Процессы ассимиляции и роста возможны только при поступлении в организм питательных веществ, которые служат пластическим материалом, а также источником энергии. Основными питательными веществами, участвующими в обмене веществ, являются белки, углеводы и жиры.
Современные биохимические исследования показывают, что обмен веществ совершается во всех органах и тканях живого организма, даже в таких, которые кажутся совершенно неизменными, как кости, зубы и т. д.
Методом меченых атомов исследователи установили, что обмен веществ происходит не только в цитоплазме живой клетки, но и в различных органоидах (частях) клетки, в частности в ядре, микросомах, митохондриях и даже в живом веществе, не обладающем клеточной структурой.
Процессы, происходящие в организме, в отличие от мира неорганической природы чрезвычайно согласованы между собой и направлены на самовосстановление и самосохранение живого тела. Обмен веществ в отдельных органах и тканях по своему характеру, набору ферментов (веществ, которые ускоряют биохимические и обменные процессы), по составу минеральных веществ отличается не только количественно, но и качественно. Например, в печени совершается ряд специальных химических реакций, которые не происходят в других органах. В печени сосредоточены процессы, обезвреживающие различные токсические вещества. Обмен веществ целостного организма достигается путем координации их в отдельных органах и тканях. В основе сложного согласованного процесса превращения веществ лежит слаженность отдельных химических реакций.
Ведущую роль в регулировании обмена веществ играет нервная система, особенно кора головного мозга. Нервная система регулирует обмен веществ организма с внешним миром, а также взаимосвязанный с внешним обменом внутренний, промежуточный обмен, определяя количество и качество веществ, потребляемых каждой тканью и каждым органом. Это трофическая функция нервной системы. Регуляция обмена веществ нервной системой осуществляется непосредственно, путем импульсов, которые поступают из высших отделов нервной системы к органам и тканям организма, а также посредством гормонов (биологически активных веществ, выделяемых железами внутренней секреции), воздействующих на обмен веществ, продукция и поступление которых также регулируются ею.
Регулирующее влияние коры головного мозга на обменные процессы доказано школой К. М. Быкова. Всякий ранее индифферентный раздражитель, многократно сочетанный во времени с той или иной деятельностью организма, может вызывать четкие изменения в обмене веществ, аналогичные тем, которые вызывает эта деятельность. Например, многократное применение звонка перед введением в организм сахара, тироксина и т. д. может привести к образованию условного рефлекса, в результате чего один звонок будет уже изменять процессы обмена веществ в организме. Опыты на животных с фистулами пищевода наглядно показывают, как мнимое кормление оказывает специфическо-динамическое действие на обмен веществ в течение длительного времени. Мнимое поступление глюкозы становится сигналом для усиленного ее потребления тканями, что ведет к повышению газообмена и уменьшению сахара в крови. Мнимое питье вызывает торможение спонтанного выделения мочи. Вместе с этим увеличивается содержание эритроцитов, а также процент гемоглобина. Это объясняется тем, что мнимое питье рефлекторным путем вызывает отток воды из крови в ткани и стимулирует ее потребление тканями.
В зависимости от функционального состояния организма — покоя, мышечной или умственной деятельности, приема пищи, лекарственных веществ и т. д. — интенсивность обмена веществ, а следовательно, и размеры общих затрат энергии могут значительно колебаться. Величина обмена веществ зависит от пола и возраста, времени суток, сезона, температуры окружающей среды. Наиболее резкое влияние на обмен веществ оказывает мышечная работа и функциональная деятельность щитовидной железы. Выяснено, что у человека и животных наиболее низкие цифры величины расхода энергии наблюдаются при полном мышечном покое, при температуре окружающей среды, соответствующей минимальной активности процессов терморегуляции организма. Относительно постоянный в этих условиях уровень энергетических затрат и — получил название основного обмена. Установлено, что этот обмен чрезвычайно неустойчив и зависит от комплекса раздражителей, воздействующих на нервные центры. Он может устанавливаться на длительный период на разных уровнях. Как показали исследования, в процессе старения происходит снижение основного обмена, особенно четко оно проявляется в глубокой старости. Одновременно с этим уменьшается и общее количество воды в организме, в то время как объем плазмы и внеклеточной воды остается приблизительно постоянным. Особенно обедняются водой к старости мышцы, мозг и печень. Рис. 2 а, б иллюстрирует изменения абсолютного и относительного веса органов человека в процессе старения, которые нельзя отнести только за счет уменьшения воды, так как в связи с возрастом в организме происходят и другие изменения.
Рис. 2. Возрастные изменения органов человека: а — абсолютный вес; б — относительный вес (по М. С. Мильману)
Материальной основой живой материи являются сложные химические системы — белки и нуклеиновые кислоты.
"Жизнь, — писал Ф. Энгельс, — есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел…Повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, которое не находится в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни"[2].
Белки — это высокомолекулярные органические вещества, построенные из многих аминокислот. Аминокислоты — органические соединения, входящие в состав всех белковых веществ животных и растительных организмов. Белки являются наиболее важной составной частью живого вещества, его основной структурой и функцией. Они играют основную роль в строении протоплазмы клетки и клеточного ядра. Для роста организма необходимы следующие аминокислоты: лизин, триптофан, метионин, тирозин, лейцин, изолейцин, гистидин, органин, валин, фенилаланин. Из этих аминокислот могут образоваться другие аминокислоты, гормоны и т. д. Например, тирозин может образоваться из фенилаланина, а из тирозина образуются гормоны, тироксин и адреналин. В образовании гормона щитовидной железы участвует метионин. Благодаря специфичности своего строения белки обладают способностью реагировать и создавать комплексы с самыми разнообразными веществами, начиная с ионов и кончая крупными молекулами сложных органических соединений. Ферментным белкам принадлежит одна из основных ролей. Они катализируют (ускоряют) как процессы распада белков и других веществ, так и процессы синтеза, созидания веществ, включая и синтез самих белков.
Таким образом, белки являются не только главным структурным материалом, но и основой химической активности живой клетки. Системы специфических белков живой плазмы осуществляют свою ферментативную деятельность и производят обмен веществ в организме. Существует ряд специфических белков, которые выполняют функцию гормонов (биологически активных веществ, выделяемых железами внутренней секреции).
Большое значение для организма имеют специфические белки — антитела. Они вырабатываются организмом в ответ на введение "чужеродного" белка. Наиболее характерной фунцией белков является то, что они вместе с нуклеиновыми кислотами определяют и сохраняют специфические особенности отдельных видов организмов и их частей (органов, тканей и клеток). С их существованием связаны все признаки, отличающие живую материю от неживой, а именно: обмен веществ (метаболизм), способность реагировать на окружающую среду и воспроизводимость, которая в свою очередь связана с передачей биологической информации. Белки стимулируют умственную деятельность, увеличивают сопротивляемость организма к инфекциям и т. д.
