Глава 10. Обмен веществ и энергии. Питание.
Обмен веществ и энергии — это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в организме человека и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой. Непрерывно идущий между организмом и окружающей средой обмен веществ и энергией является одним из наиболее существенных признаков жизни.
Для
поддержания процессов жизнедеятельности
обмен веществ и энергии
обеспечивает пластические и энергетические потребности
организма.
Это достигается за счет извлечения
энергии из поступающих
в организм питательных веществ и
преобразования ее в формы макроэргических (АТФ
и другие молекулы) и восстановленных (НАДФ’Н
— никотин- амид- адениндинуклеотидфосфат)
соединений. Их энергия используется
для синтеза белков, нуклеиновых кислот,
липидов,
а также компонентов клеточных мембран
и органелл клетки,
для выполнения механической, химической,
осмотической и электрической
работ, транспорта ионов.
В обмене веществ (метаболизме) и энергии выделяют два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм, основу которого составляют процессы ассимиляции, и катаболизм, в основе которого лежат процессы диссимиляции.
Анаболизм — это совокупность процессов биосинтеза органических веществ, компонентов клетки и других структур органов и тканей. Анаболизм обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также непрерывный ресинтез макроэргов и накопление энергетических субстратов.
Катаболизм —
это совокупность процессов расщепления
сложных молекул,
компонентов клеток, органов и тканей
до простых веществ, с
использованием части из них в качестве
предшественников биосинтеза, и до
конечных продуктов распада с образованием
макроэргических
и восстановленных соединений.
На схеме видно, что взаимосвязь процессов катаболизма и анаболизма основывается на единстве биохимических превращений, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности и постоянное обновление тканей организма. Движущей силой жизнедеятельности служит катаболизм. Сопряжение анаболических и ката-
447
Рис.10.1. Схема основных функциональных блоков метаболизма клетки (пояснения в тексте)
болических процессов могут осуществлять различные вещества, но главную роль играют АТФ, НАДФ-Н. В отличие от других посредников метаболических превращений АТФ циклически рефосфорили-руется, а НАДФ • Н — восстанавливается.
Обеспечение
энергией процессов жизнедеятельности
осуществляется за счет анаэробного и аэробного катаболизма
поступающих в организм
с пищей белков, жиров и углеводов. В ходе
анаэробного сбраживания
глюкозы (гликолиза) или ее резервного
субстрата гликогена
(гликогенолиза) превращение 1 моля
глюкозы в 2 моля лак-тата
приводит к образованию 2 молей АТФ.
Энергии, образующейся в
ходе анаэробного обмена, недостаточно
для осуществления процессов
жизнедеятельности животных организмов.
За счет анаэробного
гликолиза могут удовлетворяться лишь
ограниченные кратковременные
энергетические потребности клетки.
Известно, например,
что зрелый эритроцит млекопитающих
полностью удовлетворяет свои
энергетические нужды за счет гликолиза.
В
организме животных и человека в процессе
аэробного обмена почти
все органические вещества, в том числе
продукты анаэробного
обмена, полностью распадаются до СО 2 и Н2О.
Общее количество
молекул АТФ, образующихся при полном
окислении 1 моля глюкозы
до СО2 и Н2О,
составляет 25,5 молей. При полном окислении
молекулы жиров образуется большее
количество молей АТФ, чем
при окислении молекулы углеводов. Так
при полном окислении 1
моля пальмитиновой кислоты образуется
91,8 молей АТФ. Количество
молей АТФ, образующихся при полном
окислении аминокислот
и углеводов, примерно одинаково.
АТФ
играет в организме
448
роль внутренней «энергетической валюты», переносчика и аккумулятора химической энергии.
Основным источником энергии восстановления для реакции биосинтеза жирных кислот, холестерина, аминокислот, стероидных гормонов, предшественников синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот является НАДФ • Н. Образование этого вещества осуществляется в цитоплазме клетки в процессе фосфоглюконатного пути катаболизма глюкозы. При таком расщеплении 1 моля глюкозы образуется 12 молей НАДФ-Н.
Процессы
анаболизма и катаболизма находятся в
организме в состоянии
динамического равновесия или превалирования
одного из них.
Преобладание анаболических процессов
над катаболическими приводит
к росту, накоплению массы тканей, а
преобладание ката-болических
процессов ведет к частичному разрушению
тканевых структур,
выделению энергии. Состояние равновесного
или неравновесного
соотношения анаболизма и катаболизма
зависит от возраста
(преобладание анаболизма в детском
возрасте, равновесие у взрослых,
преобладание катаболизма в старческом
возрасте), состояния
здоровья, выполняемой организмом
физической или психоэмоциональной
нагрузки.
Нарушение обмена веществ
В организме человека, как, впрочем, и других живых существ, одновременно текут два взаимно уравновешенных процесса: всё в теле постоянно разрушается с образованием энергии и всё постоянно восстанавливается за счёт потребления пищи, так что по видимости никаких изменений вообще нет. Равновесие двух этих процессов — суть так называемого обмена веществ.
Обмен веществ в организме человека считается нормальным, когда процессы выработки энергии и ее восстановления вполне соответствуют друг другу. Но часто он идет с некоторым преобладанием одного из них.
Если в каком-то отношении преобладают процессы распада и выработки энергии, о таких людях говорят: «не в коня корм»… Такие люди худеют.
Если же в каком-то отношении преобладают накопительные, строительные процессы, то имеет место обратное явление… Такие люди имеют лишний вес.
Обмен веществ, как и всё в организме, регулируется нервной системой; так что какова организация тонуса нервных регуляторных центров, таково и состояние организма.
Поэтому, чтобы перевести организм в целом из одного устойчивого состояния в другое, надо устойчиво изменить тонус отдельных центров мозга.
Регуляцией обмена веществ в организме человека в основном занят отдел мозга, именуемый «гипоталамус». В нём обнаружено два отдела: эрготический(гpеч. ergon — работа) — он регулирует скорость выработки энергии, и трофический (греч. trophe — пища, питание) — он регулирует строительные, восстановительные, накопительные процессы.
Если по каким-либо причинам повышен тонус эрготического отдела гипоталамуса, то человек худеет. Если же по каким-то причинам повышен тонус трофического отдела — усилены процессы накопления, отложения… Так вот, упомянутый выше регуляторный сдвиг — это и есть, так называемое, нарушение обмена веществ.
Итак, регуляция процессов обмена веществ осуществляется непосредственно центральной и вегетативной нервной системой или гормонально. Любое заболевание сопровождается
нарушением обменных процессов в организме, что особенно отчетливо проявляется при расстройствах функций нервной системы и желез внутренней секреции.
Основной обмен повышается при заболеваниях, связанных с усилением функций щитовидной железы, и понижается при заболеваниях, обусловленных недостаточной функцией этой железы, а также при снижении функции гипофиза, надпочечников, половых желез и при общем голодании. Обмен веществ и энергии нарушается при неправильном питании — избыточном, недостаточном или качественно неполноценном.
Нарушения обмена веществ и энергии проявляются в изменении взаимодействия и превращении различных соединений, избыточном накоплении промежуточных продуктов обмена, в неполном или чрезмерном их выделении и извращении течения различных процессов с образованием веществ, чуждых нормальному организму.
Генетически обусловленное расстройство обмена веществ также служит причиной многих болезней (подагра, ожирение и др.).
Восстановление нарушенного обмена веществ — непростой процесс, который потребует серьезного отношения, настойчивости и упорства. Первый шаг в этом направлении – консультация врача психотерапевта, эндокринолога, невролога.
Эффективность человеческого тела – Физика тела: от движения к метаболизму
Перейти к содержимому
Это сканирование фМРТ показывает повышенный уровень потребления энергии в зрительном центре головного мозга. Здесь пациента просили распознавать лица. Изображение предоставлено: NIH через Wikimedia Commons.Все функции организма, от мышления до поднятия тяжестей, требуют энергии. Множество мелких мышечных движений, сопровождающих любую спокойную деятельность, от сна до почесывания головы, в конечном итоге становятся тепловой энергией, как и менее заметные мышечные действия сердца, легких и пищеварительного тракта. скорость , при которой организм использует энергию пищи для поддержания жизни и выполнения различных действий, называется метаболической скоростью. Общая скорость преобразования энергии человека в состоянии покоя называется скоростью основного обмена (BMR) и распределяется между различными системами организма, как показано в следующей таблице:
4 Basal Metabolic Rates (BMR)»> Наибольшая часть энергии поступает в печень и селезенку, затем идет мозг.
Около 75% калорий, сожженных за день, идут на эти основные функции. Целых 25% всей основной метаболической энергии, потребляемой организмом, используется для поддержания электрических потенциалов во всех живых клетках. (Нервные клетки используют этот электрический потенциал в нервных импульсах.) Эта биоэлектрическая энергия в конечном итоге становится в основном тепловой энергией, но некоторая ее часть используется для питания химических процессов, например, в почках и печени, а также в производстве жира. BMR зависит от возраста, пола, общей массы тела и количества мышечной массы (которая сжигает больше калорий, чем жировые отложения). Спортсмены имеют более высокий BMR из-за этого последнего фактора. Конечно, при энергичных физических нагрузках заметно возрастают энергозатраты скелетных мышц и сердца. Следующая диаграмма суммирует основные энергетические функции в организме человека.
(Химическая потенциальная энергия на самом деле является формой потенциальной электрической энергии, но мы не будем специально обсуждать электрическую потенциальную энергию в этом учебнике, поэтому мы разделили их. ) Тепло
Тело способно накапливать внутреннюю тепловую энергию. Помня, что тепловая энергия — это всего лишь кинетическая энергия атомов и молекул, мы признаем, что эти два типа энергии хранятся в микроскопическом масштабе и находятся внутри тела. Поэтому мы часто объединяем эти два типа микроскопической энергии в (). Когда на объекте теплее, то его окружение будет передаваться от объекта к окружению, но если объект холоднее, чем его окружение, то тепловая энергия будет передаваться объекту из его окружения. Количество тепловой энергии, обмениваемой за счет разности температур, часто называют (). Когда тепло передается из тела в окружающую среду, мы говорим, что это называется , как показано на предыдущем рисунке. Мы узнаем больше о том, как связаны температура и теплопередача, в следующем разделе.
Энергосбережение
Указывает, что энергия не может быть создана или уничтожена. Следовательно, если тело совершает полезную работу по передаче в окружающую среду () или по передаче в окружающую среду как , то эта энергия должна была выйти из тела . Мы наблюдаем это повсюду в природе как:
(1)
Тепловые двигатели
Ваше тело использует внутренние запасы для выполнения , и этот процесс также генерирует тепловую энергию, которую вы высвобождаете в виде . Двигатели внутреннего сгорания, которыми питается большинство автомобилей, работают аналогичным образом, преобразовывая химическую потенциальную энергию топлива в тепловую энергию через , затем преобразуя часть тепловой энергии в , а часть отбрасывая в . Ваше тело способно высвобождать химическую потенциальную энергию в вашей пище без сгорания, и это хорошо, потому что вы не можете использовать свою энергию для того, чтобы что-то делать. Машины, которые могут использоваться для выполнения работы, такие как двигатель внутреннего сгорания, известны как .
Тепловые двигатели по-прежнему регулируются , поэтому любая тепловая энергия должна была быть не использована для выполнения работы. Подводимая тепловая энергия, которая может быть использована для выполнения работы, а не потрачена впустую, определяет мощность тепловой машины.
Преобразование человеческого тела в известное как тело. Мы часто рассчитываем механический КПД тела в процентах:
(2)
Механическая эффективность тела ограничена, поскольку энергия, используемая для метаболических процессов, не может быть использована для выполнения полезной работы. Дополнительный объем, образующийся во время химических реакций, приводящих в действие мышечные сокращения, а также в суставах и других тканях, еще больше снижает работоспособность человека. [2] .
Упражнения с подкреплением
«Увы, наши тела не на 100 % эффективны в преобразовании энергии пищи в механическую продукцию. Но при эффективности около 25 % мы на удивление хороши, учитывая, что большинство автомобилей имеют эффективность около 20 % , а эффективность кукурузного поля в Айове составляет всего около 1,5 % при преобразовании поступающего солнечного света в химическое хранение [потенциальной энергии].
” [3] Для отличного обсуждения человека и сравнения с другими машинами и источниками топлива см. MPG of a Human Тома Мерфи, источник предыдущей цитаты.
Повседневный пример: Энергия, необходимая для подъема по лестнице
Если предположить, что подъем по лестнице составляет 20 %, насколько уменьшится ваша энергия, когда человек весом 65 кг поднимается по лестнице высотой 15 м ? Сколько человек передает окружающей среде в качестве ?
Во-первых, давайте посчитаем изменение в :
человек при преобразовании в своем теле в механическую энергию, в частности . Однако их эффективность составляет всего 20%, а это означает, что только 1/5 используемой ими химической потенциальной энергии идет на выполнение полезной работы. Следовательно, изменение химической потенциальной энергии должно быть в 5 раз больше, чем механическая работа9.0003
Используемый вышел из человека так:
Мы можем использовать, чтобы найти тепловую энергию, израсходованную человеком:
(3)
Перестановка для :
Мы находим, что тепло имеет отрицательное значение, что имеет смысл, поскольку человек выбрасывает тепловую энергию из тела в окружающую среду, поднимаясь по лестнице.
В качестве альтернативы, мы могли бы сразу знать, что должно быть 4/5 от общей суммы потерь , потому что только 1/5 пошла на полезные действия . Таким образом, теплота выхлопа должна быть:
По историческим причинам мы часто измеряем и в единицах ( кал ) вместо . В одной калории 4,184 джоуля. Мы измеряем накопленные в пище единицы в 1000 калорий или килокалорий ( ккал ), и иногда мы записываем килокалории как калории ( кал ) с большой буквы C вместо строчной буквы c 900. 89 . Например, бублик с 350 кал имеет 350 ккал , или 350 000 кал . Преобразование в джоули, это будет в рогалике.
Повседневные примеры
Какую часть рогалика вам нужно съесть, чтобы компенсировать 47 775 Дж потери внутренней энергии (as ), которую мы подсчитали в предыдущем повседневном примере о подъеме по лестнице?
Есть 1 464 400 J /бублик
Поэтому нам нужно есть:
Упражнения с подкреплением
Пульсоксиметр — это прибор, который измеряет количество кислорода в крови.
Оксиметры можно использовать для определения скорости метаболизма человека, то есть скорости, с которой энергия пищи преобразуется в другую форму. Такие измерения могут указывать на уровень спортивной подготовки, а также на определенные медицинские проблемы. (кредит: УусиАйая, Wikimedia Commons)Процесс пищеварения в основном представляет собой процесс окисления пищи, поэтому потребление энергии прямо пропорционально потреблению кислорода. Следовательно, мы можем определить фактическую энергию, потребляемую во время различных видов деятельности, путем измерения потребления кислорода. В следующей таблице показаны уровни потребления кислорода и соответствующей энергии для различных видов деятельности.
| Деятельность | Энергопотребление в ваттах | Потребление кислорода в литрах O 2 /мин |
| Спальный | 83 | 0,24 |
| Сидя в состоянии покоя | 120 | 0,34 |
| Стоя расслабленно | 125 | 0,36 |
| Сидя в классе | 210 | 0,60 |
| Ходьба (5 км/ч) | 280 | 0,80 |
| Велоспорт (13–18 км/ч) | 400 | 1,14 |
| Дрожь | 425 | 1,21 |
| Игра в теннис | 440 | 1,26 |
| Плавание брассом | 475 | 1,36 |
| Катание на коньках (14,5 км/ч) | 545 | 1,56 |
| Подъем по лестнице (116/мин) | 685 | 1,96 |
| Велоспорт (21 км/ч) | 700 | 2,00 |
| Бег по пересеченной местности | 740 | 2. 12 |
| Игра в баскетбол | 800 | 2,28 |
| Велоспорт, профессиональный гонщик | 1855 | 5,30 |
| Спринт | 2415 | 6,90 |
Повседневные примеры: Снова подъем по лестнице
В предыдущих примерах мы предполагали, что наша механическая эффективность при подъеме по лестнице составляет 20%. Давайте используем данные из приведенной выше таблицы, чтобы проверить это предположение. Данные в таблице относятся к 76 кг человек преодолевают 116 ступеней в минуту. Давайте посчитаем скорость, с которой этот человек совершал механическую работу при подъеме по лестнице, и сравним скорость, с которой он расходовал внутреннюю энергию (первоначально из пищи).
Минимальная стандартная высота ступени в США составляет 6,0 дюймов [4] (0,15 м ), тогда гравитационная потенциальная энергия человека массой 76 кг будет увеличиваться на 130 Дж с каждым шагом, как рассчитано ниже :
При подъеме по 116 ступеням в минуту скорость использования энергии или мощности будет:
Согласно нашей таблице данных, тело использует 685 Вт , чтобы подняться по лестнице с такой скоростью.
Рассчитаем эффективность:
В процентах эффективность механики этого человека при подъеме по лестнице составляет 32%. Возможно, мы недооценили в предыдущих примерах, когда предполагали 20-процентную эффективность подъема по лестнице.
Закрепляющие упражнения
Мы часто говорим о «сжигании» калорий для похудения, но что это означает на самом деле с научной точки зрения? Во-первых, мы на самом деле имеем в виду потерю, потому что это мера того, сколько вещества находится в нашем теле, а вес зависит от того, где вы находитесь (на Луне все по-другому). Во-вторых, наши тела не могут просто поменяться местами и — они не являются одной и той же физической величиной и даже не имеют одинаковых единиц измерения. Так как же на самом деле мы теряем массу, тренируясь? На самом деле мы не «сжигаем» атомы и молекулы, составляющие ткани тела, такие как жир. Вместо этого мы расщепляем молекулы жира на более мелкие молекулы, а затем разрываем связи внутри этих молекул, чтобы высвободить , которые мы в конечном итоге превращаем в и .
Атомы и более мелкие молекулы, образующиеся в результате разрыва связей, объединяются, образуя углекислый газ и водяной пар (CO 2 и Н 2 О) и выдыхаем их. Мы также выделяем немного H 2 O с потом и мочой. Процесс похож на сжигание дров в костре — в итоге получается гораздо меньше золы, чем исходной древесины. Куда делась остальная масса? В воздух как CO 2 и H 2 O. То же самое относится и к топливу, сжигаемому вашим автомобилем. Подробнее об этой концепции смотрите в первом видео ниже. Действительно удивительный факт заключается в том, что ваше тело завершает этот химический процесс без чрезмерных температур, связанных с сжиганием дерева или топлива, которые могут повредить ваши ткани. Хитрость организма заключается в использовании ферментов, представляющих собой узкоспециализированные молекулы, которые действуют как катализаторы для повышения скорости химических реакций, как описано и анимировано в начале второго видео ниже.
Как и в случае с телом, эффективность любого энергетического процесса можно описать как количество энергии, преобразованной из входной формы в желаемую форму, деленное на исходное количество входной энергии. На следующей диаграмме показана эффективность различных систем при преобразовании энергии в различные формы. В таблице не учитываются затраты, риск опасности или воздействие на окружающую среду, связанные с требуемым топливом, строительством, техническим обслуживанием и побочными продуктами каждой системы.
| Система | Форма ввода энергии | Форма желаемого результата | Максимальная эффективность |
| Тело человека | Химический потенциал | Механический | 25 % |
| Автомобильный двигатель | Химический потенциал | Механический | 25 % |
| Потоковые турбинные электростанции, работающие на угле, нефти и газе | Химический потенциал | Электрика | 47% |
| Газовые электростанции с комбинированным циклом | Химический потенциал | Электрика | 58 % |
| Биомасса/биогаз | Кинетик | Электрика | 40% |
| Атомная | Кинетик | Электрика | 36% |
| Солнечно-фотоэлектрическая электростанция | Солнечный свет (электромагнитный) | Электрика | 15% |
| Солнечно-тепловая электростанция | Солнечный свет (электромагнитный) | Электрика | 23% |
| Гидроэлектростанции и приливные электростанции | Гравитационный потенциал | Электрика | 90%+ |
[5] [6] [7]
Откройте вкладку «Энергетические системы» в этом моделировании, чтобы визуализировать различные системы преобразования энергии
- Значительное содержание этой главы было адаптировано из: OpenStax, College Physics.
OpenStax CNX. 30 августа 2019 г. http://cnx.org/contents/[email protected] ↵ - «Максимальная работа и механическая эффективность мышц человека, а также их наиболее экономичная скорость» A.V. Hill, National Медицинская библиотека, Национальные институты здравоохранения США ↵
- «MPG of a Human» Тома Мерфи, Do The Math, Физический факультет UCSD ↵
- «1917.120 — Фиксированные лестницы». Управление по охране труда, Министерство труда США ↵
- «Управление водными ресурсами на Западе: гидроэнергетика» Бюро мелиорации Министерства внутренних дел США ↵
- «Эффективность производства электроэнергии» EURELECTRIC «Сохранение ресурсов» ” Подгруппа рабочей группы «Разведка и добыча» совместно с ВГБ, Союзом электроэнергетиков ↵
- «Эффективность устройств преобразования энергии» Института электронного образования Джона Э. Даттона, Пенсильванский государственный колледж наук о Земле и минералах ↵
OpenStax CNX. 30 августа 2019 г. http://cnx.org/contents/License
Body Physics: Motion to Metabolism by Lawrence Davis находится под лицензией Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 4.
0 International License, если не указано иное.
Поделиться этой книгой
Поделиться в Твиттере
Метаболизм – питание человека
Глава 3. Организм человека и пищеварение
Энергия требуется для того, чтобы построить молекулы в более крупные макромолекулы (например, белки) и превратить макромолекулы в органеллы и клетки, которые затем превращаются в ткани, органы и системы органов и, наконец, в организм. Правильное питание обеспечивает необходимые питательные вещества для выработки энергии, которая поддерживает жизненные процессы. Ваше тело строит новые макромолекулы из питательных веществ в пище.
Поток питательных веществ и энергии
Энергия хранится в химических связях питательных веществ. Энергия исходит от солнечного света, который растения захватывают и посредством фотосинтеза используют для преобразования углекислого газа в воздухе в молекулу глюкозы. Когда связи глюкозы разрываются, высвобождается энергия.
Бактерии, растения и животные (включая человека) получают энергию из глюкозы посредством биологического процесса, называемого клеточным дыханием. В этом процессе требуется кислород, и химическая энергия глюкозы постепенно высвобождается в ходе ряда химических реакций. Часть этой энергии задерживается в молекуле аденозинтрифосфата (АТФ), а часть теряется в виде тепла. АТФ можно использовать, когда это необходимо для запуска химических реакций в клетках, требующих затрат энергии. Для клеточного дыхания требуется кислород (аэробный), и он обеспечивается как побочный продукт фотосинтеза. Побочными продуктами клеточного дыхания являются углекислый газ (CO2) и вода, которые растения используют для повторного проведения фотосинтеза. Таким образом, углерод постоянно циркулирует между растениями и животными.
Рисунок 3.16 Поток энергии от Солнца к растениям и животным
Растения собирают энергию солнца и улавливают ее в молекуле глюкозы. Люди собирают энергию в глюкозе и захватывают ее в молекулу АТФ.
Метаболизм определяется как сумма всех химических реакций, необходимых для поддержания клеточной функции и, следовательно, жизни организма. Метаболизм классифицируется либо как катаболизм, относящийся ко всем метаболическим процессам, связанным с распадом молекул, либо к анаболизму, который включает все метаболические процессы, участвующие в построении более крупных молекул. Как правило, катаболические процессы высвобождают энергию, а анаболические процессы потребляют энергию. Общими целями метаболизма являются передача энергии и транспорт веществ. Энергия из пищевых макроэлементов преобразуется в клеточную энергию, которая используется для выполнения клеточной работы. Метаболизм превращает макроэлементы в вещества, которые клетка может использовать для роста и размножения, а также в отходы. Например, ферменты — это белки, и их задача — катализировать химические реакции. Катализировать означает ускорить химическую реакцию и уменьшить энергию, необходимую для завершения химической реакции, без использования катализатора в реакции.
Без ферментов химические реакции не происходили бы с достаточной скоростью и потребляли бы слишком много энергии для существования жизни. Метаболический путь представляет собой серию катализируемых ферментами реакций, которые превращают исходный материал (известный как субстрат) в промежуточные продукты, которые являются субстратами для последующих ферментативных реакций в пути, пока, наконец, не будет синтезирован конечный продукт в результате последней ферментативной реакции. в пути. Некоторые метаболические пути сложны и включают множество ферментативных реакций, а другие включают лишь несколько химических реакций.
Для обеспечения клеточной эффективности метаболические пути, участвующие в катаболизме и анаболизме, регулируются в соответствии с энергетическим статусом, гормонами и уровнями субстрата и конечного продукта. Согласованное регулирование метаболических путей предотвращает неэффективное построение клетками молекулы, когда она уже доступна. Точно так же, как было бы неэффективно строить стену одновременно с ее разрушением, для клетки метаболически неэффективно синтезировать жирные кислоты и одновременно разрушать их.
Катаболизм пищевых молекул начинается, когда пища попадает в рот, так как фермент амилаза слюны инициирует расщепление крахмала в пищевых продуктах. Весь процесс пищеварения превращает большие полимеры в пище в мономеры, которые могут быть абсорбированы. Крахмалы расщепляются до моносахаридов, липиды – до жирных кислот, а белки – до аминокислот. Эти мономеры всасываются в кровоток либо напрямую, как в случае с моносахаридами и аминокислотами, либо переупаковываются в клетках кишечника для транспорта непрямым путем через лимфатические сосуды, как в случае с большинством жирных кислот и других жирорастворимых молекул.
После всасывания водорастворимые питательные вещества сначала попадают в печень, которая контролирует их поступление в кровь, которая транспортирует питательные вещества к клеткам по всему телу. Жирорастворимые питательные вещества постепенно переходят из лимфатических сосудов в кровь, оттекающую к клеткам организма. Клетки, которым требуется энергия или строительные блоки, поглощают питательные вещества из крови и перерабатывают их катаболическим или анаболическим путем.
Системам органов тела требуется топливо и строительные блоки для выполнения многих функций организма, таких как пищеварение, всасывание, дыхание, перекачка крови, транспортировка питательных веществ и отходов, поддержание температуры тела и создание новых клеток.
Рисунок 3.17 Метаболические процессы в клетке
Энергетический метаболизм относится более конкретно к метаболическим путям, которые высвобождают или сохраняют энергию. Некоторые из них являются катаболическими путями, такими как гликолиз (расщепление глюкозы), β-окисление (расщепление жирных кислот) и катаболизм аминокислот. Другие являются анаболическими путями и включают те, которые участвуют в хранении избыточной энергии (например, гликогенез) и синтезе триглицеридов (липогенез). Таблица 3.2 «Метаболические пути» суммирует некоторые катаболические и анаболические пути и их функции в энергетическом метаболизме.
Таблица 3.2 Метаболические пути
| Катаболические пути | Функция | Анаболические пути | Функция |
| Гликолиз | Распад глюкозы | Глюконеогенез | Синтез глюкозы |
| Гликогенолиз | Распад гликогена | Гликогенез | Синтезировать гликоген |
| β-окисление | Распад жирных кислот | Липогенез | Синтез триглицеридов |
| Протеолиз | Расщепление белков до аминокислот | Белковый синтез | Синтез белков |
Катаболизм: Распад
Все клетки настраиваются на свой энергетический баланс.
Когда уровень энергии высокий, клетки строят молекулы, а когда уровень энергии низкий, инициируются катаболические пути для производства энергии. Глюкоза является предпочтительным источником энергии для большинства тканей, но жирные кислоты и аминокислоты также могут катаболизироваться с высвобождением энергии, которая может стимулировать образование АТФ. АТФ — это молекула с высокой энергией, которая может запускать химические реакции, требующие энергии. Катаболизм питательных веществ с высвобождением энергии можно разделить на три стадии, каждая из которых включает отдельные метаболические пути. Три стадии распада питательных веществ следующие:
- Этап 1 . Гликолиз глюкозы, β-окисление жирных кислот или катаболизм аминокислот
- Этап 2 . Цикл лимонной кислоты (или цикл Кребса)
- Этап 3 . Цепь переноса электронов и синтез АТФ
Рисунок 3.18 Путь производства АТФ
«Пути аэробного производства» Бумфрифра / CC BY-SA 3.
0 Расщепление глюкозы начинается с гликолиза, который представляет собой метаболический путь из десяти стадий, дающий две молекулы АТФ на молекулу глюкозы; гликолиз происходит в цитозоле и не требует кислорода. Помимо АТФ, конечными продуктами гликолиза являются две трехуглеродные молекулы, называемые пируватом. Пируват может быть либо переведен в цикл лимонной кислоты, чтобы произвести больше АТФ, либо следовать анаболическому пути. Если клетка находится в отрицательном энергетическом балансе, пируват транспортируется в митохондрии, где сначала отщепляется один из его атомов углерода с образованием ацетил-КоА. Расщепление жирных кислот начинается с катаболического пути, известного как β-окисление, которое происходит в митохондриях. В этом катаболическом пути четыре ферментативных этапа последовательно удаляют двухуглеродные молекулы из длинных цепей жирных кислот, давая молекулы ацетил-КоА. В случае аминокислот, после удаления азота из аминокислоты, оставшийся углеродный скелет может быть ферментативно преобразован в ацетил-КоА или какой-либо другой промежуточный продукт цикла лимонной кислоты.
Ацетил-КоА, двухуглеродная молекула, общая для метаболизма глюкозы, липидов и белков, вступает во вторую стадию энергетического обмена, цикл лимонной кислоты.
В цикле лимонной кислоты ацетил-КоА присоединяется к четырехуглеродной молекуле. В этом многоступенчатом пути два атома углерода теряются в виде двух молекул углекислого газа. Энергия, полученная от разрыва химических связей в цикле лимонной кислоты, трансформируется в еще две молекулы АТФ (или их эквиваленты) и высокоэнергетические электроны, переносимые молекулами никотинамидадениндинуклеотида (NADH) и флавинадениндинуклеотида (FADh3). . NADH и FADh3 переносят электроны на внутреннюю мембрану в митохондриях, где происходит третья стадия высвобождения энергии, так называемая электрон-транспортная цепь. В этом метаболическом пути происходит последовательный перенос электронов между несколькими белками и синтез АТФ. Весь процесс катаболизма питательных веществ химически подобен горению, поскольку атомы углерода и водорода сгорают (окисляются) с образованием углекислого газа, воды и тепла.
Однако ступенчатые химические реакции в путях катаболизма питательных веществ замедляют окисление атомов углерода, так что большая часть энергии улавливается, а не вся превращается в тепло и свет. Эффективность полного катаболизма питательных веществ составляет от 30 до 40 процентов, поэтому часть энергии высвобождается в виде тепла. Тепло является жизненно важным продуктом катаболизма питательных веществ и участвует в поддержании температуры тела. Если бы клетки были слишком эффективны в улавливании энергии питательных веществ в АТФ, люди не дотянули бы до следующего приема пищи, так как они умерли бы от гипотермии (чрезмерно низкой температуры тела).
Анаболизм: Здание
Энергия, высвобождаемая катаболическими путями, приводит в действие анаболические пути в построении макромолекул, таких как белки РНК и ДНК, и даже целых новых клеток и тканей. Анаболические пути необходимы для создания новой ткани, такой как мышцы, после длительных упражнений или ремоделирования костной ткани, процесса, включающего как катаболические, так и анаболические пути.
Анаболические пути также создают молекулы для хранения энергии, такие как гликоген и триглицериды. Промежуточные продукты катаболических путей энергетического метаболизма иногда отвлекаются от производства АТФ и вместо этого используются в качестве строительных блоков. Это происходит, когда клетка находится в положительном энергетическом балансе. Например, промежуточный продукт цикла лимонной кислоты, α-кетоглутарат, может быть анаболически преобразован в глутамат аминокислот или глутамин, если они необходимы. Организм человека способен синтезировать одиннадцать из двадцати аминокислот, входящих в состав белков. Все метаболические пути синтеза аминокислот ингибируются конкретной аминокислотой, которая является конечным продуктом данного пути. Таким образом, если в клетке достаточно глютамина, она отключает его синтез.
Анаболические пути регулируются их конечными продуктами, но еще в большей степени энергетическим состоянием клетки. Когда энергии достаточно, более крупные молекулы, такие как белок, РНК и ДНК, будут строиться по мере необходимости.
В качестве альтернативы, когда энергии недостаточно, белки и другие молекулы будут разрушаться и катаболизироваться для высвобождения энергии. Драматический пример этого можно увидеть у детей с маразмом, формой сильного голодания. Эти дети имеют серьезные нарушения функций организма, часто заканчивающиеся смертью от инфекции. Детям с маразмом не хватает калорий и белка, которые необходимы для выработки энергии и построения макромолекул. Отрицательно-энергетический баланс у детей, страдающих маразмом, приводит к распаду мышечной ткани и тканей других органов в попытках организма выжить. Значительное уменьшение мышечной ткани делает детей с маразмом истощенными или «истощенными мышцами».
Рисунок 3.19 Метаболический путь глюконеогенеза
В гораздо менее тяжелом примере человек также находится в отрицательном энергетическом балансе между приемами пищи. В это время уровень глюкозы в крови начинает падать. Чтобы восстановить уровень глюкозы в крови до нормального уровня, стимулируется анаболический путь, называемый глюконеогенезом.
Глюконеогенез — это процесс образования молекул глюкозы в основном из определенных аминокислот, происходящий главным образом в печени (рис. 3.19).«Метаболический путь глюконеогенеза»). Печень экспортирует синтезированную глюкозу в кровь для использования другими тканями.
Аккумулятор энергии
Напротив, в состоянии «сытости» (когда уровни энергии высоки) дополнительная энергия от питательных веществ будет храниться. Глюкоза запасается в основном в мышечной и печеночной тканях. В этих тканях он хранится в виде гликогена, высокоразветвленной макромолекулы, состоящей из тысяч молекул глюкозы, удерживаемых вместе химическими связями. Молекулы глюкозы соединяются вместе анаболическим путем, называемым гликогенезом. На каждую запасенную молекулу глюкозы расходуется одна молекула АТФ. Следовательно, для хранения энергии требуется энергия. Уровни гликогена быстро достигают своего физиологического предела, и когда это происходит, избыток глюкозы превращается в жир. Клетка с положительным энергетическим балансом обнаруживает высокую концентрацию АТФ, а также ацетил-КоА, вырабатываемых катаболическими путями.