Виды обмена веществ

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

Основные понятия

Обмен веществ и энергии - основной признак, присущий всем живым существам. В организм человека постоянно поступают ве­щества из внешней среды. В частности, через пищеварительную систему поступают питательные вещества (белки, жиры, углево­ды), витамины, вода и минеральные соли. Кислород воздуха про­никает в кровь через легкие, частично - через кожу. С током кро­ви вещества переносятся к клеткам и тканям. В цитоплазме и орга­неллах клеток организма происходят различные биохимические процессы, в ходе которых поступившие вещества преобразуются, расходуются с определенными целями (например, для получения энергии). Из них могут образовываться как полезные, так и вред­ные для организма продукты. Последние должны быть выведены во внешнюю среду. Выведение отработанных продуктов осуществ­ляют почки, легкие, в меньшей степени кожа и органы желудоч­но- кишечного тракта.

Обмен веществ и энергии (метаболизм) - это совокупность фи­зиологических процессов, направленных на обеспечение организма необходимыми для его жизнедеятельности веществами, их превра­щение и использование для получения энергии и построения кле­точных структур, и в конечном итоге на удаление во внешнюю среду ненужных продуктов происшедших реакций. В более узком смысле метаболизм - это пути превращений какого-либо вещества (или веществ) в организме (например, метаболизм глюкозы).

В организме постоянно происходят процессы синтеза и распа­да различных структур. В частности, в клетках образуются разно­образные вещества, используемые для построения клеточных мемб­ран, органелл и их обновления. Синтез новых веществ протекает с затратой энергии и требует исходных материалов. Последние поступают в организм либо с пищей, либо образуются при распа­де старых структур. Реакции, направленные на синтез новых мо­лекул, называются анаболическими. Часть обмена веществ, кото­рая включает все анаболические реакции, происходящие в орга­низме, называется пластическим обменом (анаболизмом, ассими­ляцией).

 

Для осуществления процессов пластического обмена необхо­дима энергия. Она образуется в результате распада сложных орга­нических веществ (белков, жиров, углеводов) на более простые компоненты, вплоть до воды и углекислого газа. Реакции распада, сопровождающиеся выделением энергии, называются катаболи­ческими. Все катаболические реакции составляют энергетический обмен (катаболизм, диссимиляцию). Все реакции пластического и энергетического обменов осуществляются с помощью биологи­ческих катализаторов - ферментов (энзимов).

Таким образом, метаболизм включает в себя два прямо проти­воположных процесса: анаболизм и катаболизм. Они взаимно пе­реходят друг в друга, происходят в организме совместно в тече­ние всей жизни. Преобладание одного из них приводит К соответ­ствующим изменениям в обмене веществ. При повышенной ас­симиляции организм растет, развивается. В случае преобладания реакций диссимиляции происходит активный распад структурных элементов клеток. Это ведет к истощению, старению человека. В дет­ском возрасте преобладают реакции пластического обмена. По мере старения организма увеличивается роль катаболических процес­сов, постепенно угнетается синтез новых веществ.

Основные вещества, поступающие в организм, - это вода и растворенные в ней минеральные соли, белки, жиры, углеводы и витамины. Каждое из этих веществ имеет определенное назначе­ние для организма, для каждого из них характерны свои пути метаболизма. Таким образом, различают следующие виды обмена веществ: обмен воды и минеральных солей, обмен белков, обмен жиров и обмен углеводов. Витамины играют преимущественно роль катализаторов биохимических процессов, так как большинство из них входят в состав ферментов.

Виды обмена веществ

Обмен воды и минеральных солей. В различных тканях вода со­ставляет от 10 (в жировой) до 90 % (кровь, лимфа). В среднем на ее долю приходится 65 - 70 % массы тела.

В течение 1 сут в нормальных условиях человек потребляет обыч­но 1,5 - 2,5 л воды. Такое же количество выводится почками с мочой, через кожу - с потом, через легкие - в виде водяных паров. Однако объем выделяемой почками воды зависит от окру­жающей температуры и может возрастать или уменьшаться в несколько раз.

Вода не может служить источником энергии для организма, но она выполняет ряд других жизненно важных функций:

1) является универсальным растворителем - практически все вещества клеток и внеклеточных структур растворены в воде, поэтому именно в ней происходят основные метаболические про­цессы;

2) обеспечивает поступление в организм растворенных в ней минеральных веществ и водорастворимых витаминов;

3) препятствует пере охлаждению организма, так как обладает высокой теплоемкостью;

4) обеспечивает защиту организма от перегревания за счет ис­парения с поверхности кожи и слизистых оболочек;

5) включается в важнейшие биохимические процессы, образу­ется в их ходе.

Минеральные вещества также не являются источниками энер­гии. Они выполняют разнообразные функции. Из всех минераль­ных веществ наш организм наиболее богат натрием. Он содержит­ся во внеклеточном пространстве и плазме крови в значительно больших количествах, чем в клетках. С ним связывают такой слож­ный процесс, как проведение импульсов в нервной системе. На­трий играет важную роль в процессах выделения. Он необходим для поддержания осмотического давления жидкостей организма. Избыточное гидростатическое давление на раствор, отделенный от чистого растворителя полупроницаемой мембраной, при кото­ром прекращается диффузия через мембрану, называется осмоти­ческим давлением.

Ионы калия, в отличие от ионов натрия, содержатся преиму­щественно в цитоплазме клеток. Калий также необходим организ­му для проведения нервных импульсов, нормальной работы сер­дечной мышцы.

Кальций и фосфор в больших количествах содержатся в ко­стях; кальций, фосфор и фтор - в эмали зубов. Кальций также необходим для мышечного сокращения, синаптической передачи нервного импульса. Он является одним из факторов свертываю­щей системы крови. Железо входит в состав гемоглобина. При его недостатке возникают железодефицитные анемии.

Анионы йода играют важную роль в гуморальной регуляции функций организма, так как они входят в состав гормонов щито­видной железы. Хлор является основным анионом внутри- и вне­клеточной жидкостей организма. Он играет роль в процессах пере­дачи нервного импульса, в синаптической передаче, в образова­нии соляной кислоты желудочного сока. Цинк, медь, магний, кобальт, железо входят в состав многих ферментов.

При недостатке поступления какого-либо из этих химических элементов, возникают заболевания, сопровождающиеся тяжелы­ми нарушениями обмена веществ.

Обмен белков. Ф. Энгельс отметил, что «... жизнь - есть способ существования белковых тел...», Действительно, все живое на пла­нете состоит из азотсодержащих соединений, являющихся струк­турной основой белков.

 

Белки состоят из аминокислот. В организме человека выделены 20 белокобразующих аминокислот, 10 из них являются замени­мыми, а 10 незаменимыми. Заменимые аминокислоты могут быть синтезированы клетками организма из других аминокислот, не­заменимые не могут синтезироваться из других веществ и должны в обязательном порядке поступать с пищей. Белки пищи, содер­жащие полный набор аминокислот, называются полноценными. Как правило, полноценные белки имеют животное происхожде­ние. В неполноценном белке отсутствует хотя бы одна из незаме­нимых аминокислот. Долговременное отсутствие в рационе даже одной аминокислоты приводит к тяжелым заболеваниям.

В ротовой полости, глотке, пищеводе белки не подвергаются воздействию специфических ферментов. Переваривание белков начинается в желудке под действием пепсина, который расщеп­ляет их на молекулы меньшего размера (полипептиды).

В тонкой кишке на полипептицы воздействуют ферменты ки­шечного и панкреатического соков (трипсин, химотрипсин, кар­боксипептидаза, аминопептидаза). Они расщепляют белки до ами­нокислот, которые и всасываются в кровь в тонкой кишке. С то­ком крови они проходят через печень, где гепатоциты синтезиру­ют из части поступивших аминокислот белки крови, в том числе белки свертывающей системы. Далее аминокислоты поступают в общий кровоток и переносятся ко всем органам и тканям. В клет­ках они необходимы в первую очередь для построения собствен­ньтх белков, специфичных для организма. Процесс синтеза белка происходит на рибосомах (полисомах) под действием различ­ных ферментов. Генетическая информация о структуре белка орга­низма записана на «матрице» - молекуле ДНК. После заверше­ния синтеза первичной структуры белковой молекулы происхо­дит образование вторичной, третичной структуры в комплексе Гольджи.

Обязательным компонентом молекул аминокислот является азот, поэтому определив количество азота, поступившего с пи­щей и удаленного из организма, можно охарактеризовать белко­вый обмен. В среднем человеческому организму в сутки необходи­мо 100 - 11 О г белка. Соотношение количества азота, поступивше­го в организм и удаленного из него, называют азотистым балан­сом. у взрослого человека в норме количество белка, поступивше­го в организм, равно количеству распавшегося. Это соотношение можно определить понятием азотистое равновесие. При азотистом равновесии количество азота, поступающего в организм с белка­ми, соответствует количеству азота, выводимого из организма с мочевиной и другими веществами.

В детском возрасте в связи с процессами роста количество поступающего белка превышает его распад, следовательно, орга­низм ребенка потребляет азота больше, чем выделяет. Такой уровень белкового обмена наблюдается у больных в стадии выздо­ровления и в ряде других ситуаций. Это называется положитель­ным азотистым балансом. В старческом возрасте, при длительном голодании и у ослабленных больных процессы распада белка пре­обладают над его поступлением - азот из организма выделяется в больших количествах, чем поступает. В этом случае имеет место отрицательный азотистый баланс, или азотистый дефицит.

В целом белки выполняют в организме следующие основные функции:

1) пластическую (они необходимы для построения клеточных мембран, органелл, внеклеточных структур);

2)ферментативную (все ферменты в природе - белки);

3)регуляторную (некоторые белки являются гормонами, на­пример, инсулин; из определенных аминокислот в организме также могут быть синтезированы гормоны или медиаторы - адреналин, норадреналин, дофамин);

4) энергетическую - белки могут выступать в роли источни­ков энергии: при расщеплении 1 г белка образуется 17,6 кДж энер­гии;

5) специфические функции (актин и миозин в мышечной тка­ни выполняют сократительную, фибриноген сыворотки крови ­свертывающую, иммуноглобулины крови - защитную и т.д.).

Следует отметить, что белки не могут быть синтезированы из углеводов или жиров. В то же время при недостатке в организме жиров или углеводов они могут использоваться для синтеза этих веществ. Белки не депонируются в организме и при их дефиците происходит разрушение белков крови (например, антител) или белковых структур ряда органов и тканей. Освободившиеся при этом аминокислоты являются исходным материалом для обеспе­чения жизнедеятельности остальных клеток организма. В обычных условиях белки практически не служат источником обеспечения организма энергией, они участвуют преимущественно в пласти­ческом обмене.

Конечный распад белков приводит к образованию воды, угле­кислого газа и аммиака, который затем преобразуется в мочевину.

На обмен белков влияют различные гуморальные факторы. Гор­мон роста (соматотропин), гормоны щитовидной железы (тирок­син, трийодтиронин) оказывают анаболическое действие на ме­таболизм белков. Глюкокортикоиды, глюкагон угнетают синтез белка в клетках, увеличивают скорость выведения азота из орга­низма.

Обмен углеводов. Основным углеводом для организма человека является глюкоза. Углеводы поступают в организм в основном в виде полисахаридов (крахмала и гликогена) и дисахаридов (на­пример, сахарозы). Под действием амилазы, содержащейся в слю­не, а также кишечном и панкреатическом соках, из них образуются моносахариды (глюкоза, фруктоза и др.), которые всасыва­ются в кишечнике. По воротной вене глюкоза поступает в печень. Здесь большая ее часть идет на образование гликогена - высоко­молекулярного вещества, являющегося полимером глюкозы. По мере увеличения потребности организма в глюкозе от гликогена отщепляются остатки этого моносахарида. Они и переходят в кровь для доставки к органам и тканям. Гликоген образуется также в мышечной ткани и в небольшом количестве в других внутренних органах, за исключением головного мозга.

Поступление глюкозы в клетки регулирует гормон инсулин. Он увеличивает ее количество в клетках и уменьшает в плазме крови. Под действием инсулина происходит активный синтез гликогена. Таким образом, он отвечает за утилизацию глюкозы. К гормонам, увеличивающим количество свободной глюкозы в плазме крови, относятся адреналин, глюкагон и др. Нормальная концентрация этого моносахарида в крови - 4,2-6,4 ммоль/л. Понижение уровня глюкозы ниже 4,2 ммоль/л называется гипогликемией. Наоборот, повышение ее уровня выше нормы - гипергликемией. У здоровых людей глюкоза с мочой не выделяется. Однако при увеличении ее концентрации в крови до 10 ммоль/л она появляется в моче, что наблюдается при сахарном диабете.

В клетках организма большая часть глюкозы идет на обеспече­ние энергетических потребностей. При распаде 1 г глюкозы выде­ляется 17,6 кДж энергии. Конечные продукты выводятся через почки (Н₂О) И легкие (СО₂). Больше других органов в глюкозе нуждается головной мозг. Ее расщепление происходит путем гли­колиза (анаэробное, бескислородное окисление) и в цикле ли­монной кислоты (в цикле Кребса) - аэробном, кислородном окислении. При этом выделяется 2 и 36 молекул АТФ, соответ­ственно (всего - 38 молекул АТФ). Помимо функции энергообра­зования углеводы могут быть использованы организмом и для син­теза, например для образования гликопротеинов. При недостатке в организме жиров часть углеводов может расходоваться на их син­тез. Однако для образования аминокислот они использоваться не могут. Наоборот, при недостатке в организме углеводов они могут быть синтезированы из жиров и белков.

В сутки человек должен потреблять 400 - 500 г углеводов. Таким образом, они являются основным компонентом в питании чело­века (по массе).

Обмен ЖИрОВ. Жиры состоят из глицерина и высших карбоно­вых кислот. Они являются гидрофобными соединениями, т. е. пло­хо растворяются в воде. После обработки пищи в ротовой поло­сти и желудке химус содержит их в виде крупных скоплений, капель. В таком состоянии они не могут быть подвержены дей­ствию ферментов пищеварительных соков. Желчные кислоты, со­держащиеся в желчи, эмулгируют жиры, т. е. образуют из них

более мелкие капли. После этого начинают действовать липазы кишечного и панкреатического соков. Они последовательно от­щепляют от глицерина остатки жирных кислот. В результате обра­зуются три молекулы высших карбоновых кислот и одна молеку­ла глицерина. Они переносятся из просвета кишечника в эпите­лий ворсинок тонкой кишки. Там образуются молекулы лип и ­дов, свойственные данному организму. После синтеза собствен­ных, специфичных для организма, жиров они переходят из кле­ток эпителия преимущественно в лимфатический (млечный) капилляр ворсинки тонкой кишки. С током лимфы, минуя пе­чень, липиды попадают в кровь и далее направляются ко всем клеткам и тканям. Наибольшее количество липидов содержится в жировой ткани (до 90 %). Основные запасы жира находятся в организме в подкожной жировой клетчатке и в клетчаточных пространствах брюшной полости.

Липиды выполняют в организме ряд важных функций:

1) являются компонентами клеточных структур (например, фос­фолипиды мембран);

2) при их распаде до СО₂ и Н₂О образуется большое количе­ство энергии (1 г жиров дает 38,9 кДж энергии), при недостаточ­ном питании жиры используются организмом как резерв энер­гии;

3)многие гормоны имеют липидную природу;

4)вместе с жирами в организм поступают некоторые витами­ны (А, D, Е, К);

5) жиры подкожной жировой клетчатки плохо проводят тепло и, следовательно, принимают участие в поддержании темпера­турного гомеостаза организма.

Синтез липидов в организме стимулирует, например, инсулин.

Распад жиров в клетках активируют гормоны мозгового вещества надпочечников (адреналин, норадреналин), гормоны щитовид­ной железы (тироксин и трийодтиронин).

Следует отметить, что при избыточном потреблении жиров (в норме около 100 г в сутки) они накапливаются в депо и возни­кает ожирение, сопровождающееся тяжелыми нарушениями об­мена веществ. Жиры играют огромную роль в образовании атеро­склеротических бляшек. При высоком содержании липидов в плазме крови (особенно холестерина) они оседают на стенках сосудов. Образовавшиеся бляшки закупоривают сосуды, препятствуя нор­мальному кровотоку.

Избыточное потребление углеводов также может привести к этому состоянию, так как углеводы могут превращаться в жиры путем сложных биохимических превращений.

Жиры могут синтезироваться из углеводов и белков.

 

 

Для нормального функционирования человеческого организ­ма важное значение имеет не только поступление необходимого количества питательных веществ, но и их процентное соотноше­ние. Наиболее адекватным считается соотношение белков жиров и углеводов в пропорции 1: 1: 4.