Биологическая роль углекислого газа (СО2) в организме

Пролог:

при первом чтении сложные биохимические термины можно "проскользнуть",

просто приняв к сведению, что так оно и есть.


Учитывая важную роль участия углекислоты в развитии обменных нарушений, считаем необходимым подробно осветить биологическую роль углекислоты в живом организме, а также остановиться на свойстве живой материи фиксировать углекислый газ для обеспечения анаболических процессов.

Известно, что интенсивность процессов аэробного окисления, так же как и степень энергопродукции, непосредственно зависит от количества поглощенного клеткой кислорода. Значительно меньше известна биологическая роль углекислоты.

Еще в 1921 году А. Н. Лебедевым был обнаружен эффект ассимиляции углекислоты гетеротрофными организмами, а позднее доказана способность клеток, как простейших, таки высших животных, включая и человека, использовать углекислоту для синтеза углеводов, белков, жиров и нуклеиновых кислот, однако и сегодня господствует мнение, что углекислый газ является конечным и вредным продуктом обмена, подлежащим удалению из организма.

В результате многочисленных исследований было установлено, что CO2 является естественным регулятором дыхания, кровообращения, обмена веществ, электролитного баланса, кислотно-основного состояния, возбудимости нервных клеток, тонуса гладкой мускулатуры, бронхов, сосудов, мочевыводящих путей и т.д. Сообщается о стимулирующем влиянии бикарбонатов и CO2 на секрецию инсулина бета-клетками поджелудочной железы.

В живой материи постоянно и одновременно проходит множество биохимических процессов, имеющих катаболическую или анаболическую направленность. Результатом катаболических реакций является потеря углерода путем распада углеродных связей и выделение этого элемента из организма в форме углекислого газа. Ведущим проявлением анаболических реакций, наоборот, являются процессы накопления и фиксации углерода. Процесс фиксации углекислоты у гетеротрофных организмов, включая животных и человека, непосредственно осуществляется с помощью реакций карбоксилирования, то есть присоединения к органическим веществам двуокиси углерода (CO2) с образованием карбоксильной группы. Карбоксилирование занимает одно из центральных мест в обмене веществ и круговороте углерода в биосфере. У различных микроорганизмов, а также в тканях животных и человека открыто более 20 реакций карбоксилирования. Характерно, что у зеленых растений с помощью тех же самых реакций осуществляются процессы фотосинтеза.

Важнейшая отличительная особенность процессов фиксации углекислоты между аутотрофами (в данном случае растениями) и гетеротрофами заключается лишь в механизмах генерирования макроэргических соединений (АТФ, НАД, НАДФ и т.д.). Если у аутотрофов основным источником генерирования этих макроэргов является фотолиз воды, то у гетеротрофов эти энергоемкие соединения образуются в процессе окисления органических субстратов (углеводов, жиров, белков).

Существует довольно большой спектр различных реакций карбоксилирования. У гетеротрофных организмов различают следующие реакции:

1. Реакции карбоксилирования, протекающие за счет энергии АТФ.

В эту группу входят карбоксилирование пропионил-КоА, пирувата, ацетил-КоА, бета-метил-кротонил-КоА, геранил-КоА, мочевины, образование карбамилфосфата. Простетической группой этих карбоксилаз является биотин. Благодаря реакциям карбоксилирования стимулируются процессы липогенеза, образования оксалоацетата, биосинтеза пиримидиновых оснований и мочевины.

2. Реакции карбоксилирования, протекающие за счет энергии окисления восстановленных форм пиридиннуклеотидов.

Сюда входит карбоксилирование альфа-кетоглутарата, пирувата, рибулезо-5-фосфата, серина, глутамата, ацетата.

3. Реакции карбоксилирования, протекающие без использования энергии извне:

5-аминоимидазолриботидкарбоксилазная (для синтеза мочевой кислоты, пуринов, гипоксантина), фосфоэнолпируваткарбоксилазная (образование оксалоацетата), фосфоэнолпируваткарбокситрансфосфорилазная (образование оксалоацетата и С-дикарбоновых кислот).

В последние годы выявлена прямая взаимосвязь между уровнем метаболизма и скоростью карбоксилирования в организме животных. Результаты экспериментальных исследований подтвердили положение А. И. Опарина о том, что фиксация углекислоты является процессом совершенно универсальным, а потому и очень древним, заложенным в самой основе организации обмена веществ у всех живых существ. «Уникальность физиологического значения углекислоты определяется тем, что она участвует в реакциях биосинтеза важнейших компонентов клетки: липидов, углеводов, белков, азотистых оснований нуклеотидов, а значит, и нуклеиновых кислот. Синтез таких аминокислот, как серин, цитруллин, глутаминовая, аспарагиновая кислоты, полностью зависит от интенсивности карбоксилирования. Учитывая, что четыре из девяти промежуточных членов трикарбонового цикла (оксалоацетат, малат, изоцитрат, сукцинат) образуются путем карбоксилирования соответствующих субстратов (пирувата, фосфоэнолпирувата, альфа-кетоглутарата и пропионил-КоА), становится вполне очевидным, что функционирование самого цикла также зависит от процессов карбоксилирования».

Как заключает академик М. Ф. Гулый, «если жизнь без свободного кислорода возможна (факультативные и облигатные анаэробы), то без СО2 она абсолютно немыслима».

Скорость аккумуляции CO2 служит показателем анаболического потенциала в организме, в то время как скорость потребления кислорода свидетельствует об интенсивности катаболических окислительных процессов. Соотношение CO2 и O2, как в организме в целом, так и на различных уровнях его организации, характеризует доминирующую направленность метаболических процессов в сторону диссимиляции или ассимиляции.

Увеличение интенсивности процессов карбоксилирования сопровождается повышением синтеза органических соединений, а ослабление тканевой фиксации CO2 может явиться причиной угнетения пластического обмена у животных.

Сказанное можно проиллюстрировать на примере онтогенеза человека. Известно, что новорожденные достаточно быстро растут, не требуя повышенного количества кислорода. Наблюдения над их продолжительным нырянием показали, что они значительное время могут обходиться без кислорода. Наоборот, лица пожилого возраста, у которых фиксация CO 2, то есть анаболический показатель, значительно снижена, нуждаются в постоянном и достаточном кислородном обеспечении, который, согласно эффекту Вериго-Бора, напрямую зависит от углекислого газа. Чем глубже дыхание человека, тем меньше углекислого газа в организме, и тем ХУЖЕ организм снабжается кислородом.

Можно заключить, что весь путь человека от рождения до смерти представляет собой процесс прогрессирующего снижения фиксации углекислого газа.

Описанные закономерности имеют и филогенетическую обусловленность, связанную с особенностями возникновения жизни на Земле.

Согласно теории эволюции первичная атмосфера Земли сформировалась около четырех миллиардов лет назад, основную ее часть составлял углекислый газ и недоокисленные продукты углерода, в то время как чистый кислород в атмосфере практически отсутствовал. Жизнь первично возникла в бескислородной среде, а само живое вещество образовалось путем случайного структурного синтеза из длинных цепей и замкнутых колец, образованных атомами углерода. Избыток углекислоты и способность ее фиксации живыми организмами обеспечили эволюцию живой материи. Так, благодаря уникальным свойствам углерода, возник единственный на Земле углеродный тип жизни. В последующем свойство примитивных растений фиксировать углекислоту и при этом выделять кислород способствовало последовательному увеличению содержания кислорода в атмосфере, что, в свою очередь, требовало от живых организмов определенной коррекции обмена веществ. Суть ее свелась к тому, что по мере уменьшения в атмосфере запасов углекислого газа и увеличения количества кислорода у гетеротрофных организмов сформировались механизмы не только активной фиксации углекислоты с помощью процессов фотосинтеза, но и направленной внутриклеточной ее продукции с последующей фиксацией благодаря реакциям карбоксилирования. Это благоприобретенное свойство поставило их в более выгодные по сравнению с растениями условия существования, в меньшей степени зависящие от непосредственного влияния солнечной энергии, что существенно повысило адаптационные возможности примитивных организмов. Одновременно резко увеличился собственный, независимый от внешней среды вклад организма в процессы поддержания энергетического баланса. Выполнение этой задачи было обеспечено путем объединения в клетке процессов регенерации углекислоты с механизмами ресинтеза АТФ.

Ослабление продукции и клеточной фиксации CO2, а также уменьшение его резерва способствуют повышению в клетке потребности в кислороде и ускорению окислительных процессов с целью возобновления внутриклеточных запасов CO2. И наоборот, чем лучше развиты процессы фиксации углекислоты, тем меньше потребность в кислороде. В физиологических условиях, как отмечал П. Альбицкий, действие углекислоты сводится к снижению интенсивности окислительных процессов.

Активизация процессов окисления, которая происходит при повышенном выделении CO2 с выдыхаемым воздухом (при глубоком дыхании), и снижение его резерва в клетке в первую очередь обусловлены повышением содержания вне- и внутриклеточного содержания водородных ионов (Н+), являющихся непосредственными субстратами для энергопродукции, так как, повышая запрос на кислород, они ускорят процессы окислительного фосфорилирования. Образующаяся в процессе окисления углекислота, связывая ионы водорода, блокирует скорость окислительных реакций и соответственно утилизацию кислорода.

Из сказанного следует, что существование живых организмов, так же как и растений, обеспечивается благодаря механизмам поддержания резерва CO 2 путем фиксациии регенерирования углекислоты в организме, что является универсальным условием существования живой материи. Интенсивность снижения резерва углекислоты является показателем напряжения компенсаторных окислительных процессов в организме

Продолжительность задержки дыхания при нырянии у разных видов животных (по Гаданцеву В. П., 1977).

Время ныряния в минутах:

Морская змея 150

Бутылконос 120

Кашалот 75

Черепаха бахромчатая 65

Тюлень 45

Финвал 30

Ужи 25

Пингвин императорский 18

Дельфин 15

Бобр обыкновенный 15

Утка домашняя 15

Ондатра 12

Утконос 10

Нутрия 7

Калан 4,5

Бегемот 3,5

Белый медведь 2

Человек 2–4

Для обеспечения жизнедеятельности организма, его роста и развития необходимо поддержание в нем следующих ведущих процессов, связанных с потреблением и предложением CO2: постоянной фиксации углекислоты с помощью реакций карбоксилирования, а также регенерации углекислого газа при непосредственном участии кислорода.

Основным источником углекислоты в организме является эндогенный углекислый газ. В физиологических условиях у взрослого человека за сутки образуется в среднем 300–400 л углекислоты, которая выводится из организма легкими. Парциальное давление рCO2 в артериальной крови в норме составляет 46 мм рт. ст.

Логично предположить, что организм животных и человека для поддержания своей жизнедеятельности должен обладать значительными резервами углекислоты. Это было экспериментально подтверждено исследованиями N. Cherniak и G. Longobardo, которые, исследуя резервы O2 и CO2. У человека весом 70 кг установили, что, если суммарный кислород в организме составляет около 2 литров, то резервы CO2 значительно превышают запасы кислорода, достигая 120 и более литров. Отсюда напрашивается вывод о том, что если резервы углекислого газа в 60 раз превышают резервы кислорода, то, следовательно, устаревшее представление о CO2 как о конечном продукте метаболизма, «шлаке», ускоренно выделяемом из организма, является глубоко ошибочным, поскольку не соответствует принципам биологической целесообразности живой материи.

Углекислота в организме присутствует в следующих формах: растворенный углекислый газ (CO2), угольная кислота, бикарбонаты, карбонаты, карбаматы (P-NH-COOH).

При различных физиологических или патофизиологических условиях возникает повышение проницаемости мембран (митохондрий, клеток), что в свою очередь приводит к ускорению выведения CO 2 из клетки, снижению его тканевых запасов, уменьшению фиксации и повышению выделения углекислого газа с выдыхаемым воздухом. CO 2 является в организме основным субстратом для анаболических реакций. Это подтверждается положительным влиянием различных методов лечебного использования углекислоты на лечение многих системных заболеваний.

Характерно, что снижение резерва CO2 в организме, блокируя окисление субстратов в цикле Кребса в результате дефицита CO 2, способствует переходу на анаэробное, гликолитическое расщепление углеводов с образованием молочной кислоты и высвобождением дополнительного количества CO2 из бикарбонатного буфера. Как отмечает М. Ф. Гулый, «развивающаяся при сахарном диабете гипергликемия, ингибирование трикарбонового цикла и другие нарушения, являются, по крайней мере, отчасти, следствием не только дефицита инсулина, но и снижения уровня углекислоты в тканях, что обычно имеет место при этом заболевании».