Для изучения обменных процессов в организме используются различные методические подходы на разных уровнях организации живого: целостного организма, изолированных органов, тканевых срезов, гомогенатов, экстрактов
, субклеточных структур, биожидкостей и др.. При этом используются современные физико-химические и биохимические методы выделения, разделения, идентификации и количественного определения веществ:
1) балансовые - на целостном организме определяются общие количественные сдвиги веществ с их поглощением и выделением конечных продуктов обмена (расчет баланса прихода-расхода);
2) манометрические - для изучения общих обменных процессов в специальных аппаратах;
3) хроматографические - для определения наличия и количественных сдвигов тех или иных молекул;
4) авторадиографични - с использованием меченых атомов для установки на целостном организме распределения, биосинтеза и распада тех или иных веществ в органах и тканях;
5) гистохимические - для установления наличия тех или иных молекул в клетках различных органов и тканей;
6) спектрофотометрические - для определения количественных сдвигов по спектру поглощения;
7) электрофорез - для разделения, идентификации и количественного определения веществ;
8) ферментативные методы - по специфичности действия ферментов и др..
Чаще всего при изучении обмена веществ применяется одновременно несколько подходов. Информация, полученная с помощью различных методов, затем интегрируется, что и дает возможность ответить на вопрос, какие изменения в обмене веществ происходят в норме и при различных патологических состояний. Балансовые методы. Определение содержания введенной в организм вещества и продуктов его распада, выведенных из организма (с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом), дает возможность расчета баланса, т.е. разницы между поступлением и расходом данного вещества. На основе определения баланса можно сделать важные выводы относительно потребности организма в той или иной веществе. Так, для изучения состояния обмена белков большое значение имеет определение азотистого баланса - разницы между количеством азота, поступившего в организм с пищей, и количеством азота, выводимого из организма в виде конечных азотистых продуктов обмена. Азотистый баланс может быть положительным, равным нулю (равновесие) или отрицательным. В случае положительного азотистого баланса происходит задержка азота в организме. Это показывает, что происходит накопление белка в тех или иных органах и тканях. В норме положительный баланс имеет место в молодом растущем организме или у женщин во время беременности. Азотистое равновесие наблюдается, если взрослый человек с пищей потребляет достаточное количество белка. Если же азота выводится из организма больше, чем был введен, то имеет место отрицательный баланс. Это свидетельствует о том, что в организме происходит распад белков органов и тканей, который не компенсируется белками пищи. Отрицательный азотистый баланс наблюдается при различных заболеваний, связанных с усиленным распадом белков тканей, при голодании, в преклонном возрасте (см. Обмен белков). Определение азотистого баланса важно при установлении нормы белков в питании.
Аналогичным путем изучается газовый обмен - поступление через легкие в организм кислорода и выделение диоксида углерода. При этом определяется дыхательный коэффициент - соотношение объема выделенного за определенный промежуток времени диоксида углерода и объема поглощенного за это же время кислорода (CO2/O2). Установлено, что дыхательный коэффициент имеет разную величину в зависимости от того, какие вещества в организме окисляются во время измерения. Для углеводов он равен единице, что следует из уравнения окисления углерода (гексозы):
С6Н12О6 + 6О2-> 6СО2 + 6Н2О
Поскольку грамм-молекула любого газа при данных условиях занимает определенный объем, то при окислении гексозы объем поглощенного кислорода будет равна объему образованного диоксида углерода, т.е. дыхательный коэффициент (RQ) равна:
RQ = 6CO. =! 6O2
Дыхательный коэффициент для триацилглицеринов меньше единицу - он равен 0,7, то есть объем выделенного диоксида углерода будет меньше, чем объем поглощенного кислорода, поскольку в своей молекуле липиды содержат меньше кислорода, чем углеводы. Дыхательный коэффициент для белков, хотя и больше (-0,8), чем для триацилглицеринов, но все же меньше, чем единица, поскольку по процентным содержанием кислорода белки занимают промежуточное место между углеводами и липидами. Энергетическая ценность, т.е. энергия сгорания углеводов, липидов и белков, также неодинакова. Во время окисления в организме 1 г триацилглицеринов до конечных продуктов освобождающейся энергии 38,9 кДж / моль, 1 г белков или углеводов - 17,2 кДж / моль. Количество освобожденной энергии определяется путем сжигания веществ в калориметрической бомбе.
Манометрические методы. Для изучения обмена веществ в различных тканях и мельчайших организмах, микроорганизмах и т.п. используют аппарат, предложенный немецким ученым Варбурга. Принцип метода заключается в том, что срезы тканей или другие объекты помещают в особые сосудах, соединенные с манометрами, с помощью которых можно измерить поглощение или выделение газа за изменением давления в системе с постоянной температурой и постоянным объемом.