пепсином, трипсином, повышается энергия активации протеолиза. При старении уменьшается количество метаболически активных белков, а масса метаболически инертных белков, наоборот, нарастает. У пожилых людей снижается интенсивность обновления белков. Синтез отдельных белков в старости изменяется неравномерно. Все это приводит к изменению соотношения различных белковых фракций. Так, в старости в крови увеличивается содержание глобулинов, уменьшается концентрация альбуминов и соответственно уменьшается альбумин-глобулиновый коэффициент (см.). Предполагают, что и протеолиз отдельных белков происходит с возрастом неодинаково. Благодаря сдвигам в регуляции генетического аппарата при старении неравномерно изменяются содержание и активность отдельных ферментов, соотношение изоферментов, интенсивность их синтеза, что создает основу для нарушения ряда метаболических циклов.

При старении происходят также специфические изменения в обмене углеводов. Механизм изменения обмена углеводов в пожилом и старческом возрасте связан с изменением активности гликолитических ферментов. По характеру изменения толерантности к глюкозе среди пожилых и старых людей выделяют две группы: с нормальной и пониженной толерантностью, характеризующейся более длительной и выраженной гипергликемией вслед за нагрузкой глюкозой. Снижение толерантности к углеводам во многом связано со снижением активности инсулина в крови, изменением изо-ферментного спектра гексокиназы, уменьшением способности тканей реагировать на действие гормонов. Важное значение имеет снижение в старости гликогендепонирующей функции печени. В процессе старения активируется гликолитический путь превращения углеводов в миокарде, мозге, скелетных мышцах.

Нарушения в обмене липидов, возникающие в процессе старения, способствуют развитию атеросклероза. Они отмечаются и у практически здоровых людей, но особенно выражены в возрасте 55—60 лет. С возрастом нарастает общее содержание липидов в крови и тканях, происходит липоидоз внутренних органов, нарастает количество холестерина, триглицеридов, неэтерифицированных жирных к-т. Важное значение имеет увеличение содержания (бета- и пре-бета-липопротеидов (см. Липопротеиды), увеличение содержания связанного с белком холестерина. У пожилых и старых людей нарастает содержание холестерина и триглицеридов в липопротеидах низкой и очень низкой плотности, к-рое остается без изменений в липопротеидах высокой плотности. У людей 60— 74 лет увеличивается содержание в крови и тканях атерогенных липопротеидов: липопротеидов низкой и очень низкой плотности. Большое значение в генезе нарушений обмена липидов при старении имеет снижение активности липопротеидлипазы (см.), сдвиги в соотношении процессов синтеза и распада триглицеридов, холестерина, нарушение окислительных процессов в обмене липидов, накопление в тканях перекисей липидов, нарушение гормональной регуляции липогенеза и липолиза.

Величина основного обмена у пожилых и старых людей неуклонно снижается. Старческий организм становится более чувствительным и менее устойчивым к недостатку кислорода. При старении снижается интенсивность дыхания многих тканей (тканей миокарда, мозга, почек и др.). Это во многом связано с изменением активности отдельных звеньев дыхательной цепи, с недостатком ряда субстратов биол, окисления. В старости увеличивается количество восстановленных форм НАД и НАДФ, изменяется топография их распределения внутри клетки, уменьшается содержание миоглобина. При старении снижается интенсивность не только окисления, но и фосфорилирования, в клетках уменьшается число митохондрий и это ограничивает возможность клетки образовывать высокоэргические соединения. Наряду с угнетением тканевого дыхания в ряде тканей нарастает интенсивность гликолиза, активируется окислительный этап пентозофосфатного пути и снижается интенсивность неокислительного. Содержание АТФ неодинаково снижается в разных органах, его обновление тормозится. Значительно уменьшается содержание важнейшего переносчика энергии — креатинфосфата, снижается активность креатинфосфокиназы. Активность мембранной К + Na + -АТФ-азы уменьшается, а АТФ-азы миозина нарастает. Весь этот комплекс изменений обмена веществ и энергии ограничивает функц, возможности клеток и органов при старении и способствует развитию их недостаточности при повышенных нагрузках.

Обмен веществ и энергии у детей

В процессе роста и развития организма обмен веществ и энергии подвергается количественным и качественным изменениям. Период онтогенеза (см.) отличается определенными особенностями обмена веществ и энергии, не повторяющимися в ходе дальнейшего развития. Каждому возрастному периоду соответствует такое состояние метаболизма, к-рое обеспечивает оптимальное для роста соотношение пластических и биоэнергетических процессов. Условно можно выделить ряд периодов роста и развития организма ребенка, к-рым свойствен определенный тип обмена веществ и энергии. Внутриутробное развитие характеризуется наличием так наз. критических периодов максимальной дифференциации тканей, формирования органов и систем (см. Плод). Перинатальный период (см.) отличают активные процессы метаболической адаптации в связи с рождением и переходом на внеутробное существование. Период грудного возраста (см. Грудной ребенок) характеризуется максимальной интенсивностью обмена веществ и энергии, переходом на питание, независимое от материнского организма, развитием функциональных систем и иммунитета. Первые 6—7 лет жизни отличает относительная стабилизация основных показателей обмена веществ и энергии. В пубертатном периоде ее сменяет новая перестройка метаболизма, происходящая под влиянием половых гормонов (см. Возраст). Все это не позволяет рассматривать обмен веществ и энергии как простую, линейную, функцию роста; целый ряд процессов, тесно связанных с состоянием обмена веществ и энергии и определяющих развитие ребенка, в частности миелинизации нервной ткани, оссификация костных матриц, синтез функциональных белков и половых гормонов, протекает асинхронно по отношению к темпам физического развития.

Во внутриутробном периоде энергетические субстраты и пластический материал поступают к плоду через плаценту (см.) с постоянной скоростью, что определяется состоянием гомеостатических механизмов матери и активной деятельностью плаценты. Собственные механизмы регуляции гомеостаза у плода не функционируют. Особое значение для нормального развития плода имеет трансплацентарный транспорт кислорода. Парциальное давление кислорода в артериальной крови и насыщение ее кислородом у плода ниже, чем у взрослого, однако есть данные, что плод обеспечен достаточным количеством кислорода для осуществления в нем аэробных процессов энергообеспечения наравне с анаэробными. Это позволяет плоду адаптироваться к условиям гипоксии (см.). Кислород и углекислота проходят через плаценту путем простой диффузии в направлении более низкого парциального давления.

Ткани плода отличаются высокой эффективностью извлечения кислорода из плацентарной крови даже при низком парциальном давлении кислорода в ней. Поглощение кислорода плодом к моменту рождения достигает 6,0 мл!кг в 1 мин., что обеспечивает течение аэробных процессов.

Существенные особенности свойственны и механизмам извлечения из тканей углекислого газа, образующегося в процессах обмена веществ и энергии плода. Транспорт углекислого газа резко сдвинут в направлении материнской крови, чему способствует сниженная активность карбоангидразы (см.) в эритроцитах плода. Кроме того, непрерывное поступление кислорода из материнской крови благоприятствует вытеснению углекислого газа из тканей плода (эффект Голдена).

Плацента обладает способностью активно, т. е. против градиента концентраций, переносить и концентрировать аминокислоты: в пуповинной крови их содержится почти в два раза больше, чем в крови матери, хотя в процессе беременности для большинства аминокислот это соотношение постепенно снижается (кроме таурина и треонина). Повышение концентрации аминокислот в крови матери сопровождается еще более резким повышением их концентрации в биол, жидкостях плода (см. Азотистый обмен).

Транспорт белков через плаценту не зависит от величины их молекул и определяется только их специфической структурой. IgG с мол. весом (массой) 160 000 свободно переходит через плаценту, а молекулы IgA, имеющие примерно такой же мол. вес, через плаценту не проникают; даже более мелкие молекулы гаптоглобина и трансферрина не поступают в кровь плода. В самой плаценте происходит синтез небольших количеств альфа- и бета-глобулинов, a также фетопротеина, однако существенного значения для плода этот синтез не имеет. Фетальные белки, в частности гамма-глобулин, являющиеся чужеродными по отношению к организму матери, в небольших количествах поступают в ее кровоток, о чем свидетельствует появление в материнской крови антител к антигенным детерминантам От(а)7-глобулина плода. Эти антитела, переходя от матери в организм плода, подавляют синтез собственных IgG плода, что, возможно, и ведет к развитию транзиторной гипогаммаглобулинемии новорожденных .

В плаценте осуществляется пассивный и активный транспорт глюкозы, к-рая является главным энергетическим субстратом для плода. Между организмом матери и плода происходит постоянный обмен жирными к-тами, для к-рых плацента свободно проходима. В конце беременности в сыворотке крови матери возрастает активность липолитических ферментов, что способствует поступлению дополнительных количеств жирных к-т плоду. Собственные липиды, к-рые синтезируют плод, отличаются по составу от липидов матери более высоким содержанием насыщенных жирных к-т, в частности пальмитиновой. Организм матери, плацента и плод представляют собой единую нейроэндокринную систему (см. Антенатальный период). Практически все гормоны матери (кроме пептидных) способны переходить через плаценту. Прекращение поступления материнских гормонов, в т. ч. плацентарных и эстрогенов, а также родовой стресс играют существенную роль в процессах метаболической адаптации новорожденных.

Метаболическая адаптация новорожденных проявляется как комплекс качественно новых реакций обмена веществ и энергии, сопряженных с изменением или началом функционирования ряда органов и систем, что в целом определяет жизнеспособность новорождённого (см.). В процессе родов наступает транзиторное ограничение транспорта кислорода: рождающийся ребенок оказывается в условиях гипоксии. Свойственная плоду и новорожденному способность переключения энергетического обмена на анаэробный гликолиз (см.) служит важнейшей гарантией его существования. У плода и новорожденного гипоксия активирует ферменты гликолиза, тогда как у взрослых, наоборот, подавляет их. При затяжных или осложненных родах создается угроза накопления в тканях плода избытка молочной к-ты — основного конечного продукта анаэробного гликолиза, а также других недоокисленных продуктов, что создает угрозу развития тяжелого метаболического ацидоза (см.), нередко ведущего к поражению ц. н. с. Однако новорожденные легче переносят ацидоз, чем взрослые.

Переход на внеутробное существование требует включения важнейших функциональных систем организма, функционирование к-рых не было необходимым для жизнеобеспечения плода,— нервной и эндокринной систем, внешнего дыхания, пищеварения и гомеостатической деятельности почек.При этом первостепенное значение приобретает способность организма новорожденного самостоятельно регулировать гомеостаз и прежде всего постоянство равновесия кислот и оснований, осмотического давления (см.), ионного состава и объема жидкостей организма (см. Водно-солевой обмен), а также концентрации глюкозы в крови. После родов равномерное поступление энергетических субстратов и пластических материалов из крови матери сменяется их прерывистой доставкой с пищей.

Зрелость функциональных систем гомеостаза (см.) зависит от степени развития или начала синтеза ферментов, что связано с дерепрессией соответствующих генов-регуляторов. Синтез ряда белков-ферментов индуцируют транзиторная гипоксия, родовой стресс, а также поступление различных новых для организма экзогенных питательных веществ. В дальнейшем биосинтез белков-ферментов регулируется нейроэндокринной системой, контролирующей их продукцию на уровне трансляции генетической информации или на уровне рибосом. В периоде новорожденности проявляется ряд наследственных дефектов ферментных систем, к-рые до рождения полностью или частично компенсировались организмом матери,— почечный канальцевый ацидоз (см. Лайтвуда — Олбрайта синдром), лактат-ацидоз (см.), галактоземия (см.), гипераммониемия (см.) и др.

Переход из условий теплового равновесия в среду с пониженной и колеблющейся температурой вызывает включение у новорожденного собственной системы терморегуляции (см.), к-рая к этому моменту является еще несовершенной, т. к. нейрососудистые и мышечные реакции, направленные на сохранение тепла, у новорожденных недостаточно развиты. Нормальная температура новорожденных поддерживается в пределах 36,5—37,5° при температуре окружающей среды 23—24°. Из-за несовершенства системы терморегуляции недоношенным детям необходима более высокая температура окружающей среды, показатели к-рой находятся в обратной зависимости со степенью недоношенности.

После рождения и до 3 лет включительно интенсивность энергетического обмена у детей увеличивается, достигая уровня, превышающего таковой у взрослых в расчете на вес или поверхность тела. Установлена обратная зависимость между линейными размерами тела ребенка и энергетическими затратами на единицу его веса; по мере замедления темпов роста интенсивность энергетического обмена снижается.

В процессе родов главным энергетическим источником для плода служат процессы гликогенолиза (см. Гликоген), к-рые усиливаются вместе с началом родовой деятельности. К моменту рождения запасы гликогена у плода практически истощаются, поэтому энергетические потребности новорожденного в первые сутки жизни удовлетворяются за счет [3-окисления жирных к-т, освобождающихся в результате активизации процессов липолиза.

По данным Даниэля (Н. Daniel) и Дерри (D. М. Derry), главную роль в поддержании теплового баланса у новорожденных играет бурая жировая ткань (см.), к-рая служит основным источником теплопродукции (см.). Активация процессов глюконеогенеза представляет собой еще один путь поддержания энергетического гомеостаза.

Величина дыхательного коэффициента (см.) вскоре после рождения составляет 0,83 и в первые часы жизни снижается до 0,7, что свидетельствует о переключении энергетического обмена с преобладающего использования глюкозы в качестве энергетического субстрата на утилизацию жира. По данным Стейва (U. Stave, 1970), введение глюкозы матери перед родами предотвращает мобилизацию жира.

Величина основного обмена (см.) в периоде новорожденности более чем в два раза превышает этот показатель у взрослых. Высокий уровень основного обмена сохраняется примерно до 4-летнего возраста, но и потом он остается более интенсивным, чем у взрослых. У мальчиков во всех возрастных периодах основной обмен выше, чем у девочек, причем различие проявляется уже в 6—8-месячном возрасте; объяснения этому факту пока нет. Динамика возрастных изменений основного обмена находится в определенной корреляции с функцией щитовидной железы (см.): у новорожденных и детей первого года жизни отмечается очень высокая секреция тиреоидных гормонов, к-рая несколько снижается к 3—4 годам жизни и возрастает вновь в подростковом возрасте.

Сопряжение процессов окисления (см. Окисление биологическое) и фосфорилирования (см.) устанавливается в процессе развития ребенка. В эмбриональном периоде оно недостаточно, что определяет легкость переключения энергетического обмена на гликолиз (см.). Нарастание тканевого дыхания в процессе роста сопровождается торможением гликолиза (см. Пастера эффект).

Ткани плода и новорожденного достаточно обеспечены АТФ. Суммарное содержание АТФ, АДФ и АМФ в печени плода такое же, как и в печени матери. Нек-рое снижение содержания АТФ в тканях новорожденного отмечается непосредственно после родов и прослеживается лишь на протяжении первых суток жизни. Содержание АТФ в крови в раннем детском возрасте примерно на 30% выше, чем у взрослых.

В процессе роста и развития ребенка постепенно изменяется соотношение между основными фазами обмена веществ и энергии — ассимиляцией (см.) и диссимиляцией (см.).

В фетальном периоде ускорены процессы не только синтеза, но и катаболизма белков (см.). В периоде новорожденности существует кратковременная катаболическая фаза обмена веществ, когда процессы распада белков преобладают над их синтезом. В этот период белки частично используются как энергетический субстрат, особенно при ограниченных запасах жира (напр., у детей с малым весом тела при рождении). На 3—4-й день жизни отрицательный баланс азота сменяется положительным. В процессе роста увеличение веса ребенка на 100 г сопровождается задержкой в организме 2,9 г азота и 18 г белка, т. е. процессы синтеза превалируют над процессами распада. Развитие и становление функций органов и систем прямо или косвенно связано с метаболизмом белков. Увеличение общей массы белков в организме наиболее интенсивно в ранние возрастные периоды. Изменения анаболической фазы белкового обмена в онтогенезе выражаются не только в снижении синтеза белков в связи с постепенным замедлением темпов роста, но и в различной скорости накопления специфических белков. Интенсивность синтеза белков определяется содержанием нуклеиновых кислот (см.) в тканях, причем существует прямая зависимость между приростом веса, содержанием белка и соотношением РНК и ДНК. В антенатальном периоде и на первом году жизни в тканях отмечается наиболее высокое содержание ДНК; после рождения ее синтез замедляется параллельно снижению активности ДНК-полимераз (см. Полимеразы). В сердечной мышце содержание ДНК постепенно снижается к 15 годам и в дальнейшем существенно не меняется.В мозге содержание ДНК начинает уменьшаться уже в первые месяцы жизни, тогда как синтез белка и миелина нарастает. Угнетение репликации ДНК, связанное с уменьшением числа делящихся клеток, сочетается с нарастанием синтеза ДНК-зависимой РНК-полимеразы. Этим объясняется высокое содержание рибосомной РНК в миокарде, мышцах и печени.

Общее количество белка в организме плода составляет менее 10% его веса, у новорожденных — 10—12%, у взрослых — 18—20%. Наиболее интенсивны процессы синтеза белка в печени, почках, мозге, коже. Периоды ускорения и замедления синтеза белка в различных органах растущего организма не совпадают. В тканях детского организма преобладают гидрофильные, быстро обновляющиеся белки, и только к пубертатному периоду увеличивается количество белков, отличающихся более жесткой структурой и меньшей гидрофильностью. Повышение содержания коллагена (см.) в тканях в процессе роста связано с замедлением скорости его обновления, при этом нарастает жесткость его структуры. В мышечной ткани с возрастом снижается содержание миоальбумина и возрастает количество миоглобина.

Одной из существенных особенностей обмена веществ и энергии на ранних этапах онтогенеза является синтез эмбриоспецифических белков типа фетопротеинов. По данным В. А. Таболина и сотр. (1978), содержание альфа-фетопротеина в пуповинной крови у доношенных новорожденных составляет в среднем 20 мг/100 мл. У ребенка с малым весом при рождении оно тем больше, чем меньше его вес. В процессе роста концентрация альфа-фетопротеина в плазме крови снижается (повышение его концентрации в сыворотке крови у взрослых характерно для злокачественных новообразований в печени). Повышение содержания а-фетопротеина в амниотической жидкости свидетельствует о врожденных пороках развития у плода, что используется для антенатальной диагностики. Длительное сохранение синтеза больших количеств α-фетопротеина или его усиление наблюдают при затянувшейся физиологической желтухе, атрезии желчных путей, а также при врожденном и неонатальном гепатите.

С возрастом изменяется белковый спектр плазмы крови (см.); к моменту рождения наивысшей интенсивности достигает синтез альбуминов, значительно снижено образование альфа- и бета-глобулинов и весьма ограничен синтез гамма-глобулинов. Более высокое, чем у матери, содержание гамма-глобулинов в сыворотке крови новорожденных раньше объясняли его плацентарным синтезом, но затем было обнаружено, что в плаценте имеет место не только синтез, но и избирательный транспорт IgG. Содержание IgG в крови становится таким же, как у взрослых, к 1—6-му году жизни, причем эти сроки подвержены значительным индивидуальным колебаниям. В отличие от образования IgG синтез собственных IgM осуществляется плодом уже на 5-й неделе внутриутробного развития. На антигенную стимуляцию (поступление антигенов через плаценту, внутриутробное инфицирование) плод отвечает повышением синтеза IgM. Содержание IgM более 30 мг/100 мл свидетельствует о внутриутробном контакте плода с антигенами.

У новорожденных определяется очень низкая концентрация в крови церулоплазмина — ок. 20% от его концентрации в крови матери. Постепенное увеличение синтеза церулоплазмина начинается на 7-м месяце жизни. Гаптоглобин (см.) в пуповинной крови сразу после рождения обнаруживается лишь у 8% новорожденных, но к концу первой недели жизни он появляется у всех детей.

Синтез ряда белковых компонентов свертывающей системы крови (см.) у плода и новорожденного недостаточен. У детей с малым весом при рождении концентрация протромбина в крови еще ниже, чем у доношенных. Введение витамина К матери до родов или новорожденному устраняет гипопротромбинемию. В плазме здоровых новорожденных установлено высокое содержание гепарина, однако при гипоксии развивается тенденция к повышению свертываемости крови. Фибринолиз (см.) в периоде новорожденности осуществляется значительно интенсивнее, чем у взрослых.

Развитие детского организма сопровождается изменением форм организации ферментативных процессов, включая качественные и количественные сдвиги спектра изоферментов в тканях. Эти процессы детерминированы генетически: включение новых регуляторных генов на различных этапах развития изменяет течение пластических процессов, ведет к появлению новых белков, характерных для более зрелых тканей. При этом периоды количественного прироста веса тела и органов в процессе развития чередуются с периодами дифференцировки тканей. После рождения наряду с генетическими факторами процесс дифференцировки определяют системные факторы, главенствующую роль среди к-рых играет нейроэндокринная система. Эти факторы обеспечивают саморегуляцию анаболических и катаболических процессов, обеспечивают адаптацию обмена веществ и энергии растущего организма. На ранних этапах постнатальной жизни активность многих ферментов снижается, особенно тех из них, к-рые связаны со специфическими особенностями обмена веществ и энергии и развития органов и тканей во внутриутробном периоде или в периоде новорожденности. Сведения о характере изменений активности ферментов (см.) в процессе роста ребенка пока весьма ограничены, а иногда и противоречивы. Однако несомненно лишь то, что возрастные изменения ферментативной активности в онтогенезе не подчинены единой закономерности. Активность многих ферментов повышается после рождения, достигая в разное время уровня их активности у взрослых. Это зависит от структуры органов, тканей, а также от особенностей генотипа ребенка. Такой характер изменений связан с повышением интенсивности или формированием новых метаболических путей. С возрастом увеличивается активность окислительных ферментов и ферментов окислительного фосфорилирования, в тканях повышается содержание адениновых и флавиновых нуклеотидов, что свидетельствует о нарастании интенсивности окислительно-восстановительных процессов. Однако активность оксидоредуктаз (см.) в разных органах изменяется неодинаково, но наиболее интенсивно — в печени. Высокая активность нек-рых ферментов в сыворотке крови новорожденных обусловлена повышенной проницаемостью их клеточных мембран (см. Мембраны биологические), и по мере ее снижения активность этих ферментов нормализуется, приближаясь к величинам, характерным для взрослых. Это установлено для аспартатамино-трансферазы (КФ 2.6.1.1) и фруктозо-бисфосфат-альдолазы (КФ 4.1.2.13). Снижение активности этих ферментов в сыворотке крови отмечается у здоровых детей после 6 мес., хотя в печени она остается высокой. Активность лизосомных гидролаз не подвергается существенным возрастным изменениям.

Недостаточное поступление или избыток отдельных аминокислот (см.) отрицательно влияет на процесс синтеза белков вследствие аминокислотного дисбаланса. Кроме незаменимых аминокислот, к категории эссенциальных у детей первых месяцев жизни относятся гистидин и лейцин, у плода и недоношенных — цистеин-цистин, т. к. в их организме синтез этих аминокислот из метионина резко ограничен вследствие недостаточности цистатионазы (КФ 4.4.1.1).

Определенными особенностями у детей характеризуется липидный обмен (см. Жировой обмен). Способность к синтезу ненасыщенных жирных к-т у детей, особенно грудного возраста, ограничена, поэтому требуется повышенное поступление их с пищей. В раннем детском возрасте эссенциальными являются полинасы-щенные жирные к-ты (линолевая, арахидоновая), оптимальное поступление к-рых по энергетическому эквиваленту должно составлять 3—6% от общей потребности в калориях. Значение этих кислот особенно велико для синтеза простагландинов (см.), содержание к-рых в тканях новорожденных в 5—6 раз выше, чем у взрослых. Дефицит полиненасыщенных к-т проявляется задержкой роста, развитием дерматозов, неполноценностью эритропоэза (анемией).

Главную роль в стимуляции липолиза в первые часы жизни новорожденного играют АКТГ плода, хорионгонадотропин и адреналин. Однако резкое усиление липолиза для него не безразлично, т. к. высокая концентрация жирных к-т может оказать токсическое действие на тканевое дыхание. Кроме того, жирные к-ты с длинной углеродной цепью не проходят через гематоэнцефалический барьер. Поэтому основным энергетическим субстратом для мозга является глюкоза (см.) и кетоновые тела (см.). Потребление кетоновых тел в мозге новорожденных происходит в 3—4 раза интенсивнее, чем у взрослых. В раннем детском возрасте они используются тканью мозга также для синтеза жирных кислот, необходимых для его миелинизации. Кетоновые тела подавляют ли-политические процессы и тем самым предупреждают чрезмерное повышение концентрации жирных кислот.

Начало газообмена в легких, повышение парциального давления кислорода в крови и поступление с пищей полиненасыщенных жирных к-т способствуют образованию перекисей липидов, к-рые снижают устойчивость мембранных структур, а также служат источником избыточного синтеза простагландинов в тканях. В легких новорожденных сразу после рождения перекисное окисление липидов практически отсутствует, но в первые дни жизни оно резко возрастает, чему также способствует очень низкое содержание токоферола в крови и тканях, особенно у детей, находящихся на искусственном вскармливании. Эндогенные антиоксиданты (напр., глутатион) не играют существенной роли как факторы защиты клеточных мембран от токсического действия перекисей, т. к. их концентрация в крови с возрастом существенно не меняется.

Липогенез стимулируется глюкозой особенно интенсивно в грудном возрасте. При введении глюкозы скорость включения пальмитиновой к-ты в триглицериды жировой ткани новорожденных увеличивается примерно в 3 раза, у грудных детей — в б раз, у детей школьного возраста и взрослых примерно в 4 раза. Угнетение синтеза фосфолипидов мозга и нарушение процессов миелинизации установлено при недостаточности функции щитовидной железы. К стойкому изменению липидного состава мозга приводит гипоксия.

Главной отличительной чертой углеводного обмена (см.) у плода является высокая интенсивность процессов гликолиза: у новорожденных она на 30—35% выше, чем у взрослых, и снижается в первые месяцы после рождения.

Содержание молочной к-ты в крови новорожденных в первые часы жизни достигает 32,5 мг! 100 мл и снижается на 3-и сутки до 19 мг/100 мл; концентрация пировиноградной к-ты снижается с 2,5 мг! 100 мл до 1,95 жг/100 мл. Если концентрация молочной к-ты в крови в первые дни жизни более чем в 10 раз превышает концентрацию пировиноградной к-ты, это указывает на стойкую гипоксию. Высокую активность гликолиза связывают с выходом из митохондрий в цитоплазму клеток специфического белкового фактора, стимулирующего этот процесс. Исследования с 14С-глюкозой показали, что значительная ее часть у плода окисляется в пентозофосфатном пути. Соотношение активности ферментов гликолиза и пентозного пути у новорожденных и взрослых составляет 1,2—2,1 и 1,1—2,6 соответственно. В крови плода обнаружены фруктоза и сорбитол, что указывает на существование дополнительного пути метаболизма глюкозы. У взрослых этот путь физиол, значения не имеет.

Содержание гликогена (см.) в печени плода в последние недели беременности достигает 10% от всей массы органа, но в течение первых суток жизни оно снижается примерно в 10 раз. В мышцах содержание гликогена не превышает 3%. Однако общие запасы гликогена у новорожденного относительно невелики. В связи с истощением запасов гликогена во время родов содержание глюкозы в крови падает до таких значений, к-рые у взрослых неизбежно приводят к развитию гипогликемической комы (до 26 мг/100 мл, у недоношенных даже до 20 мг/100 мл плазмы). Тяжелую гипоглюкоземию, угрожающую поражением ц. н. с., наблюдают у доношенных новорожденных с частотой 1 : 3000, чаще у мальчиков. У детей с малым весом при рождении частота гипоглюкоземии достигает 6%.

Главными причинами тяжелой гипогликемии (см.) являются: быстрое истощение запасов углеводов, чему способствует внутриутробная гипотрофия, плацентарная недостаточность; интенсивное поглощение глюкозы при гипоксии и охлаждении; возможная недостаточность функции коры надпочечников; гиперинсулинизм новорожденных от матерей, страдающих сахарным диабетом, или при эритробластозе плода; наследственные аномалии обмена углеводов — галактоземия, гликогенозы (I, III, VI типы по Кори). Одной из причин гипогликемии новорожденных может быть низкая активность гликоген(крахмал)-синтазы (КФ 2.4.1.11) в последние месяцы внутриутробной жизни. Снижение содержания глюкозы в крови ведет к усилению секреции глюкагона (см.) и усилению процессов гликогенолиза. При гипогликемии происходит стимуляция процессов глюконеогенеза, что для новорожденных является более важной адаптационной реакцией в ответ на снижение сахара в крови. В течение первых 3—4 сут. жизни содержание глюкозы в крови новорожденного постепенно повышается. Однако склонность к гипогликемическим реакциям продолжает оставаться и в раннем детском и в дошкольном возрасте; концентрация глюкозы в крови стабилизируется только после 7 лет.

Внутривенное введение детям первых дней жизни галактозы в количестве 1 гЫг ведет к повышению концентрации глюкозы в крови. После нагрузки фруктозой содержание глюкозы в крови снижается при одновременном резком увеличении концентрации молочной к-ты. Проба Штауба — Трауготта на наличие скрытых форм сахарного диабета (нагрузку виноградным сахаром, произведенную натощак, повторяют через полчаса после первого приема) у новорожденных выявляет такой тип реакции, к-рый у детей старшего возраста и взрослых считается патологическим: отмечается высокий и крутой подъем сахарной кривой. Причиной такой реакции может быть низкая секреция инсулина или сниженная тканевая чувствительность к нему. Однако инсулинемия в ответ на нагрузку глюкозой в еще меньшей степени выражена у детей в возрасте от 6 мес. до 2 лет; наиболее полного развития эта реакция достигает лишь после 6 лет.

На первом году жизни основным углеводом пищи является лактоза (см.), к-рая постепенно уступает место крахмалу и сахарозе. Ферментативный гидролиз лактозы в кишечнике у новорожденного несколько снижен, однако возрастает и достигает максимума в грудном возрасте, а затем постепенно снижается. Примерно 20% потребности в калориях в грудном возрасте обеспечивается за счет галактозы (см.). У здоровых новорожденных и недоношенных в первые дни и недели жизни галактоза обнаруживается в крови и моче; ее обмен более интенсивен, чем у взрослых.

В период полового созревания наблюдается пубертатный скачок роста, обусловленный действием половых гормонов. Дифференцировка тканей сопряжена с дальнейшим снижением содержания ДНК, в связи с чем по достижении зрелости деление клеток замедляется и темпы роста все более сдерживаются. Однако в пубертатном периоде отмечают новое усиление анаболических процессов. Гормон роста не играет существенной роли в процессе пубертатного ускорения роста, во всяком случае его концентрация в крови в этот период не повышается. Несомненное стимулирующее влияние на метаболизм в пубертатном периоде оказывает активация функций щитовидной железы. Допускают также, что в период полового созревания снижается интенсивность липолитических процессов. В этом периоде значительно интенсифицируется сульфатация гликозаминогликанов (активация соматомединов). Выведение с мочой оксипролина, гликозаминогликанов и креатинина снижается, что может быть связано с интенсификацией синтеза коллагена и белков мышечной ткани.

Регуляция гомеостаза в подростковом периоде становится наиболее устойчивой, поэтому тяжелых клин, синдромов, связанных с нарушениями регуляции обмена, ионного состава жидкостей тела, кислотнощелочного равновесия, в этом возрасте уже не встречается.

Патология обмена веществ и энергии в детском возрасте может быть обусловлена наследственными и экзогенными факторами. Нарушение процессов репликации или репарации поврежденной ДНК в критические периоды внутриутробного развития влечет за собой формирование пороков развития (см. Эмбриопатии), при этом характер этих пороков (множественных или изолированных) зависит от возраста эмбриона, но не от специфической природы повреждающего воздействия (генная мутация, вирусная инфекция, токсические, радиационные поражения). Значительные нарушения метаболической адаптации в интранатальной периоде или у новорожденных проявляются как симптомокомплекс родовой травмы с поражением ц. н. с. или ведут к гибели ребенка.

В раннем детском возрасте при различных инфекциях и нарушениях питания особенно часто развиваются нарушения гомеостаза (см.), токсический синдром (см.), дегидратация (см. Обезвоживание организма), ацидоз (см.), белково-энергетическая недостаточность (см. Квашиоркор). Нарушения анаболических процессов проявляются в задержке роста, что может быть связано с недостаточной секрецией соматотропного гормона (см.), нейроэндокринными заболеваниями — гипотиреозом (см.), гипофизарным нанизмом (см. Карликовость), а также гиповитаминозами (см. Витаминная недостаточность), рахитом (см.), хрон, воспалительными процессами. Инф. болезни, затрагивающие нервную систему, ведут к нарушениям процесса миелинизации мозга, обусловливая тем самым задержку нервно-психического развития ребенка. Большинство наследственных болезней обмена проявляется в грудном и раннем детском возрасте (см. Наследственные болезни, Энзимопатий). Нарушения биосинтеза белков плазматических и секреторных иммуноглобулинов сопровождаются развитием иммунодефицитных состояний (см. Иммунологическая недостаточность). 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). Наиболее частая патология обмена липидов включает такие состояния, как ожирение (см.), а также гиперлипопротеинемии (см. Липопротеиды), являющиеся факторами риска по отношению к ранним формам ишемической болезни сердца и гипертонической болезни. Нередко причиной, обусловливающей нарушение обмена веществ у детей, является дефицит микроэлементов (см.).

Общие принципы коррекции нарушенного обмена веществ и энергии у детей состоят в следующем: любое вмешательство в обменные процессы больного ребенка должно контролироваться с помощью соответствующих биохимических тестов; наиболее эффективным методом восстановления нарушенного обмена веществ и энергии у детей является сбалансированное питание (диетотерапия); индуцирование ряда ферментов может быть достигнуто с помощью введения гормонов коры надпочечников или щитовидной железы, а также нек-рых лекарственных средств, напр, барбитуратов при недостаточности гликоген(крахмал)-синтазы или глюкуронил-трансферазы; перспективным методом воздействия на нарушенный обмен веществ и энергии у детей является разработка лечебного применения иммобилизованных ферментов, в частности ферментов, заключенных в липосомы (см.).

Таблицы

Таблица 1. Величины калорийности при сжигании, физиологической калорической ценности, количества потребленного O₂ и выделенного CO ₂, теплообразования и дыхательного коэффициента для важнейших пищевых веществ

Калорийность при сжигании (ккал/ г)

Физиологическая калорическая ценность (ккал/г)

Источник статьи: http://xn--90aw5c.xn--c1avg/index.php/%D0%9E%D0%91%D0%9C%D0%95%D0%9D_%D0%92%D0%95%D0%A9%D0%95%D0%A1%D0%A2%D0%92_%D0%98_%D0%AD%D0%9D%D0%95%D0%A0%D0%93%D0%98%D0%98