Загальні закономірності обміну речовин і енергії в організмі людини

Обмін речовин і енергії - це обов'язкова умова існування живих організмів. Організм із зовнішнього середовища отримує енергію і будівельні речовини, потім ці речовини переробляються і, нарешті, непотрібні продукти переробки виділяються з організму в навколишнє середовище. Таким чином, обмін речовин може бути представлений у вигляді трьох процесів.

1. Піщевареніе- це процес в ході якого харчові речовини, як правило, високомолекулярні і для організму чужорідні, під дією травних ферментів розщеплюються і перетворюються в прості сполуки - універсальні для всіх живих організмів. Білки, наприклад, розпадаються на амінокислоти точно такі ж як амінокислоти самого організму. З вуглеводів їжі утворюється універсальний моносахарид - глюкоза. Тому кінцеві продукти травлення можуть вводитися у внутрішнє середовище організму і використовуватися клітинами для різноманітних цілей.

2. Метаболізм- це сукупність хімічних реакцій, що протікає у внутрішньому середовищі організму. Правда, іноді слово «метаболізм» розуміють як синонім обміну речовин.

3. Виделеніе- це процес видалення відпрацьованих речовин з організму. Цей процес відбувається, як на останніх етапах травлення, так і в ході метаболізму. В останньому випадку у виділенні бере участь кров і особливі органи виділення продуктів розпаду азотистих речовин -Нирки.

Виділяють зовнішній і проміжний види обміну речовин. Зовнішній обмін речовин - це позаклітинний перетворення речовин на шляхах їх надходження і виділення. Цей вид обміну зазвичай вивчається в курсах фізіології человека.Промежуточний обмінречовин - обмін речовин усередині клітин, що включає перетворення компонентів їжі після їх перетравлення і всмоктування. Проміжний обмін є предметом вивчення біохімії. Часто саме до внутрішньоклітинних процесів застосовують термін метаболізм. Метаболізм являє собою безліч послідовних ферментативних реакцій.

Клітинний метаболізм складається з двох потоків реакцій - енергетичного (катаболізму) і конструктивного метаболізму (анаболізму) .Катаболізм (дисиміляція) - це процес розпаду надходять ззовні поживних речовин з утворенням енергетичних субстратів. Енергетичний метаболізм призводить до накопичення клітинної енергії, яка потім витрачається в усіх клітинних енергозалежних процесах.

Анаболизм (асиміляція) - це процес біосинтезу, що забезпечує побудову компонентів клітини з надходять ззовні речовин. Анаболизм пов'язаний зі споживанням енергії. Анаболизм і катаболізм пару, а ініціатором загальна їх частина називається - амфіболізмом або центральними метаболічними реакціями. Отже, амфіболізм - це сполучена частина катаболічних і анаболічних процесів.

В обміні речовин виділяють два взаємопов'язаних, але різноспрямовані процеси - анаболізм і катаболізм. Анаболизм (асиміляція) являє собою сукупність хімічних реакцій, в результаті яких з простих сполук утворюються складні органічні речовини, специфічні для організму (нуклеїнові кислоти, білки та ін.). Анаболічні реакції протікають з використанням хімічної енергії у вигляді макроергічних зв'язків (в основному АТФ) і відновлювальних еквівалентів (НАДН2 і НАДФН2), утворених при розпаді біоорганічних сполук.

Під катаболизмом (диссимиляцией) мають на увазі розпад складних органічних молекул до більш простих або до утворення низькомолекулярних кінцевих продуктів, які виділяються з організму. Катаболические реакції супроводжуються виділенням вільної енергії, яка укладена в складних молекулах органічних речовин. Частина цієї енергії перетворюється в хімічну форму енергії (АТФ, відновлювальні еквіваленти та ін.) І запасається в клітинах організму в вигляді вуглеводів, ліпідів і білків. Велика частина енергії розсіюється у вигляді тепла. Крім того, внаслідок многоступенчатости цього процесу утворюється велика кількість проміжних метаболітів (піруват, оксалоацетат, альфа-кетоглутарат, ацетил-SКoA і деякі інші), які можуть бути використані в реакціях анаболізму в якості субстратів - джерел вуглецевих атомів.

Таким чином, тісний зв'язок між анаболизмом і катаболизмом проявляється на трьох рівнях: 1) на рівні джерел атомів вуглецю; 2) на енергетичному рівні (АТФ); 3) на рівні відновлювальних еквівалентів (рис.1).

Швидкість і збалансованість анаболічних і катаболічних процесів залежать від віку і рухової активності людини, температури навколишнього середовища і самого організму (наприклад, при захворюванні), якісного і кількісного складу їжі і багатьох інших факторів. Так, у дітей анаболічні процеси переважають над катаболическими, що створює умови для росту організму, збільшення обсягу тканин і органів. Реакції анаболізму протікають з великими витратами енергії, тому дітям не рекомендуються важкі і тривалі фізичні навантаження, які можуть загальмувати процеси росту. Відмінності в середній швидкості асиміляції і дисиміляції найбільш виражені відразу після народження, а потім поступово згладжуються. З 17-20 років встановлюється динамічна рівновага між цими двома сторонами обміну речовин. З цього часу зростання організму практично припиняється, що фіксується за відносним сталості маси тіла. У старіючому організмі переважають катаболические процеси. Це призводить до зменшення вмісту структурних білків, гормонів, ферментів, легко доступних для використання джерел енергії та інших фізіологічно важливих речовин, в зв'язку з чим знижуються функціональні можливості органів і тканин, погіршується регуляція обмінних процесів, утруднене відновлення організму після фізичних навантажень.

Мал. Взаємозв'язок катаболічних і анаболічних процесів обміну речовин

Протягом життя змінюється також загальна інтенсивність обмінних процесів. Найвища після народження, вона поступово знижується до зрілого віку, стабілізується на досить значний період часу і знову зменшується до старості. Висока інтенсивність обмінних процесів забезпечує швидке зростання організму, швидку оновлюваність тканин, створює необхідні передумови для підвищеної функціональної активності.

Всі зміни в обмінних процесах, що відбуваються під впливом зовнішніх чинників, носять адаптаційний характер. Вони забезпечують підвищення стійкості організму до дії цих факторів. Завдяки тому, що обмін речовин може змінюватися, забезпечуючи необхідні зрушення або сталість 10 констант в організмі, живі організми мають високу пристосувальної здатністю. Так, при виконанні інтенсивної м'язової роботи різко посилюються процеси дисиміляції, що забезпечують енергією м'язову діяльність. Після завершення роботи відбувається перемикання енергетичного обміну на заповнення витрачених енергетичних субстратів, що зруйнувалися структурних білків, ферментів, синтез багатьох життєво важливих для організму речовин, т. Е. Починають переважати процеси асиміляції. Тому постійна напружена м'язова тренування може забезпечити переважання анаболічних процесів над катаболическими, що призводить до накопичення важливих для функціонування м'язів скорочувальних білків, енергетичних субстратів, ферментів, інших речовин і підвищенню функціональних можливостей організму.

Посилення процесів катаболізму спостерігається також при зниженні температури навколишнього середовища. Збільшується при цьому освіту тепла охороняє організм від переохолодження. Підвищення швидкості дисиміляції, що спостерігається при захворюваннях, є джерелом тепла, що підвищує температуру тіла.

На перебіг обмінних процесів істотний вплив може чинити харчування. Надмірне надходження продуктів харчування в організм людини веде до посилення анаболічних процесів, в першу чергу синтезу ліпідів, що має наслідком розвиток ожиріння. Навпаки, недостатнє і неповноцінне з точки зору якісного складу харчування може привести до зниження загальної інтенсивності обмінних процесів і переважання процесів розпаду над процесами синтезу. Це, в свою чергу, супроводжується кахексією (виснаженням) і може бути причиною летального результату. Кахексія може спостерігатися також при патології, наприклад в термінальних стадіях злоякісних новоутворень, коли в клітинах організму людини починають превалювати катаболические процеси внаслідок зниження надходження в них будівельних і паливних молекул.

Численні фактори зовнішнього середовища впливають на окремі сторони обмінних процесів. Так, перебування на сонці посилює реакції, що забезпечують синтез і накопичення в шкірних покривах пігменту меланіну, що оберігає організм від ультрафіолетових променів, здатних викликати фотостаріння і рак шкіри.

Метаболізм являє собою високо координовану і цілеспрямовану клітинну активність, що забезпечується участю багатьох взаємопов'язаних мультиферментних систем. Він складається із сотень різних ферментативних реакцій, кожна з яких підпорядковується першому і другому законам термодинаміки. Перетворення органічних сполук у клітині здійснюється, як правило, у вигляді ланцюга або послідовності реакцій, які називаються метаболічними шляхами, а залучаємо в такі реакції з'єднання - метаболітами.

Для метаболізму характерна многостадийность процесів, що відбуваються. Катаболізм поживних речовин включає 3 основних етапи - підготовчий, проміжний і заключний (рис. 2). На підготовчому етапі складні молекули вуглеводів, жирів і білків розпадаються до структурних мономерів: білки - до амінокислот, складні вуглеводи - до моносахаридів, в основному глюкози, жири - до гліцерину і жирних кислот. При цьому виділяється незначна кількість потенційної енергії (близько 1%) у формі тепла. Такий розпад поживних речовин відбувається в травній системі і в цитоплазмі або лизосомах клітин різних тканин під дією ферментів, що відносяться, як правило, до класу гідролаз. Проміжний етап включає в себе внутрішньоклітинні реакції, в результаті яких утворюється невелика кількість проміжних сполук, які називаються центральними метаболітами обміну речовин (піруват, ацетил-SКоА, оксалоацетат, -кетоглутарат, сукцинил-SКoA, фумарат). На цьому етапі виділяється близько 30% енергії у формі тепла і відмінності-них видів хімічної енергії (АТФ і відновлювальних еквівалентів). Заключний етап зводиться до подальшого перетворення центральних метаболітів в які виділяються з організму кінцеві продукти обміну речовин (вуглекислий газ і вода), при цьому виділяється близько 70% укладеної в продуктах харчування енергії. Основна форма утвореною на цьому етапі енергії зосереджується в макроергічних фосфатних зв'язках АТФ, частина її виділяється у формі тепла. Всі реакції цього етапу зосереджені в мітохондріях.

З наведеного малюнка слід, що початкові етапи катаболізму основних поживних речовин (білків, вуглеводів і жирів), а саме підготовчий і проміжний, відбуваються за участю ферментів, специфічних для кожного класу речовин, тому ці етапи називають специфічними шляхами катаболізму. З великого числа вихідних з'єднань при цьому утворюються лише кілька метаболітів: піруват, активна форма оцтової кислоти (аце-тил-КоА) і деякі сполуки, що відносяться до субстратів лімоннокіслого циклу Кребса (оксалоацетат, α-кетоглутарат, сукцинат і фумарат). Після утворення піровиноградної кислоти подальший шлях розпаду речовин до кінцевих продуктів (СО2 і Н2О) протікає однаково. Тому процес, що починається з пірувату, називається загальним шляхом катаболізму. Він, в свою чергу, складається з двох процесів: окислювального декарбоксилювання піровиноградної кислоти з утворенням ацетил-КоА (I загальний шлях катаболізму) і окислення ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот (ЦТК) Кребса (II загальний шлях катаболізму). Загальні шляхи катаболізму представляють собою єдині шляхи розпаду різних класів речовин, що є продовженням специфічних шляхів. З ними, в основному, пов'язані головні біоенергетичні процеси, пов'язані з вивільненням і накопиченням енергії в клітині.