Вещества могут претерпевать два типа превращений: физические и химические.

Физические превращения. Когда с веществом происходит физическое изменение, состав его молекул остается прежним, т.е. вещество сохраняет свою химическую индивидуальность. Существует три типа основных физических превращений - плавление, испарение и замерзание. Лед - твердое вещество - при плавлении превращается в воду - жидкость, которая при замерзании снова становится льдом. Молекулы льда и воды состоят из одних и тех же элементов (H и O), находящихся в одинаковых пропорциях. Когда лед тает, никаких химических реакций не происходит. Другой тип физических превращений - изменение формы вещества, например при его резании, шлифовании, измельчении, растворении, эмульгировании и т.д. Еще один тип физического превращения - сублимация (возгонка), переход твердого вещества непосредственно в газообразное. Именно это превращение имеет место, когда мокрое белье сохнет на морозе.

Химические превращения происходят постоянно и повсюду; при этом изменяется химическая индивидуальность веществ, одни вещества превращаются в другие с иными свойствами. Так, при ржавлении железа образуется новое вещество - ржавчина (оксид железа). Химические превращения могут сопровождаться физическими изменениями. При горении древесины (твердое вещество) образуются диоксид углерода (газ), вода (жидкость) и углерод (твердое вещество). Химические превращения чрезвычайно многообразны, их изучением и классификацией занимается наука химия. Вот некоторые типы превращений, принятые в химии.

Реакции присоединения. Объединение молекул двух или нескольких веществ с образованием молекулы одного нового вещества. Примером служит горение магния на воздухе: 2Mg + O2 . 2MgO.

В органической химии этим термином часто пользуются для обозначения таких реакций, как взаимодействие этилена С2H4 с бромом с образованием дибромэтана:

C2H4 + Br2 . C2H4Br2

Реакции разложения. Распад исходного вещества на два или более простых. Так, при разложении оксида ртути образуются элементная ртуть и кислород: 2HgO . 2Hg + O2.

Реакции замещения. Замена атомов в молекулах сложного вещества атомами простого вещества. Например, железо замещает медь в растворе сульфата меди:

Fe + CuSO4 . FeSO4 + Cu

Реакции обмена. Образование двух новых веществ при взаимодействии двух исходных. Например, иодид натрия NaI и нитрат свинца Pb(NO3)2 обмениваются своими составными частями с образованием иодида свинца и нитрата натрия:

2NaI + Pb(NO3)2 . PbI2 + 2NaNO3

Атом хлора обменивается с одним или более атомами водорода в молекуле углеводорода, например метана СН4, следующим образом:

CH4 + Cl2 . CH2Cl + HCl

Реакция гидролиза. Гидролиз (расщепление с участием воды) - это реакция двойного разложения, когда одним из исходных компонентов является вода. При гидролизе хлорида аммония NH4Cl образуется гидроксид аммония NH4OH и соляная кислота HCl:

NH4Cl + H2O . NH4OH + HCl

Реакция нейтрализации. Особый случай реакции обмена - взаимодействие кислоты с эквивалентным количеством основания с образованием соли и воды. Соляная кислота HCl и гидроксид натрия NaOH нейтрализуют друг друга с образованием хлорида натрия NaCl и воды:

HCl + NaOH . NaCl + H2O

совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения. В наиболее употребительном значении термин "М." равнозначен обмену веществ (См. Обмен веществ) и энергии; в более точном и узком смысле "М." означает межуточный (промежуточный) обмен, т. е. превращение веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов. В этом смысле термин "М." относят и к отдельному классу соединений или определённому веществу (например, М. белков, М. глюкозы). Попав внутрь клетки, питательное вещество метаболизируется - претерпевает ряд химических изменений, катализируемых ферментами (См. Ферменты) (определённая последовательность таких изменений называется метаболическим путём, а образующиеся промежуточные продукты - метаболитами). Различают 2 стороны М. - Анаболизм и Катаболизм. Анаболические реакции направлены на образование и обновление структурных элементов клеток и тканей и заключаются в синтезе сложных молекул из более простых; эти реакции, преимущественно восстановительные, сопровождаются затратой свободной химической энергии (эндергонические реакции). Катаболические превращения - это процессы расщепления сложных молекул - как поступивших с пищей, так и входящих в состав клетки - до простых компонентов; эти реакции, обычно окислительные, сопровождаются выделением свободной химической энергии (экзергонические реакции). Обе стороны М. тесно взаимосвязаны во времени и пространстве. Выяснение отдельных звеньев М. у разных классов растений, животных и микроорганизмов обнаружило принципиальную общность путей биохимических превращений в живой природе. См. также Ассимиляция и Диссимиляция.

Лит.: Малер Г., Кордес Ю., Основы биологической химии, пер. с англ., М., 1970; Дэгли С., Никольсон Д., Метаболические пути, пер. с англ., М., 1973: Bing F. С., The history of the word "metabolism", "Journal of the History of Medicine and Allied Sciences", 1971, v. 26, № 2.

или обмен веществ, химические превращения, протекающие от момента поступления питательных веществ в живой организм до момента, когда конечные продукты этих превращений выделяются во внешнюю среду. К метаболизму относятся все реакции, в результате которых строятся структурные элементы клеток и тканей, и процессы, в которых из содержащихся в клетках веществ извлекается энергия. Иногда для удобства рассматривают по отдельности две стороны метаболизма - анаболизм и катаболизм, т.е. процессы созидания органических веществ и процессы их разрушения. Анаболические процессы обычно связаны с затратой энергии и приводят к образованию сложных молекул из более простых, катаболические же сопровождаются высвобождением энергии и заканчиваются образованием таких конечных продуктов (отходов) метаболизма, как мочевина, диоксид углерода, аммиак и вода.

Термин "обмен веществ" вошел в повседневную жизнь с тех пор, как врачи стали связывать избыточный или недостаточный вес, чрезмерную нервозность или, наоборот, вялость больного с повышенным или пониженным обменом. Для суждения об интенсивности метаболизма ставят тест на "основной обмен". Основной обмен - это показатель способности организма вырабатывать энергию. Тест проводят натощак в состоянии покоя; измеряют поглощение кислорода (О2) и выделение диоксида углерода (СО2). Сопоставляя эти величины, определяют, насколько полно организм использует ("сжигает") питательные вещества. На интенсивность метаболизма влияют гормоны щитовидной железы, поэтому врачи при диагностике заболеваний, связанных с нарушениями обмена, в последнее время все чаще измеряют уровень этих гормонов в крови. См. также ЩИТОВИДНАЯ ЖЕЛЕЗА
.

Методы исследования. При изучении метаболизма какого-нибудь одного из питательных веществ прослеживают все его превращения от той формы, в какой оно поступает в организм, до конечных продуктов, выводимых из организма. В таких исследованиях применяется крайне разнообразный набор биохимических методов.

Использование интактных животных или органов. Животному вводят изучаемое соединение, а затем в его моче и экскрементах определяют возможные продукты превращений (метаболиты) этого вещества. Более определенную информацию можно получить, исследуя метаболизм определенного органа, например печени или мозга. В этих случаях вещество вводят в соответствующий кровеносный сосуд, а метаболиты определяют в крови, оттекающей от данного органа.

Поскольку такого рода процедуры сопряжены с большими трудностями, часто для исследования используют тонкие срезы органов. Их инкубируют при комнатной температуре или при температуре тела в растворах с добавкой того вещества, метаболизм которого изучают. Клетки в таких препаратах не повреждены, и так как срезы очень тонкие, вещество легко проникает в клетки и легко выходит из них. Иногда затруднения возникают из-за слишком медленного прохождения вещества сквозь клеточные мембраны. В этих случаях ткани измельчают, чтобы разрушить мембраны, и с изучаемым веществом инкубируют клеточную кашицу. Именно в таких опытах было показано, что все живые клетки окисляют глюкозу до СО2 и воды и что только ткань печени способна синтезировать мочевину.

Использование клеток. Даже клетки представляют собой очень сложно организованные системы. В них имеется ядро, а в окружающей его цитоплазме находятся более мелкие тельца, т.н. органеллы, различных размеров и консистенции. С помощью соответствующей методики ткань можно "гомогенизировать", а затем подвергнуть дифференциальному центрифугированию (разделению) и получить препараты, содержащие только митохондрии, только микросомы или прозрачную жидкость - цитоплазму. Эти препараты можно по отдельности инкубировать с тем соединением, метаболизм которого изучается, и таким путем установить, какие именно субклеточные структуры участвуют в его последовательных превращениях. Известны случаи, когда начальная реакция протекает в цитоплазме, ее продукт подвергается превращению в микросомах, а продукт этого превращения вступает в новую реакцию уже в митохондриях. Инкубация изучаемого вещества с живыми клетками или с гомогенатом ткани обычно не выявляет отдельные этапы его метаболизма, и только последовательные эксперименты, в которых для инкубации используются те или иные субклеточные структуры, позволяют понять всю цепочку событий.

Использование радиоактивных изотопов. Для изучения метаболизма какого-либо вещества необходимы: 1) соответствующие аналитические методы для определения этого вещества и его метаболитов; и 2) методы, позволяющие отличать добавленное вещество от того же вещества, уже присутствующего в данном биологическом препарате. Эти требования служили главным препятствием при изучении метаболизма до тех пор, пока не были открыты радиоактивные изотопы элементов и в первую очередь радиоактивный углерод 14C. С появлением соединений, "меченных" 14C, а также приборов для измерения слабой радиоактивности эти трудности были преодолены. Если к биологическому препарату, например к суспензии митохондрий, добавляют меченную 14C жирную кислоту, то никаких специальных анализов для определения продуктов ее превращений не требуется; чтобы оценить скорость ее использования, достаточно просто измерять радиоактивность последовательно получаемых митохондриальных фракций. Эта же методика позволяет легко отличать молекулы радиоактивной жирной кислоты, введенной экспериментатором, от молекул жирной кислоты, уже присутствовавших в митохондриях к началу эксперимента.

Хроматография и электрофорез. В дополнение к вышеупомянутым требованиям биохимику необходимы и методы, позволяющие разделять смеси, состоящие из малых количеств органических веществ. Важнейший из них - хроматография, в основе которой лежит феномен адсорбции. Разделение компонентов смеси проводят при этом либо на бумаге, либо путем адсорбции на сорбенте, которым заполняют колонки (длинные стеклянные трубки), с последующей постепенной элюцией (вымыванием) каждого из компонентов.

Разделение методом электрофореза зависит от знака и числа зарядов ионизированных молекул. Электрофорез проводят на бумаге или на каком-нибудь инертном (неактивном) носителе, таком, как крахмал, целлюлоза или каучук.

Высокочувствительный и эффективный метод разделения - газовая хроматография. Им пользуются в тех случаях, когда подлежащие разделению вещества находятся в газообразном состоянии или могут быть в него переведены.

Выделение ферментов. Последнее место в описываемом ряду - животное, орган, тканевой срез, гомогенат и фракция клеточных органелл - занимает фермент, способный катализировать определенную химическую реакцию. Выделение ферментов в очищенном виде - важный раздел в изучении метаболизма.

Сочетание перечисленных методов позволило проследить главные метаболические пути у большей части организмов (в том числе у человека), установить, где именно эти различные процессы протекают, и выяснить последовательные этапы главных метаболических путей. К настоящему времени известны тысячи отдельных биохимических реакций, изучены участвующие в них ферменты.

Клеточный метаболизм. Живая клетка - это высокоорганизованная система. В ней имеются различные структуры, а также ферменты, способные их разрушить. Содержатся в ней и крупные макромолекулы, которые могут распадаться на более мелкие компоненты в результате гидролиза (расщепления под действием воды). В клетке обычно много калия и очень мало натрия, хотя клетка существует в среде, где натрия много, а калия относительно мало, и клеточная мембрана легко проницаема для обоих ионов. Следовательно, клетка - это химическая система, весьма далекая от равновесия. Равновесие наступает только в процессе посмертного автолиза (самопереваривания под действием собственных ферментов).

Потребность в энергии. Чтобы удержать систему в состоянии, далеком от химического равновесия, требуется производить работу, а для этого необходима энергия. Получение этой энергии и выполнение этой работы - непременное условие для того, чтобы клетка оставалась в своем стационарном (нормальном) состоянии, далеком от равновесия. Одновременно в ней выполняется и иная работа, связанная со взаимодействием со средой, например: в мышечных клетках - сокращение; в нервных клетках - проведение нервного импульса; в клетках почек - образование мочи, значительно отличающейся по своему составу от плазмы крови; в специализированных клетках желудочно-кишечного тракта - синтез и выделение пищеварительных ферментов; в клетках эндокринных желез - секреция гормонов; в клетках светляков - свечение; в клетках некоторых рыб - генерирование электрических разрядов и т.д.

Источники энергии. В любом из перечисленных выше примеров непосредственным источником энергии, которую клетка использует для производства работы, служит энергия, заключенная в структуре аденозинтрифосфата (АТФ). В силу особенностей своей структуры это соединение богато энергией, и разрыв связей между его фосфатными группами может происходить таким образом, что высвобождающаяся энергия используется для производства работы. Однако энергия не может стать доступной для клетки при простом гидролитическом разрыве фосфатных связей АТФ: в этом случае она расходуется впустую, выделяясь в виде тепла. Процесс должен состоять из двух последовательных этапов, в каждом из которых участвует промежуточный продукт, обозначенный здесь X-Ф (в приведенных уравнениях X и Y означают два разных органических вещества; Ф - фосфат; АДФ - аденозиндифосфат):

Поскольку практически для любого проявления жизнедеятельности клеток необходим АТФ, неудивительно, что метаболическая активность живых клеток направлена в первую очередь на синтез АТФ. Этой цели служат различные сложные последовательности реакций, в которых используется потенциальная химическая энергия, заключенная в молекулах углеводов и жиров (липидов).

См. также:

ряд последовательных превращений вещества в организме.