Обмен веществ в организме определение. Что такое обмен веществ и в чем причины его нарушения? Что влияет на скорость обменных процессов

11.11.2020

Общее понятие об обмене веществ и энергии Организм человека, как и все живые организмы, существует как открытая энергетическая система. Это значит, что организм постоянно теряет вещество в виде достаточно простых химических соединений. Одновременно с этим происходит выведение энергии из организма. Но организм - это устойчивая энергетическая система, поэтому потеря вещества и энергии восполняется постоянным их поглощением из окружающей среды. Таким образом, через организм человека постоянно идет поток вещества и заключенной в нем энергии. Этот непрерывный поток является одним из важнейших свойств живых организмов и называется обмен веществ и энергии, или метаболизм.

Вещество, поступающее в организм, заключает в себе химическую энергию (энергия внутримолекулярных химических связей). Эта энергия преобразуется в организме в химическую энергию других соединений, а также в тепловую, механическую и электрическую. Электрической энергии в организме вырабатывается немного, но она важна для деятельности нервной и мышечной систем.

Обмен веществ – это единый процесс, осуществляющийся на уровне целостного организма, он складывается из метаболических процессов, происходящих в каждой отдельной клетке. Сутью метаболизма является все многообразие превращений веществ в организме, которые происходят либо с затратой, либо с освобождением энергии. Поэтому общий процесс метаболизма имеет две стороны, неразрывно связанные между собой:

Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен) - это совокупность реакций синтеза, протекающих в клетках. При этом из более простых веществ синтезируются более сложные вещества. Реакции анаболизма идут с затратой энергии. Основным источником энергии для реакций анаболизма является АТФ. Примером таких реакций является биосинтез белка, протекающий во всех клетках. Исходными веществами для анаболизма являются питательные вещества, поступающие в организм с пищей и образующиеся в результате процесса пищеварения. В результате анаболических реакций происходит постоянное самообновление, рост и развитие организма. Кроме этого, реакции анаболизма являются поставщиками органических соединений для процессов катаболизма.

Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) - это совокупность реакций расщепления и распада более сложных органических веществ до более простых, вплоть до углекислого газа и воды. Эти реакции идут с освобождением энергии, примерно половина которой превращается в тепловую и тратится на поддержание температуры тела, а вторая половина энергии запасается в виде макроэргических связей в молекулах АТФ, которая используется в реакциях синтеза.

Основными органическими веществами, из которых состоит организм человека, являются белки, углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, при этом одни вещества могут превращаться в другие, например, углеводы – в жиры и наоборот, белки могут превращаться в жиры и углеводы. Неорганические вещества организма - это вода и минеральные соли. Полноценная, сбалансированная пища должна содержать органические вещества в достаточном количестве и качестве, а также в ее составе должны быть необходимые минеральные соли и вода и витамины. Насчитывается около 60 пищевых веществ, которые требуют сбалансированности.

Однообразное питание, приводящее к исключению отдельных компонентов, вызывает нарушение обмена веществ. Принято выделять белковый, углеводный, жировой и водно-солевой обмен. Энергетическую ценность пищи измеряют в килокалориях(ккал). Суточная потребность человека в энергии составляет в среднем около 3 100 к. Дж. Эта величина зависит от пола, возраста, физической и эмоциональной активности. Особенно высоки затраты энергии в пересчете на массу тела у детей 1 – 5 лет в связи с высокой активностью обменных процессов.

Белковый обмен Среди всех органических соединений, входящих в состав организма человека, наибольшее количество приходится на белки. Функции белков в организме очень многообразны: структурная (входят в состав мембран клеток, образуют цитоскелет); каталитическая (белки-ферменты); регуляторная (белки - гормоны); транспортная (альбумины и глобулины плазмы крови, гемоглобин эритроцитов); защитная (белки - антитела, белки свертывающей системы крови); рецепторная, сигнальная (белки мембран рецепторных окончаний); сократительная (актин и миозин мышечных клеток, белок тубулин жгутиков и ресничек); энергетическая (освобождение энергии при расщеплении белков);

Белки имеют особое значение в сбалансированном питании, так как они в организме человека не синтезируются из других органических соединений и должны поступать в организм в составе пищи. С химической точки зрения белки - это полимерные соединения, состоящие из аминокислот. В пищеварительном тракте человека белки пищи расщепляются до аминокислот, из которых затем в клетках тела синтезируются собственные белки. В составе белков человека 22 различные аминокислоты. Все аминокислоты делятся на заменимые и незаменимые.

Заменимые могут образовываться в организме человека из других аминокислот. Незаменимые аминокислоты в организме человека синтезироваться не могут, и поэтому должны поступать в составе пищи. В организме взрослого человека могут синтезироваться 14 аминокислот. Незаменимых аминокислот у детей 10, а у взрослых 8 (аргинин, валин, лейцин, изолейцин и др.). Недостаток или отсутствие какой-либо одной незаменимой аминокислоты приводит к замедлению и даже остановке роста и развития. В связи с этим существует понятие биологическая ценность белков.

Белки, содержащие все незаменимые аминокислоты и в достаточном количестве, называются полноценными. Это животные белки (белки мяса, рыбы, яиц, молока). Белки, содержащие не все незаменимые аминокислоты, называются неполноценными. Это белки растительного происхождения (кроме белков картофеля).

Белки пищи под действием протеолитических ферментов, входящих в состав пищеварительных соков, расщепляются до аминокислот и всасываются через стенки кишечника в кровь. С током крови аминокислоты поступают в клети организма и участвуют в дальнейших превращениях (биосинтез белка, преобразование в другие аминокислоты и др.).

Полное окисление 1 грамма белков до углекислого газа, воды и мочевины сопровождается освобождением 17, 6 к. Дж (4, 1 ккал) энергии. Белки практически не откладываются в запас. При белковом голодании в клетках происходит использование белков мембран самих клеток, что приводит к тяжелым нарушениям обменных процессов. Суточная потребность взрослого человека в белках составляет 90 150 граммов (в зависимости от физических нагрузок).

Избыток белков в пище может превращаться в гликоген и жиры, но в основном избыточные аминокислоты окисляются до углекислого газа, воды и аммиака. Аммиак токсичен, поэтому в печени он превращается в нетоксичную мочевину и выводится в составе мочи. В организме взрослого человека в норме количество синтезируемых белков равно количеству распадающегося белка. У детей синтез белков преобладает на их распадом, а у старых людей преобладает процесс распада над синтезом.

В зрелом возрасте у здорового человека существует азотное равновесие, т. е. количество азота, полученного с белками пищи равно количеству выделяемого азота. В молодом, растущем организме идет накопление белковой массы, поэтому азотный баланс будет положительный, т. е. количество поступающего азота превышает количество выводимого из организма. В престарелом возрасте из-за преобладающего распада белков азотный баланс отрицателен, т. е. количество азота поступившего в организм меньше количества азота, выведенного из организма.

Болезни, связанные с отсутствием белка. Уменьшается содержание белка в сыворотке крови, развивается гипопротеинемия. Вслед за белками крови распадаются белки печени, мышц, кожи. Позже распадаются белки мышц сердца и головного мозга. Ранний показатель-изменение мочевины в моче.

Углеводный обмен В организм человека углеводы поступают в составе пищи в виде моносахаридов (глюкоза, фруктоза, галактоза), дисахаридов (сахароза, мальтоза, лактоза) и полисахаридов (крахмал, гликоген). До 60% энергообмена человека зависит от превращений углеводов. Окисление углеводов происходит гораздо быстрее и легче по сравнению с окислением жиров и белков. В организме человека углеводы выполняют ряд важных функций:

энергетическая (при полном окислении одного грамма глюкозы освобождается 17, 6 к. Дж энергии); рецепторная (образуют углеводные рецепторы гликокаликса клеток); защитная (входят в состав слизей); запасающая (в мышцах и печени откладываются в запас в виде гликогена);

В пищеварительном тракте человека полисахариды и дисахариды расщепляются под действие амилолитических ферментов до глюкозы и других моносахаров. В крови человека содержание глюкозы очень постоянно, от 0, 08 до 0, 12%. В организме избыток углеводов из крови под действием гормона инсулина откладывается в запас в виде полисахарида гликогена в печени и в мышцах. При недостатке инсулина развивается тяжелое заболевание – сахарный диабет.

Запасы гликогена в организме взрослого человека составляют около 400 граммов. Эти запасы легко мобилизуются на энергетические нужды: под действием гормона глюкагона и некоторых ферментов гликоген расщепляется до глюкозы. Суточная потребность человека в углеводах 400 - 600 граммов. Богата углеводами растительная пища. При недостатке углеводов в пище они могут синтезироваться из жиров и белков. Избыток углеводов в пище превращается в процессе метаболизма в жиры.

Жировой обмен Жиры (липиды) составляют 10 -20% массы тела. Большинство молекул жира человека – это сложные эфиры трехатомного спирта глицерола и высших карбоновых (жирных) кислот. Липиды могут быть твердыми (жиры) и жидкими (масла). Жиры выполняют ряд важных функций:

структурная (жиры – фосфолипиды являются основой строения клеточных мембран); энергетическая (полное окисление 1 г жира до углекислого газа и воды освобождает 38, 9 к. Дж (9, 3 ккал) энергии); защитная (теплоизоляция и гидроизоляция от внешних воздействий низкой температуры и агрессивных водных растворов, сдавливающего действия механического давления на определенные участки тела); амортизационная (жировые капсулы некоторых внутренних органов (почек и др.); источник эндогенной воды (1 г жира при окислении освобождает 1, 1 г воды, которая может использоваться организмом на метаболические нужды; животные степей и пустынь могут длительно обходиться без питья за счет окисления запасного жира); регуляторная (некоторые гормоны являются производными жиров, например прогестерон, андростерон и др.); являются растворителями для жирорастворимых витаминов.

В пищеварительном тракте жиры под действием липолитических ферментов расщепляются до глицерола и жирных кислот. Эти вещества в клетках слизистой тонкого кишечника преобразуются в собственные жиры человека и всасываются в лимфу. Избыток жиров, поступающих в пищей, откладывается в запас на поверхности внутренних органов и в подкожной жировой клетчатке. В составе жиров человека имеются насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты. Ненасыщенные в организме человека не синтезируются, поэтому должны поступать с пищей.

Источником ненасыщенных жирных кислот являются растительные масла. Суточная потребность взрослого человека в жирах - 80 -100 г. , при этом около 30% их количества должны составлять растительные масла как источник ненасыщенных жирных кислот. При недостатке жиров в пище они могут синтезироваться из белков и углеводов. Чрезмерное употребление жиров животного происхождения способствует образованию холестерина, который откладывается на внутренних стенках артерий и приводит к утолщению их стенок и способствует развитию гипертонии.

Водный и солевой обмен Организм человека содержит около 65% воды. Особенно большое количество воды содержат клетки нервной ткани (нейроны), клетки селезенки и печени – до 85%. В эмбриональных клетках количество воды может быть до 95%, а в старых клетках ее содержание снижается до 60%. На каждый килограмм веса тела взрослого человека приходится около 700 г воды, при этом 500 г внутриклеточной и 200 г внеклеточной воды. Суточная потеря воды с мочой, при дыхании, через кожу, с калом у взрослого человека составляет около 2, 5 литров, поэтому суточная потребность в воде равна этому количеству.

Восполнение потерь воды осуществляется за счет пищи потребления жидкости. Около 300 г воды ежесуточно образуется внутри организма за счет окисления белков, жиров и углеводов. Вода как химическое вещество обладает рядом уникальных физико-химических свойств, на чем основаны функции, которые она выполняет в организме:

является универсальным растворителем (все биохимические реакции в клетках происходят только в растворенном состоянии); определяет упругость (тургор) клеток и тканей; является основой жидких транспортных систем (движение цитоплазмы, крови, лимфы) и пищеварительных соков; является основой внутренней среды (кровь, лимфа; тканевая, плевральная, спинномозговая, суставная жидкости); является реагентом в биохимических реакциях; участвует в сохранении, распределении и перераспределении тепла в организме и в терморегуляции; Без воды человек может прожить не более 5 суток.

Минеральные соли необходимы для нормального протекания обменных процессов и функционирования всех систем органов, нормального роста и развития. Макроэлементами, количество которых составляет десятки и сотни граммов в организме, являются натрий, калий, кальций, фосфор и магний. Организму человека требуется большое разнообразие микроэлементов, количество которых исчисляется миллиграммами. Как правило, потребность в минеральных солях покрывается продуктами пищи, за исключением поваренной соли и йода, которым бедны воды и почвы некоторых регионов, в том числе и территория Алтайского края. Каждый минеральный элемент выполняет свою важную роль и не может быть заменен никаким другим элементом.

Функции некоторых минеральных элементов в организме человека и их суточная потребность Название элемента Функции в организме Суточная потребность, г Натрий (хлорид натрия) Ионы находятся в тканевой жидкости на наружной поверхности клеточной мембраны; обеспечивает процессы возбудимости клеток 10 - 12 Калий Ионы находятся на внутренней поверхности клеточной мембраны и обеспечивают процессы возбудимости клеток 2 - 3

Фосфор Входит в состав межклеточного вещества костной ткани; является необходимым компонентом фосфорсодержащих органических соединений (АТФ, ДНК, РНК) 1, 5 – 2, 0 Кальций Входит в состав межклеточного вещества костной ткани; ионы участвуют в процессах мышечного сокращения и свертывания крови 0, 6 – 0, 8 Магний Входит в состав межклеточного вещества костной ткани; 0, 3 Железо Входит в состав гемоглобина и некоторых окислительных ферментов 0, 001 – 0, 003 Хлор (хлорид натрия) Входит в состав желудочного сока (соляная кислота) 10 - 12

Сера Входит в состав некоторых аминокислот 0, 8 – 1, 0 Йод Входит в состав гормонов щитовидной железы 0, 00003 Цинк Входит в состав ферментов, катализирующих образование инсулина и половых гормонов Фтор Входит в состав твердых тканей зубов и костей Бром Входит в состав нервной ткани, обеспечивая процессы возбуждения и торможения Медь Входит в состав некоторых ферментов 0, 001 Кобальт Входит в состав молекулы витамина В 12 , активизирует активность некоторых дыхательных ферментов

В клетках постоянно осуществляются обмен веществ (метаболизм) — многообразные химические превращения, обеспечивающие их рост, жизнедеятельность, постоянный контакт и обмен с окружающей средой. Благодаря обмену веществ белки, жиры, углеводы и другие вещества, входящие в состав клетки, непрерывно расщепляются и синтезируются. Реакции, составляющие эти процессы, происходят с помощью специальных ферментов в определенном органоиде клетки и характеризуются высокой организованностью и упорядоченностью. Благодаря этому в клетках достигается относительное постоянство состава, образование, разрушение и обновление клеточных структур и межклеточного вещества.

Обмен веществ неразрывно связан с процессами превращения энергии. В результате химических превращений потенциальная энергия химических связей преобразуется в другие виды энергии, используемой на синтез новых соединений, для поддержания структуры и функции клеток и т.д.

Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных, одновременно протекающих в организме процессов — пластического и энергетического обменов .

Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция) — совокупность всех реакций биологического синтеза. Эти вещества идут на построение органоидов клетки и создание новых клеток при делении.Пластический обмен всегда сопровождается поглощением энергии.

Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция) — совокупность реакций расщепления сложных высокомолекулярных органических веществ — белков, нуклеиновых кислот, жиров, углеводов на более простые, низкомолекулярные. При этом выделяется энергия, заключенная в химических связях крупных органических молекул. Освобожденная энергия запасается в форме богатых энергией фосфатных связей АТФ.

Реакции пластического и энергетического обменов взаимосвязаны и в своем единстве составляют обмен веществ и превращение энергии в каждой клетке и в организме в целом.

Пластический обмен

Суть пластического обмена заключается в том, что из простых веществ, поступающих в клетку извне, образуются вещества клетки. Рассмотрим этот процесс на примере образования важнейших органических соединений клетки — белков.

В синтезе белка — этом сложном, многоступенчатом процессе —участвуют ДНК, мРНК, тРНК, рибосомы, АТФ и разнообразные ферменты. Начальный этап белкового синтеза — образование полипептидной цепи из отдельных аминокислот, расположенных в

строго определенной последовательности. Главная роль в определении порядка расположения аминокислот, т.е. первичной структуры белка, принадлежит молекулам ДНК. Последовательность аминокислот в белках определена последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК. Участок ДНК, характеризующийся определенной последовательностью нуклеотидов, называется геном. Ген — это участок ДНК, являющийся элементарной частицей генетической информации. Таким образом, синтез каждого определенного специфического белка определяется геном. Каждой аминокислоте в полипептидной цепочке соответствует комбинация из трех нуклеотидов — триплет, или кодон. Именно три нуклеотида определяют присоединение к полипептидной цепи одной аминокислоты. Например, участок ДНК с триплетом ААЦ соответствует аминокислоте лейцину, триплет ТТТ — лизину, ТГА — треонину. Данная корреляция между нуклеотидами и аминокислотами называется генетическим кодом. В состав белков входит 20 аминокислот и всего 4 нуклеотида. Только код, состоящий из трех последовательно расположенных оснований, мог бы обеспечить задействование всех 20 аминокислот в структурах белковых молекул. Всего в генетическом коде 64 разных триплета, представляющих возможные сочетания из четырех азотистых оснований по три, что с избытком достаточно для кодирования 20 аминокислот. Каждый триплет шифрует одну аминокислоту, но большинство аминокислот кодируется более чем одним кодоном. В настоящее время код ДНК расшифрован полностью. Для каждой аминокислоты точно установлен состав кодирующих ее триплетов. Например, аминокислоте аргинин могут соответствовать такие триплеты нуклеотидов ДНК, как ГЦА, гцг, гцт, гцц, тцт, тцц.

Синтез белка осуществляется на рибосомах, а информация о структуре белка зашифрована в ДНК, расположенной в ядре. Для того чтобы синтезировался белок, информация о последовательности аминокислот в его первичной структуре должна быть доставлена к рибосомам. Этот процесс включает два этапа: транскрипцию и трансляцию.

Транскрипция (буквально — переписывание) протекает как реакция матричного синтеза. На цепи ДНК, как на матрице, по принципу комплементарности синтезируется цепь иРНК, которая по своей нуклеотидной последовательности точно копирует (комплементарна) полинуклеотидной цепи ДНК, причем тимину в ДНК соответствует урацил в РНК. Информационная РНК — это копия не всей молекулы ДНК, а только части ее — одного гена, несущего информацию о структуре белка, сборку которого необходимо произвести. Существуют специальные механизмы «узнавания» начальной точки синтеза, выбора цепи ДНК, с которой считывается информация, а также механизмы завершения процесса, в которых участвуют специальные кодоны. Так образуется матричная РНК. Молекула мРНК, несущая ту же информацию, что и гены, выходит в цитоплазму. Перемещение РНК через ядерную оболочку в цитоплазму происходит благодаря специальным белкам, которые образуют комплекс с молекулой РНК.

В цитоплазме на один из концов молекулы мРНК нанизывается рибосома; аминокислоты в цитоплазме активизируются с помощью ферментов и присоединяются опять же с помощью специальных ферментов к тРНК (специальному участку связывания с этой аминокислотой). Для каждой аминокислоты существует своя тРНК, один из участков которой (антикодон) представляет собой триплет нуклеотидов, соответствующий определенной аминокислоте и комплементарный строго определенному триплету иРНК.

Начинается следующий этап биосинтеза — трансляция : сборка полипептидных цепей на матрице иРНК. По мере сборки белковой молекулы рибосома перемещается по молекуле иРНК, причем перемещается не плавно, а прерывисто, триплет за триплетом. По мере перемещения рибосомы по молекуле мРНК сюда же с помощью тРНК доставляются аминокислоты, соответствующие триплетам мРНК. К каждому триплету, на котором останавливается в своем передвижении по нитевидной молекуле мРНК рибосома, строго комплементарно присоединяется тРНК. При этом аминокислота, связанная с тРНК, оказывается у активного центра рибосомы. Здесь специальные ферменты рибосомы отщепляют аминокислоту от тРНК и присоединяют к предыдущей аминокислоте. После установки первой аминокислоты рибосома передвигается на один триплет, а тРНК, оставив аминокислоту, мигрирует в цитоплазму за следующей аминокислотой. С помощью такого механизма шаг за шагом наращивается белковая цепь. Аминокислоты соединяются в ней в строгом соответствии с расположением кодирующих триплетов в цепи молекулы мРНК. Чем дальше продвинулась рибосома по иРНК, тем больший отрезок белковой молекулы «собран». Когда рибосома достигнет противоположного конца иРНК, синтез окончен. Нитевидная молекула белка отделяется от рибосомы. Молекула мРНК может использоваться для синтеза полипептидов многократно, как и рибосома. На одной молекуле иРНК может размещаться несколько рибосом (полирибосома). Их число определяется длиной мРНК.

Биосинтез белков — сложный многоступенчатый процесс, каждое звено которого катализируется определенными ферментами и снабжается энергией за счет молекул АТФ.

Энергетический обмен

Процессом, противоположным синтезу, является диссимиляция — совокупность реакций расщепления. В результате диссимиляции освобождается энергия, заключенная в химических связях пищевых веществ. Эта энергия используется клеткой для осуществления различной работы, в том числе и ассимиляции. При расщеплении пищевых веществ энергия выделяется поэтапно при участии ряда ферментов. В энергетическом обмене обычно выделяют три этапа.

Первый этап — подготовительный . На этом этапе сложные высокомолекулярные органические соединения расщепляются ферментативно, путем гидролиза, до более простых соединений — мономеров, из которых они состоят: белки — до аминокислот, углеводы — до моносахаридов (глюкозы), нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов и т.д. На данном этапе выделяется небольшое количество энергии, которая рассеивается в виде теплоты.

Второй этап — бескислородный, или анаэробный. Он называется также анаэробным дыханием (гликолизом) или брожением. Гликолиз происходит в клетках животных. Он характеризуется ступенчатостью, участием более десятка различных ферментов и образованием большого числа промежуточных продуктов. Например, в мышцах в результате анаэробного дыхания шестиуглеродная молекула глюкозы распадается на 2 молекулы пировиноградной кислоты (С3Н403), которые затем восстанавливаются в молочную кислоту (С3Н603). В этом процессе принимают участие фосфорная кислота и АДФ. Суммарное выражение процесса следующее:

С6Н1 206+ 2Н3Р04+ 2АДФ -» 2С3Н603+ 2АТФ + 2Н20.

В ходе расщепления выделяется около 200 кДж энергии. Часть этой энергии (около 80 кДж) расходуется на синтез двух молекул АТФ, благодаря чему 40% энергии сохраняется в виде химической связи в молекуле АТФ. Оставшиеся 120 кДж энергии (более 60 %) рассеиваются в виде теплоты. Процесс этот малоэффективный.

При спиртовом брожении из одной молекулы глюкозы в результате многоступенчатого процесса в конечном счете образуются две молекулы этилового спирта, две молекулы С02

С6Н1206+ 2Н3Р04+ 2АДФ -> 2С2Н5ОН ++ 2С02+ 2АТФ + 2Н20.

В этом процессе выход энергии (АТФ) такой же, как и при гликолизе. Процесс брожения — источник энергии для анаэробных организмов.

Третий этап — кислородный, или аэробное дыхание, или кислородное расщепление . На этой стадии энергетического обмена происходит последующее расщепление образовавшихся на предыдущем этапе органических веществ путем окисления их кислородом воздуха до простых неорганических, являющихся конечными продуктами — СО2и Н20. Кислородное дыхание сопровождается выделением большого количества энергии (около 2600 кДж) и аккумуляцией ее в молекулах АТФ.

В суммарном виде уравнение аэробного дыхания выглядит так:

2С3Н603+ 602+ 36АДФ -» 6С02+ 6Н20 + 36АТФ + 36Н20.

Таким образом, при окислении двух молекул молочной кислоты за счет выделившейся энергии образуется 36 энергоемких молекул АТФ. Следовательно, основную роль в обеспечении клеткиэнергией играет аэробное дыхание.

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!

Метаболизм или обмен веществ - это полный комплекс химических реакций и процессов, которые протекают в живой клетке , обеспечивающих ее жизнедеятельность, рост, деление и взаимодействие с внешней средой.

Именно правильный обмен веществ обеспечивает расщепление и усвоение молекул веществ, из которых состоят клетки или необходимых для функционирования, разрушения, обновления клеток и межклеточного вещества. Благодаря правильному метаболизму за 80 суток обновляется тканевой покров организма, белки мышечных волокон обновляются за 180 дней, клетки печени и сыворотка крови обновляется за 10 дней, а некоторые печеночные ферменты - всего за 2-4 часа.

Метаболизм неразрывно связан с процессом превращения энергии . В результате химических реакций потенциальная энергия из сложных органических молекул превращается в другие виды энергии, которая используется для всех процессов жизнедеятельности клеток. Все эти процессы протекают при участии катализаторов - ферментов . У каждого вида живых организмов метаболизм является уникальным, свойственным только этому виду. Обмен веществ каждого вида обусловлен прежде всего условиями его обитания и существования в целом.

Обмен веществ состоит из двух основных процессов , которые неразрывно связаны друг с другом и протекают одновременно:

Анаболизм (ассимиляция) ;
Катаболизм (диссимиляция) .

Анаболизм (пластический обмен ) - это процессы синтеза (построения) сложных органических молекул из более простых, получаемых в результате катаболизма.

Катаболические процессы - это комплекс химических реакций по расщеплению крупных молекул до более мелких, которые могли бы пройти в клетку. При этом одновременно выделяется энергия, которую организмы запасают обычно в молекулах АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты ). Катаболизм обычно протекает во время окислительных или гидролитических реакций. При этом, такие процессы протекают как при участии кислорода (дыхание , аэробный путь ), так и без его участия (брожение, гликолиз - анаэробный путь ).

В зависимости от типа обмена веществ существует два типа живых организмов :

1) Гетеротрофы - это организмы, которые синтезируют органические соединения за счет продуктов, которые образуются в результате катаболизма и энергии, выделяющейся в процессе этого. Начальным сырьем для образования тканей таких организмов являются простые органические вещества. Из этих соединений каждая клетка в отдельности синтезирует нужные для нее соединения. Таким образом, синтез белка может происходить на месте (гликоген синтезируется напрямую в мышцах, а не поставляется с кровью из печени).

2) Автотрофы - это организмы, которые могут совершать синтез органических соединений из углекислого газа с помощью реакций окислений (хемосинтез ) и солнечного света (фотосинтез ). Такими организмами являются некоторые виды бактерий и зеленые растения.

С развитием живых организмов в течение эволюции системы регуляции стали более сложными и упорядоченными. Сегодня у высокоразвитых организмов имеются дополнительные регуляторные гормональные механизмы и нервные механизмы , которые либо напрямую действуют на синтез ферментов или на сами ферменты, а также могут влиять на чувствительность клеток к тому или иному ферменту.

11 277

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:

поддержание постоянства внутренней среды организма в непрерывно меняющихся условиях существования и адаптация к изменениям внешних условий.
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.