Обмен веществ и энергии (метаболизм) — это превращения веществ и энергии, лежащие в основе жизнедеятельности организмов. Получая из окружающей среды различные органические и неорганические вещества (преимущественно пищевые), организм усваивает их, т. е. перерабатывает в специфические для себя вещества. Эта сторона обмена веществ и энергии обозначается как ассимиляция.
Процесс разрушения органических веществ — диссимиляция — является противоположной ассимиляции стороной обмена веществ и энергии. Ассимиляция и диссимиляция неразрывно связаны друг с другом. Рост, развитие, размножение всегда характеризуются преобладанием ассимиляции, что проявляется в увеличении общей массы организма, в образовании новых тканей и органов, в их росте и степени дифференциации. При некоторых патологических состояниях, а также при голодании преобладает диссимиляция, что выражается обычно в уменьшении массы живого тела.
Интенсивность обмена веществ и энергии в целом зависит от взаимоотношений организма с окружающей средой. У высших животных и человека процессы обмена веществ и энергии, в том числе соотношение ассимиляции и диссимиляции, регулируются центральной нервной системой.
Понятие обмена веществ и энергии включает как переработку организмом пищевых веществ, так и превращения тех веществ, которые входят в состав организма.
Процессы превращения веществ в тканях и органах, включая образование и расщепление промежуточных продуктов, называют межуточным обменом. Изучение межуточного обмена дает представление о последовательности биохимических превращений внутри организма, об их локализации в определенных органах и тканях, о взаимосвязи различных химических реакций в едином процессе обмена веществ и энергии целостного организма.
Процессы обмена веществ и энергии делятся на анаболические и катаболические. Термином «анаболизм» обозначают те химические реакции, при которых более простые вещества, взаимодействуя между собой, образуют более сложные, что приводит к построению новой протоплазмы клеток, к общему росту живого организма. Анаболические процессы лежат в основе ассимиляции, катаболические — в основе диссимиляции. Катаболизм представляет собой расщепление органических веществ не только пищевых, но и тканевых, что приводит к расходованию протоплазмы клеток. Анаболические и катаболические процессы протекают непрерывно, находясь в сложной динамической взаимосвязи; их невозможно отделить друг от друга. Вещества, получающиеся в результате катаболических процессов, не только выводятся из организма в виде конечных продуктов обмена, но могут и вовлекаться в анаболические процессы: сложные соединения при этом расщепляются, а их составные части, соединяясь в различных комбинациях, образуют новые вещества. Так, синтезу тканевых белков, жиров и углеводов предшествует распад пищевых белков, жиров и углеводов (см. Азотистый обмен, Жировой обмен, Углеводный обмен).
Важнейшей функцией катаболизма является высвобождение энергии, заключенной в органических соединениях, поступающих в организм или откладываемых в нем в качестве запасных веществ. Энергия используется для обновления и перестройки тканей; расходуется при функционировании органов (например, мышечная работа, передача нервных импульсов и др.); затрачивается в процессах синтеза органических соединений, в том числе ферментов; часть ее освобождается в виде тепла.
Катаболическими процессами, дающими энергию, являются брожение у растений и микроорганизмов, гликолиз у животных или окисление органических веществ до CO2 и H2О, что распространено как в животных, так и растительных тканях. Если окислению подвергаются углеводы, то при поглощении 1 л кислорода высвобождается 5,05 ккал энергии, если жиры и белки,— соответственно 4,7 и 4,8 ккал. Каждому из этих веществ соответствует определенная величина дыхательного коэффициента (Rq), т. е. величина отношения объема CO2, выделенного за данный промежуток времени, к объему кислорода, поглощенного организмом за этот интервал времени. При окислении углеводов Rq равен 1, жиров — 0,7, белков — 0,8. Поскольку расщепление различных пищевых веществ в организме происходит одновременно, величина Rq может варьировать. Среднее значение Rq для человека в норме находится в пределах 0,83— 0,87. Определив Rq опытным путем, с помощью специальных таблиц устанавливают количество освобождающейся энергии в калориях. Энергетика обмена, таким образом, может служить показателем интенсивности обменных процессов в организме и характеризуется величиной балансового (суммарного) обмена.
В клинической практике для сравнения интенсивности обмена веществ и энергии у разных людей и выявления его отклонений от нормы первоначально определяют уровень основного обмена, т. е. количество энергии, расходуемой только на поддержание жизни в состоянии покоя, натощак, которое характеризуется у одного и того же организма значительным постоянством.
На основании многочисленных определений основного обмена у людей составлены таблицы нормальных величин этого показателя в зависимости от возраста, пола и общей поверхности тела. В этих таблицах величины основного обмена приводятся в больших калориях (ккал) на 1 м2 поверхности тела за 1 час. У лиц одного пола, роста, веса и возраста основной обмен приблизительно одинаков и колеблется в пределах ±10—15%. Факторы внешней среды (климат, температура, барометрическое давление), различные формы трудовой деятельности, занятия спортом, режим и тип питания, функциональное состояние организма вызывают в нем довольно значительные отклонения от нормы. Большое влияние на основной обмен оказывают изменения в гормональной функции организма. Особенно выражено действие щитовидной железы: при ее гиперфункции основной обмен может превышать нормальный уровень на 80%, при гипофункции основной обмен может быть ниже нормы на 40%. Выпадение функции передней доли гипофиза или коры надпочечников влечет за собой снижение основного обмена. Возбуждение симпатической нервной системы, усиленное образование или введение адреналина извне усиливают основной обмен. В клинике исследование основного обмена проводят натощак, т. е. через 12—16 час. после приема пищи, определяя газообмен в течение 10—15 мин. Температура помещения — от 20 до 22°. Величины основного обмена принято давать в процентах отклонений от нормы.
См. также Окисление биологическое.