Учитывая важную роль участия углекислоты в развитии обменных нарушений, авторы считают 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, так и 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.
Биохимические процессы в организме происходят постоянно

Как уже отмечалось, 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).
Виды реакций карбоксилирования

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).
Уникальное значение углекислоты для организма

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 серии, 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.
Как растет человек

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 CO2, то есть анаболический показатель, значительно снижена, нуждаются в постоянном и достаточном кислородном обеспечении.

Можно заключить, что весь путь человека от рождения до смерти представляет собой процесс прогрессирующего снижения фиксации углекислого газа и увеличения зависимости от потребленного кислорода для компенсации сниженного резерва углекислоты.
Особенности возникновения жизни на Земле

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 углеводный тип жизни. В последующем свойство примитивных растений фиксировать углекислоту и при этом выделять кислород способствовало последовательному увеличению содержания последнего 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.

При этом можно говорить о реципрокных отношениях между интенсивностью фиксации углекислоты и ее резервами и скоростью потребления кислорода.
Роль СО2 в клетке

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, 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 CO2 путем фиксации и регенерирования углекислоты в организме, что является универсальным условием существования живой материи. Интенсивность снижения резерва углекислоты является показателем напряжения компенсаторных окислительных процессов в организме, о скорости которых можно судить по количеству потребленного кислорода.
Продолжительность задержки дыхания при нырянии у разных видов животных
(по Гаданцеву В.П., 1977). Вид животных - время ныряния, мин:

Морская змея (Acalyptophis pcroni) До 150

Бутылконос (Hyperoodon ampullatus) 120

Кашалот (Physeter catodon) 75

Черепаха бахромчатая (Chelus firnbriata) 65

Блювал (Balaenoptera musculus) 50

Тюлень Уэдделла (Leptonychotes weddelli) До 45

Финвал (Balaenoptera physalus) 30

Тюлень обыкновенный (Phoca vitulina) 25

Ужи (Natrix erythogaster, N. fasciata, N. rhombifera) 25

Иловая змея (Faranacia abacura) 22

Пингвин императорский (Aptenodytes forsteri) 18

Афалина (Tursiops truncatus) 15

Бобр обыкновенный (Castor fiber) 15

Утка домашняя (Anas domestica) До 15

Ондатра (Ondatra zibethica) 12

Утконос (Ornithorhynchus anatinus) До 10

Нутрия (Myocastor coypus) 7

Пингвин субантарктический (Pygoscelis papua) 7

Калан (Enhydra lutris) До 4,5

Бегемот (Hippopotamus amhibius) До 3,5

Белый медведь (Ursus maritimus) До 2

Человек:

тренированный (ловцы жемчуга) 2-4

нетренированный до 1

Таким образом, 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. Если первый механизм достаточно известен, то значение второго еще ждет своего осмысления. Формулой его является: потребление кислорода прямо пропорционально снижению резерва углекислого газа в клетках.

Основным источником углекислоты в организме является эндогенный углекислый газ. В физиологических условиях у взрослого человека за сутки при дыхании образуется в среднем 300-400 л углекислоты, которая выводится из организма легкими. Парциальное давление рCO2 в артериальной крови составляет 5,32 кПа (40 мм рт. ст.), а в тканях - 6,12 кПа (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 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.

Резервы O2 и CO2 в организме человека:
Исследуемый объект
Резервы O2, кол-во, л, форма

Легкие
0.5 Физически растворенный газ
0.2 Газ в остаточной емкости, бикарбонат в легочной ткани

Кровь
1.2 Физически растворенный газ, оксигемоглобин
2.7 Физически растворенный газ, бикарбонат, карбаминогруппа

Ткани
0.3 Физически растворенный газ, оксигемоглобин
120.0 Физически растворенный газ, бикарбонат, карбонат (в кости), карбаминогруппа

Всего
2.0
122.9


Примечание. Масса тела человека 70 кг.

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 CO2 из клетки, снижению его тканевых запасов, уменьшению фиксации и повышению выделения углекислого газа с выдыхаемым воздухом. Поскольку CO2 является в организме основным субстратом для анаболических реакций, то, следовательно, снижение пула CO2 в клетке способствует активизации процессов метаболизма различных субстратов для регенерации CO2 и восполнения этого дефицита. Необходимым условием поддержания активности катаболических реакций является достаточное потребление кислорода, повышение которого, наблюдаемое при различных стрессовых состояниях, является следствием не "кислородного голода", а снижения внутриклеточного резерва CO2 и направлено в первую очередь на его возобновление.

Сказанное подтверждается положительным влиянием различных методов лечебного использования углекислоты на лечение многих системных заболеваний.

В нормальных условиях в покое отмечается превышение величины потребления кислорода над величиной выделения углекислого газа, что характеризует процессы накопления CO2 в организме. В условиях стресса при динамическом газовом анализе регистрируется увеличение выделения CO2 с выдыхаемым воздухом, соответствующее количеству потребленного кислорода, а также связанное с этим повышение основного обмена. При этом, как только во время проведения физической нагрузки уровень выделения СО2 начинает превышать уровень потребления кислорода, то есть когда активизация метаболических реакций под воздействием кислорода не компенсирует образование CO2 de novo, тогда и регистрируется отказ испытуемого от нагрузки.

Характерно, что снижение резерва CO2 в организме не только активизирует потребление кислорода, но и, блокируя окисление субстратов в цикле Кребса в результате дефицита CO2, 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".

Следовательно, существует тесная взаимосвязь между интенсивностью внутриклеточного окислительного фосфорилирования, количеством вновь образуемого углекислого газа и активностью синтетических процессов. Принимая во внимание концепцию структурной энергии Э. Бауэра, можно сделать заключение, что необходимость предварительного, структурного синтеза, как обязательного условия адекватной энергопродукции, реализуется в том, что в условиях ограниченного энергообразования снижение резерва углекислоты, как энергоемкого субстрата, еще больше закрепляет состояние внутриклеточного энергодефицита. Все это способствует ограничению энергозависимых синтетических процессов, снижению анаболического потенциала, нарушению жизненно важных функций клетки, что будет существенно отражаться на функциональной активности органов и систем и на состоянии организма в целом. При этом компенсаторные возможности организма, направленные, прежде всего, на сохранение его структурной целостности, определяются состоянием системы нейро-гормонально-гуморальной регуляции и непосредственно зависят от генетических и конституциональных особенностей метаболизма.


Автор - доктор биологических наук, профессор А.В. Кузин
http://www.rebenok-zdorov.ru/clinic/scientific_articles/biologicheskaya_rol_uglekisloty_v_organizme.html