Методи вивчення обміну речовин та енергії.

Для вивчення обмінних процесів в організмі використовуються різноманітні методичні підходи на різних рівнях організації живого: цілісного організму, ізольованих органів, тканинних зрізів, гомогенатів, екстрактів, субклітинних структур, біорідин та ін. При цьому використовуються сучасні фізико-хімічні й біохімічні методи виділення, розділення, ідентифікації й кількісного визначення речовин:

1) балансові - на цілісному організмі визначаються загальні кількісні зрушення речовин за їх поглинанням і виділенням кінцевих продуктів обміну (розрахунок балансу приходу-витрати);

2) манометричні - для вивчення загальних обмінних процесів у спеціальних апаратах;

3) хроматографічні - для визначення наявності й кількісних зрушень тих або інших молекул;

4) авторадіографічні - з використанням мічених атомів для встановлення на цілісному організмі розподілу, біосинтезу і розпаду тих або інших речовин в органах і тканинах;

5) гістохімічні - для встановлення наявності тих чи інших молекул у клітинах різних органів і тканин;

6) спектрофотометричні - для визначення кількісних зрушень за спектром поглинання;

7) електрофорез - для розділення, ідентифікації й кількісного визначення речовин;

8) ферментативні методи - за специфічністю дії ферментів та ін.

Найчастіше при вивченні обміну речовин застосовується одночасно декілька підходів. Інформація, отримана за допомогою різних методів, потім інтегрується, що й дає можливість відповісти на питання, які зміни в обміні речовин відбуваються в нормі та за різних патологічних станів.

Балансові методи. Визначення вмісту введеної в організм речовини і продуктів її розпаду, виведених з організму (із сечею, калом, потом і повітрям, що видихається), дає можливість розрахунку балансу, тобто різниці між надходженням і витратою даної речовини. На основі визначення балансу можна зробити важливі висновки щодо потреби організму в тій або іншій речовині. Так, для вивчення стану обміну білків велике значення має визначення азотистого балансу - різниці між кількістю азоту, який надійшов в організм з їжею, і кількістю азоту, виведеного з організму у вигляді кінцевих азотистих продуктів обміну. Азотистий баланс може бути позитивним, рівним нулю (рівновага) або негативним. У разі позитивного азотистого балансу відбувається затримка азоту в організмі. Це показує, що відбувається накопичення білка в тих чи інших органах і тканинах. У нормі позитивний баланс має місце в молодому зростаючому організмі або в жінок під час вагітності. Азотиста рівновага спостерігається, якщо доросла людина з їжею споживає достатню кількість білка. Якщо ж азоту виводиться з організму більше, ніж його було введено, то має місце негативний баланс

Манометричні методи. Для вивчення обміну речовин у різних тканинах і дрібних організмах, мікроорганізмах тощо використовують апарат, запропонований німецьким вченим Варбургом. Принцип методу полягає в тому, що зрізи тканин або інші об'єкти поміщають в особливі посудинки, з'єднані з манометрами, за допомогою яких можна виміряти поглинання або виділення газу за зміною тиску в системі зі сталою температурою і сталим об'ємом.Проміжний обмін в організмі й методи його вивчення. Визначивши хімічну природу речовин, що виділяються з організму у вигляді кінцевих продуктів (С02, Н20, сечовина і т.ін.), далі необхідно з'ясувати шляхи, а також біохімічні перетворення вихідних речовин, у результаті яких утворилися ці кінцеві сполуки. При вивченні обміну речовин необхідно знати не тільки початкові (вихідні) і кінцеві, але й проміжні продукти перетворень, а також участь певних органів у їхньому утворенні. Проміжним обміном називають обмін окремих речовин (включаючи утворення проміжних сполук), який відбувається в органах і тканинах організму. Проміжний обмін відображає послідовність біохімічних перетворень речовин в організмі, їх матеріальний і енергетичний баланс, локалізацію цих перетворень у певних органах і тканинах, взаємозв'язок окремих органів у єдиному процесі обміну речовин цілісного організму і його варіювання в залежності від ряду умов. У живому організмі, який є не сумою окремих частин, а єдиним цілим, у якому всі частини, явища, процеси взаємно обумовлені і пов'язані одне з одним, сигнали про дію, напрям і координацію біохімічних процесів здійснюються нервовою системою.Для з'ясування шляхів обміну тієї чи іншої речовини в цілому організмі або в окремих органах існують різноманітні методи, кожен з яких має свої переваги і недоліки.

Ізотопний метод або метод мічених атомів. Принцип методу полягає в тому, що синтезуються речовини, у молекули яких вводяться атоми радіоактивних або важких ізотопів, які переважно не зустрічаються або зустрічаються в дуже малих кількостях у природних сполуках. Звичайно використовують або стабільні ізотопи елементів, які відрізняються за масою від звичайних елементів, або радіоактивні ізотопи. Відповідно до цього застосовують і різні методи їхнього виявлення - або за масою, використовуючи, наприклад, мас-спектрометр, або за радіоактивністю, вимірюючи радіацію за допомогою спеціальних лічильників. Серед стабільних ізотопів у біохімічних дослідженнях застосовують: водень з масою 2 (Б, дейтерій Н2), азот з масою 15 (№5) і вуглець із масою 13 (С13). Серед радіоактивних ізотопів знайшли застосування ізотопи вуглецю (С14), фосфору (Р32), сірки (Б35), йоду (I131), заліза (Бе59), натрію (Ма24), кальцію (Са45), водню (тритій-Н3).Особливо важливою для цього методу є та обставина, що живі організми ставляться однаково до обміну мічених і немічених речовин, що й зумовило можливість їх застосування.

Метод ангіостомії був запропонований російським вченим Ю.С. Лондоном. Цей метод дозволяє вивчати обмін речовин на цілісному організмі шляхом дослідження хімічного складу крові, що притікає до органа і відтікає від нього. Суть цього методу полягає в тому, що в стінки певних кровоносних судин, виведених назовні, вводять срібні або платинові трубочки (канюлі), а потім беруть кров у тварини для дослідження. Цей метод дозволяє вивчати зміни хімічного складу крові, яка притікає до органу і відтікає від нього.

Метод ізольованих органів розроблено в лабораторії російського вченого І.П. Павлова. За допомогою цього методу вдалося встановити, які біохімічні процеси відбуваються в певних органах. Недоліком цього методу є те, що він надавав можливість вивчати обмін речовин лише в органі, ізольованому від цілого організму, і, як наслідок, відокремленому від впливів центральної нервової й ендокринної систем.

Метод зрізів, екстрактів і гомогенатів із тканин широко застосовується в біохімічних лабораторіях для вивчення процесів обміну речовин у тих чи інших тканинах, але він також недосконалий, оскільки відсутній вплив центральної нервової системи. Одержують водні, сольові та інші екстракти (витяжки), а також тонкі зрізи із тканин за допомогою мікротома. Далі досліджують, які речовини отримуються з даної сполуки після добавлення її до зрізів, екстрактів або гомогенатів із тканин. Якщо добавлена речовина зазнає тих або інших перетворень, то можна з'ясувати участь у цих реакціях різних ферментів. Дуже велике значення у вивченні процесів обміну речовин на гомогенатах і екстрактах з органів і тканин мала розробка різноманітних методів фракціонування цих матеріалів.

Гістохімічний метод. Цей метод у біохімії використовується для виявлення на зрізах із тканин ділянок локалізації тих або інших сполук за допомогою специфічних хімічних реагентів. Так, для визначення наявності нуклеїнових кислот застосовують реактив фуксинсі-рчистої кислоти, наявності крохмалю - реакцію з йодом, ліпідів - реакцію із суданом і т.ін.

Кінцеві продукти обміну. Останній етап обміну речовин в організмі пов'язаний з утворенням кінцевих продуктів обміну і виведенням їх з організму в зовнішнє середовище. Кінцеві продукти виводяться з організму через різні органи, у тому числі й через органи, спеціально пристосовані для виведення. Для людини й більшості тварин найважливішими органами виділення є нирки, кишечник, легені і шкіра. Біохімічний аналіз продуктів виділення становить основу лабораторного аналізу в клініці й надає велику допомогу лікарю при діагностиці й лікуванні різноманітних захворювань.