Обмен веществ – определения. Что такое «метаболизм» (обмен веществ) и почему важно его определять? Что означает понятие обмен веществ в биологии

Метаболизму ученые уже давно дали точное определение. Что такое обмен веществ? Это комплекс сложных химических реакций, происходящих в организме человека или другого живого существа и влияющих на его жизнеспособность, поддержание жизненных сил, рост, развитие и размножение, а также на защиту от негативного воздействия окружающей среды. Обмен веществ является обязательным условием для нормального существования живого организма.

Регулярное поступление питательных веществ в клетки, а также постоянное выведение конечных продуктов распада, появляющихся в результате различных химических процессов, - основа биохимического и энергетического обмена. Изучает суть этих явлений и результат их воздействия на живой организм такая наука, как биология. Что такое обмен веществ, каково влияние скорости биохимических и энергетических процессов на изменение форм и структуры тела, питание и образ жизни, а также приспосабливаемость к различным условиям существования человека? Это все категории биологических исследований.

Основные виды обмена веществ

Рассмотрим подробнее сам процесс и его определение. Что такое обмен веществ? Это процесс, который способствует переработке поступающих извне питательных элементов (белков, жиров, углеводов, витаминов, воды и минеральных веществ), в результате чего в организме человека создаются собственные белки, углеводы и жиры. При этом продукты распада (расщепления), иначе говоря, отходы выводятся с помощью выделительной системы во внешнюю среду. Биологи обозначили несколько основных видов обменных процессов.

Это - белковый, липидный (жировой), углеводный, солевой и водный обмены. Разнообразные ферменты, которые участвуют в процессах преобразования различных нутриентов, одновременно являются необходимым компонентом пищеварения. Они структурируют наше питание. Обмен веществ при этом ферментами регулируется в нужном направлении.

Два важнейших взаимосвязанных этапа процесса обмена веществ

Каким образом происходят биохимические превращения внутри тела? За счет чего колеблется уровень обмена веществ? У здорового человека обменные процессы в организме протекают интенсивно и быстро.

Технология данных химических реакций включает два параллельных, взаимосвязанных, непрерывных этапа: диссимиляцию и ассимиляцию.

Анаболизм (ассимиляция) - это процесс, связанный с образованием необходимых соединений, в ходе синтеза которых поглощается энергия.

Катаболизм (диссимиляция) - это процесс, который, напротив, способствует расщеплению различных веществ и, как следствие, высвобождению энергии. Главным катализатором (ускорителем) данного окислительного процесса по праву считается кислород.

Факторы, влияющие на основной обмен веществ

Давая определение тому, что такое обмен веществ, ученые выделили необходимый минимум затрат питательных компонентов и энергии для поддержания жизнедеятельности организма в идеальных комфортных условиях, когда человек находится в состоянии покоя. На интенсивность обменных процессов могут влиять:

• генетическая память, или наследственность;
• возраст человека (потому, что скорость метаболизма с годами постепенно снижается);
• климатические условия;
• двигательная активность или ее отсутствие;
• масса тела человека (полным людям требуется больше калорий для поддержания жизнеобеспечения).

В поисках ответа на вопрос о том, что такое основной обмен веществ, или базальный метаболизм, физиологи предлагают учитывать 4 фактора: пол, возраст, рост и массу тела человека. В среднем интенсивность базального метаболизма составляет 1ккал в час на 1 кг веса. У мужчин основной обмен веществ в сутки приблизительно равен 1500-1700 ккал. У женщин эта цифра равна примерно 1300-1500 ккал. У детей обмен веществ, как правило, выше, чем у взрослых, но с годами постепенно снижается.

Обмен веществ и энергетический баланс

Каждому человеку присущ индивидуальный показатель уровня обмена веществ и энергии. Поступление вместе с пищей энергии извне и ее расходование на жизнеобеспечение организма (основной обмен плюс энергозатраты на физическую и психическую деятельность) должны быть сбалансированы. Измеряется эта энергия в единицах тепла - килокалориях. Равновесие между количеством поступающей энергии и расходуемой обеспечивает нормальный энергетический баланс.

Регуляция процессов обмена веществ

Под влиянием факторов, воздействующих на основной обмен веществ, и разницы между поступлением и расходованием калорий меняется интенсивность обменных процессов. Важнейшая роль в регуляции на всех уровнях принадлежит нервной системе. Изменения могут происходить в самих тканях или органах непосредственно, а также являться следствием регулирования количества и активности ферментов и гормонов.

Благодаря принципу обратной связи наш организм способен самостоятельно регулировать уровень обмена веществ. Например, при поступлении большого количества глюкозы в кровь происходит выброс энергии, что усиливает секрецию инсулина. Он тормозит процесс выработки глюкозы из гликогена в печени, что, в свою очередь, ведет к уменьшению ее концентрации в крови.

Что такое нарушение обмена веществ и каковы его причины

При различных нарушениях обмена веществ могут возникнуть тяжелые, подчас необратимые последствия. Сбои в углеводном обмене могут спровоцировать развитие сахарного диабета, неправильный липидный обмен - привести к накоплению вредного холестерина, вызывающего болезни сосудов и сердца. Избыток свободных радикалов ведет к преждевременному старению и возникновению онкологических проблем. Причины подобных сбоев могут быть как внутренними, так и внешними.

Что такое нарушение обмена веществ изнутри? Это многообразные генетические проблемы, связанные с наследственным фактором (мутация генов, кодирующая синтезацию ферментов, вызывающих дефекты обменных процессов). Другими причинами могут быть болезни нервной системы, эндокринные нарушения (дисфункция щитовидной железы, гипофиза, надпочечников).

К внешним причинам физиологи относят нарушения в рационе питания (переедание, несбалансированные диеты и так далее), игнорирование правил здорового образа жизни. Выясняя, что такое неправильный обмен веществ, необходимо помнить: существуют как отдельные причины его возникновения, так и комплексные, когда наряду с болезнью у человека могут присутствовать нарушения в рационе питания, гиподинамия.

Жировой обмен

Особого разговора заслуживает липидный (жировой) обмен. Жиры в организме человека - это богатейший источник энергии. Что такое липидный обмен веществ? В процессе окисления липидов высвобождается больше энергии, чем при переработке углеводов и белков вместе взятых. Кроме большого количества энергии, распад жиров образует достаточно много влаги, что поддерживает водный обмен.

Жиры в организме - необходимые нутриенты. В липидах растворяются отдельные витамины, они служат компонентом клеточных мембран, материалом для синтеза некоторых гормонов и ферментов, участвуют в нервно-мышечной передаче. Жировая ткань выполняет теплоизоляционную и защитную функцию, смягчает и увлажняет кожные покровы. Достаточное и сбалансированное количество жиров в рационе гарантирует правильный липидный обмен, здоровье и отличный внешний вид.

Что такое быстрый обмен веществ, или как набрать вес

Как часто люди, недовольные своей худобой, сетуют на то, что еда им не идет впрок. Набрать оптимальный вес они не могут из-за быстрого метаболизма. Повышенная скорость обмена веществ заложена генетически у людей с эктоморфным типом телосложения. Для них характерно небольшое количество подкожно-жировой клетчатки и медленный темп наращивания мышечной массы. Что такое быстрый обмен веществ? Это высокая скорость метаболических реакций.

Люди с таким «подарком природы» награждены повышенной активностью, хорошей физической формой и не подвержены появлению лишней массы тела. После 30 лет, особенно у женщин, в результате гиподинамии и неправильного питания могут возникать на отдельных участках тела утолщения подкожно-жирового слоя. Частично это является результатом того, что каждые полгода, начиная с этого возраста, скорость метаболизма снижается на 3-4%. Но откорректировать фигуру в этих случаях очень просто: нужно лишь придерживаться сбалансированного рациона питания и увеличить двигательную активность.

Как восстановить правильный обмен веществ?

Многие любительницы жестких несбалансированных диет, гарантирующих быстрое похудение, вскоре оказываются перед дилеммой. Продолжая снижать калорийность своего рациона, они получают снижение уровня метаболизма, что ведет к фиксации стрелки весов. Дефицит калорий уже не ведет к потере лишнего веса. Диетологи в этом случае советуют повышать метаболизм. Что такое ускоренный обмен веществ? Это обязательный утренний завтрак, дробное сбалансированное питание в течение дня, большое количество выпитой воды, аэробные и анаэробные тренировки, прогулки на свежем воздухе, посещения сауны и бани, сон продолжительностью не менее 8-9 часов. Кроме этого, необходимо включать в рацион продукты, ускоряющие метаболизм: специи (перец, корица, имбирь, горчица), морепродукты, цитрусовые (грейпфрут), женьшень, витамины группы B, зеленый чай.

По сути, что такое обмен веществ в идеале? Это грамотное соотношение количества потребляемой пищи и ее расходования. Ранний завтрак поможет «проснуться» организму и запустить процесс метаболизма, дробное питание даст жизненно необходимые вещества без голода и вреда для организма, а физические нагрузки приведут тело к желаемой форме. Голод, напротив, замедляет и останавливает метаболизм, что ведет к прекращению процесса похудения.

Заключение

Профилактика нарушений обмена веществ состоит не только в регулярных посещениях врача, но и в здоровом питании, грамотном режиме труда и достаточном отдыхе, соблюдении экологических и санитарных норм (по мере возможности), двигательной активности. Зная, что такое обмен веществ, вы сможете обеспечить безупречную работу своего организма и остаться здоровым на долгие годы!

11 311

Термин «метаболизм » (обмен веществ) в переводе с греческого языка означает «изменение» или «преобразование». Итак, что же преобразуется?

Метаболизм – это совокупность всех биохимических и энергетических процессов в организме, в ходе которых поступившая пища, вода, воздух преобразуются в энергию и ряд веществ, необходимых для поддержания жизнедеятельности. Это функция позволяет нашему организму использовать еду и другие ресурсы для поддержания своей структуры, восстановления повреждений, избавления от токсинов, размножения. Другими словами, метаболизм является необходимым процессом, без которого живые организмы погибнут.

Функции метаболизма:

1. поддержание постоянства внутренней среды организма в непрерывно меняющихся условиях существования и адаптация к изменениям внешних условий.
2. обеспечение жизнедеятельности, развития и самовоспроизведения.

Метаболизм начинается с поглощения питательных веществ, необходимых для поддержания жизни. Но поглощаем-то мы чужие белки, жиры и углеводы! А построить надо свои. Что для этого нужно сделать? Правильно! Расщепить поступившие сложные вещества на более простые составляющие, а затем из них построить индивидуальные белки, жиры и углеводы. То есть надо сначала разобрать, а потом построить.

Поэтому весь процесс метаболизма можно разделить на 2 тесно связанные между собой составляющие, две части одного процесса – обмена веществ.

1. Катаболизм – это такие процессы в организме, которые направлены на расщепление пищевых, а также собственных молекул на более простые вещества с освобождением при этом энергии и запасание ее в форме аденозинтрифосфата (АТФ).
Первый этап катаболизма – это процесс пищеварения, в ходе которого белки расщепляются до аминокислот, углеводы — до глюкозы, липиды — до глицерина и жирных кислот. Затем уже в клетках эти молекулы превращается в ещё более мелкие, к примеру, жирные кислоты – в ацетил-КоА, глюкоза — в пируват, аминокислоты — в оксалоацетат, фумарат и сукцинат и т.д. Основные конечные продукты катаболизма — вода, углекислый газ, аммиак, мочевина.

Разрушение сложных веществ необходимо для экстренных нужд получения энергии и построения новых тканей. Без процессов катаболизма организм остался бы без энергии, а значит, не мог бы существовать. Ведь эта энергия в последующем будет направлена на синтез необходимых веществ, создание тканей и обновление организма, то есть на анаболизм . Энергия также необходима для сокращения мышц, передачи нервных импульсов, поддержания температуры тела и др.

2. Анаболизм – это такие обменные процессы в организме, которые направлены на образование клеток и тканей этого организма. Многие вещества, полученные в результате катаболизма, в дальнейшем используются организмом для синтеза (анаболизма) других веществ.
Анаболические процессы всегда протекают с поглощением энергии АТФ. В ходе анаболического метаболизма из более мелких молекул структурируются крупные, из более простых структур образуются более сложные.
Таким образом, в результате катаболизма и последующего анаболизма из питательных веществ, поступающих в организм, строятся белки, жиры и углеводы, свойственные данному организму.

Таблица 1. Сравнение анаболизма и катаболизма.

Несмотря на противоположность анаболизма и катаболизма, они неразрывно связаны и не могут протекать друг без друга.
Совокупность процессов анаболизма и катаболизма – это и есть обмен веществ, или метаболизм .
Сбалансированность этих двух составляющих регулируется гормонами и делает работу организма слаженной. Ферменты при этом играют роль катализаторов в процессах метаболизма.

Как измеряется уровень метаболизма? Что такое скорость метаболизма ?

Измеряя уровень метаболизма, никто, конечно, не подсчитывает количество вновь образовавшихся или разрушившихся клеток или тканей.
Уровень обмена веществ измеряется по количеству поглощенной и выделенной энергии. Речь идёт о той энергии, которая поступает в организм с пищей, и той, которую расходует человек в процессе жизнедеятельности. Измеряется она в калориях.
Калории для организма – это как бензин для автомобиля. Это источник энергии, благодаря которому бьется сердце, сокращаются мышцы, функционирует мозг, человек дышит.

Когда говорят «повышенный или пониженный обмен веществ», имеется в виду повышенная или пониженная скорость (или интенсивность) обмена.

Скорость метаболизма — это расход организмом энергии в калориях за определённый период времени.

Сколько калорий в сутки тратит здоровый человек?
Энергия, которую человек тратит в процессе жизнедеятельности, включают в себя 3 составляющие:
1) Энергия, которая расходуется на основной обмен (это и есть основной показатель метаболизма) +
2) Энергия, расходуемая на усвоение пищи — специфическое динамическое действие пищи (СДДП) +
3) Энергия, которая расходуется на физические нагрузки.

Но когда речь идёт об индивидуальном повышенном или пониженном обмене веществ, имеется в виду именно основной обмен .

Основной обмен — что это такое?

Основной обмен – это минимальное количество энергии, которое необходимо организму для поддержания его нормальной жизнедеятельности в условиях полного покоя через 12 часов после приема пищи в состоянии бодрствования и при исключении влияния всех внешних и внутренних факторов.
Эта энергия расходуется на поддержание температуры тела, циркуляцию крови, дыхание, выделение, работу эндокринной системы, функционирование нервной системы, процессы клеточного метаболизма.
Основной обмен показывает насколько интенсивно протекает обмен веществ и энергии в организме.
Основной обмен зависит от пола, веса, возраста, состояния внутренних органов, влияния внешних факторов на организм (недостаток или избыток питания, интенсивность физических нагрузок, климат и т.п.)
Основной обмен может увеличиваться или уменьшаться при воздействии внешних или внутренних факторов. Так понижение внешней температуры увеличивает основной обмен . Повышение внешней температуры снижает основной обмен .

Почему важно знать основной обмен ?

Т.к. основной обмен является показателем интенсивности обмена веществ и энергии в организме, то его изменения могут свидетельствовать о наличии определённых заболеваний.
Для этого сравнивается «должный основной обмен » с «фактическим основным обменом».

Должный основной обмен — это средний показатель, который был установлен на основании результатов обследования большого числа здоровых людей. Его принято считать за норму.
По этим результатам составлены специальные таблицы, в которых указан должный основной обмен с учетом пола, возраста и веса.
Должный основной обмен принят за 100%. Измеряется он в ккал за 24 ч.
Должный основной обмен здорового взрослого человека равен примерно 1 ккал на 1 кг массы тела в 1 час.

Фактический основной обмен — это индивидуальный основной обмен отдельного человека. Он выражается величиной в процентах отклонения от должного. Если фактический основной обмен повышен — со знаком плюс, если понижен — со знаком минус.

Допустимым считается отклонение от должной величины на +15 или -15%.
Отклонения от +15% до +30% считаются сомнительными, при которых необходимо наблюдение и контроль.
Отклонения от +30% до +50% считаются отклонениями средней тяжести, от +50% до +70% — тяжелыми, а более +70% — очень тяжелыми.
Снижение основного обмена на 30-40% также считаются такими, которые связаны с заболеванием, при котором требуется лечение этого заболевания.

Фактический основной обмен определяют методом калориметрии в специальных лабораториях.

Многие слышали о метаболизме и его влиянии на вес. Но что означает это понятие и есть ли связь между хорошим метаболизмом и объемом жира в организме? Для того чтобы разобраться в этом, необходимо понять саму суть метаболизма.

Оглавление [Показать]

Суть метаболизма

Сложное слово метаболизм имеет синоним - обмен веществ, и это понятие, пожалуй, на слуху у большего количества людей. В биологии метаболизм - это совокупность химических реакций, которые происходят в теле всех живых существ на планете, включая человека. В результате названных превращений и осуществляется работа всего организма.

Метаболизм - что это такое простым языком? В организм человека попадают различные вещества с дыханием, пищей, питьем:

• питательные элементы (белки, жиры, углеводы);
• кислород;
• вода;
• минеральные соли;
• витамины.

Все эти элементы не могут усвоиться телом в первоначальном виде, поэтому организм запускает специальные процессы, чтобы разложить вещества на составляющие и из них собрать новые частицы. Из новых компонентов формируются новые клетки. Так происходит увеличение объема мышц, регенерация кожи при поражениях (порезах, язвах и пр.), обновление тканей, которое происходит постоянно.

Без метаболизма невозможна жизнедеятельность человека. Ошибочно мнение, что процесс метаболизма в организме происходит лишь когда мы что-то делаем. Даже в состоянии полного покоя (которое, к слову, обеспечить телу очень сложно, ведь мы всегда совершаем движения: моргаем, поворачиваем голову, двигаем руками) телу необходимо расщеплять сложные элементы и создавать из них простые, чтобы обновлять ткани, обеспечивать работу внутренних органов, дыхание и пр.

Обменный цикл можно разделить на 2 процесса.

1. Разрушение (анаболизм) - это расщепление всех поступающих в тело элементов на более простые вещества.

Как известно, белок, который содержится в пище, состоит из аминокислот. Для построения новых клеток нужен не протеин в чистом виде, а набор аминокислот, которые организм получает в процессе распада белка. Каждый протеиновый продукт состоит из разных аминокислот, поэтому белок из куриного мяса не может быть заменой белку из молока. Однако, наш организм в процессе анаболизма расщепляет каждый из этих продуктов, беря из них именно те ценные «кирпичики», которые нужны.

При анаболизме из каждого вещества высвобождается энергия, которая необходима для строительства сложных молекул. Эта энергия и есть те самые калории, подсчет которых так важен при похудении.

2. Создание (катаболизм) - это синтез сложных компонентов из простых и построение из них новых клеток. Процесс катаболизма вы можете наблюдать при росте волос и ногтей или при затягивании ранок. Также сюда относят обновление крови, тканей внутренних органов и многих процессов, которые проходят в теле незаметно для нас.

Для создания новых клеток и нужна энергия (колории), которые высвобождаются при анаболизме. Если этой энергии слишком много, она не расходуется на синтез молекул полностью, а откладывается «про запас» в жировую клетчатку.

Обмен белков

Белки бывают растительного и животного происхождения. Для нормального функционирования организма необходимы обе эти группы веществ. Белковые соединения не откладываются в теле в виде жира. Весь протеин, который поступает в тело взрослого человека, распадается и синтезируется в новый белок из расчета 1:1. А вот у детей процесс катаболизма (создания клеток) преобладает над распадом - в связи с ростом их тела.

Белок может быть полноценным и неполноценным. Первый состоит из всех 20 аминокислот и содержится только в продуктах животного происхождения. Если в протеиновом соединении отсутствует хотя бы 1 аминокислота, его относят ко второму типу.

Обмен углеводов

Углеводы - основной источник энергии для нашего тела. Они бывают сложными и простыми. Первая группа - это каши, злаковые, хлеб, овощи, фрукты. Это так называемые полезные углеводы, которые медленно расщепляются в организме и обеспечивают ему длительный заряд энергии. Быстрые, или простые углеводы - это сахар, изделия из белой муки, различные сладости, выпечка, газированные напитки. По большому счету, такая пища нашему телу не нужна вовсе: организм будет функционировать правильно и без нее.

Попадая в организм, сложные углеводы преобразуются в глюкозу. Ее уровень в крови относительно одинаков на протяжении всего времени. Быстрые углеводы заставляют этот уровень сильно колебаться, что отражается как на общем самочувствии человека, так и на его настроении.

При избытке углеводы начинают откладываться в виде жировых клеток, при нехватке - синтезируются из внутреннего белка и жировой ткани.

Метаболизм жиров

Одним из продуктов переработки жиров в организме является глицерин. Именно он при участии жирных кислот превращается в тот жир, который откладывается в жировой клетчатке. При избытке поступления липидов жировая клетчатка разрастается и мы видим результат - тело человека становится рыхлым, увеличивается в объемах.

Еще одно место для отложения излишков жира - пространство между внутренними органами. Такие запасы называются висцеральными, и они еще более опасны для человека. Ожирение внутренних органов не дает им работать в прежнем режиме. Чаще всего у людей наблюдается ожирение печени, ведь именно она первой принимает на себя удар, фильтруя через себя продукты распада жиров. Даже худой человек может иметь висцеральный жир из-за нарушений жирового обмена.

Средняя суточная норма липидов для человека составляет 100 г, хотя это значение может быть уменьшено и до 20 г с учетом возраста, веса человека, его цели (например, похудение), заболеваний.

Обмен воды и минеральных солей

Вода - один из важнейших компонентов для человека. Известно, что человеческое тело на 70% состоит из жидкости. Вода присутствует в составе крови, лимфы, плазмы, межклеточной жидкости, самих клетках. Без воды невозможно протекание большинства химических реакций.

Множество людей сегодня испытывают недостаток в жидкости, не подозревая об этом. Ежедневно наше тело отдает воду с потом, мочой, дыханием. Для восполнения запасов необходимо выпивать до 3 л жидкости в сутки. В эту норму включена также влага, которую содержат продукты питания.

Симптомами дефицита воды могут быть головные боли, быстрая утомляемость, раздражительность, вялость.

Минеральные соли составляют около 4,5% массы всего тела. Они нужны для множества процессов метаболизма, в том числе поддержания костной ткани, транспортировки импульсов в мышцах и нервных клетках, создания гормонов щитовидной железы. Правильное питание ежедневно полностью восполняет запасы минеральных солей. Однако, если ваш рацион не сбалансированный, то из-за недостатка солей могут появиться различные проблемы.

Роль витаминов в организме

Витамины при поступлении в организм не подвергаются расщеплению, а становятся готовыми «кирпичиками» для построения клеток. Именно по этой причине наше тело остро реагирует на нехватку того или иного витамина: ведь без его участия нарушаются некоторые функции.

Норма витаминов каждый день для человека невелика. Однако, с современными пищевыми привычками многие люди испытывают авитаминоз - острый витаминный дефицит. Переизбыток данных веществ приводит к гиповитаминозу, который не менее опасен.

Мало кто задумывается, что витаминный состав продуктов может сильно изменяться при обработке пищи или ее долгом хранении. Так, количество витаминов в овощах и фруктах резко уменьшается из-за длительного хранения. Тепловая обработка зачастую может «убить» все полезные свойства еды.

Уровень метаболизма

Существует такое понятие, как основной, или базовый метаболизм. Это показатель энергии, которая необходима нашему телу для поддержания всех его функций. Уровень метаболизма показывает, сколько калорий израсходует организм человека в полном покое. Под полным покоем подразумевается отсутствие любой двигательной активности: то есть если вы сутки пролежите на кровати, даже не взмахнув ресницами.

Данный показатель очень важен, ведь не зная уровня своего обмена веществ, многие женщины в стремлении похудеть уменьшают калорийность рациона до отметки, которая находится ниже основного метаболизма. А ведь базовый обмен веществ необходим для работы сердца, легких, циркуляции крови т.д.

Вы можете самостоятельно рассчитать для себя уровень метаболизма на одном из сайтов в интернете. Для этого вам потребуется ввести информацию о своем поле, возрасте, росте и массе тела. Для того чтобы узнать, сколько калорий вам потребуется в день, чтобы поддерживать свой вес, показатель базового метаболизма необходимо умножить на коэффициент активности. Такие расчеты также можно произвести прямо на сайте.

Ускоренный метаболизм позволяет людям есть больше и при этом не набирать жировую ткань. И это не говоря об общем самочувствии человека, который при быстром обмене веществ ощущает себя здоровым, бодрым и счастливым. От чего же зависит скорость метаболизма?

• Пол. Мужской организм для поддержания своих функций потребляет больше энергии, чем женский. В среднем, мужчине необходимо на 5-6% калорий больше, чем женщине. Это связано с тем, что в женском организме от природы больше жировой ткани, для поддержания которой нужно меньше энергетических затрат.
• Возраст. Начиная с 25-летнего возраста, человеческое тело претерпевает изменения. Обменные процессы начинают перестраиваться и замедляться. С 30 лет каждый последующий десяток лет метаболизм замедляется на 7-10%. По причине того, что скорость обменных процессов снижается, пожилому человеку легче набрать лишний вес. С возрастом калорийность потребляемой пищи должна снижаться на 100 калорий в расчете на 10 лет. А физическая нагрузка, наоборот, должна возрастать. Только в этом случае вы сможете поддержать свою фигуру в нужной форме.
• Соотношение жировой и мышечной ткани в теле. Мышцы потребляют энергию даже в покое. Для поддержания их тонуса телу приходится отдавать больше энергии, чем на поддержание жировых запасов. Спортсмен расходует на 10-15% калорий больше, чем человек с избытком массы тела. Речь идет не о физических нагрузках, которых у спортсмена, безусловно больше. А о базовом метаболизме, то есть том количестве энергии, которая расходуется в покое.
• Питание. Переедание, голодание, нарушения режима приема пищи, большое количество жирной, нездоровой, тяжелой еды - все это отрицательно сказывается на скорости обменных процессов.

Нарушение метаболизма

Причинами нарушения обмена веществ могут быть заболевания щитовидной железы, надпочечников, гипофиза, половых желез. Фактор, на который мы повлиять не в силах, - наследственный - также может дать толчок к изменениям в работе организма.

Однако, самая частая причина замедленного метаболизма - неправильное пищевое поведение. Сюда относят переедание, злоупотребление животными жирами, тяжелой едой, большие промежутки между приемами пищи. Любителям экспресс-диет следует знать, что голодание, преобладание в рационе низкокалорийной пищи являются верным путем к нарушению внутреннего баланса.

Нередко к замедлению процессов ведут вредные привычки - курение и употребление спиртных напитков. В группе риска также люди, которые ведут малоактивный образ жизни, постоянно недосыпают, подвергаются частым стрессам, получают норму витаминов и минералов в неполном объеме.

Чем же так опасен медленный обмен веществ?

Симптомы, по которым вы можете судить о сбоях в обменных процессах:

• излишки массы тела;
• отеки;
• ухудшение состояния кожи, изменение ее цвета на болезненный серый;
• хрупкость ногтей;
• ломкость и выпадение волос;
• одышка.

Кроме внешних проявлений существуют также и внутренние. Это заболевания метаболизма, которые очень индивидуальны. Нарушения организма вследствие внутреннего дисбаланса могут быть самые разные, их действительно много. Ведь под метаболизмом понимают совокупность всех процессов организма, которых также большое множество.

Как ускорить метаболизм?

Для того чтобы нормализовать скорость обменных процессов, нужно устранить причины, из-за которых произошел дисбаланс.

• Людям, в жизни которых мало физических нагрузок, нужно увеличить двигательную активность. Не спешите сгоряча бежать в тренажерный зал и изводить свое тело непосильными тренировками - это так же вредно, как и проводить весь день у монитора. Начните с малого. Ходите там, где раньше ездили на транспорте. Поднимайтесь по ступенькам вместо использования лифта. Постепенно увеличивайте нагрузку. Хорошим способом «размять» свое тело будет участие в спортивных играх - футболе, баскетболе, теннисе и пр.
• Ритм современного человека зачастую вынуждает его отказаться от достаточного сна. В данном случае лучше пожертвовать просмотром фильма или другим способом отдыха и хорошо выспаться. Неполноценный сон ведет ко многим нарушения в организме, в том числе он напрямую влияет на желание человека полакомиться быстрыми углеводами. А вот усваиваются сладости в теле «сонного» человека плохо, откладываясь в проблемных местах.
• Начните пить воду. Выпивайте стакан воды после сна, за полчаса до еды и через час после. Пейте воду маленькими глотками и не более 200 мл за раз. Начав употреблять хотя бы 2 л жидкости в день, вы обеспечите организму необходимое количество влаги для большинства обменных процессов.
• Если у вас серьезные нарушения метаболизма, пройдите курс массажа. Не важно, какой именно вид вы изберете. Любой массаж обладает эффектом лимфодренажа, стимулирует ток крови и как следствие - «разгоняет» обмен веществ.

• Обеспечьте своему телу достаточное количество кислорода и солнечного тепла. Гуляйте на свежем воздухе, особенно в солнечную погоду. Помните, что кислород - один из важнейших элементов для нормального метаболизма. Можете попробовать дыхательную гимнастику, которая научит ваше тело дышать полной грудью. А солнечные лучи подарят вам ценный витамин D, который получить из других источников очень сложно.
• Будьте позитивно настроены. По статистике, у людей, которые чаще радуются в течение дня, уровень метаболизма выше, чем у вечных пессимистов.
• Питайтесь правильно.

Питание - диета для метаболизма

Неправильное пищевое поведение - наиболее частая причина замедленного метаболизма. Если вы питаетесь чересчур часто или, наоборот, всего 1-2 раза в день, ваш обмен веществ рискует нарушиться.

Оптимально есть каждые 2-3 часа, то есть 5-6 раз в сутки. Из них должно быть 3 полноценных приема пищи - завтрак, обед, ужин, и 2-3 легких перекуса.

День начинается с завтрака, и только при этом условии вы можете рассчитывать на правильный обмен веществ. Завтрак должен быть плотным и питательным, состоять из медленных углеводов, которые дадут нам энергию на день, белков и жиров. На ужин лучше оставлять белковую пищу - нежирную рыбу, мясо, птицу и овощи. В качестве перекуса идеально выпить натурального йогурта, кефира, съесть фрукт или немного творога. Если вас одолевает голод перед сном, можно позволить себе маложирного творога.

Если у вас замедленный обмен веществ, повлиять на его скорость можно, добавив в рацион продукты для ускорения метаболизма:

• цитрусовые фрукты;
• яблоки;
• миндаль;
• натуральный черный кофе;
• свежий зеленый чай без сахара и прочих добавок;
• нежирные молочные продукты;
• шпинат;
• фасоль;
• белокочанная и цветная капуста, брокколи;
• постное мясо индейки.

Метаболизм - похудение

Не многие знают, что вес напрямую зависит от скорости обменных процессов в нашем организме. От уровня метаболизма зависит количество калорий, которые сжигает тело в покое. Для одного человека это 1000 калорий, для другого - 2000. Второй человек, даже не занимаясь спортом, может позволить себе энергетическую ценность дневного рациона почти вдвое большую, чем первый.

Если у вас есть лишние килограммы, а базовый метаболизм низкий, то вам придется есть очень мало, чтобы похудеть. К тому же, тело с медленным обменом веществ очень неохотно будет отдавать жировую массу. Правильнее заняться ускорением метаболизма веществ, чтобы обеспечить нормальное функционирование всего организма.

Ускорение метаболизма Хейли Помрой

Наше тело расходует энергию даже в покое. Поэтому американский диетолог Хейли Помрой предлагает разогнать процессы обмена веществ и худеть только за счет них. Если вы будете в точности соблюдать указания Хейли, она гарантирует вам похудение на 10 кг за месяц практически без усилий. Ушедший жир не возвращается, если вы не будете нарушать принципы правильного питания и в дальнейшем.

Комплекс, предложенный американкой, избавит вас от монодиет, во время которых преследует мучительный голод. Хейли разработала план сбалансированного питания, который направлен не на сокращение питательной ценности меню, а на улучшение протекания всех процессов в организме.

Для того чтобы поддерживать метаболизм на одном уровне, необходимо его постоянно подпитывать пищей. Это не значит, что еды должно быть много. Хейли рекомендует есть часто, но небольшими порциями. Так ваш организм будет постоянно занят переработкой веществ и не успеет замедлиться. Оптимально сделать 3 плотных приема пищи - завтрак, обед и ужин. А между ними расположить 2-3 перекуса.

Несмотря на то, что диетолог почти не ограничивает вас в выборе ингредиентов, от некоторых вредных для метаболизма продуктов все же придется отказаться. Это блюда с содержанием сахара, пшеничные блюда, спиртные напитки, жирные молочные продукты.

План питания Хейли Помрой рассчитан на 4 недели. Каждая неделя поделена на блоки.

1. 1-й блок - сложные углеводы. Продолжительность - 2 дня. В вашем рационе должны преобладать продукты, богатые полезными углеводами. Это в первую очередь овощи, цельные зерна, крупы. Позаботьтесь о достаточном количестве клетчатки в меню. Клетчатка поможет поддержать нормальный уровень глюкозы в крови, который может колебаться из-за большого объема углеводной пищи.
2. 2-й блок - белковый и овощной. Продолжительность - 2 дня. Для переработки и усвоения белковых соединений наше тело расходует больше всего калорий. Ешьте нежирные продукты, содержащие протеин: птицу, мясо, рыбу, сою, творог, яйца. К белковой пище добавляйте овощные блюда.
3. 3-й блок - добавление полезных жиров. Вы питаетесь сбалансированно, то есть употребляете и углеводы, и белки, и жиры. Отдайте предпочтение натуральным растительным маслам, авокадо, арахису.

Более подробно о диете Хейли Помрой вы можете узнать из ее книги «Диета для ускорения метаболизма».

Джиллиан Майклз - ускорь метаболизм

Будучи ребенком, Джиллиан Майклз страдала от серьезного избыточного веса. Познакомившись с фитнесом, девочка навсегда решила посвятить себя здоровому образу жизни. Сейчас это успешная женщина, которая не только находится в прекрасной форме, но и учит других, как помочь своему телу.

Среди нескольких эффективных методик Джиллиан есть специальная программа под названием «Ускорь метаболизм». Она рассчитана не на новичков в спорте, а на тех, кто с первой тренировки сможет выдержать интенсивную часовую фитнес-программу.

В первую очередь американка просит обратить внимание не свое питание. Она советует включить в рацион продукты, которые окажут положительное действие на метаболизм.

• Красная фасоль. В этом продукте содержится особый крахмал, который не усваивается организмом, но способствует очищению кишечника. Клетчатка выводит шлаки, а витаминный и минеральный состав фасоли влияет на формирование мышц как у мужчин, так и у женщин.
• Лук и чеснок - настоящие борцы с вредным холестерином. Антиоксиданты, содержащиеся в луке и чесноке, отлично выводят шлаки из тела.
• Малина и клубника. Эти ягоды регулируют уровень глюкозы в крови. Особые вещества в составе клубники и малины препятствуют усвоению жира и крахмала.
• Брокколи и другие крестоцветные овощи. Это низкокалорийные продукты, которые обеспечат вам долгое ощущение сытости.
• Хлебцы из цельных зерен, мюсли. Злаки, безусловно, калорийны, и многие во время диеты отказываются от них. Но опасность представляют лишь очищенные зерна и блюда из муки. Джиллиан рекомендует есть овес, гречку, ячмень, пшеницу.

Тренировка, направленная на сжигание жира и ускорение метаболизма, представляет собой 50-минутную программу. Это аэробные, или кардионагрузки. Начинается тренировка с 5-минутной разминки, заканчивается - 5-минутной заминкой, цель которой - растяжка мышц и успокоение тела после нагрузки.

Упражнения довольно просты в исполнении, их сможет повторить каждый без помощи инструктора. А вот выдержать быстрый темп программы сможет лишь тот, кто постоянно занимается спортом. Стремясь похудеть, не навредите своему организму, ведь приступать с нуля к большим нагрузкам опасно для здоровья. Подготовьте свое тело постепенно, начав с быстрой ходьбы, бега трусцой, непродолжительных кардио-комплексов.

vesdoloi.ru

Обязательным условием существования любого живого организма является постоянное поступление питательных веществ и выведение конечных продуктов распада.

Что такое обмен веществ в биологии

Обмен веществ, или метаболизм, – это особый набор химических реакций, которые протекают в любом живом организме для поддержания его деятельности и жизни. Такие реакции дают организму возможность развиваться, расти и размножаться, при этом сохраняя свою структуру и отвечая на раздражители окружающей среды.

Обмен веществ принято разделять на два этапа: катаболизм и анаболизм. На первой стадии все сложные вещества расщепляются и становятся более простыми. На втором же вместе с затратами энергии синтезируются нуклеиновые кислоты, липиды и белки.

Самую важную роль в процессе метаболизма играют ферменты, которые являются активными биологическими катализаторами. Они способны снизить энергию активации физической реакции и регулировать обменные пути.

Метаболические цепи и компоненты абсолютно идентичны для многих видов, что является доказательством единства происхождения всех живых существ. Такое сходство показывает сравнительно раннее появление эволюции в истории развития организмов.

Классификация по типу обмена веществ

Что такое обмен веществ в биологии, подробно описано в данной статье. Все живые организмы, существующие на планете Земля, можно разделить на восемь групп, руководствуясь при этом источником углерода, энергии и окисляемого субстрата.

Живые организмы в качестве источника питания могут использовать энергию химических реакций или света. В качестве окисляемого субстрата могут быть как органические, так и неорганические вещества. Источником углерода является углекислый газ или органика.

Существуют такие микроорганизмы, которые, находясь в разных условия существования, используют метаболизм разного типа. Это зависит от влажности, освещения и других факторов.

Многоклеточные организмы могут характеризоваться тем, что один и тот же организм может иметь клетки с разным типом метаболических процессов.

Катаболизм

Биология обмен веществ и энергии рассматривает через такое понятие, как «катаболизм». Данным термином называют метаболические процессы, во время которых крупные частицы жиров, аминокислот и углеводов расщепляются. Во время катаболизма появляются простые молекулы, участвующие в реакциях биосинтеза. Именно благодаря данным процессам организм способен мобилизовать энергию, превращая ее в доступную форму.

У организмов, которые живут благодаря фотосинтезу (цианобактерии и растения), реакция переноса электрона не высвобождает энергию, а накапливает, благодаря солнечному свету.

У животных реакции катаболизма связаны с расщеплением сложных элементов до более простых. Такими веществами являются нитраты и кислород.

Катаболизм у животных делится на три этапа:

1. Расщепление сложных веществ до более простых.
2. Расщепление простых молекул до еще более простых.
3. Высвобождение энергии.

Анаболизм

Обмен веществ (биология 8 класса рассматривает данное понятие) характеризуется и анаболизмом – совокупностью метаболических процессов биосинтеза с затратой энергии. Сложные молекулы, которые являются энергетической основой клеточных структур, последовательно образуются из самых простых предшественников.

Сначала синтезируются аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды. Затем вышеперечисленные элементы становятся активными формами благодаря энергии АТР. И на последнем этапе все активные мономеры объединяются в сложные структуры, такие как белки, липиды и полисахариды.

Стоит обратить внимание, что не все живые организмы синтезируют активные молекулы. Биология (обмен веществ подробно описан в данной статье) выделяет такие организмы, как автотрофы, хемотрофы и гетеротрофы. Они получают энергию из альтернативных источников.

Энергия, получаемая из солнечного света

Что такое обмен веществ в биологии? Процесс, благодаря которому существует все живое на Земле, и отличающий живые организмы от неживой материи.

Энергией солнечного света питаются некоторые простейшие, растения и цианобактерии. У данных представителей обмен веществ происходит благодаря фотосинтезу – процессу поглощения кислорода и выделению углекислого газа.

Пищеварение

Такие молекулы, как крахмал, белки и целлюлоза, расщепляются еще до того, как они используются клетками. В процессе пищеварения принимают участие особые ферменты, которые расщепляют белки до аминокислот, и полисахариды - до моносахаридов.

Животные могут выделять такие ферменты только из специальных клеток. А вот микроорганизмы такие вещества выделяют в окружающее пространство. Все вещества, которые вырабатываются благодаря внеклеточным ферментам, поступают в организм с помощью «активного транспорта».

Контроль и регуляция

Что такое обмен веществ в биологии, вы можете прочитать в данной статье. Каждый организм характеризуется гомеостазом – постоянством внутренней среды организма. Наличие такого условия очень важно для любого организма. Так как все их окружает среда, которая постоянно меняется, для поддержания оптимальных условий внутри клеток все реакции метаболизма должны правильно и точно регулироваться. Хороший обмен веществ дает возможность живым организмам постоянно контактировать с окружающей средой и отвечать на ее изменения.

Исторические сведения

Что такое обмен веществ в биологии? Определение находится в начале статьи. Понятие «метаболизм» первый раз употребил Теодор Шванн в сороковых годах девятнадцатого века.

Изучением метаболизма ученые занимаются уже несколько веков, и начиналось все с попыток изучить организмы животных. А вот термин «обмен веществ» впервые употребил Ибн-аль-Нафиса, который считал, что все тело постоянно находится в состоянии питания и распада, поэтому для него характерны постоянные изменения.

Урок биологии «Обмен веществ» откроет всю суть данного понятия и опишет примеры, которые помогут увеличить глубину знаний.

Первый контролируемый опыт по изучению обмена веществ был получен Санторио Санторио в 1614 году. Он описывал свое состояние до и после приема пищи, работы, питья воды и сна. Он был первым, кто заметил, что большая часть употребленной пищи утрачивалась во время процесса «незаметного испарения».

В начальных исследованиях обменные реакции были не обнаружены, и ученые считали, что живой тканью управляет живая сила.

В двадцатом веке Эдуард Бухнер ввел понятие ферментов. С этих пор изучение обмена веществ начиналось с изучения клеток. В этот период биохимия стала наукой.

Что такое обмен веществ в биологии? Определение можно дать следующее - это особый набор биохимических реакций, поддерживающих существование организма.

Минералы

В метаболизме очень большую роль играют неорганические вещества. Все органические соединения состоят из большого количества фосфора, кислорода, углерода и азота.

Большинство неорганических соединений позволяют контролировать уровень давления внутри клеток. Также их концентрация положительно влияет на функционирование мышечных и нервных клеток.

Переходные металлы (железо и цинк) регулируют активность транспортных белков и ферментов. Все неорганические микроэлементы усваиваются благодаря транспортным белкам и никогда не пребывают в свободном состоянии.

fb.ru

Обмен веществ – это тот процесс, который происходит в человеческом организме ежесекундно. Под этим термином следует понимать совокупность всех реакций организма. Метаболизм же, это целостность абсолютно любых энергетических и химических реакций, которые отвечают за обеспечение нормальной жизнедеятельности и самовоспроизведение. Он происходит между межклеточной жидкостью и самими клетками.

Жизнь просто невозможна без метаболизма. Благодаря обмену веществ происходит адаптация любого живого организма к внешним факторам.

Примечательно, что природа настолько грамотно устроила человека, что обмен веществ у него происходит автоматически. Именно это дает возможность клеткам, органам и тканями самостоятельно восстанавливаться после влияния определенных внешних факторов или же внутренних сбоев.

Благодаря обмену веществ процесс регенерации происходит без вмешательства в него.

Кроме этого, человеческий организм – это сложная и высокоорганизованная система, способная к самосохранению и саморегулированию.

В чем суть метаболизма?

Верным будет сказать, что метаболизм – это изменение, превращение, переработка химических веществ, а также энергии. Этот процесс состоит из 2 основных, связанных между собой стадий:

• разрушение (катаболизм). Он предусматривает распад сложных органических веществ, поступивших в организм, до более простых. Это особый энергетический обмен, происходящий во время окисления или же распада определенного химического или органического вещества. В результате в организме происходит выброс энергии;
• подъем (анаболизм). В его ходе происходит образование важных для организма веществ – кислот, сахара и белка. Этот пластический обмен происходит с обязательными затратами энергии, что дает организму возможность взращивать новые ткани и клетки.

Катаболизм и анаболизм – это два равноправных процесса в обмене веществ. Они крайне тесно связаны друг с другом, а происходят циклично и последовательно. Если сказать простым языком, то оба процесса крайне важны для человека, ведь дают ему возможность поддерживать адекватный уровень жизнедеятельности.

Если происходит нарушение в анаболизме, то в таком случае возникает существенная необходимость дополнительного употребления анаболиков (тех веществ, которые способны усилить обновление клеток).

В течение жизни происходит несколько важных этапов метаболизма:

1. получение необходимых питательных элементов, которые поступают в организм с пищей;
2. всасывание жизненно необходимых веществ в лимфу и кровоток, где происходит распад на ферменты;
3. распространение полученных веществ по организму, выделение энергии и их усвоение;
4. выведение продуктов метаболизма путем мочеиспускания, дефекации и с потом.

Причины и последствия сбоев обмена веществ и метаболизм

Если на какой-либо из стадий катаболизма или анаболизма происходит сбой, то этот процесс становится предпосылкой нарушения всего обмена веществ. Такие изменения настолько патологичны, что мешают человеческому организму нормально функционировать и осуществлять процесс саморегуляции.

Дисбаланс обменных процессов может произойти на любом отрезке жизни человека. Особенно опасен он в детском возрасте, когда все органы и структуры находятся на этапе формирования. У детей сбои в метаболизме чреваты такими серьезными заболеваниями:

• рахит;
• анемия;
• гипогликемия при беременности, и вне ее.

Существуют основные факторы риска подобного процесса:

1. наследственность (мутации на генном уровне, наследственные недуги);
2. неправильный способ жизни человека (пагубные привычки, стресс, нерациональное питание, сидячая малоподвижная работа, отсутствие режима дня);
3. проживание в грязной с экологической точки зрения зоне (задымленность, пыльный воздух, грязная питьевая вода).

Причин сбоя обменных процессов может быть несколько. Это могут быть патологические изменения в работе важных желез: надпочечников, гипофиза и щитовидной.

Кроме этого, к предпосылкам сбоев относят несоблюдение рациона питания (сухая пища, частые переедания, болезненная увлеченность жесткими диетами), а также плохую наследственность.

Существует целый ряд внешних признаков, по которым можно самостоятельно научиться распознавать проблемы катаболизма и анаболизма:

• недостаточная или чрезмерная масса тела;
• соматическая усталость и отечность верхних и нижних конечностей;
• ослабленные ногтевые пластины и ломкость волос;
• кожные высыпания, прыщи, шелушение, бледность или покраснение покровов.

Как наладить обмены при помощи питания?

Что такое метаболизм в организме уже выяснили. Теперь следует разобраться в его особенностях и способах восстановления.

Первостепенный в организме метаболизм и его первый этап. Во время его течения происходит поступление пищи и питательных веществ. Существует достаточно много продуктов питания, которые способны благотворно повлиять на обмен веществ и метаболизм, например:

• богатые грубой овощной клетчаткой продукты (свекла, сельдерей, капуста, морковь);
• постное мясо (филе курицы без кожи, телятина);
• зеленый чай, цитрусовые фрукты, имбирь;
• богатая фосфором рыба (особенно морская);
• экзотические фрукты (авокадо, кокосы, бананы);
• зелень (укроп, петрушка, базилик).

Если метаболизм отличный, то в таком случае тело будет стройным, волосы и ногти крепкие, кожа без косметических дефектов, а самочувствие всегда хорошим.

В некоторых случаях продукты питания, способствующие улучшению обменных процессов, могут быть недостаточно приятными на вкус и неаппетитными. Несмотря на это без них сложно обойтись в вопросе наладки метаболизма.

Не только благодаря пищевым продуктам растительного происхождения, но также и при правильном подходе к своему распорядку можно восстановить организм и метаболизм. Однако важно знать, что сделать это в короткий срок не получится.

Восстановление метаболизма – продолжительный и постепенный процесс, не требующий отклонений от курса.

Занимаясь этим вопросом, следует всегда ориентироваться на следующие постулаты:

• обязательный плотный завтрак;
• строгий режим питания;
• максимальное потребление жидкости.

Чтобы поддерживать метаболизм нужно питаться часто и дробно. Важно помнить, что завтрак – это самый главный прием пищи, который и запускает обмен веществ. Он должен включать высокоуглеводные крупы, а вот вечером напротив, лучше от них отказаться и отдать предпочтение низкокалорийный белковым продуктам, например кефиру и творогу.

Качественно ускорить метаболизм поможет употребление большого количества минеральной или очищенной воды без газа. Нужно еще не забывать о перекусах, которые должны включать грубую клетчатку. Именно она поможет вытянуть из организма максимальное количество шлаков и холестерина, да так, что не нужны будут препараты снижающие холестерин в крови, метаболизм сам все сделает.

diabethelp.org

Обмен веществ (или метаболизм , от греческого μεταβολή - «превращение, изменение») (далее по тексту - «О. в.») - это лежащий в основе жизни закономерный порядок превращения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение; совокупность всех химических реакций, протекающих в организме.

Немецкий философ и мыслитель Фридрих Энгельс, определяя жизнь, указывал, что её важнейшим свойством является постоянный О. в. с окружающей внешней природой, с прекращением которого прекращается и жизнь. Таким образом, обмен веществ - существеннейший и непременный признак жизни.

Все без исключения органы и ткани организмов находятся в состоянии непрерывного химического взаимодействия с другими органами и тканями, а также с окружающей организм внешней средой. С помощью метода изотопных индикаторов было установлено, что интенсивный метаболизм происходит в любой живой клетке.

С пищей в организм поступают из внешней среды разнообразные вещества. В организме эти вещества подвергаются изменениям (метаболизируются), в результате чего они частично превращаются в вещества самого организма. В этом состоит процесс ассимиляции. В тесном взаимодействии с ассимиляцией протекает обратный процесс - диссимиляция. Вещества живого организма не остаются неизменными, а более или менее быстро расщепляются с выделением энергии; их замещают вновь ассимилированные соединения, а возникшие при разложении продукты распада выводятся из организма. Химические процессы, протекающие в живых клетках, характеризуются высокой степенью упорядоченности: реакции распада и синтеза определённым образом организованы во времени и пространстве, согласованы между собой и образуют целостную, тончайше отрегулированную систему, сложившуюся в результате длительной эволюции. Теснейшая взаимосвязь между процессами ассимиляции и диссимиляции проявляется в том, что последняя является не только источником энергии в организмах, но также источником исходных продуктов для синтетических реакций.

В основе характерного для обмена веществ порядка явлений лежит согласованность скоростей отдельных химических реакций, которая зависит от каталитического действия специфических белков - ферментов. Почти любое вещество, для того чтобы участвовать в О. в., должно вступить во взаимодействие с ферментом. При этом оно будет изменяться с большой скоростью в совершенно определённом направлении. Каждая ферментативная реакция является отдельным звеном в цепи тех превращений (метаболических путей), которые в совокупности составляют метаболизм. Каталитическая активность ферментов изменяется в очень широких пределах и находится под контролем сложной и тонкой системы регуляций, обеспечивающих организму оптимальные условия жизнедеятельности при меняющихся условиях внешней среды. Таким образом, закономерный порядок химических превращений зависит от состава и активности ферментного аппарата, настраивающегося в зависимости от потребностей организма.

Для познания обмена веществ существенно изучение как порядка отдельных химических превращений, так и тех непосредственных причин, которые определяют этот порядок. О. в. складывался при самом возникновении жизни на Земле, поэтому в его основе лежит единый для всех организмов нашей планеты биохимический план. Однако в процессе развития живой материи изменения и совершенствование О. в. шли неодинаковыми путями у разных представителей животного и растительного мира. Поэтому организмы, принадлежащие к различным систематическим группам и стоящие на разных ступенях исторического развития, наряду с принципиальным сходством в основном порядке химических превращений, имеют существенные и характерные отличия. Эволюция живой природы сопровождалась изменениями структур и свойств биополимеров, а также энергетических механизмов, систем регуляции и координации метаболизм.

Схема обмена веществ

I. Ассимиляция

Особенно значительны различия в обмене веществ у представителей разных групп организмов в начальных этапах процесса ассимиляции. Как полагают, первичные организмы использовали для питания органического вещества, возникшие абиогенным путём (см. происхождение жизни); при последующем развитии жизни у некоторых из живых существ возникла способность к синтезу органических веществ. По этому признаку все организмы могут быть разделены на гетеротрофов и автотрофов (см. автотрофные организмы и гетеротрофные организмы). У гетеротрофов, к которым принадлежат все животные, грибы и многие виды бактерий, О. в. основан на питании готовыми органическими веществами. Правда, они обладают способностью усваивать некоторое, сравнительно незначительное, количество CO2, используя его для синтеза более сложных органических веществ. Однако этот процесс совершается гетеротрофами только за счёт использования энергии, заключённой в химических связях органических веществ пищи. Автотрофы (зелёные растения и некоторые бактерии) не нуждаются в готовых органических веществах и осуществляют их первичный синтез из входящих в их состав элементов. Некоторые из автотрофов (серобактерии, железобактерии и нитрифицирующие бактерии) используют для этого энергию окисления неорганических веществ (см. хемосинтез). Зелёные растения образуют органические вещества за счёт энергии солнечного света в процессе фотосинтеза - основного источника органического вещества на Земле.

Биосинтез углеводов

В процессе фотосинтеза зелёные растения ассимилируют CO2 и образуют углеводы, фотосинтез представляет собой цепь последовательно совершающихся окислительно-восстановительных реакций, в которых принимает участие Хлорофилл - зелёный пигмент, способный улавливать солнечную энергию. За счёт энергии света происходит фотохимическое разложение воды, причём кислород выделяется в атмосферу, а водород используется для восстановления CO2. На сравнительно ранних этапах фотосинтеза образуется фосфоглицериновая кислота, которая, подвергаясь восстановлению, даёт трёхуглеродные сахара - триозы. Две триозы - фосфоглицериновый альдегид и фосфодиоксиацетон - под действием фермента альдолазы конденсируются с образованием гексозы - фруктозо-дифосфата, который, в свою очередь, превращается в другие гексозы - глюкозу, маннозу, галактозу. Конденсация фосфодиоксиацетона с рядом др. альдегидов приводит к образованию пентоз. Образовавшиеся в растениях гексозы служат исходным материалом для синтеза сложных углеводов - сахарозы, крахмала, инулина, целлюлозы (клетчатки) и др.

Пентозы дают начало высокомолекулярным пентозанам, участвующим в построении опорных тканей растений. Во многих растениях гексозы могут превращаться в полифенолы, фенолкарбоновые кислоты и другие соединения ароматического ряда. В результате полимеризации и конденсации из этих соединений образуются дубильные вещества, антоцианы, флавоноиды и другие сложные соединения.

Животные и другие гетеротрофы получают углеводы в готовом виде с пищей, преимущественно в виде дисахаридов и полисахаридов (сахароза, крахмал). В пищеварительном тракте углеводы под действием ферментов расщепляются на моносахариды, которые всасываются в кровь и разносятся ею по всем тканям организма. В тканях из моносахаридов синтезируется запасной полисахарид животных - гликоген. См. углеводный обмен.

Биосинтез липидов

Первичные продукты фотосинтеза, хемосинтеза и образовавшиеся из них или поглощённые с пищей углеводы являются исходным материалом для синтеза липидов - жиров и других жироподобных веществ. Так, например, накопление жиров в созревающих семенах масличных растений происходит за счёт сахаров. Некоторые микроорганизмы (например, Torulopsis lipofera) при культивировании на растворах глюкозы за 5 часов образуют до 11% жира на сухое вещество. Глицерин, необходимый для синтеза жиров, образуется путём восстановления фосфоглицеринового альдегида. Высокомолекулярные жирные кислоты - пальмитиновая, стеариновая, олеиновая и другие, дающие при взаимодействии с глицерином жиры, синтезируются в организме из уксусной кислоты - продукта фотосинтеза или окисления веществ, образовавшихся в результате распада углеводов. Животные получают жиры также с пищей. При этом жиры в пищеварительном тракте расщепляются липазами на глицерин и жирные кислоты и усваиваются организмом. См. жировой обмен.

Биосинтез белков

У автотрофных организмов синтез белков начинается с усвоения неорганического азота (N) и синтеза аминокислот. Некоторые микроорганизмы в процессе азотфиксации усваивают из воздуха молекулярный азот, который при этом превращается в аммиак (NH3). Высшие растения и хемосинтезирующие микроорганизмы потребляют азот в виде аммонийных солей и нитратов, причём последние предварительно подвергаются ферментативному восстановлению до NH3. Под действием соответствующих ферментов NH3 затем соединяется с кето- или оксикислотами, в результате чего образуются аминокислоты (например, пировиноградная кислота и NH3 дают одну из наиболее важных аминокислот - аланин). Образовавшиеся таким образом аминокислоты могут далее подвергаться переаминированию и другим превращениям, давая все другие аминокислоты, входящие в состав белков.

Гетеротрофные организмы также способны синтезировать аминокислоты из аммиачных солей и углеводов, однако животные и человек получают основную массу аминокислот с белками пищи. Ряд аминокислот гетеротрофные организмы синтезировать не могут и должны получать их в готовом виде в составе пищевых белков.

Аминокислоты, соединяясь друг с другом под действием соответствующих ферментов, образуют различные белки (смотрите статью белки, раздел Биосинтез белков). Белками являются все ферменты. Некоторые структурные и сократительные белки также обладают каталитической активностью. Так, мышечный белок миозин способен гидролизовать аденозинтрифосфат (АТФ), поставляющий энергию, необходимую для мышечного сокращения. Простые белки, вступая во взаимодействие с другими веществами, дают начало сложным белкам - протеидам: соединяясь с углеводами, белки образуют гликопротеиды, с липидами - липопротеиды, с нуклеиновыми кислотами - нуклеопротеиды. Липопротеиды - основной структурный компонент биологических мембран; нуклеопротеиды входят в состав хроматина клеточных ядер, образуют клеточные белоксинтезирующие частицы - рибосомы. См. также азот в организме, белковый обмен.

II. Диссимиляция

Источником энергии, необходимой для поддержания жизни, роста, размножения, подвижности, возбудимости и других проявлений жизнедеятельности, являются процессы окисления части тех продуктов расщепления, которые используются клетками для синтеза структурных компонентов.

Наиболее древним и поэтому наиболее общим для всех организмов является процесс анаэробного расщепления органических веществ, осуществляющийся без участия кислорода (см. брожение, гликолиз). Позднее этот первоначальный механизм получения энергии живыми клетками дополнился окислением образующихся промежуточных продуктов кислородом воздуха, который появился в атмосфере Земли в результате фотосинтеза. Так возникло внутриклеточное, или тканевое дыхание. Подробнее см. окисление биологическое.

Диссимиляция углеводов

Основным источником запасённой в химических связях энергии у большинства организмов являются углеводы. Расщепление полисахаридов в организме начинается с их ферментативного гидролиза. Например, у растений при прорастании семян запасённый в них крахмал гидролизуется амилазами, у животных поглощённый с пищей крахмал гидролизуется под действием амилаз слюны и поджелудочной железы, образуя мальтозу. Мальтоза далее гидролизуется с образованием глюкозы. В животном организме глюкоза образуется также в результате расщепления гликогена. Глюкоза подвергается дальнейшим превращениям в процессах брожения или гликолиза, в результате которых образуется пировиноградная кислота. Последняя, в зависимости от типа обмена веществ данного организма, сложившегося в процессе исторического развития, может далее подвергаться разнообразным превращениям. При различных видах брожений и при гликолизе в мышцах пировиноградная кислота подвергается анаэробным превращениям. В аэробных условиях - в процессе дыхания - она может подвергаться окислительному декарбоксилированию с образованием уксусной кислоты, а также служить источником образования другх органических кислот: щавелево-уксусной, лимонной, цис-аконитовой, изолимонной, щавелево-янтарной, кетоглутаровой, янтарной, фумаровой и яблочной. Их взаимные ферментативные превращения, приводящие к полному окислению пировиноградной кислоты до CO2 и H2O, называются трикарбоновых кислот циклом, или циклом кребса.

Диссимиляция жиров также начинается с их гидролитического расщепления липазами с образованием свободных жирных кислот и глицерина; эти вещества могут далее легко окисляться, давая, в конечном счёте, CO2 и H2O. Окисление жирных кислот идёт главным образом путём так называемые β-окисления, т. е. таким образом, что от молекулы жирной кислоты отщепляются два углеродных атома, дающих остаток уксусной кислоты, и образуется новая жирная кислота, которая может подвергнуться дальнейшему β-окислению. Получающиеся остатки уксусной кислоты либо используются для синтеза различных соединений (например, ароматических соединений, изопреноидов и др.), либо окисляются до CO2 и H2O. См. также жировой обмен, липиды.

Диссимиляция белков начинается с их гидролитического расщепления протеолитическими ферментами, в результате чего образуются низкомолекулярные пептиды и свободные аминокислоты. Такого рода вторичное образование аминокислот происходит, например, весьма интенсивно при прорастании семян, когда белки, содержащиеся в эндосперме или в семядолях семени, гидролизуются с образованием свободных аминокислот, частично используемых на построение тканей развивающегося растения, а частично подвергающихся окислительному распаду. Происходящий в процессе диссимиляции окислительный распад аминокислот осуществляется путём дезаминирования и приводит к образованию соответствующих кето- или оксикислот. Эти последние либо подвергаются дальнейшему окислению до CO2 и H2O, либо используются на синтез различных соединений, в том числе новых аминокислот. У человека и животных особенно интенсивный распад аминокислот идёт в печени.

Образующийся при дезаминировании аминокислот свободный МН3ядовит для организма; он связывается с кислотами или же превращается в мочевину, мочевую кислоту, аспарагин или глутамин. У животных аммонийные соли, мочевина и мочевая кислота выводятся из организма, у растений же аспарагин, глутамин и мочевина используются в организме в качестве запасных источников азота. Таким образом, одним из важнейших биохимических отличий растений от животных является почти полное отсутствие у первых азотистых отбросов. Образование мочевины при окислительной диссимиляции аминокислот осуществляется в основном с помощью так называемого орнитинового цикла, который тесно связан с другими превращениями белков и аминокислот в организме. Диссимиляция аминокислот может происходить также путём их декарбоксилирования, при котором из аминокислоты образуются CO2 и какой-либо амин или же новая аминокислота (например, при декарбоксилировании гистидина образуется гистамин - физиологически активное вещество, а при декарбоксилировании аспарагиновой кислоты - новая аминокислота - (α- или β-аланин). Амины могут подвергаться метилированию, образуя различные бетаины и такие важные соединения, как, например, холин. Растения используют амины (наряду с некоторыми аминокислотами) для биосинтеза алкалоидов.

III. Связь обмена углеводов, липидов, белков и других соединений

Все биохимические процессы, совершающиеся в организме, тесно связаны друг с другом. Взаимосвязь обмена белков с окислительно-восстановительными процессами осуществляется различным образом. Отдельные биохимические реакции, лежащие в основе процесса дыхания, происходят благодаря каталитическому действию соответствующих ферментов, т. е. белков. Вместе с тем сами продукты расщепления белков - аминокислоты могут подвергаться различным окислительно-восстановительным превращениям - декарбоксилированию, дезаминированию и др.

Так, продукты дезаминирования аспарагиновой и глутаминовой кислот - щавелево-уксусная и α-кетоглутаровая кислоты - являются вместе с тем важнейшими звеньями окислительных превращений углеводов, происходящих в процессе дыхания. Пировиноградная кислота - важнейший промежуточный продукт, образующийся при брожении и дыхании, - также тесно связана с белковым обменом: взаимодействуя с NH3 и соответствующим ферментом, она даёт важную аминокислоту α-аланин. Теснейшая связь процессов брожения и дыхания с обменом липидов в организме проявляется в том, что фосфоглицериновый альдегид, образующийся на первых этапах диссимиляции углеводов, является исходным веществом для синтеза глицерина. С другой стороны, в результате окисления пировиноградной кислоты получаются остатки уксусной кислоты, из которых синтезируются высокомолекулярные жирные кислоты и разнообразные изопреноиды (терпены, каротиноиды, стероиды). Таким образом, процессы брожения и дыхания приводят к образованию соединений, необходимых для синтеза жиров и др. веществ.

IV. Роль витаминов и минеральных веществ в обмене веществ

В превращениях веществ в организме важное место занимают витамины, вода и различные минеральные соединения. Витамины участвуют в многочисленных ферментативных реакциях в составе коферментов. Так, производное витамина B1 - тиаминпирофосфат - служит коферментом при окислительном декарбоксилировании (α-кетокислот, в том числе пировиноградной кислоты; фосфорнокислый эфир витамина B6 - пиридоксальфосфат - необходим для каталитического переаминирования, декарбоксилирования и других реакций обмена аминокислот. Производное витамина А входит в состав зрительного пигмента. Функции ряда витаминов (например, аскорбиновой кислоты) окончательно не выяснены. Разные виды организмов различаются как способностью к биосинтезу витаминов, так и своими потребностями в наборе тех или иных поступающих с пищей витаминов, которые необходимы для нормального обмена веществ.

Важную роль в минеральном обмене играют Na, К, Ca, Р, а также микроэлементы и другие неорганического вещества. Na и К участвуют в биоэлектрических и осмотических явлениях в клетках и тканях, в механизмах проницаемости биологических мембран; Ca и Р - основные компоненты костей и зубов; Fe входит в состав дыхательных пигментов - гемоглобина и миоглобина, а также ряда ферментов. Для активности последних необходимы и другие микроэлементы (Cu, Mn, Mo, Zn).

Решающую роль в энергетических механизмах обмена веществ играют эфиры фосфорной кислоты и прежде всего аденозинфосфорные кислоты, которые воспринимают и накапливают энергию, выделяющуюся в организме в процессах гликолиза, окисления, фотосинтеза. Эти и некоторые другие богатые энергией соединения (см. макроэргические соединения) передают заключённую в их химических связях энергию для использования её в процессе механической, осмотической и других видов работы или же для осуществления синтетических реакций, идущих с потреблением энергии (см. также биоэнергетика).

V. Регуляция обмена веществ

Удивительная согласованность и слаженность процессов обмена веществ в живом организме достигается путём строгой и пластичной координации О. в. как в клетках, так и в тканях и органах. Эта координация определяет для данного организма характер метаболизма, сложившийся в процессе исторического развития, поддерживаемый и направляемый механизмами наследственности и взаимодействием организма с внешней средой.

Регуляция обмена веществ на клеточном уровне осуществляется путём регуляции синтеза и активности ферментов. Синтез каждого фермента определяется соответствующим геном. Различные промежуточные продукты О. в., действуя на определённый участок молекулы ДНК, в котором заключена информация о синтезе данного фермента, могут индуцировать (запускать, усиливать) или, наоборот, репрессировать (прекращать) его синтез. Так, кишечная палочка при избытке изолейцина в питательной среде прекращает синтез этой аминокислоты. Избыток изолейцина действует двояким образом:

• а) угнетает (ингибирует) активность фермента треониндегидратазы, катализирующего первый этап цепи реакций, ведущих к синтезу изолейцина, и
• б) репрессирует синтез всех ферментов, необходимых для биосинтеза изолейцина (в том числе и треониндегидратазы).

Ингибирование треониндегидратазы осуществляется по принципу аллостерической регуляции активности ферментов.

Предложенная французскими учёными Ф. Жакобом и Ж. Моно теория генетической регуляции рассматривает репрессию и индукцию синтеза ферментов как две стороны одного и того же процесса. Различные репрессоры являются в клетке специализированными рецепторами, каждый из которых «настроен» на взаимодействие с определённым метаболитом, индуцирующим или репрессирующим синтез того или иного фермента. Таким образом, в клетки, полинуклеотидных цепочках ДНК заключены «инструкции» для синтеза самых разнообразных ферментов, причём образование каждого из них может быть вызвано воздействием сигнального метаболита (индуктора) на соответствующий репрессор (подробнее см. молекулярная генетика, оперон).

Важнейшую роль в регуляции обмена веществ и энергии в клетках играют белково-липидные биологические мембраны, окружающие протоплазму и находящиеся в ней ядро, митохондрии, пластиды и другие субклеточные структуры. Поступление различных веществ в клетку и выход их из неё регулируются проницаемостью биологических мембран. Значительная часть ферментов связана с мембранами, в которые они как бы «вмонтированы». В результате взаимодействия того или иного фермента с липидами и другими компонентами мембраны конформация его молекулы, а следовательно, и его свойства как катализатора будут иными, чем в гомогенном растворе. Это обстоятельство имеет огромное значение для регулирования ферментативных процессов и обмена веществ в целом.

Важнейшим средством, с помощью которого осуществляется регуляция обмена веществ в живых организмах, являются гормоны. Так, например, у животных при значительном понижении содержания caxapa в крови усиливается выделение адреналина, способствующего распаду гликогена и образованию глюкозы. При избытке сахара в крови усиливается секреция инсулина, который тормозит процесс расщепления гликогена в печени, вследствие чего в кровь поступает меньше глюкозы. Важная роль в механизме действия гормонов принадлежит циклической аденозинмонофосфорной кислоте (цАМФ). У животных и человека гормональная регуляция Обмен веществ. тесно связана с координирующей деятельностью нервной системы (см. нервная регуляция).

Благодаря совокупности тесно связанных между собой биохимических реакций, составляющих обмен веществ, осуществляется взаимодействие организма со средой, являющееся непременным условием жизни. Фридрих Энгельс писал: «Из обмена веществ посредством питания и выделения… вытекают все прочие простейшие факторы жизни…» («Анти-Дюринг», 1966, с. 80). Таким образом, развитие (онтогенез) и рост организмов, наследственность и изменчивость, раздражимость и высшая нервная деятельность - эти важнейшие проявления жизни могут быть поняты и подчинены воле человека на основе выяснения наследственно обусловленных закономерностей обмена веществ и сдвигов, происходящих в нём под влиянием меняющихся условий внешней среды (в пределах нормы реакции данного организма). См. также биология, биохимия, генетика, молекулярная биология и литературу при этих статьях. (биохимик, доктор биологических наук, профессор (1944), член-корреспондент АН СССР Вацлав Леонович Кретович)

VI. Нарушения обмена веществ

Любое заболевание сопровождается нарушениями обмена веществ. Особенно отчётливы они при расстройствах трофической и регуляторной функций нервной системы и контролируемых ею желёз внутренней секреции. Метаболизм нарушается также при ненормальном питании (избыточный или недостаточный и качественно неполноценный пищевой рацион, например недостаток или избыток витаминов в пище и др.). Выражением общего нарушения О. в. (а тем самым и обмена энергии), обусловленного изменением интенсивности окислительных процессов, являются сдвиги в основном обмене. Повышение его характерно для заболеваний, связанных с усиленной функцией щитовидной железы, понижение - с недостаточностью этой железы, выпадением функций гипофиза и надпочечников и общим голоданием. Выделяют нарушения белкового, жирового, углеводного, минерального, водного обмена; однако все виды обмена веществ так тесно взаимосвязаны, что подобное деление условно.

Нарушения обмена веществ выражаются в недостаточном или избыточном накоплении веществ, участвующих в обмене, в изменении их взаимодействия и характера превращений, в накоплении промежуточных продуктов метаболизма, в неполном или избыточном выделении продуктов О. в. и в образовании веществ, не свойственных нормальному обмену. Так, диабет сахарный характеризуется недостаточным усвоением углеводов и нарушением их перехода в жир; при ожирении происходит избыточное превращение углеводов в жир; Подагра связана с нарушением выделения из организма мочевой кислоты. Избыточное выделение с мочой мочекислых, фосфорнокислых и щавелевокислых солей может привести к выпадению этих солей в осадок и к развитию почечнокаменной болезни. Недостаточное выделение ряда конечных продуктов белкового обмена вследствие некоторых заболеваний почек приводит к уремии.

Накопление в крови и тканях ряда промежуточных продуктов обмена веществ (молочной, пировиноградной, ацетоуксусной кислот) наблюдается при нарушении окислительных процессов, расстройствах питания и авитаминозах; нарушение минерального обмена может привести к сдвигам кислотно-щелочного равновесия. Расстройство обмена холестерина лежит в основе атеросклероза и некоторых видов желчнокаменной болезни. К серьёзным расстройствам обмена веществ следует отнести нарушение усвоения белка при тиреотоксикозе, хроническом нагноении, некоторых инфекциях; нарушение усвоения воды при диабете несахарном, солей извести и фосфора при рахите, остеомаляции и других заболеваниях костной ткани, солей натрия - при аддисоновой болезни.

Диагностика нарушений обмена веществ основывается на исследовании газообмена, соотношения между количеством того или иного поступающего в организм вещества и выделением его, определении химических составных частей крови, мочи и других выделений. Для изучения нарушений метаболизма вводят изотопные индикаторы (например, радиоактивный йод - главным образом 131I - при тиреотоксикозе).

Лечение нарушений обмена веществ направлено главным образом на устранение причин, их вызывающих. См. также «молекулярные болезни», наследственные заболевания и литературу при этих статьях. (С. М. Лейтес)

Подробнее об обмене веществ читайте в литературе:

• Энгельс Ф., Диалектика природы, Маркс Карл, Энгельс Ф., Сочинения, 2 издание, том 20;
• Энгельс Ф., Анти-Дюринг, там же;
• Вагнер P., Митчелл Г., Генетика и обмен веществ перевод с английского М., 1958;
• Кристиан Бемер Анфинсен. Молекулярные основы эволюции, перевод с англ., М., 1962;
• Жакоб Франсуа, Моно Жак. Биохимические и генетические механизмы регуляции в бактериальной клетке, в книге: Молекулярная биология. Проблемы и перспективы, Москва, 1964;
• Опарин Александр Иванович. Возникновение и начальное развитие жизни, М., 1966;
• Скулачев Владимир Петрович. Аккумуляция энергии в клетке, М., 1969;
• Молекулы и клетки, перевод с английского, в. 1 - 5, М., 1966 - 1970;
• Кретович Вацлав Леонович. Основы биохимии растений, 5 издание, М., 1971;
• Збарский Борис Ильич, Иванов И. И., Мардашев Сергей Руфович. Биологическая химия, 5 изд., Л., 1972.

Содержание статьи

МЕТАБОЛИЗМ, или обмен веществ, химические превращения, протекающие от момента поступления питательных веществ в живой организм до момента, когда конечные продукты этих превращений выделяются во внешнюю среду. К метаболизму относятся все реакции, в результате которых строятся структурные элементы клеток и тканей, и процессы, в которых из содержащихся в клетках веществ извлекается энергия. Иногда для удобства рассматривают по отдельности две стороны метаболизма – анаболизм и катаболизм, т.е. процессы созидания органических веществ и процессы их разрушения. Анаболические процессы обычно связаны с затратой энергии и приводят к образованию сложных молекул из более простых, катаболические же сопровождаются высвобождением энергии и заканчиваются образованием таких конечных продуктов (отходов) метаболизма, как мочевина, диоксид углерода, аммиак и вода.

Термин «обмен веществ» вошел в повседневную жизнь с тех пор, как врачи стали связывать избыточный или недостаточный вес, чрезмерную нервозность или, наоборот, вялость больного с повышенным или пониженным обменом. Для суждения об интенсивности метаболизма ставят тест на «основной обмен». Основной обмен – это показатель способности организма вырабатывать энергию. Тест проводят натощак в состоянии покоя; измеряют поглощение кислорода (О 2) и выделение диоксида углерода (СО 2). Сопоставляя эти величины, определяют, насколько полно организм использует («сжигает») питательные вещества. На интенсивность метаболизма влияют гормоны щитовидной железы, поэтому врачи при диагностике заболеваний, связанных с нарушениями обмена, в последнее время все чаще измеряют уровень этих гормонов в крови.

Методы исследования.

При изучении метаболизма какого-нибудь одного из питательных веществ прослеживают все его превращения от той формы, в какой оно поступает в организм, до конечных продуктов, выводимых из организма. В таких исследованиях применяется крайне разнообразный набор биохимических методов.

Использование интактных животных или органов.

Животному вводят изучаемое соединение, а затем в его моче и экскрементах определяют возможные продукты превращений (метаболиты) этого вещества. Более определенную информацию можно получить, исследуя метаболизм определенного органа, например печени или мозга. В этих случаях вещество вводят в соответствующий кровеносный сосуд, а метаболиты определяют в крови, оттекающей от данного органа.

Поскольку такого рода процедуры сопряжены с большими трудностями, часто для исследования используют тонкие срезы органов. Их инкубируют при комнатной температуре или при температуре тела в растворах с добавкой того вещества, метаболизм которого изучают. Клетки в таких препаратах не повреждены, и так как срезы очень тонкие, вещество легко проникает в клетки и легко выходит из них. Иногда затруднения возникают из-за слишком медленного прохождения вещества сквозь клеточные мембраны. В этих случаях ткани измельчают, чтобы разрушить мембраны, и с изучаемым веществом инкубируют клеточную кашицу. Именно в таких опытах было показано, что все живые клетки окисляют глюкозу до СО 2 и воды и что только ткань печени способна синтезировать мочевину.

Использование клеток.

Даже клетки представляют собой очень сложно организованные системы. В них имеется ядро, а в окружающей его цитоплазме находятся более мелкие тельца, т.н. органеллы, различных размеров и консистенции. С помощью соответствующей методики ткань можно «гомогенизировать», а затем подвергнуть дифференциальному центрифугированию (разделению) и получить препараты, содержащие только митохондрии, только микросомы или прозрачную жидкость – цитоплазму. Эти препараты можно по отдельности инкубировать с тем соединением, метаболизм которого изучается, и таким путем установить, какие именно субклеточные структуры участвуют в его последовательных превращениях. Известны случаи, когда начальная реакция протекает в цитоплазме, ее продукт подвергается превращению в микросомах, а продукт этого превращения вступает в новую реакцию уже в митохондриях. Инкубация изучаемого вещества с живыми клетками или с гомогенатом ткани обычно не выявляет отдельные этапы его метаболизма, и только последовательные эксперименты, в которых для инкубации используются те или иные субклеточные структуры, позволяют понять всю цепочку событий.

Использование радиоактивных изотопов.

Для изучения метаболизма какого-либо вещества необходимы: 1) соответствующие аналитические методы для определения этого вещества и его метаболитов; и 2) методы, позволяющие отличать добавленное вещество от того же вещества, уже присутствующего в данном биологическом препарате. Эти требования служили главным препятствием при изучении метаболизма до тех пор, пока не были открыты радиоактивные изотопы элементов и в первую очередь радиоактивный углерод 14 C. С появлением соединений, «меченных» 14 C, а также приборов для измерения слабой радиоактивности эти трудности были преодолены. Если к биологическому препарату, например к суспензии митохондрий, добавляют меченную 14 C жирную кислоту, то никаких специальных анализов для определения продуктов ее превращений не требуется; чтобы оценить скорость ее использования, достаточно просто измерять радиоактивность последовательно получаемых митохондриальных фракций. Эта же методика позволяет легко отличать молекулы радиоактивной жирной кислоты, введенной экспериментатором, от молекул жирной кислоты, уже присутствовавших в митохондриях к началу эксперимента.

Хроматография и электрофорез.

В дополнение к вышеупомянутым требованиям биохимику необходимы и методы, позволяющие разделять смеси, состоящие из малых количеств органических веществ. Важнейший из них – хроматография, в основе которой лежит феномен адсорбции. Разделение компонентов смеси проводят при этом либо на бумаге, либо путем адсорбции на сорбенте, которым заполняют колонки (длинные стеклянные трубки), с последующей постепенной элюцией (вымыванием) каждого из компонентов.

Разделение методом электрофореза зависит от знака и числа зарядов ионизированных молекул. Электрофорез проводят на бумаге или на каком-нибудь инертном (неактивном) носителе, таком, как крахмал, целлюлоза или каучук.

Высокочувствительный и эффективный метод разделения – газовая хроматография. Им пользуются в тех случаях, когда подлежащие разделению вещества находятся в газообразном состоянии или могут быть в него переведены.

Выделение ферментов.

Последнее место в описываемом ряду – животное, орган, тканевой срез, гомогенат и фракция клеточных органелл – занимает фермент, способный катализировать определенную химическую реакцию. Выделение ферментов в очищенном виде – важный раздел в изучении метаболизма.

Сочетание перечисленных методов позволило проследить главные метаболические пути у большей части организмов (в том числе у человека), установить, где именно эти различные процессы протекают, и выяснить последовательные этапы главных метаболических путей. К настоящему времени известны тысячи отдельных биохимических реакций, изучены участвующие в них ферменты.

Клеточный метаболизм.

Живая клетка – это высокоорганизованная система. В ней имеются различные структуры, а также ферменты, способные их разрушить. Содержатся в ней и крупные макромолекулы, которые могут распадаться на более мелкие компоненты в результате гидролиза (расщепления под действием воды). В клетке обычно много калия и очень мало натрия, хотя клетка существует в среде, где натрия много, а калия относительно мало, и клеточная мембрана легко проницаема для обоих ионов. Следовательно, клетка – это химическая система, весьма далекая от равновесия. Равновесие наступает только в процессе посмертного автолиза (самопереваривания под действием собственных ферментов).

Потребность в энергии.

Чтобы удержать систему в состоянии, далеком от химического равновесия, требуется производить работу, а для этого необходима энергия. Получение этой энергии и выполнение этой работы – непременное условие для того, чтобы клетка оставалась в своем стационарном (нормальном) состоянии, далеком от равновесия. Одновременно в ней выполняется и иная работа, связанная со взаимодействием со средой, например: в мышечных клетках – сокращение; в нервных клетках – проведение нервного импульса; в клетках почек – образование мочи, значительно отличающейся по своему составу от плазмы крови; в специализированных клетках желудочно-кишечного тракта – синтез и выделение пищеварительных ферментов; в клетках эндокринных желез – секреция гормонов; в клетках светляков – свечение; в клетках некоторых рыб – генерирование электрических разрядов и т.д.

Источники энергии.

В любом из перечисленных выше примеров непосредственным источником энергии, которую клетка использует для производства работы, служит энергия, заключенная в структуре аденозинтрифосфата (АТФ). В силу особенностей своей структуры это соединение богато энергией, и разрыв связей между его фосфатными группами может происходить таким образом, что высвобождающаяся энергия используется для производства работы. Однако энергия не может стать доступной для клетки при простом гидролитическом разрыве фосфатных связей АТФ: в этом случае она расходуется впустую, выделяясь в виде тепла. Процесс должен состоять из двух последовательных этапов, в каждом из которых участвует промежуточный продукт, обозначенный здесь X–Ф (в приведенных уравнениях X и Y означают два разных органических вещества; Ф – фосфат; АДФ – аденозиндифосфат):

Поскольку практически для любого проявления жизнедеятельности клеток необходим АТФ, неудивительно, что метаболическая активность живых клеток направлена в первую очередь на синтез АТФ. Этой цели служат различные сложные последовательности реакций, в которых используется потенциальная химическая энергия, заключенная в молекулах углеводов и жиров (липидов).

МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ

Синтез АТФ.

В ходе 11 последовательных реакций, необходимых для того, чтобы завершилось это превращение, образуется ряд промежуточных продуктов, представляющих собой эфиры фосфорной кислоты (фосфаты). Их фосфатная группа переносится на аденозиндифосфат (АДФ) с образованием АТФ. Чистый выход АТФ составляет 2 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы, расщепленную в процессе брожения. Аналогичные процессы происходят во всех живых клетках; поскольку они поставляют необходимую для жизнедеятельности энергию, их иногда (не вполне корректно) называют анаэробным дыханием клеток.

У млекопитающих, в том числе у человека, такой процесс называется гликолизом и его конечным продуктом является молочная кислота, а не спирт и CO 2 . Вся последовательность реакций гликолиза, за исключением двух последних этапов, полностью идентична процессу, протекающему в дрожжевых клетках.

Перенос электронов.

В каждой митохондрии имеется механизм, посредством которого восстановленный НАД (НАДЧ Н, где Н – водород), образовавшийся в цикле трикарбоновых кислот, передает свою пару электронов кислороду. Перенос, однако, не происходит напрямую. Электроны как бы передаются «из рук в руки» и, лишь пройдя цепь переносчиков, присоединяются к кислороду. Эта «цепь переноса электронов» состоит из следующих компонентов:

НАДНЧ Н ® Флавинадениндинклеотид ® Кофермент Q ®

® Цитохром b ® Цитохром c ® Цитохром a ® O 2

Все компоненты этой системы, находящиеся в митохондриях, фиксированы в пространстве и сцеплены друг с другом. Такое их состояние облегчает перенос электронов.

В состав НАД входит никотиновая кислота (витамин ниацин), а в состав флавинадениндинуклеотида – рибофлавин (витамин B 2). Кофермент Q представляет собой высокомолекулярный хинон, синтезируемый в печени, а цитохромы – это три разных белка, каждый из которых, подобно гемоглобину, содержит гемогруппу.

В цепи переноса электронов на каждую пару электронов, перенесенную от НАДЧ Н на O 2 , синтезируется 3 молекулы АТФ. Поскольку от каждой молекулы глюкозы отщепляются и передаются молекулам НАД 12 пар электронов, в общей сложности на каждую молекулу глюкозы образуется 3ґ 12 = 36 молекул АТФ. Этот процесс образования АТФ в ходе окисления называется окислительным фосфорилированием.

Липиды как источник энергии.

Жирные кислоты могут использоваться в качестве источника энергии приблизительно так же, как и углеводы. Окисление жирных кислот протекает путем последовательного отщепления от молекулы жирной кислоты двууглеродного фрагмента с образованием ацетилкофермента A (ацетил-КоА) и одновременной передачей двух пар электронов в цепь переноса электронов. Образовавшийся ацетил-КоА – нормальный компонент цикла трикарбоновых кислот, и в дальнейшем его судьба не отличается от судьбы ацетил-КоА, поставляемого углеводным обменом. Таким образом, механизмы синтеза АТФ при окислении как жирных кислот, так и метаболитов глюкозы практически одинаковы.

Если организм животного получает энергию почти целиком за счет одного только окисления жирных кислот, а это бывает, например, при голодании или при сахарном диабете, то скорость образования ацетил-КоА превышает скорость его окисления в цикле трикарбоновых кислот. В этом случае лишние молекулы ацетил-КоА реагируют друг с другом, в результате чего образуются в конечном счете ацетоуксусная и b -гидроксимасляная кислоты. Их накопление является причиной патологического состояния, т.н. кетоза (одного из видов ацидоза), который при тяжелом диабете может вызвать кому и смерть.

Запасание энергии.

Животные питаются нерегулярно, и их организму нужно как-то запасать заключенную в пище энергию, источником которой являются поглощенные животным углеводы и жиры. Жирные кислоты могут запасаться в виде нейтральных жиров либо в печени, либо в жировой ткани. Углеводы, поступая в большом количестве, в желудочно-кишечном тракте гидролизуются до глюкозы или иных сахаров, которые затем в печени превращаются в ту же глюкозу. Здесь из глюкозы синтезируется гигантский полимер гликоген путем присоединения друг к другу остатков глюкозы с отщеплением молекул воды (число остатков глюкозы в молекулах гликогена доходит до 30 000). Когда возникает потребность в энергии, гликоген вновь распадается до глюкозы в реакции, продуктом которой является глюкозофосфат. Этот глюкозофосфат направляется на путь гликолиза – процесса, составляющего часть пути окисления глюкозы. В печени глюкозофосфат может также подвергнуться гидролизу, и образующаяся глюкоза поступает в кровоток и доставляется кровью к клеткам в разных частях тела.

Синтез липидов из углеводов.

Если количество углеводов, поглощенных с пищей за один прием, больше того, какое может быть запасено в виде гликогена, то избыток углеводов превращается в жиры. Начальная последовательность реакций совпадает при этом с обычным окислительным путем, т.е. сначала из глюкозы образуется ацетил-КоА, но далее этот ацетил-КоА используется в цитоплазме клетки для синтеза длинноцепочечных жирных кислот. Процесс синтеза можно описать как обращение обычного процесса окисления жирных клеток. Затем жирные кислоты запасаются в виде нейтральных жиров (триглицеридов), отлагающихся в разных частях тела. Когда требуется энергия, нейтральные жиры подвергаются гидролизу и жирные кислоты поступают в кровь. Здесь они адсорбируются молекулами плазменных белков (альбуминов и глобулинов) и затем поглощаются клетками самых разных типов. Механизмов, способных осуществлять синтез глюкозы из жирных кислот, у животных нет, но у растений такие механизмы имеются.

Метаболизм липидов.

Липиды попадают в организм главным образом в форме триглицеридов жирных кислот. В кишечнике под действием ферментов поджелудочной железы они подвергаются гидролизу, продукты которого всасываются клетками стенки кишечника. Здесь из них вновь синтезируются нейтральные жиры, которые через лимфатическую систему поступают в кровь и либо транспортируются в печень, либо отлагаются в жировой ткани. Выше уже указывалось, что жирные кислоты могут также синтезироваться заново из углеводных предшественников. Следует отметить, что, хотя в клетках млекопитающих может происходить включение одной двойной связи в молекулы длинноцепочечных жирных кислот (между С–9 и С–10), включать вторую и третью двойную связь эти клетки неспособны. Поскольку жирные кислоты с двумя и тремя двойными связями играют важную роль в метаболизме млекопитающих, они в сущности являются витаминами. Поэтому линолевую (C 18:2) и линоленовую (C 18:3) кислоты называют незаменимыми жирными кислотами. В то же время в клетках млекопитающих в линоленовую кислоту может включаться четвертая двойная связь и путем удлинения углеродной цепи может образоваться арахидоновая кислота (C 20:4), также необходимый участник метаболических процессов.

В процессе синтеза липидов остатки жирных кислот, связанные с коферментом А (ацил-КоА), переносятся на глицерофосфат – эфир фосфорной кислоты и глицерина. В результате образуется фосфатидная кислота – соединение, в котором одна гидроксильная группа глицерина этерифицирована фосфорной кислотой, а две группы – жирными кислотами. При образовании нейтральных жиров фосфорная кислота удаляется путем гидролиза, и ее место занимает третья жирная кислота в результате реакции с ацил-КоА. Кофермент А образуется из пантотеновой кислоты (одного из витаминов). В его молекуле имеется сульфгидрильная (– SH) группа, способная реагировать с кислотами с образованием тиоэфиров. При образовании фосфолипидов фосфатидная кислота реагирует непосредственно с активированным производным одного из азотистых оснований, таких, как холин, этаноламин или серин.

За исключением витамина D, все встречающиеся в организме животных стероиды (производные сложных спиртов) легко синтезируются самим организмом. Сюда относятся холестерин (холестерол), желчные кислоты, мужские и женские половые гормоны и гормоны надпочечников. В каждом случае исходным материалом для синтеза служит ацетил-КоА: из ацетильных групп путем многократно повторяющейся конденсации строится углеродный скелет синтезируемого соединения.

МЕТАБОЛИЗМ БЕЛКОВ

Синтез аминокислот.

Растения и большинство микроорганизмов могут жить и расти в среде, в которой для их питания имеются только минеральные вещества, диоксид углерода и вода. Это значит, что все обнаруживаемые в них органические вещества эти организмы синтезируют сами. Встречающиеся во всех живых клетках белки построены из 21 вида аминокислот, соединенных в различной последовательности. Аминокислоты синтезируются живыми организмами. В каждом случае ряд химических реакций приводит к образованию a -кетокислоты. Одна такая a -кетокислота, а именно a -кетоглутаровая (обычный компонент цикла трикарбоновых кислот), участвует в связывании азота по следующему уравнению:

a -Кетоглутаровая кислота + NH 3 + НАДЧ Н ®

® Глутаминовая кислота + НАД.

Азот глутаминовой кислоты может быть затем передан любой из других a -кетокислот с образованием соответствующей аминокислоты.

Организм человека и большинства других животных сохранил способность синтезировать все аминокислоты за исключением девяти т.н. незаменимых аминокислот. Поскольку кетокислоты, соответствующие этим девяти, не синтезируются, незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей.

Синтез белков.

Аминокислоты нужны для биосинтеза белка. Процесс биосинтеза протекает обычно следующим образом. В цитоплазме клетки каждая аминокислота «активируется» в реакции с АТФ, а затем присоединяется к концевой группе молекулы рибонуклеиновой кислоты, специфичной именно для данной аминокислоты. Эта сложная молекула связывается с небольшим тельцем, т.н. рибосомой, в положении, определяемом более длинной молекулой рибонуклеиновой кислоты, прикрепленной к рибосоме. После того как все эти сложные молекулы соответствующим образом выстроились, связи между исходной аминокислотой и рибонуклеиновой кислотой разрываются и возникают связи между соседними аминокислотами – синтезируется специфичный белок. Процесс биосинтеза поставляет белки не только для роста организма или для секреции в среду. Все белки живых клеток со временем претерпевают распад до составляющих их аминокислот, и для поддержания жизни клетки должны синтезироваться вновь.

Синтез других азотсодержащих соединений.

В организме млекопитающих аминокислоты используются не только для биосинтеза белков, но и как исходный материал для синтеза многих азотсодержащих соединений. Аминокислота тирозин является предшественником гормонов адреналина и норадреналина. Простейшая аминокислота глицин служит исходным материалом для биосинтеза пуринов, входящих в состав нуклеиновых кислот, и порфиринов, входящих в состав цитохромов и гемоглобина. Аспарагиновая кислота – предшественник пиримидинов нуклеиновых кислот. Метильная группа метионина передается ряду других соединений в ходе биосинтеза креатина, холина и саркозина. При биосинтезе креатина от одного соединения к другому передается также и гуанидиновая группировка аргинина. Триптофан служит предшественником никотиновой кислоты, а из валина в растениях синтезируется такой витамин, как пантотеновая кислота. Все это лишь отдельные примеры использования аминокислот в процессах биосинтеза.

Азот, поглощаемый микроорганизмами и высшими растениями в виде иона аммония, расходуется почти целиком на образование аминокислот, из которых затем синтезируются многие азотсодержащие соединения живых клеток. Избыточных количеств азота ни растения, ни микроорганизмы не поглощают. В отличие от них, у животных количество поглощенного азота зависит от содержащихся в пище белков. Весь азот, поступивший в организм в виде аминокислот и не израсходованный в процессах биосинтеза, довольно быстро выводится из организма с мочой. Происходит это следующим образом. В печени неиспользованные аминокислоты передают свой азот a -кетоглутаровой кислоте с образованием глутаминовой кислоты, которая дезаминируется, высвобождая аммиак. Далее азот аммиака может либо на время запасаться путем синтеза глутамина, либо сразу же использоваться для синтеза мочевины, протекающего в печени.

У глутамина есть и другая роль. Он может подвергаться гидролизу в почках с высвобождением аммиака, который поступает в мочу в обмен на ионы натрия. Этот процесс крайне важен как средство поддержания кислотно-щелочного равновесия в организме животного. Почти весь аммиак, происходящий из аминокислот и, возможно, из других источников, превращается в печени в мочевину, так что свободного аммиака в крови обычно почти нет. Однако при некоторых условиях довольно значительные количества аммиака содержит моча. Этот аммиак образуется в почках из глутамина и переходит в мочу в обмен на ионы натрия, которые таким образом реадсорбируются и задерживаются в организме. Этот процесс усиливается при развитии ацидоза – состояния, при котором организм нуждается в дополнительных количествах катионов натрия для связывания избытка ионов бикарбоната в крови.

Избыточные количества пиримидинов тоже распадаются в печени через ряд реакций, в которых высвобождается аммиак. Что касается пуринов, то их избыток подвергается окислению с образованием мочевой кислоты, выделяющейся с мочой у человека и других приматов, но не у остальных млекопитающих. У птиц отсутствует механизм синтеза мочевины, и именно мочевая кислота, а не мочевина, является у них конечным продуктом обмена всех азотсодержащих соединений.

Нуклеиновые кислоты.

Структура и синтез этих азотсодержащих соединений подробно описаны в статье НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ.

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕТАБОЛИЗМЕОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Можно сформулировать некоторые общие понятия, или «правила», касающиеся метаболизма. Приведенные ниже несколько главных «правил» позволяют лучше понять, как протекает и регулируется метаболизм.

1. Метаболические пути необратимы. Распад никогда не идет по пути, который являлся бы простым обращением реакций синтеза. В нем участвуют другие ферменты и другие промежуточные продукты. Нередко противоположно направленные процессы протекают в разных отсеках клетки. Так, жирные кислоты синтезируются в цитоплазме при участии одного набора ферментов, а окисляются в митохондриях при участии совсем другого набора.

2. Ферментов в живых клетках достаточно для того, чтобы все известные метаболические реакции могли протекать гораздо быстрее, чем это обычно наблюдается в организме. Следовательно, в клетках существуют какие-то регуляторные механизмы. Открыты разные типы таких механизмов.

а) Фактором, ограничивающим скорость метаболических превращений данного вещества, может быть поступление этого вещества в клетку; именно на этот процесс в таком случае и направлена регуляция. Роль инсулина, например, связана с тем, что он, по-видимому, облегчает проникновение глюкозы во все клетки, глюкоза же подвергается превращениям с той скоростью, с какой она поступает. Сходным образом проникновение железа и кальция из кишечника в кровь зависит от процессов, скорость которых регулируется.

б) Вещества далеко не всегда могут свободно переходить из одного клеточного отсека в другой; есть данные, что внутриклеточный перенос регулируется некоторыми стероидными гормонами.

в) Выявлено два типа сервомеханизмов «отрицательной обратной связи».

У бактерий были обнаружены примеры того, что присутствие продукта какой-нибудь последовательности реакций, например аминокислоты, подавляет биосинтез одного из ферментов, необходимых для образования этой аминокислоты.

В каждом случае фермент, биосинтез которого оказывается затронутым, был ответствен за первый «определяющий» этап (на схеме реакция 4) метаболического пути, ведущего к синтезу данной аминокислоты.

Второй механизм хорошо изучен у млекопитающих. Это простое ингибирование конечным продуктом (в нашем случае – аминокислотой) фермента, ответственного за первый «определяющий» этап метаболического пути.

Еще один тип регулирования посредством обратной связи действует в тех случаях, когда окисление промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот сопряжено с образованием АТФ из АДФ и фосфата в процессе окислительного фосфорилирования. Если весь имеющийся в клетке запас фосфата и (или) АДФ уже исчерпан, то окисление приостанавливается и может возобновиться лишь после того, как этот запас вновь станет достаточным. Таким образом, окисление, смысл которого в том, чтобы поставлять полезную энергию в форме АТФ, происходит только тогда, когда возможен синтез АТФ.

3. В биосинтетических процессах участвует сравнительно небольшое число строительных блоков, каждый из которых используется для синтеза многих соединений. Среди них можно назвать ацетилкофермент А, глицерофосфат, глицин, карбамилфосфат, поставляющий карбамильную (H 2 N–CO–) группу, производные фолиевой кислоты, служащие источником гидроксиметильной и формильной групп, S-аденозилметионин – источник метильных групп, глутаминовую и аспарагиновую кислоты, поставляющие аминогруппы, и наконец, глутамин – источник амидных групп. Из этого относительно небольшого числа компонентов строятся все те разнообразные соединения, которые мы находим в живых организмах.

4. Простые органические соединения редко участвуют в метаболических реакциях непосредственно. Обычно они должны быть сначала «активированы» путем присоединения к одному из ряда соединений, универсально используемых в метаболизме. Глюкоза, например, может подвергнуться окислению лишь после того, как она будет этерифицирована фосфорной кислотой, для прочих же своих превращений она должна быть этерифицирована уридиндифосфатом. Жирные кислоты не могут быть вовлечены в метаболические превращения прежде, чем они образуют эфиры с коферментом А. Каждый из этих активаторов либо родствен одному из нуклеотидов, входящих в состав рибонуклеиновой кислоты, либо образуется из какого-нибудь витамина. Легко понять в связи с этим, почему витамины требуются в таких небольших количествах. Они расходуются на образование «коферментов», а каждая молекула кофермента на протяжении жизни организма используется многократно, в отличие от основных питательных веществ (например, глюкозы), каждая молекула которых используется только один раз.

В заключение следует сказать, что термин «метаболизм», означавший ранее нечто не более сложное, чем просто использование углеводов и жиров в организме, теперь применяется для обозначения тысяч ферментативных реакций, вся совокупность которых может быть представлена как огромная сеть метаболических путей, многократно пересекающихся (из-за наличия общих промежуточных продуктов) и управляемых очень тонкими регуляторными механизмами.

МЕТАБОЛИЗМ МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ

Относительное содержание.

Различные элементы, встречающиеся в живых организмах, перечислены ниже в убывающем порядке в зависимости от их относительного содержания: 1) кислород, углерод, водород и азот; 2) кальций, фосфор, калий и сера; 3) натрий, хлор, магний и железо; 4) марганец, медь, молибден, селен, йод и цинк; 5) алюминий, фтор, кремний и литий; 6) бром, мышьяк, свинец и, возможно, некоторые другие.

Кислород, углерод, водород и азот – это те элементы, из которых построены мягкие ткани тела. Они входят в состав таких соединений, как углеводы, липиды, белки, вода, диоксид углерода и аммиак. Элементы, перечисленные в пп. 2 и 3, находятся в организме обычно в виде одного или нескольких неорганических соединений, а элементы пп. 4, 5 и 6 присутствуют только в следовых количествах и потому их называют микроэлементами.

Распределение в организме.

Кальций.

Кальций присутствует главным образом в костной ткани и в зубах, преимущественно в виде фосфата и в небольших количествах в виде карбоната и фторида. Поступающий с пищей кальций всасывается в основном в верхних отделах кишечника, имеющих слабокислую реакцию. Этому всасыванию (у человека здесь всасывается всего 20–30% кальция пищи) способствует витамин D. Под действием витамина D клетки кишечника вырабатывают особый белок, который связывает кальций и облегчает его перенос через стенку кишечника в кровь. На всасывание влияет также присутствие некоторых других веществ, в особенности фосфата и оксалата, которые в малых количествах способствуют всасыванию, а в больших, наоборот, подавляют его.

В крови около половины кальция связано с белком, остальное составляют ионы кальция. Соотношение ионизированной и неионизированной форм зависит от общей концентрации кальция в крови, а также от содержания белка и фосфата и концентрации водородных ионов (рН крови). Доля неионизированного кальция, на которую влияет уровень белка, позволяет косвенным образом судить о качестве питания и об эффективности работы печени, в которой идет синтез плазменных белков.

На количество ионизированного кальция влияют, с одной стороны, витамин D и факторы, воздействующие на всасывание, а с другой – паратиреоидный гормон и, возможно, также витамин D, поскольку оба эти вещества регулируют как скорость отложения кальция в костной ткани, так и его мобилизацию, т.е. вымывание из костей. Избыток паратиреоидного гормона стимулирует выход кальция из костной ткани, что приводит к повышению его концентрации в плазме. Изменяя скорости всасывания и экскреции кальция и фосфата, а также скорости образования костной ткани и ее разрушения, эти механизмы строго контролируют концентрацию кальция и фосфата в сыворотке крови. Ионы кальция играют регулирующую роль во многих физиологических процессах, в том числе в нервных реакциях, мышечном сокращении, свертывании крови. Выведение кальция из организма происходит в норме в основном (на 2/3) через желчь и кишечник и в меньшей степени (1/3) – через почки.

Фосфор.

Метаболизм фосфора – одного из главных компонентов костной ткани и зубов – во многом зависит от тех же факторов, что и метаболизм кальция. Фосфор в виде фосфата присутствует в организме также в сотнях различных физиологически важных органических эфиров. Паратиреоидный гормон стимулирует выведение фосфора с мочой и выход его из костной ткани; тем самым он регулирует концентрацию фосфора в плазме крови.

Натрий.

Натрий – главный катион внеклеточной жидкости – вместе с белком, хлоридом и бикарбонатом играет важнейшую роль в регулировании осмотического давления и pH (концентрации водородных ионов) крови. В клетках, напротив, содержится очень мало натрия, так как они обладают механизмом для выведения ионов натрия и удержания ионов калия. Весь натрий, превышающий потребности организма, очень быстро выводится через почки.

Поскольку во всех процессах выделения натрий теряется, он должен постоянно поступать в организм с пищей. При ацидозе, когда необходимо, чтобы из организма выводились большие количества анионов (например, хлорида или ацетоацетата), почки предотвращают чрезмерную потерю натрия благодаря образованию аммиака из глутамина. Выведение натрия через почки регулируется гормоном коры надпочечников альдостероном. Под действием этого гормона в кровь возвращается достаточно натрия для поддержания нормального осмотического давления и нормального объема внеклеточной жидкости.

Суточная потребность в хлористом натрии составляет 5–10 г. Эта величина возрастает при поглощении больших количеств жидкости, когда усиливается потоотделение и выделяется больше мочи.

Калий.

В отличие от натрия, калий содержится в клетках в больших количествах, но во внеклеточной жидкости его мало. Главная функция калия – регулирование внутриклеточного осмотического давления и поддержание кислотно-щелочного равновесия. Он также играет важную роль в проведении нервного импульса и во многих ферментных системах, в том числе и в тех, которые участвуют в мышечном сокращении. Калий широко распространен в природе, и его много в любой пище, так что спонтанно калиевая недостаточность возникнуть не может. В плазме концентрация калия регулируется альдостероном, стимулирующим его экскрецию с мочой.

Сера.

С пищей сера поступает в организм главным образом в составе двух аминокислот – цистина и метионина. На конечных этапах метаболизма этих аминокислот сера высвобождается и в результате окисления переводится в неорганическую форму. В составе цистина и метионина сера присутствует в структурных белках. Важную роль играет также сульфгидрильная (–SH) группа цистеина, от которой зависит активность многих ферментов.

Большая часть серы выводится с мочой в виде сульфата. Небольшое количество экскретируемого сульфата обычно связано с органическими соединениями типа фенолов.

Магний.

Метаболизм магния сходен с метаболизмом кальция, и в виде комплекса с фосфатом этот элемент тоже входит в состав костной ткани. Магний присутствует во всех живых клетках, где он функционирует как необходимый компонент многих ферментных систем; эта его роль была убедительно продемонстрирована на примере углеводного обмена в мышцах. Магний, как и калий, широко распространен, и вероятность возникновения его недостаточности очень мала.

Железо.

Железо входит в состав гемоглобина и других гемопротеинов, а именно миоглобина (мышечного гемоглобина), цитохромов (дыхательных ферментов) и каталазы, а также в состав некоторых ферментов, не содержащих гемогруппы. Всасывается железо в верхних отделах кишечника, причем это единственный элемент, всасывающийся только тогда, когда его запас в организме полностью исчерпан. В плазме железо транспортируется в соединении с белком (трансферрином). Через почки железо не выводится; избыток его накапливается в печени в соединении с особым белком (ферритином).

Микроэлементы.

У каждого микроэлемента, присутствующего в организме, своя особая функция, связанная с тем, что он стимулирует действие того или иного фермента или как-либо иначе на него влияет. Цинк необходим для кристаллизации инсулина; кроме того, он является компонентом карбоангидразы (фермента, участвующего в транспорте диоксида углерода) и некоторых других ферментов. Молибден и медь – тоже необходимые компоненты различных ферментов. Иод требуется для синтеза трииодтиронина, гормона щитовидной железы. Фтор (входящий в состав зубной эмали) способствует предотвращению кариеса.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТАБОЛИТОВ

Углеводы.

Всасывание.

Моносахариды, или простые сахара, высвобождающиеся при переваривании углеводов пищи, переходят из кишечника в кровоток в результате процесса, называемого всасыванием. Механизм всасывания представляет собой сочетание простой диффузии и химической реакции (активного всасывания). Одна из гипотез, касающихся природы химической фазы процесса, предполагает, что в этой фазе моносахариды соединяются с фосфорной кислотой в реакции, катализируемой ферментом из группы киназ, после чего проникают в кровеносные сосуды и здесь высвобождаются в результате ферментативного дефосфорилирования (разрыва фосфатной связи), катализируемого одной из фосфатаз. Именно активным всасыванием объясняется то, что разные моносахариды всасываются с разной скоростью и что углеводы всасываются даже тогда, когда уровень сахара в крови выше, чем в кишечнике, т.е. в условиях, когда естественно было бы ожидать их перемещения в обратном направлении – из крови в кишечник.

Механизмы гомеостаза.

Поступающие в кровоток моносахариды повышают уровень сахара в крови. При голодании концентрация глюкозы в крови колеблется обычно от 70 до 100 мг на 100 мл крови. Этот уровень поддерживается с помощью механизмов, называемых механизмами гомеостаза (самостабилизации). Как только уровень сахара в крови в результате всасывания из кишечника повышается, в действие вступают процессы, выводящие сахар из крови, так что уровень его колеблется не слишком сильно.

Подобно глюкозе, все прочие моносахариды поступают из кровотока в печень, где превращаются в глюкозу. Теперь они неотличимы как от глюкозы, которая всосалась, так и от той, что уже была в организме, и подвергаются тем же метаболическим превращениям. Один из механизмов гомеостаза углеводов, функционирующий в печени, – это гликогенез, посредством которого глюкоза переходит из крови в клетки, где превращается в гликоген. Гликоген хранится в печени до тех пор, пока не произойдет снижение уровня сахара в крови: в этой ситуации гомеостатический механизм вызовет распад накопленного гликогена до глюкозы, которая вновь поступит в кровь.

Превращения и использование.

Поскольку кровь поставляет глюкозу во все ткани тела и все ткани используют ее для получения энергии, уровень глюкозы в крови снижается главным образом за счет ее использования.

В мышцах глюкоза крови превращается в гликоген. Однако мышечный гликоген не может быть использован для получения глюкозы, которая перешла бы в кровь. В нем заключен запас энергии, и скорость его использования зависит от мышечной активности. В мышечной ткани содержатся два соединения с большим запасом легко доступной энергии в форме богатых энергией фосфатных связей – креатинфосфат и аденозинтрифосфат (АТФ). При отщеплении от этих соединений их фосфатных групп высвобождается энергия для мышечного сокращения. Чтобы мышца вновь могла сокращаться, эти соединения должны быть восстановлены в своей исходной форме. Для этого требуется энергия, которую поставляет окисление продуктов распада гликогена. При мышечном сокращении гликоген превращается в глюкозофосфат, а затем – через ряд реакций – во фруктозодифосфат. Фруктозодифосфат распадается на два трехуглеродных соединения, из которых после ряда этапов образуется сначала пировиноградная кислота, а в конечном итоге – молочная кислота, как об этом уже говорилось при описании метаболизма углеводов. Это превращение гликогена в молочную кислоту, сопровождающееся высвобождением энергии, может происходить в отсутствие кислорода.

При недостатке кислорода молочная кислота накапливается в мышцах, диффундирует в кровоток и поступает в печень, где из нее вновь образуется гликоген. Если кислорода достаточно, то молочная кислота в мышцах не накапливается. Вместо этого она, как это описано выше, полностью окисляется через цикл трикарбоновых кислот до диоксида углерода и воды с образованием АТФ, который может быть использован для сокращения.

Метаболизм углеводов в нервной ткани и эритроцитах отличается от метаболизма в мышцах тем, что гликоген здесь не участвует. Однако и здесь промежуточными продуктами являются пировиноградная и молочная кислоты, образующиеся при расщеплении глюкозофосфата.

Глюкоза используется не только в клеточном дыхании, но и во многих других процессах: синтезе лактозы (молочного сахара), образовании жиров, а также особых сахаров, входящих в состав полисахаридов соединительной ткани и ряда других тканей.

Гликоген печени, синтезируемый при всасывании углеводов в кишечнике, служит самым доступным источником глюкозы, когда всасывание отсутствует. Если этот источник оказывается исчерпанным, в печени начинается процесс глюконеогенеза. Глюкоза образуется при этом из некоторых аминокислот (из 100 г белка образуется 58 г глюкозы) и нескольких других неуглеводных соединений, в том числе из глицериновых остатков нейтральных жиров.

Некоторую, хотя и не столь важную, роль в метаболизме углеводов играют почки. Они выводят из организма избыток глюкозы, когда ее концентрация в крови слишком высока; при меньших концентрациях глюкоза практически не выводится.

В регулировании метаболизма углеводов участвует несколько гормонов, в том числе гормоны поджелудочной железы, передней доли гипофиза и коры надпочечников.

Гормон поджелудочной железы инсулин снижает концентрацию глюкозы в крови и повышает ее концентрацию в клетках. По-видимому, он стимулирует также и запасание гликогена в печени. Кортикостерон, гормон коры надпочечников, и адреналин, вырабатываемый мозговым веществом надпочечников, воздействуют на метаболизм углеводов, стимулируя распад гликогена (главным образом в мышцах и печени) и синтез глюкозы (в печени).

Липиды.

Всасывание.

В кишечнике после переваривания жиров остаются главным образом свободные жирные кислоты с небольшой примесью холестерина и лецитина и следами жирорастворимых витаминов. Все эти вещества очень тонко диспергированы благодаря эмульгирующему и солюбилизирующему действию солей желчных кислот. Солюбилизирующее действие обычно связывают с образованием нестойких химических соединений между жирными кислотами и солями желчных кислот. Эти комплексы проникают в клетки эпителия тонкого кишечника и здесь распадаются на жирные кислоты и соли желчных кислот. Последние переносятся в печень и вновь секретируются с желчью, а жирные кислоты вступают в соединение с глицерином или холестерином. Образовавшиеся реконструированные жиры поступают в лимфатические сосуды брыжейки в форме млечного сока, т.н. «хилуса». Из сосудов брыжейки хилус по лимфатической системе через грудной проток поступает в кровеносную систему.

После переваривания пищи содержание липидов в крови возрастает приблизительно от 500 мг (уровень при голодании) до 1000 мг на 100 мл плазмы. Присутствующие в крови липиды представляют собой смесь жирных кислот, нейтральных жиров, фосфолипидов (лецитина и кефалина), холестерина и эфиров холестерина.

Распределение.

Кровь доставляет липиды в разные ткани тела и прежде всего в печень. Печень обладает способностью модифицировать поступающие в нее жирные кислоты. Это особенно выражено у видов, запасающих жиры с высоким содержанием насыщенных или, наоборот, ненасыщенных жирных кислот: в печени этих животных соотношение насыщенных и ненасыщенных кислот изменяется таким образом, что отлагающийся жир по своему составу соответствует жиру, свойственному данному организму.

Жиры в печени либо используются для получения энергии, либо переходят в кровь и доставляются ею в разные ткани. Здесь они могут включаться в структурные элементы тканей, но большая их часть отлагается в жировых депо, где они хранятся до тех пор, пока не возникнет потребность в энергии; тогда они снова переносятся в печень и подвергаются здесь окислению.

Метаболизм липидов, как и углеводов, регулируется гомеостатически. Механизмы гомеостаза, воздействующие на липидный и углеводный обмен, видимо, тесно связаны, поскольку при замедлении метаболизма углеводов усиливается метаболизм липидов, и наоборот.

Превращения и использование.

Четырехуглеродные кислоты – ацетоуксусная (продукт конденсации двух ацетатных единиц) и b -гидроксимасляная – и трехуглеродное соединение ацетон, образующийся при отщеплении одного атома углерода от ацетоуксусной кислоты, известны под общим названием кетоновых (ацетоновых) тел. В норме кетоновые тела присутствуют в крови в небольших количествах. Избыточное их образование при тяжелом диабете ведет к повышению их содержания в крови (кетонемия) и в моче (кетонурия) – это состояние обозначают термином «кетоз».

Белки.

Всасывание.

При переваривании белков пищеварительными ферментами образуется смесь из аминокислот и небольших пептидов, содержащих от двух до десяти остатков аминокислот. Эти продукты всасываются слизистой кишечника, и здесь гидролиз завершается – пептиды также распадаются до аминокислот. Поступившие в кровь аминокислоты смешиваются с находящимися здесь такими же аминокислотами. В крови содержится смесь из аминокислот, поступивших из кишечника, образовавшихся при распаде тканевых белков и синтезированных организмом заново.

Синтез.

В тканях непрерывно идет распад белков и их новообразование. Содержащиеся в крови аминокислоты избирательно поглощаются тканями как исходный материал для построения белков, а из тканей в кровь поступают другие аминокислоты. Синтезу и распаду подвергаются не только структурные белки, но и белки плазмы крови, а также белковые гормоны и ферменты.

Во взрослом организме аминокислоты или белки практически не запасаются, поэтому удаление аминокислот из крови происходит с такой же скоростью, как и их поступление из тканей в кровь. В растущем организме формируются новые ткани, и на этот процесс расходуется больше аминокислот, чем поступает в кровь за счет распада тканевых белков.

Печень участвует в метаболизме белков самым активным образом. Здесь синтезируются белки плазмы крови – альбумины и глобулины – а также собственные ферменты печени. Так, при потере плазменных белков содержание альбумина в плазме восстанавливается – за счет интенсивного синтеза – довольно быстро. Аминокислоты в печени используются не только для образования белков, но подвергаются также расщеплению, в ходе которого извлекается заключенная в них энергия.

Превращения и использование.

Если аминокислоты используются в качестве источника энергии, то отщепляемая от них аминогруппа (–NH 2) направляется на образование мочевины, а не содержащий азота остаток молекулы окисляется приблизительно так же, как глюкоза или жирные кислоты.

Так называемый «орнитиновый цикл» описывает, как происходит превращение аммиака в мочевину. В этом цикле аминогруппа, отщепившаяся от аминокислоты в форме аммиака, присоединяется вместе с диоксидом углерода к молекуле орнитина с образованием цитруллина. Цитруллин присоединяет второй атом азота, на этот раз от аспарагиновой кислоты, и превращается в аргинин. Далее аргинин подвергается гидролизу с образованием мочевины и орнитина. Орнитин может теперь вновь вступить в цикл, а мочевина выводится из организма через почки как один из конечных продуктов метаболизма. ФЕРМЕНТЫ; ЖИРЫ И МАСЛА; НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ; БЕЛКИ; ВИТАМИНЫ.

Литература:

Ленинджер А. Основы биохимии , тт. 1–3. М., 1985
Страйер Л. Биохимия , тт. 1–3. М., 1985
Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека , тт. 1–2. М., 1993
Албертс Б., Брей Д., Льюс Д. и др. Молекулярная биология клетки , тт. 1–3. М., 1994

Кировская гимназия имени героя Советского Союза Султана Баймагамбетова

Экзаменционный реферат по биологии

тема: ”Метаболизм”

Выполнил: Сысоев М.Ю.

Преподаватель: Савченко И.В.

Кировск 2010

1. Введение
   1. Основная часть
      1. Определение метаболизма Анаболизм и катаболизм Энергетический обмен в клетке
      2. Протеины Определения протеинов Синтез протеинов в живых организмах Классификация, структура и функции
      3. Синтез липидов в живых организмах Компоненты липидов Образование липидов Некоторые виды липидов
      4. Синтез углеводов в живых организмах Классификация углеводов Синтез Использование в живых организмах
      5. Заключительная часть
2. Приложения
3. Список литературы

Введение

Мы довольно много знаем о процессах, протекающих в клетке на молекулярном уровне. Достаточно упомянуть о том, что была расшифрована структура генетического материала -ДНК, были получены интересные и принципиально новые данные об активности генов в бактериальной клетке и клетках высших организмов.

На современном этапе развития науки следует больше внимания уделять организму как целому, связывать протекающие процессы с его функционированием, помнить о том, что наша конечная цель состоит в понимании структуры и функция организма в целом на основе знаний об отдельных его системах. Однако достичь этой цели невозможно без знания реакциях метаболизма, ведь, не зная что и как получается в организме, нельзя предположить что может получится в будущем.

В процессе написания сего реферата, я хочу узнать подробней о том что такое метаболизм, как проиходят реакции метаболизма в организме и какие ученые занимались изучением сих реакций.

Метаболизм

Анаболиз м

Люба я живая клетка, осуществляя многообразные процессы синтеза и распада веществ, подобна сложнейшему химическому комбинату. Для нормального протекания этиъ химических процессов необходим постоянный обмен веществами между клеткой и окружающей средой, а также постоянное превращение энергии в клетке. Получаемые извне белки, жиры, углеводы, витамины, микроэлементы расходуются клетками на синтез необходимых им соединений, построение клеточных структур.

Из поступающих в клетку веществ, под воздействием ферментов образуются новые вещества, необходимые для замены израсходованных веществ и построения органоидов. Вест набор реакций биосинтеза веществ в клетке называется ассимиляцией или пластического обмена. Также эти реакции называют реакциями анаболизма. Эти реакции происходят с поглощением энергии и потому называются эндотермическими.

Катаболиз м

Очевидно, чт о синтез каких-либо веществ невозможен без затрат энергии. Особенно интенсивно реакции анаболизма происходят в растущей, развивающейся клетке. Важнейшими из таких реакций являются синтез белка и фотосинтез. Как же клетка получает энергию для реакций биосинтеза? Наряду с процессами синтеза новых веществ, в клетках происходит постоянный распад запасенных при ассимиляции сложных органических веществ. При участии ферментов эти вещества распадаются до более простых соединений: при этом высвобождается энергия. Чаще всего эта энергия запасается в виде аденозинтри-фосфата (АТФ). Далее эта энергия используется для различных нужд клетки, в том числе и для реакций анаболизма. Совокупность этих реакций называется диссимиляцией или энергетический обмен. Также они называются реакциями катаболизма. Эти реакции происходят с выделением энергии и потому называются экзотермическими.

Разложение углеводов

Разложени е углеводов начинается уже в ротовой полости. Когда углеводы попадают туда, начинает выделяться слюна, в которой помимо воды и солей различных кислот, содержит ферменты, которые позволяют начать расщепление простых углеводов, таких как крахмал и мальтозу. Расщепление происходит до появления, как правило, глюкозы. Далее, появившаяся глюкоза всасывается, а остальные не поддающиеся расщеплению в ротовой полости углеводы идут по ЖКТ дальше и попадают в желудок, а затем и в кишечный тракт.

Разложение белков

Попада я в наш организм, белки сначала оказываются в ротовой полости, где ферменты слюны ничего с ними поделать не могут, и затем попадают в желудок. В желудке, выделяется желудочный сок, который содержит самые различные ферменты, соляную кислоту и некоторые другие вещества. Благодаря богатому набору ферментов, большинство белков перевариваются там. Некоторые аминокислоты, полученные в результате пищеварения, используются для синтеза белков организма, а остальные превращаются в глюкозу.

Ферменты которые расщепляют белки называются протеазами.

Разложение липидов

Ка к и белки, липиды начинают разлагаться только в желудке, да и то

Далеко не все липиды, а только простейшие. Дальшейшее разложение липидов происходит в кишечнике. Попадая в кишечник, пища, смоченная слюной и желудочным соком, подвергается действию кишечного сока, желчи, сока поджелудочной железы, здесь же происходит всасывание продуктов переваривания в кровеносные и лимфатические капилляры.

Метаболиз м

Анаболиз м и катаболизм -противоположные процессы: в одном случае вещества образуются, в другом -разрушаются. Но они тесно связаны и друг без друга невозможны. Ведь если в клетке не будет синтеза веществ, то нечему будет распадаться, т.е. не будет материала для распада и получения энергии. Таким образом метаболизм -совокупность реакций анаболизма и катаболизма, т.е. обмен веществ.

Энергетический обмен в клетке

АТФ обеспечивает энергией все функции клетки: механическую работу, биосинтез, деление и т.д. В среднем, содержание АТФ в клетке составляет около 0,05% ее массы, но в тех клетках, где затраты АТФ велики (например, в клетках печени, поперечно-полосатых мышц), ее содержание может доходить до 0,5%. Синтез АТФ в клетках происходит главным образом в митохондриях. Этот процесс можно условно разделить на три этапа: 1) Подготовительный: при этом этапе крупные пищевые полимерные молекулы распадаются на более мелкие фрагменты: жиры распадаются на жирные кислоты и глицерин, белки до аминокислот и далее. В ходе этих превращений энергии выделяется мало и она рассеивается в виде тепла, т.е. АТФ не образуется. 2) Неполное бескислородное расщепление: на этом этапе вещества, образовавшиеся во время первого этапа, разлагаются под действием ферментов и в отсутствие кислорода. Ниже я постараюсь привести пример на основе гликолиза. Гликолиз происходит в животных клетках и у некоторых микроорганизмов. Суммарно, процесс можно представить так:

C?H??O?+2H?PO?+2АДФ = 2C?H?O?+2H?O+2АТФ Где можно наглядно увидеть, что при гликолизе из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты, которая затем во многих клетках превращается в молочную кислоту. Причем, образовавшейся энергии хватает для образования двух молекул АТФ. Несмотря на кажущуюся простоту, гликолиз -очень сложный и многоступенчатый процесс, насчитывающий более десяти ступеней, катализируемых различными ферментами. В результате, только 40% энергии запасается в виде АТФ, остальная часть энергии рассеивается в виде тепла. Гликолиз происходит в цитоплазме клеток. 3) Полное кислородное расщепление или клеточное дыхание: на этом этапе вещества, образовавшиеся во время второго этапа, распадаются до конечных CO?и H?O. Этот этап упрощенно можно представить в виде следующего уравнения:

2C?H?O?+ 6O?+ 36H?PO?+ 36АДФ→CO?+ 42H?O +36АТФ Таким образом, окисление двух молекул молочной кислоты, приводит к выделению большого количества энергии, достаточной для образования 36 молекул АТФ. Клеточное дыхание происходит на кристах митохондрий. КПД этого процесса выше чем у гликолиза и составляет примерно 55%. В результате полного расщепления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. Для получения энергии в клетках используются не только сахариды, но также липиды и,в некоторых случаях, белки. Однако, чаще всего используются сахара.

Протеины

Определение протеинов

Протеины (белки) -эт о сложные органические соединения, состоящие из углерода, кислорода, водорода и азота. В некоторых белках также может содержатся сера и фосфор.Часть белков образует комплексы с другими молекулами, содержащими фосфор, железо, цинк и медь.

Молекулы белков - (цепи построенные из аминокислот) -очень велики; это макромолекулы, молекулярная масса которых колеблется от нескольких тысяч, до нескольких миллионов. В природных белках встречается двадцать различных аминокислот. Однако, потенциально разнообразие белков безгранично, поскольку каждому белку свойственна своя особая аминокислотная последовательность, генетически контролируемая, то есть -закодированная в ДНК клетки, вырабатывающей данный белок. Белков в данных клетках больше, чем каких-бы то ни было других органических соединений: на их долю приходится больше 50% общей сухой массы клеток.

Они -важный элемент пищи животных и могут превращаться в жиры, углеводы и другие белки. А их большое разнообразие позволяет им выполнять в живом организме множество различных функций, такие как:

1) Пластическая функция 2) Метаболическая функция 3) Энергетическая 4) Транспортная 5) Регуляторная 6) Сигнальная 7) Защитная

Классификация белков

Сложност ь строения белковых молекул и чрезвычайное разнообразие разнообразие их функций крайне затрудняют создание единой четкой классификации белков на какой-либо основе. Я постараюсь изобразить некоторые классификации белков в виде таблиц.

Простые белки

Сложные белки

Также белки могут классицироваться не только по сложности и составу, но и их функциям и структуре. Ниже представлены таблицы классификации белков по их структуре и по их функциям.

Классификация белков по их структуре

Также, при описании структуры белков рассматривают обычно три разных уровня организации. Первичная структура: под ней обычно подразумевают число и последовательность аминокислот, соединенных друг с другом пептидными связями в полипептидной цепи. Вторичная структура: α-спираль, возможная благодаря множеству водородных связей, возникаемых между находящимися поблизости друг от друга СО-и NH-группами. Третичная структура: у большинства белков полипептидные цепи свернуты особым образом в компактную глобулу. Этот способ свертывания полипептидных цепей глобулярных белков называется третичной структурой

Классификация белков по их функциям

Синтез белков

Синте з белков в клетках -это очень сложный и энергозатратный процесс, он требует очень большого количества ферментов и других специфических макромолекул, общее количество которых, близко к трёхстам. Часть из них, к тому же объединены в сложную трёхмерную структуру рибосом. Но несмотря на большую сложность, синтез протекает с чрезвычайно высокой скоростью (десятки аминокислотных остатков в секунду). Процесс может замедляться и даже останавливаться ингибиторами-антибиотиками.. Он протекает как в клетках прокариотах, так и в клетках эукариотах.

Синтез белков проводится рибосомами. Рибосома состоит из двух субчастиц: большой и малой. (см . приложение 1)

Каждая субчастица состоит из нескольких десятков белков, каждый из которых уже изучен, известно, каким образом каждый белок уложен в субчастицу. При исследовании белков используют метод электрофореза, то есть в электрическом поле в специальном геле или специальном носителе молекулы белков разъединяются в зависимости от их заряда и молекулярного веса, то есть под действием поля они начинают двигаться и могут отодвигаться друг от друга на разное расстояние. Другим методом разделения белков является хроматография, в результате этого метода на носителе получают пятнышки, каждый из которых соответствует отдельному белку.

Белки в рибосоме держатся на каркасе, состоящем из рибосомной РНК. Формирование рибосомы начинается с того, что рибосомная РНК сворачивается и на нее в определенном порядке начинают налипать белки. На рисунке представлена рибосомная РНК. В ней самокомплементарные участки нити РНК спариваются, образуя шпильки (вторичная структура), и затем РНК сворачивается (третичная структура РНК), образуя каркас субчастиц. (см . приложение 1)

Еще один вид РНК, участвующей в синтезе белка, это транспортная РНК (тРНК). Молекулы тРНК относительно небольшие (по сравнению с рибосомной или матричной РНК). За счет спаривания комплементарных участков молекулы тРНК образуется три "стебля" с петлями на концах и один "стебель", образованный 5"-и 3"-концами молекулы тРНК. Изображение этой структуры похоже на крест или клеверный лист. "Голова" на этом листе представлена антикодонной петлей, здесь находится антикодон - те три нуклеотида, которые комплементарно взаимодействуют с кодоном в мРНК. Противоположный антикодонной петле стебель, образованный концами молекулы, называется акцепторным стеблем - сюда присоединяется соответствующая аминокислота.

Распознают подходящие друг другу тРНК и аминокислоты специальные ферменты, называемые аминоацил-тРНК синтетазами. Для каждой аминокислоты есть своя аминоацил-тРНК синтетаза.(см .

приложение 2)

В рибосоме находится матричная РНК (мРНК). С кодоном (тремя нуклеотидами) мРНК комплементарно связан антикодон транспортной РНК, на которой висит остаток аминокислоты. На рисунке видна такая структура (тРНК вместе с аминокислотой, которая называется аминоцил-тРНК).(см . приложение 3)

Процесс трансляции, также как и процесс транскрипции, связан с перемещением вдоль молекулы нуклеиновой кислоты, разница в том, что рибосома шагает на три нуклеотида, в то время как РНК-полимераза -на один.

Аминоцил т-РНК входит в рибосому, комплементарно связываясь с кодоном мРНК, затем происходит реакция при которой аминокислотные остатки связываются друг с другом, а т-РНК удаляется. (см . приложение 4)

"Словарь" для перевода с языка нуклеотидов на язык аминокислот называется генетическим кодом. Аминокислот - 20, нуклеотидов - 4, число комбинаций из 4 по 2 = 16, а аминокислот 20, поэтому кодировка не двух, а трехбуквенная, каждая тройка называется кодоном. Каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами в мРНК (которая, в свою очередь, кодируется ДНК).

(см . приложение 5)

Таблица генетического кода была составлена в 60-х годах. Начало положили Ниренберг и Маттеию. Они пытались производить в пробирке эксперименты на клеточных экстрактах, к которым были добавлены искусственные матрицы РНК. В то время считалось, что кодоны, состоящие из одного нуклеотида (UUU или ААА) не кодируют аминокислоты. Ниренберг и Маттеи использовали полиU-РНК (то есть состоящую только из урацилов) в качестве контроля в своих опытах, но именно в этой пробирке прошла реакция. Стало ясно, что кодон UUU кодирует аминокислоту фенилаланин. Затем была составлена таблица генетического кода.

Генетический код универсален. Он один и тот же у всех микроорганизмов. Есть небольшие отличия в генетическом коде митохондрий.

Липиды

Определени е и классификация

Липиды -обширная группа жироподобных веществ, нерастворимых в воде. Большинство липидов состоит из высокомолекулярных жирных кислот и трехатомного спирта глицерина.

Липиды присутствуют во всех, без исключения клетках, выполняя самые различные функции. 1) Энергетическая функция. Наиболее простые и широкораспростра-

ненные липиды играют роли источников энергии.

2) Защитная функция. Благодаря низкой теплопроводности, липиды используются как теплоизоляционный материал, например в подкожном жировом слое.

3) Строительная функция. Так как липиды водонерастворимы, они используются при построении клеточных мембран. 4) Регуляторная функция. Многие гормоны (например гормоны коры надпочечников) являются производными липидов.

Классификаци я липидов .

В соответствии с химическим строением различают три основные группы липидов: 1) Жирные кислоты и продукты их ферментативного окисления, 2) Глицеролипиды (содержат в молекуле остаток глицерина), 3) Липиды, не содержащие в молекуле остаток глицерина (за

исключением соеденений, входящих в первую группу). По другой классификации (она приведена на схеме), липиды подразделяют на нейтральные липиды, фосфолипиды и гликолипиды.

Компонент ы липидо в

Жирные кислоты содержат в своей молекуле кислотную группу -COOH(карбоксильная группа). Жирными их называют потому, что некоторые высокомолекулярные члены этой группы входят в состав жиров. Общая формула жирных кислот имеет вид R?COOH, где R -атом водорода, или алкильный радикал, типа -CH?, -C?H? и далее.В липидах, радикал R обычно представлен длинной цепью углеродных атомов. Большая часть жирных кислот содержит четное количество атомов углерода, от 14 до 22 (чаще всего 16 или 18). В приложении по липидам даны рисунки, на которых можно увидеть строение двух наиболее распространенных жирных кислот. При просмотре рисунков, советую обратить внимание на длинные “хвосты” из атомов углерода и водорода. Углеводородные хвосты молекул определяют многие свойства липидов, в том чиле и нерастворимость в воде.

Иногда в жирных кислотах имеются одна или несколько двойных связей (C=C). В этом случае жирные кислоты, и содержащие их липиды называются ненасыщенными. Соответсвенно, те кислоты где двойных связей нет, называются насыщенными. Ненасыщенные жирные кислоты плавятся при более низких кислотах, например олеиновая кислота -основной компонент оливкого масла -в обычных условиях бывает жидкой, тогда как стеариновая кислота при обычных условиях -твердая.

Большая часть липидов -это сложные эфиры спирта глицерола. Поэтому их называют глицеридами.

Синте з липидов .

У глицерола имеется три гидроксильные группы (-ОН), каждая из которых способна вступать в реакцию с жирной кислотой, то есть образовывать сложный эфир. Обычно, в реакцию вступают все три гидроксильные группы глицерола (схем у образовани я сложног о эфир а можн о найт и в приложения х п о липидам ) , поэтому продукт реакции называют триглицеридом. Биосинтез жирных кислот протекает в цитоплазме, в основном в печени, жировой ткани, почках, легких и молочных железах. Главным источником атомов углерода является глюкоза.

Свойства и функции триглицеридов

Триглицериды -самые распространенные из липидов, встречающихся в природе. Их принято разделять на жиры и масла, в зависимости от того, остаются ли они твердыми при 20? (жиры) или имеют жидкую консистенцию при этой температуре (масла). Температура плавления липида тем ниже, чем выше в нем доля ненасыщенных жирных кислот.

Триглицериды неполярны и поэтому нерастворимы в воде. Их плотность ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают. Калорийность липидов выше чем у углеводов, т.е. данная масса липида выделяет при окислении больше энергии, чем равная ей масса углевода. Это можно объяснить тем, что в липидах, по сравнению с углеводами больше водорода и совсем мало кислорода. Одним из продуктов окисления жиров является вода. Эта метаболическая вода очень важна для обитателей пустыни, так как жир запасаемый в их организмах, используется именно для этой цели.

Углеводы

Углеводам и называют вещества с общей формулой Cx(H2O)y, где y и x могут иметь различные значения. Название “углеводы” отражает тот факт, что в молекулах этих веществ присутствуют атомы водорода и кислорода в том же соотношении, что и в молекулах воды. Углеводы подразделяют на три главных класса: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Синтез углеводов

В животных организмах, углеводы напрямую не синтезируются. Биосинтез -начинаеться в фотосинтезирующих и хемосинтезирующих организмах. Подробнее остановлюсь на фотосинтезирующих -это растения (высшие и низшие) и синезелёные водоросли. В них происходит фотосинтез, образование высшими растениями, водорослями, фотосинтезирующими бактериями сложных органических веществ, необходимых для жизнедеятельности как самих растений, так и всех других организмов, из простых соединений за счёт энергии света, поглощаемой хлорофиллом и другими фотосинтетическими пигментами. Один из важнейших биологических процессов, постоянно и в огромных масштабах совершающийся на нашей планете.

Суммарное (и очень сильно упрощенное) уравнение фотосинтеза выражается следующим образом: 6СО? + 6Н?О = С?Н??О? + 6О?. Там образуеться много промежуточных органических кислот. При использовании в Фотосинтезе только CO?и H?О образуются углеводы.

Из простых углеводов образуются более сложные (сахароза, фруктоза, крохмал и прочие), которые выполняют функции "долгосрочных" запасных веществ. Молекулы углеводов -более-менее универсальны для всех организмов.

Попадая в гетеротрофные организмы -углеводы и белки разбираются на составные части. И из них либо собираются свои молекулы, либо добывается энергия для жизненноважных процессов. Углеводы могут переситезироваться в жиры и кислоты.

Приложения

Синте з белко в

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

В таблице на рисунке боковые столбцы кодируют левую и правую букву кодона, верхняя строка - среднюю. Например кодон AUG кодирует аминокислоту метионин. Число комбинаций из 4 по 3 = 64, то есть некоторые аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Три кодона не кодируют никакую аминокислоту, они называются терминирующими. Когда они попадаются в мРНК, рибосома прекращает свою работу и готовая полипептидная цепь выбрасывается наружу.

Липид ы

Приложение 6 Приложение 7

Стеариновая кислота

CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -C-OH

Олеиновая кислота

CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? - CH=CH -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? -CH ? - С - ОН

Приложение 8 Образовани е липида (триацилглицерола )

CH ? O H HO -C-R ¹ CH ? OC-R ¹

Углеводы Приложение 9 Схем а фотосинтеза

Заключение

В процессе написания реферата, я узнал подробнее о том что такое метаболизм, как проиходят реакции метаболизма в организме и какие ученые занимались изучением сих реакций.

Я узнал много нового о процессах, протекающих в клетке на молекулярном уровне. Например, я изучил подробней синтез белка, липидов и углеводов.

На современном этапе развития науки следует больше внимания уделять организму как целому, связывать протекающие процессы с его функционированием, помнить о том, что наша конечная цель состоит в понимании структуры и функция организма в целом на основе знаний об отдельных его системах.

Список литературы

1) Биология. По д редакцией Р.Сопера.

1996 Москва “Мир”

2) Биология. Человек: Учеб. для 9 кл. общеобразоват. убеч. заведений/ А.С. Батуев, А.Д. Ноздрачев и др.; под ред. А.С. Батуева

3) Animal growth and development by David R. Newth

Edward Arnold (Publishers) Ltd 1970

4) Общая химия: учебное пособие / Н.Л. Глинка - М.:КНОРУС, 2010. -752 с.

5) Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология. М.: Изд-во МГУ, 1992, 448 с.