Значение обмена веществ: что это такое и как он влияет на организм человека

что это такое и как он влияет на организм человека

Содержимое

• 1 Обмен веществ: что это такое и как он влияет на наш организм?
  • 1.1 Обмен веществ и его значимость для организма человека
    • 1.1.1 Что такое обмен веществ?
    • 1.1.2
    • 1.1.3 Как обмен веществ влияет на организм человека?
    • 1.1.4 Какие факторы влияют на обмен веществ?
  • 1.2 Обмен веществ: что это такое и как он влияет на организм человека
    • 1.2.1 Что такое обмен веществ?
    • 1.2.2 Как обмен веществ влияет на организм человека?
    • 1.2.3 Что влияет на обмен веществ?
  • 1.3 Какие процессы происходят в организме при обмене веществ
    • 1.3.1 Процессы анаболизма
    • 1.3.2 Процессы катаболизма
    • 1.3.3 Процессы обмена веществ в органах
  • 1.4 Зачем организму нужен обмен веществ
  • 1.5 Обмен веществ: Как он влияет на вес и форму тела
    • 1.5.1 Расход энергии
    • 1.5.2 Замедление метаболизма
    • 1.5. 3 Нарушение гормонального баланса
    • 1.5.4 Сбалансированное питание
    • 1.5.5 Физическая активность
  • 1.6 Какие факторы могут влиять на обмен веществ
  • 1.7 Как повысить скорость обмена веществ
    • 1.7.1 Правильное питание
    • 1.7.2 Физическая активность
    • 1.7.3 Пить воду
    • 1.7.4 Контроль уровня стресса
    • 1.7.5 Нормальный сон
  • 1.8 Питание и обмен веществ
    • 1.8.1 Какие продукты помогают ускорить обмен веществ:
  • 1.9 Обмен веществ: что это такое и как он влияет на организм человека
    • 1.9.1 Что такое обмен веществ во время сна
  • 1.10 Роль обмена веществ: как он влияет на здоровье и иммунитет
    • 1.10.1 Здоровье
    • 1.10.2 Иммунитет
  • 1.11 Влияние возраста на обмен веществ
  • 1.12 Значение обмена веществ при занятиях спортом и фитнесом
  • 1.13 Вопрос-ответ:
    • • 1.13.0.1 Что такое обмен веществ?
      • 1.13.0.2 Как обмен веществ влияет на организм человека?
      • 1. 13.0.3 Какие факторы могут повлиять на обмен веществ?
      • 1.13.0.4 Как правильно оценить обмен веществ?
      • 1.13.0.5 Каким образом можно ускорить обмен веществ?
      • 1.13.0.6 Какие заболевания могут быть связаны с нарушениями обмена веществ?
  • 1.14 Видео по теме:

Обмен веществ — это процесс, благодаря которому организм получает энергию, удаляет отходы и обеспечивает рост и восстановление тканей. В статье мы расскажем, как работает обмен веществ и как влияют на него питание и образ жизни.

Обмен веществ – это фундаментальный процесс, который происходит в каждой клетке нашего организма и позволяет поддерживать жизнедеятельность. В ходе метаболизма пища и кислород превращаются в энергию, которая необходима для работы всех органов и систем организма.

Однако, обмен веществ не ограничивается только получением энергии. Он отвечает также за другие процессы, такие как дыхание, выведение шлаков и токсинов из организма и регулирование температуры тела. Все эти функции играют критическую роль в человеческом организме, поэтому нарушения в метаболизме могут иметь серьезные последствия для здоровья.

В данной статье мы рассмотрим, как происходит обмен веществ, какие факторы могут влиять на этот процесс и как улучшить его работу, чтобы сохранить здоровье и внешнюю привлекательность.

Обмен веществ и его значимость для организма человека

Что такое обмен веществ?

Обмен веществ – это сложный биологический процесс, в результате которого наш организм получает энергию и необходимые питательные вещества. В процессе обмена веществ жиры, белки и углеводы разбиваются и превращаются в молекулы АТФ – основной энергетический материал для нашего тела.

Да, часто

0%

Да, иногда

0%

Как обмен веществ влияет на организм человека?

Обмен веществ играет важную роль в поддержании жизненного энергетического баланса нашего организма. Он позволяет нам не только получать энергию, но и регулировать наш вес, контролировать уровень сахара в крови и поддерживать работоспособность органов и тканей.

Нарушения обмена веществ могут приводить к серьезным заболеваниям, таким как диабет, ожирение, атеросклероз и другим проблемам со здоровьем. Поэтому важно следить за тем, чтобы наш обмен веществ был в равновесии.

Какие факторы влияют на обмен веществ?

• Генетические факторы. Некоторые люди имеют более быстрый или медленный обмен веществ по наследству. Это может повлиять на скорость, с которой наш организм использует энергию и усваивает питательные вещества.
• Питание и образ жизни. Рацион питания и уровень физической активности также значимы для обмена веществ. При недостаточном потреблении питательных веществ и недостаточной физической активности организм может замедлять обмен веществ, что приводит к проблемам со здоровьем.

Таким образом, обмен веществ – это важный процесс для нашего организма, который нужно следить и контролировать. Рациональное питание, активный образ жизни и контроль за состоянием здоровья помогут поддерживать нормальный обмен веществ и сохранять здоровье в целом.

Обмен веществ: что это такое и как он влияет на организм человека

Что такое обмен веществ?

Обмен веществ — это сложный биологический процесс в организме, который включает в себя все химические реакции, происходящие внутри клеток для поддержания жизненных функций организма. Процессы обмена веществ включают в себя процессы синтеза и разложения питательных веществ, образования и распада энергии. Обмен веществ необходим, чтобы тело могло получать энергию и поддерживать свои жизненно важные функции.

Как обмен веществ влияет на организм человека?

Обмен веществ играет важную роль в поддержании здоровья человека. Здоровый обмен веществ поддерживает гомеостаз внутри организма, что означает, что баланс между входящими и выходящими веществами сохраняется в оптимальном состоянии. Нарушение обмена веществ может привести к заболеваниям, таким как диабет, ожирение, метаболический синдром и другим заболеваниям, связанными с низким уровнем метаболизма.

Что влияет на обмен веществ?

1. Возраст
2. Пол
3. Генетические особенности
4. Уровень физической активности
5. Питание и диета
6. Внешние факторы (температура окружающей среды, стресс и другие)

Понимание того, как эти факторы влияют на обмен веществ, поможет людям лучше контролировать своё здоровье и предотвратить возможные нарушения метаболизма.

Какие процессы происходят в организме при обмене веществ

Процессы анаболизма

Анаболизм — это процесс синтеза новых молекул из простых молекул. Он происходит в организме при получении пищи, когда происходит расщепление питательных веществ на молекулы, которые затем перерабатываются клетками в белки, углеводы и жиры. Белки используются для роста и восстановления тканей, углеводы — как энергетический источник, а жиры — для выработки гормонов.

Процессы катаболизма

Катаболизм — это процесс разложения сложных молекул на простые. Он происходит, когда организм нуждается в энергии, но пищи нет. Тогда организм начинает использовать запасы, которые накоплены в белках, углеводах и жирах. Эти вещества разбиваются на молекулы, транспортируются к клеткам, где происходит окисление и выделение энергии.

Процессы обмена веществ в органах

Обмен веществ происходит во всех органах и тканях организма. Например, печень осуществляет обработку и утилизацию токсичных продуктов метаболизма, выработку желчи и синтез глюкозы. Легкие участвуют в газообмене, а почки — в выведении шлаков и регулировании водно-электролитного и кислотно-щелочного баланса организма.

Примерный расход энергии на разные виды деятельностиВид деятельностиРасход энергии (ккал/час для человека весом 70 кг)

Стояние или сидение	84
Ходьба со скоростью 5 км/час	280
Бег со скоростью 10 км/час	700
Плавание со скоростью 2 км/час	350
Спокойный сон	60

Расход энергии на разные виды деятельности зависит от интенсивности и продолжительности упражнений, а также от возраста, пола и массы тела человека.

Зачем организму нужен обмен веществ

Обмен веществ — это сложный процесс, в результате которого наш организм получает необходимую энергию и строительные материалы для функционирования всех органов и систем.

Благодаря обмену веществ мы можем получать из пищи все необходимые питательные вещества, такие как белки, жиры, углеводы, витамины и минералы.

Кроме того, обмен веществ позволяет организму избавляться от вредных продуктов обмена, таких как углекислый газ и мочевину.

Обмен веществ играет важную роль в поддержании гомеостаза, то есть стабильного состояния внутренней среды организма, что в свою очередь способствует здоровью и долголетию.

Поэтому очень важно следить за своим питанием и образом жизни, чтобы поддерживать здоровый обмен веществ и долгое время сохранять хорошее самочувствие и высокую работоспособность.

Обмен веществ: Как он влияет на вес и форму тела

Расход энергии

Обмен веществ влияет на количество энергии, которую наш организм тратит в покое. Чем выше у человека базовый метаболизм, тем больше энергии он тратит в покое, что положительно сказывается на метаболизме жировой ткани в организме.

Однако не забываем о том, что влияние обмена веществ на потребление энергии может быть уменьшено в результате того, что организм начнет адаптироваться к дефициту калорий.

Замедление метаболизма

Когда мы стареем, обмен веществ начинает замедляться, что снижает наш базовый метаболизм и может привести к набору веса. Также замедление метаболизма может произойти из-за недостаточной физической активности и сидячего образа жизни.

Нарушение гормонального баланса

Гормональный баланс является одним из ключевых факторов, влияющих на вес и форму тела человека. Обмен веществ также может быть нарушен из-за гормональных изменений, вызванных патологиями щитовидной железы, гипоталамуса, гормонами, выбрасываемыми под воздействием стресса или дисбаланса половых гормонов.

Сбалансированное питание

Сбалансированное питание с достаточным количеством белков, жиров и углеводов может оказать положительное влияние на обмен веществ и снизить риск набора веса. Рацион должен включать различные виды питательных веществ, необходимых для поддержания здоровых процессов в организме.

Физическая активность

Регулярная физическая активность помогает повысить уровень обмена веществ в организме, что может привести к снижению веса. Разнообразие упражнений, таких как аэробика, силовые тренировки или фитнес, позволяют усиленно работать все группы мышц и оживить метаболизм организма.

• Итог:
• Обмен веществ может иметь большое влияние на вес и форму тела человека, поэтому важно следить за состоянием своего метаболизма, правильно питаться и быть физически активным.

Какие факторы могут влиять на обмен веществ

Питание: состав пищи, ее количество и регулярность приема могут оказывать значительное влияние на метаболизм. Потребление большого количества быстроусваивающихся углеводов и жиров, а также недостаток белка, витаминов и минералов может снизить скорость обмена веществ. При этом организм может начать запасать энергию в виде жира.

Физическая активность: занятия спортом, физические нагрузки повышают скорость обмена веществ, так как организму требуется энергия для выполнения упражнений. Регулярная тренировка улучшает метаболизм, повышает энергетическую потребность, что может способствовать потере веса.

Гормональный фон: уровень гормонов, таких как инсулин, тироксин, адреналин, может влиять на скорость обмена веществ. Нарушение их выделения может привести к метаболическим заболеваниям, таким как сахарный диабет и ожирение.

Возраст: с возрастом скорость обмена веществ снижается. Это связано с уменьшением мышечной массы и падением активности гормонов, которые регулируют метаболизм.

Наследственность: некоторые гены могут быть связаны с высокой или низкой скоростью обмена веществ. Наследственные факторы могут оказывать влияние на восприятие пищи, скорость расщепления жиров и углеводов.

Факторы влияющие на обмен веществ

Питание	Физическая активность
Гормональный фон	Возраст
Наследственность

Как повысить скорость обмена веществ

Правильное питание

Питание играет огромную роль в регулировании метаболизма. Чтобы повысить скорость обмена веществ, следует употреблять белки, жиры и углеводы в правильных пропорциях. Организм также нуждается в достаточном количестве витаминов и минералов. Рекомендуется употреблять овощи и фрукты, чтобы получить необходимую дозу витаминов и минералов.

Физическая активность

Физическая активность помогает ускорить обмен веществ в организме. Регулярная тренировка могут увеличить скорость метаболизма и помочь снизить уровень холестерина в крови. Для лучшего эффекта рекомендуется заниматься спортом как минимум 30 минут каждый день.

Пить воду

Пить достаточное количество воды — важный фактор для правильного обмена веществ. Вода помогает почкам и печени очищать организм и ускоряет процесс выведения токсинов. Рекомендуется употреблять не менее 2 литров воды в день для поддержания правильного обмена веществ.

Контроль уровня стресса

Стресс может повлиять на скорость метаболизма. Когда вы испытываете стресс, уровень гормона кортизола в крови повышается, а это может замедлить обмен веществ. Рекомендуется принимать меры по снижению стресса, например, регулярно заниматься йогой, медитацией или другими расслабляющими видами деятельности.

Нормальный сон

Сон играет важную роль в правильном обмене веществ. Недосыпание или бессонница могут ухудшить состояние метаболизма в организме. Рекомендуется спать не менее 7-8 часов в сутки и придерживаться режима сна.

Питание и обмен веществ

Какие продукты помогают ускорить обмен веществ:

Орехи и семена: Включайте в свой рацион миндаль, кедровые орешки, грецкие орехи и семена подсолнечника. Они содержат много витаминов, микроэлементов и антиоксидантов, которые помогают ускорить обмен веществ.

Фрукты: Фрукты содержат много пищевых волокон и витаминов, которые помогают ускорить пищеварение и обмен веществ. Яблоки, бананы, груши, клубника и малина особенно полезны.

Овощи: Овощи – очень важный источник питательных веществ. Морковь, брокколи, спаржа, лук и чеснок — это лучшее, что вы можете добавить в свой рацион для того, чтобы ускорить обмен веществ.

Чай: Зеленый и черный чай содержат много катехинов, которые помогают ускорить обмен веществ. Они также содержат кофеин, который тоже может ускорить метаболизм.

Протеин: Белки являются очень важным источником энергии для вашего тела, и они помогают ускорить обмен веществ. Включайте в рацион мясо, рыбу, яйца, творог и бобовые.

Оливковое масло: Оливковое масло содержит мононенасыщенные жиры, которые помогают ускорить обмен веществ. Они также благотворно влияют на кровеносную систему, помогают бороться с холестерином и предотвращают развитие многих заболеваний.

Острый перец: Острый перец содержит капсаицин, который повышает температуру тела и ускоряет обмен веществ. Включайте в рацион халапеньо и чили для ускорения метаболизма и потери веса.

Обмен веществ: что это такое и как он влияет на организм человека

Что такое обмен веществ во время сна

Обмен веществ — это процесс химических реакций, происходящих в организме, когда он потребляет пищу, выполняет физические нагрузки или отдыхает. Во время сна обмен веществ в организме не прекращается, хотя скорость его снижается в несколько раз по сравнению с нормальной дневной активностью.

Во время сна организм регулирует уровень гормонов в крови, что влияет на скорость обмена веществ. Кроме того, во время сна происходит активное восстановление клеток и тканей, особенно в мозге и мышцах.

Недостаток сна может привести к изменениям в обмене веществ, так как организм необходимо замедлить процессы, связанные с нервной системой и физической активностью. Это может привести к различным нарушениям, включая ожирение, инсулинорезистентность и другие заболевания.

Поэтому важно обеспечивать организму достаточное количество качественного сна, чтобы он мог эффективно функционировать и проводить все необходимые процессы обмена веществ.

Роль обмена веществ: как он влияет на здоровье и иммунитет

Здоровье

Обмен веществ играет важную роль в поддержании здоровья. Благодаря ему организм получает энергию для выполнения всех жизненно важных функций. Нарушение метаболизма может приводить к различным заболеваниям, таким как диабет, ожирение, атеросклероз и другим. Регулярные физические нагрузки и правильное питание помогают поддерживать нормальный обмен веществ и укреплять здоровье.

Иммунитет

Обмен веществ напрямую влияет на работу иммунной системы. Энергия, выделенная при обмене веществ, необходима для функционирования белков, которые защищают организм от вредных воздействий окружающей среды. Слабый обмен веществ может привести к ослаблению иммунитета и повышенной восприимчивости к инфекциям. Для укрепления иммунитета необходимо правильно питаться, употреблять достаточно витаминов и микроэлементов, ходить на свежий воздух и заниматься спортом.

Таким образом, обмен веществ играет ключевую роль в нашей жизни и здоровье. Заботиться о правильном обмене веществ – значит заботиться о своем будущем.

Влияние возраста на обмен веществ

Обмен веществ – это механизм, который позволяет организму получать нужную энергию из пищи. Как правило, с возрастом этот процесс замедляется. Это происходит из-за того, что количество мышечной массы уменьшается, а жировая ткань увеличивается.

Уменьшение активности физических процессов в организме влияет на обмен веществ, что делает его менее интенсивным. А это, в свою очередь, означает, что наш организм тратит меньше энергии, но именно энергия является основным источником движения и жизнеспособности.

Также стоит отметить, что зачастую с возрастом питание человека меняется. Оно становится меньше разнообразным, а, следовательно, некоторые необходимые вещества, входящие в состав пищи, могут недоставать. Это, в свою очередь, может оказывать негативное воздействие на обмен веществ.

Кроме того, представляется важным отметить, что на обмен веществ может негативно повлиять и такой фактор, как нехватка витаминов и минералов. Он может привести к нарушению энергетического баланса организма и обмену веществ в целом.

Таким образом, можно сделать вывод, что за счет всего перечисленного наш организм постепенно становится менее активным с возрастом и обмен веществ следует контролировать и поддерживать в нормальном состоянии при помощи правильного питания и занятий спортом.

Значение обмена веществ при занятиях спортом и фитнесом

Обмен веществ играет важную роль в жизни любого человека. Его значение особенно велико для любителей фитнеса и спорта, которые стремятся к улучшению своих результатов и достижению поставленных целей.

При занятиях физической активностью обмен веществ повышается, что способствует расходу калорий и увеличению энергетического потребления организма. Это особенно важно для людей, которые хотят похудеть и избавиться от жировых отложений.

Для тех, кто стремится к набору мышечной массы, обмен веществ также играет ключевую роль. Во время тренировок происходит активное разрушение мышечных волокон, которые затем восстанавливаются и увеличиваются в объеме. Обмен веществ способствует этому процессу и помогает быстрее восстанавливаться после интенсивного физического напряжения.

Наконец, обмен веществ важен и для тех, кто стремится к общему улучшению здоровья и благополучия организма. Повышенный обмен веществ улучшает работу всех систем организма, улучшает кровообращение и обмен веществ в клетках и органах, что способствует общему оздоровлению и укреплению иммунной системы.

Вопрос-ответ:

Что такое обмен веществ?

Обмен веществ – это сложный процесс, при котором наши клетки получают энергию и в то же время избавляются от продуктов распада, таких как углекислый газ и мочевина. Этот процесс включает в себя множество химических реакций и происходит во всех органах и тканях нашего организма.

Как обмен веществ влияет на организм человека?

Обмен веществ является одним из основных механизмов регуляции функций нашего организма. Он позволяет поддерживать нормальный уровень глюкозы в крови, устанавливать и поддерживать температуру тела, ускорять рост и развитие организма, а также защищать организм от стрессовых ситуаций.

Какие факторы могут повлиять на обмен веществ?

Факторы, которые могут повлиять на обмен веществ, могут быть различными. Их могут вызвать патологические процессы, изменения в тканевом составе, нарушения в работе щитовидной железы или других органов внутренней секреции, генетические отклонения, некоторые заболевания. Также на обмен веществ могут влиять возраст, пол, физическая активность, калорийность питания и многие другие внешние и внутренние факторы.

Как правильно оценить обмен веществ?

Оценка обмена веществ может быть проведена с помощью различных методов, таких как анализ крови на уровень глюкозы, холестерина и других показателей, измерение массы тела и роста, определение скорости обмена кислорода и т.д. Однако наиболее полной и точной оценкой обмена веществ является метаболическая камера – специальное устройство, которое позволяет снять данные о многих показателях обмена веществ в течение длительного времени.

Каким образом можно ускорить обмен веществ?

Ускорение обмена веществ может происходить при проявлении физической активности, правильном питании, отказе от курения, уменьшения уровня стресса, повышении уровня базового метаболизма, применении некоторых лекарственных препаратов и др. Однако необходимо помнить, что ускорение обмена веществ должно быть сбалансированным и рациональным, а любые жесткие методы могут навредить здоровью.

Какие заболевания могут быть связаны с нарушениями обмена веществ?

С нарушениями обмена веществ могут быть связаны такие заболевания, как диабет, заболевания щитовидной железы, ожирение, гипертония, метаболический синдром, атеросклероз и многие другие. Для правильной диагностики и лечения таких заболеваний необходима помощь квалифицированного врача.

Видео по теме:

ОБМЕН ВЕЩЕСТВ • Большая российская энциклопедия

ОБМЕ́Н ВЕЩЕ́СТВ (ме­та­бо­лизм), со­во­куп­ность хи­мич. про­цес­сов, обес­пе­чи­ваю­щих жиз­не­дея­тель­ность жи­вых ор­га­низ­мов и их по­сто­ян­ный кон­такт с ок­ру­жаю­щей сре­дой. В хо­де О. в. энер­гия, за­па­сён­ная в ор­га­нич. со­еди­не­ни­ях, по­сту­паю­щих с пи­щей, ис­поль­зу­ет­ся для син­те­за но­вых со­еди­не­ний, а так­же для под­дер­жа­ния струк­ту­ры и функ­цио­наль­ной ак­тив­но­сти клет­ок, для вы­пол­не­ния ме­ха­нич. ра­бо­ты, под­дер­жа­ния темп-ры те­ла и вы­пол­не­ния др. функ­ций. Ре­ак­ции О. в. про­те­ка­ют при уча­стии био­логич. ка­та­ли­за­то­ров – фер­мен­тов, ко­то­рые обес­пе­чи­ва­ют стро­гую упо­ря­до­чен­ность ка­та­ли­зи­руе­мых ими ре­ак­ций, мно­го­уров­не­вую управ­ляе­мость ме­та­бо­лич. пу­тей, их тес­ную взаи­мо­связь и точ­ную ло­ка­ли­за­цию в спе­циа­ли­зир. ор­га­нел­лах клет­ки.

О. в. скла­ды­ва­ет­ся из двух про­ис­хо­дя­щих од­но­вре­мен­но и взаи­мо­свя­зан­ных про­цес­сов – рас­па­да (дис­си­ми­ля­ции, или ка­та­бо­лиз­ма) и син­те­за (ас­си­ми­ля­ции, или ана­бо­лиз­ма). В хо­де ка­та­бо­лич. пре­вра­ще­ний про­ис­хо­дит рас­ще­п­ле­ние круп­ных ор­га­нич. мо­ле­кул (напр., по­ли­са­ха­ри­дов, бел­ков, ли­пи­дов) до про­стых со­еди­не­ний с од­но­врем. за­па­са­ни­ем энер­гии в фор­ме бо­га­тых ею со­еди­не­ний, та­ких как аде­но­зин­три­фос­фат (АТФ), креа­тин­фос­фат, тио­эфи­ры, сме­шан­ные ан­гид­ри­ды фос­фор­ной и кар­бо­но­вой ки­слот и др. Ка­та­бо­лич. пре­вра­ще­ния мо­гут про­те­кать как при от­сут­ст­вии ки­сло­ро­да (ана­эроб­ный путь – гли­ко­лиз, бро­же­ние), так и в его при­сут­ст­вии (аэроб­ный путь – ды­ха­ние). В про­цес­се ка­та­бо­лиз­ма раз­но­об­раз­ные ор­га­нич. ве­ще­ст­ва в ко­неч­ном ито­ге пре­вра­ща­ют­ся в ог­ра­ни­чен­ное ко­ли­че­ст­во не­боль­ших мо­ле­кул, та­ких как СО₂, Н₂О, ам­ми­ак, мо­че­ви­на.

В хо­де ана­бо­лич. пре­вра­ще­ний про­ис­хо­дит био­син­тез со­еди­не­ний, тре­бую­щий энер­ге­тич. за­трат. Зе­лё­ные рас­те­ния (фо­то­тро­фы) осу­ще­ст­в­ля­ют пер­вич­ный син­тез ор­га­нич. со­еди­не­ний из СО₂ с ис­поль­зо­ва­ни­ем энер­гии сол­неч­но­го све­та (фо­то­син­тез). Ге­те­ро­тро­фы син­те­зи­ру­ют ор­га­нич. со­еди­не­ния толь­ко за счёт энер­гии и со­еди­не­ний (ме­та­бо­ли­тов), об­ра­зую­щих­ся в ре­зуль­та­те ка­та­бо­лич. пре­вра­ще­ний. Ре­ак­ции син­те­за не яв­ля­ют­ся про­стым об­ра­ще­ни­ем ре­ак­ций рас­па­да и, как пра­ви­ло, про­стран­ст­вен­но ра­зоб­ще­ны. Напр., син­тез бел­ка осу­ще­ст­в­ля­ет­ся на ри­бо­со­мах, а рас­ще­п­ле­ние бел­ка (про­те­о­лиз) про­ис­хо­дит ли­бо в ли­зо­со­мах, ли­бо в спе­ци­аль­но пред­наз­на­чен­ных для это­го круп­ных бел­ко­вых комп­лек­сах – про­теа­со­мах; окис­ле­ние жир­ных ки­слот про­те­ка­ет в мат­рик­се ми­то­хон­д­рий, а син­тез жир­ных ки­слот – в ци­то­зо­ле. Фер­мен­ты, осу­ще­ст­в­ляю­щие син­тез, и фер­мен­ты, уча­ст­вую­щие в рас­ще­п­ле­нии од­но­го и то­го же со­еди­не­ния, мо­гут ис­поль­зо­вать раз­ные ко­фак­то­ры и ко­фер­мен­ты. Пу­ти пре­вра­ще­ния разл. со­еди­не­ний весь­ма мно­го­об­раз­ны; в то же вре­мя био­хи­мич. ре­ак­ции, ле­жа­щие в ос­но­ве О. в., сход­ны у всех ор­га­низ­мов. Осн. свя­зую­щим зве­ном ка­та­бо­лич. и ана­бо­лич. пре­вра­ще­ний яв­ля­ет­ся три­кар­бо­но­вых ки­слот цикл, ме­та­бо­ли­ты ко­то­ро­го ис­поль­зу­ют­ся как для по­лу­че­ния энер­гии, так и для био­син­те­за разл. со­еди­не­ний.

Сре­ди про­дук­тов О. в. вы­де­ля­ют отд. груп­пу ме­та­бо­ли­тов, имею­щих уни­вер­саль­ное зна­че­ние и уча­ст­вую­щих в боль­шом ко­ли­че­ст­ве разл. про­цес­сов. Напр., клю­че­вым со­еди­не­ни­ем в ре­ак­ци­ях, свя­зан­ных с рас­па­дом и син­те­зом разл. ве­ществ, слу­жит аце­тил-ко­фер­мент А. Он об­ра­зу­ет­ся в хо­де рас­ще­п­ле­ния жир­ных ки­слот, при рас­па­де уг­ле­во­дов и не­ко­то­рых ами­но­кис­лот и в то же вре­мя мо­жет ис­поль­зо­вать­ся при син­те­зе жир­ных ки­слот, ке­то­но­вых тел, хо­ле­сте­ри­на, сте­рои­дов и тер­пе­нов. Не­ко­то­рые ами­но­кис­ло­ты (в т. ч. гли­цин, ас­па­ра­ги­но­вая и глу­та­ми­но­вая ки­сло­ты) вы­сту­па­ют в ка­че­ст­ве про­ме­жу­точ­ных со­еди­не­ний или до­но­ров оп­ре­де­лён­ных функ­цио­наль­ных групп при син­те­зе мо­че­ви­ны, пу­ри­но­вых и пи­ри­ми­ди­но­вых ос­но­ва­ний, пор­фи­ри­нов и др. со­еди­не­ний.

В про­цес­се эво­лю­ции воз­ник­ли спец. ре­гу­ля­тор­ные сис­те­мы, обес­пе­чи­ваю­щие вы­со­кую сте­пень упо­ря­до­чен­но­сти и со­гла­со­ван­но­сти ре­ак­ций и по­зво­ляю­щие при­спо­со­бить­ся к из­ме­не­ни­ям ус­ло­вий ок­ру­жаю­щей сре­ды. Ре­гу­ля­ция О. в. на кле­точ­ном уров­не мо­жет осу­ще­ст­в­лять­ся пу­тём из­ме­не­ния ко­ли­че­ст­ва и ак­тив­но­сти фер­мен­тов, дос­туп­но­сти суб­стра­тов и ко­фак­то­ров, мо­ду­ля­ции про­ни­цае­мо­сти био­ло­гич. мем­бран, бла­го­да­ря взаи­мо­дей­ст­вию фер­мен­тов ме­ж­ду со­бой, их стро­гой ло­ка­ли­за­ции внут­ри клет­ки и с по­мо­щью мно­го­числ. др. ме­ха­низ­мов. О. в. мо­жет ре­гу­ли­ро­вать­ся гор­мо­на­ми и ко­ор­ди­ни­ру­ет­ся ЦНС.

На­ру­ше­ния О. в. при­во­дят к раз­ви­тию разл. па­то­ло­гий. Вро­ж­дён­ные на­ру­ше­ния О. в. свя­за­ны с му­та­ция­ми в ге­нах, ко­ди­рую­щих оп­ре­де­лён­ные фер­мен­ты, уча­ст­вую­щие в пре­вра­ще­нии тех или иных со­еди­не­ний (см. Аль­би­низм, Фе­нил­ке­то­ну­рия), или от­вет­ст­вен­ных за син­тез др. бел­ков, напр. ге­мо­гло­би­нов (см. Сер­по­вид­но-кле­точ­ная ане­мия). Не­дос­та­точ­ный син­тез гор­мо­на ин­су­ли­на у че­ло­ве­ка или де­фек­ты в ре­цеп­то­рах ин­су­ли­на при­во­дят к на­ру­ше­нию транс­пор­та глю­ко­зы из кро­ви в клет­ки пе­ри­фе­рич. ор­га­нов и раз­ви­тию са­хар­но­го диа­бе­та (см. Диа­бет), со­про­во­ж­даю­ще­го­ся пе­ре­строй­кой все­го О. в. и ис­поль­зо­ва­ни­ем иных (от­лич­ных от глю­ко­зы) ис­точ­ни­ков энер­гии. По­вы­шен­но­му уров­ню глю­ко­зы в кро­ви со­пут­ст­ву­ют мо­ди­фи­ка­ции бел­ков и ли­пи­дов, вслед­ст­вие че­го про­ис­хо­дит по­вре­ж­де­ние и ги­бель кле­ток. На­ру­ше­ния О. в. мо­гут быть об­у­слов­ле­ны не­дос­тат­ком не­за­ме­ни­мых ами­но­кис­лот и жир­ных ки­слот, ви­та­ми­нов, не­сба­лан­си­ро­ван­но­стью пи­та­ния (в со­от­но­ше­нии осн. ком­по­нен­тов пи­щи) и др.

Физиология, метаболизм — StatPearls — NCBI Bookshelf

Введение

Метаболизм относится ко всей сумме реакций, происходящих в организме в каждой клетке и обеспечивающих тело энергией. Эта энергия используется для процессов жизнедеятельности и синтеза нового органического материала. Каждый живой организм использует окружающую среду, чтобы выжить, забирая питательные вещества и вещества, которые служат строительными блоками для движения, роста, развития и размножения. Все они опосредованы ферментами, которые представляют собой белки со специализированными функциями в анаболизме и катаболизме. Скорость производства энергии называется скоростью основного обмена и зависит от таких факторов, как пол, раса, физические упражнения, диета, возраст и такие заболевания, как сепсис или рак.

Вопросы, вызывающие озабоченность

Химические реакции, посредством которых происходит обмен веществ, почти одинаковы во всех живых организмах, включая животных, растения, бактерии и грибы. Все эти химические реакции опосредованы белками, которые действуют как катализаторы в определенных условиях окружающей среды, таких как рН и температура. Синтез многих катализаторов, обеспечивающих химические реакции в нашем организме, берет свое начало в ДНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой молекулу, находящуюся внутри ядра, состоящую из четырех оснований, называемых аденином, гуанином, цитозином и тимином. РНК — это молекула, используемая некоторыми живыми организмами вместо ДНК, и компоненты этой молекулы включают рибозу и урацил вместо тимина. Окружающая среда, в основном растения, использует солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа для синтеза углеводов. Живые организмы поступают наоборот, потребляя углеводы и другие органические материалы для производства энергии.

Термодинамика

Невозможно говорить об обмене веществ, не взглянув на законы термодинамики. Особого внимания заслуживают первые два закона. Первые два закона термодинамики гласят, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена и что результатом физических и химических изменений является увеличение энтропии во Вселенной. Энергия, действительно полезная, или свободная энергия, — это такая энергия, которая способна совершать работу при любой разнице температур. Менее полезные формы энергии высвобождаются в виде тепла.[1]

Сотовый уровень

Химический носитель энергии называется АТФ. Синтез АТФ происходит внутри внутриклеточной органеллы, ограниченной внешней и внутренней мембранами. Диссоциация воды на молекулу водорода и гидроксильную группу, происходящая во внутренней среде организма, необходима для синтеза АТФ. Катаболические реакции, о которых пойдет речь в этой статье, высвобождают значительное количество протонов, большая часть которых транспортируется в митохондрии для производства АТФ.

Эти протоны транспортируются через ряд комплексов во внутренней мембране митохондрий, чтобы активировать АТФазу, используя энергию, высвобождаемую механизмом транспорта электронов.

Организмы перерабатывают пищу, которую они едят, в три этапа. Первый этап включает в себя преобразование сложных молекул в простые молекулы; это включает расщепление сложных белков на олигопептиды и свободные аминокислоты для облегчения всасывания, расщепление сложных сахаров на дисахариды или моносахариды и расщепление липидов на глицерин и свободные жирные кислоты. Эти процессы называются пищеварением и составляют лишь около 0,1% производства энергии, которая не может быть использована клеткой. Во второй фазе все эти небольшие молекулы подвергаются неполному окислению. Окисление означает удаление электронов или атомов водорода. Конечным продуктом этих процессов являются вода и углекислый газ, а также три основных вещества, а именно: ацетилкофермент А, оксалоацетат и альфа-оксоглутарат. Из них наиболее распространенным соединением является ацетилкоэнзим А, который образует 2/3 углерода в углеводах и глицерине, весь углерод в жирных кислотах и ​​половину углерода в аминокислотах.

Третья и последняя фаза этого процесса происходит в цикле, называемом циклом Кребса, открытом сэром Гансом Кребсом. В этом цикле ацетилкоэнзим А и оксалоацетат объединяются и образуют цитрат. В этой ступенчатой ​​реакции происходит высвобождение протонов, которые передаются в дыхательную цепь для синтеза АТФ.

Дисбаланс между анаболизмом и катаболизмом может привести к ожирению и кахексии соответственно. Метаболическая энергия переносится высокоэнергетическими фосфатными группами, такими как АТФ, ГТФ и креатинфосфат; или переносчиками электронов, такими как НАДН, ФАДН и НАДФН.[2][3]

Вовлеченные системы органов

Поджелудочная железа является ключевым метаболическим органом, который регулирует количество углеводов в крови либо путем высвобождения значительного количества инсулина для снижения уровня глюкозы в крови, либо путем высвобождения глюкагона для его повышения. Утилизация углеводов и липидов организмом называется циклом Рэндла, регулируется инсулином.

Печень является органом, отвечающим за переработку абсорбированных аминокислот и липидов из тонкого кишечника. Он также регулирует цикл мочевины и основные метаболические процессы, такие как глюконеогенез и отложение гликогена.[4]

Функция

Характеристики углеводов включают растворимость, относительно легкую транспортировку, нетоксичные молекулы, которые служат источником энергии при снижении уровня кислорода.

Наиболее энергоемкими молекулами являются липиды, и они являются основной энергетической молекулой для млекопитающих и тканей. Поскольку они нерастворимы, они плохо переносятся кровью, не используются анаэробно и требуют большего количества кислорода для извлечения из них энергии (2,8 АТФ/молекула кислорода). Они не могут проникнуть через гематоэнцефалический барьер, и эритроциты или почечные клетки не могут их использовать. Аминокислоты действуют как субстраты для производства глюкозы только в условиях длительного голодания, демонстрируя истощение запасов гликогена.

Метаболизм этих трех основных субстратов сводится к одной молекуле, ацетил-КоА, в митохондриях. Метаболизм этой промежуточной молекулы генерирует 3 NADH, 1 FADH, 1 GTP и 2 CO2, все из которых участвуют в дыхательной цепи в митохондриях для синтеза АТФ.[5]

Механизм

Метаболизм углеводов

Основное внимание уделяется одному конкретному виду сахара — глюкозе. После поглощения клеткой молекулы глюкозы она немедленно метаболизируется в глюкозо-6-фосфат, который не может покинуть клетку. Фермент, катализирующий эту реакцию, называется гексокиназой (в печени и поджелудочной железе) или глюкокиназой во всех других тканях. Этот метаболит используется почти во всех метаболических процессах, включая гликолиз и гликогенез. Углеводы хранятся в виде гранул гликогена для быстрой мобилизации глюкозы при необходимости.

Гликоген представляет собой полимер глюкозы, собранный гликогенсинтазой, с точками ветвления через каждые десять молекул глюкозы, что придает гликогену древовидную структуру, что способствует мобилизации глюкозы. Некоторые ткани используют гликоген для собственного поддержания, например скелетные мышцы; некоторые другие ткани используют гликоген для поддержания стабильного уровня глюкозы в сыворотке, например, печень.

Печень может хранить почти 100 г гликогена, который поставляет глюкозу в течение 24 часов; скелетные мышцы запасают 350 г, которых достаточно для 60-минутного сокращения мышц. Глюкоза метаболизируется путем гликолиза во всех клетках с образованием пирувата. В этом процессе не используется кислород, и образуются две молекулы пирувата, 2 НАДН и 2 АТФ.

Пируват может иметь три судьбы внутри клетки: он может транспортироваться в митохондрии и генерировать ацетил-КоА, он может оставаться в цитозоле и генерировать лактат или может использоваться в гликонеогенезе ферментом аланинаминотрансферазой (АЛТ). Судьба пирувата в тканях будет зависеть от гормональной регуляции, доступности кислорода и конкретной ткани. Например, в печени избыток пирувата метаболизируется до ацетил-КоА, который затем используется для синтеза липидов, тогда как в мышцах он подвергается полному окислению до СО2.

Глюкозо-6-фосфат также можно использовать в пентозофосфатном пути. Этот путь синтезирует нуклеотиды, синтез специфических липидов и поддерживает глутатион в его активной форме. Этот процесс регулируется глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой.

Углеводный обмен регулируется в основном инсулином, так как он стимулирует гликолиз и гликогенез. Катехоламины, глюкагон, кортизол и гормон роста стимулируют глюконеогенез и гликогенолиз.[6]

Метаболизм липидов

Жирные кислоты служат для производства энергии в окислительных тканях. Некоторые из них являются амфипатическими, потенциально токсичными и транспортируются в связанном виде с альбумином. Кишечник всасывает жирные кислоты в виде мицелл; они поглощаются энтероцитами в стенке кишечника. Оказавшись внутри, эти молекулы жира расщепляются на более мелкие молекулы, свободные жирные кислоты и глицерин, которые в задней части конъюгируются с образованием триглицеридов. Они связаны с белками, образуя хиломикроны вне энтероцита.

Эти хиломикроны очень богаты холестерином и триглицеридами, которые по системе воротной вены транспортируются в печень. Печень будет обрабатывать эти сложные молекулы, чтобы извлечь фракцию холестерина и триглицеридов. Печень секретирует новую форму сложной молекулы, называемой ЛПОНП, которая транспортирует эндогенные липиды и жир к периферическим тканям, экспрессирующим гормоночувствительную липазу и липопротеинлипазу.

Этот фермент превращает ЛПОНП в ЛПНП, который содержит больше холестерина, чем другие молекулы, и в конечном итоге поглощается тканями-мишенями. Весь этот процесс называется «прямой метаболизм холестерина». Когда в периферических тканях слишком много жира или холестерина, они перемещаются в липопротеине, называемом ЛПВП, который попадает в желчевыводящую систему для экскреции. Этот процесс называется «обратным метаболизмом холестерина». Оба регулируются инсулином, который стимулирует липазы в организме, но подавляет липолиз.][10]

Метаболизм аминокислот

Мы потребляем почти 100 г белка в день. В организме содержится около 10 кг белка, который метаболизируется по 300 г в день. Структурными единицами, составляющими белки, являются аминокислоты. Некоторые из них являются незаменимыми (это означает, что организм не может их синтезировать и должен получать с пищей), а некоторые являются заменимыми аминокислотами (которые организм может синтезировать).

Белки поглощаются энтероцитами в виде аминокислот. Аминокислоты содержат группу азота и двухуглеродный скелет, называемый 2-оксокислотой.

Метаболизм аминокислот приводит к образованию аммония, который является токсичной молекулой, особенно для ЦНС. Аммоний может метаболизироваться в печени для экскреции в цикле орнитина (мочевины). Метаболизм аминокислот происходит в результате двух видов химических реакций. Первый называется трансаминированием, в котором участвуют аланинаминотрансфераза (АЛТ) и аспартатаминотрансфераза (АСТ). Эти две реакции требуют трехуглеродного скелета для замены аминогруппы; скелетом этих двух ферментов является альфа-кетоглутарат. В реакции, регулируемой АЛТ, аланин переносит аминогруппу на альфа-кетоглутарат с образованием пирувата и глутамата. При регулируемой АСТ реакции происходит обратная ситуация. Он использует пожертвованную аминогруппу из глутамата для создания аспартата, чтобы пожертвовать второй атом амино в цикл мочевины. Второй реакцией является дезаминирование, при котором глутаматдегидрогеназа метаболизирует глутамат с образованием альфа-кетоглутарата и аммиака, который должен быть детоксицирован циклом мочевины.

После дезаминирования скелет подвергается промежуточному метаболизму. Метаболизм аминокислот может давать семь типов скелетов, а именно: альфа-кетоглутарат, оксалоацетат, сукцинил-КоА, фумарат, пируват, ацетил-КоА и ацетоацетил-КоА. Первые пять имеют три или более атомов углерода и полезны для гликонеогенеза, последние два имеют только два атома углерода и непригодны для гликонеогенеза. Вместо этого они используются для синтеза липидов.

Как и все другие метаболические пути, инсулин является основным регулятором. Напротив, регулятором метаболизма аминокислот является кортизол и гормон щитовидной железы, который опосредует разрушение мышц.

Клиническая значимость

Сахарный диабет

Поджелудочная железа определяет концентрацию глюкозы в крови и некоторых аминокислот, таких как аргинин и лейцин. Высокий уровень этих веществ указывает на питательное насыщение, и это сообщение посылается организму поджелудочной железой в виде инсулина. Инсулин является уникальным метаболическим гормоном, отвечающим за распределение питательных веществ в организме, а это означает, что дефицит инсулина вызывает плейотропные изменения в метаболизме человека. При дефиците инсулина торможение катаболических реакций меньше; это приводит к чистой мобилизации субстратов из тканей. Поджелудочная железа определяет статус метаболитов, периферические ткани определяют статус концентрации инсулина. Когда периферические ткани ощущают снижение уровня инсулина, они начинают катаболизироваться, и начинают мобилизоваться субстраты. Печень реагирует на низкий уровень инсулина увеличением синтеза глюкозы с помощью глюконеогенеза и гликогенолиза. Как видно из метаболизма аминокислот, основным субстратом глюконеогенеза является аланин, образующийся в результате мышечного распада и протеолиза. Жировая ткань также реагирует, усиливая липолиз, что приводит к накоплению жирных кислот и глицерина. Повышенная доставка неэтерифицированных жирных кислот (НЭЖК) в печень увеличивает кетогенез.[14]

Сепсис, травма и ожоги

Катаболизм также может инициироваться чрезмерной воспалительной реакцией, характеризующейся активацией и экспрессией провоспалительных цитокинов, таких как TNF-альфа, IL-6 и IL-1. Этот процесс называется синдромом системной воспалительной реакции (SIRS). Он имеет три фазы метаболизма; фаза прилива или шока, катаболическая фаза и анаболическая фаза. В этих сценариях происходит значительная мобилизация субстрата по всему телу.[15]

Дефицит G6PDH

Дефицит широко распространен в экваториальных регионах. Он связан с Х-хромосомой и снижает уровень НАДФН, следовательно, снижает уровень активной формы глутатиона и увеличивает окислительный стресс для эритроцитов; это приводит к гемолизу, представленному как кризис, в зависимости от инсульта. Он проявляется в виде телец Хайнца и пузырчатых клеток в мазке периферической крови.[16]

Контрольные вопросы

• Доступ к бесплатным вопросам с несколькими вариантами ответов по этой теме.

• Прокомментируйте эту статью.

Ссылки

1.

Liu X, Chen T, Jain PK, Xu W. Выявление термодинамических свойств элементарных химических реакций на уровне одной молекулы. J Phys Chem B. 25 июля 2019 г.; 123 (29): 6253-6259. [PubMed: 31246466]

2.

Ramnanan CJ, Edgerton DS, Kraft G, Cherrington AD. Физиологическое действие глюкагона на метаболизм глюкозы в печени. Сахарный диабет Ожирение Metab. 13 октября 2011 г. Приложение 1 (Приложение 1): 118–25. [Бесплатная статья PMC: PMC5371022] [PubMed: 21824265]

3.

Сабо И., Зоратти М. Митохондриальные каналы: потоки ионов и многое другое. Physiol Rev. 2014 Apr;94(2):519-608. [PubMed: 24692355]

4.

Hue L, Taegtmeyer H. Новый взгляд на цикл Рэндла: новая голова для старой шляпы. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2009 г., сен; 297 (3): E578-91. [Бесплатная статья PMC: PMC2739696] [PubMed: 19531645]

5.

KREBS HA. Цикл трикарбоновых кислот. 1948–1949 Харви Лект. Серия 44: 165-99. [PubMed: 14849928]

6.

Дашти М. Краткий обзор биохимии: углеводный обмен. Клин Биохим. 2013 Октябрь;46(15):1339-52. [PubMed: 23680095]

7.

Абумрад Н.А., Дэвидсон НЕТ. Роль кишечника в липидном гомеостазе. Physiol Rev. 2012 г., июль; 92 (3): 1061-85. [Бесплатная статья PMC: PMC3589762] [PubMed: 22811425]

8.

Goldstein JL, Brown MS. Рецептор ЛПНП. Артериосклеры Тромб Васк Биол. 2009 г.29 апреля (4): 431-8. [Бесплатная статья PMC: PMC2740366] [PubMed: 19299327]

9.

Яворски К., Саркади-Надь Э., Дункан Р.Э., Ахмадян М., Сул Х.С. Регуляция метаболизма триглицеридов. IV. Гормональная регуляция липолиза в жировой ткани. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2007 июль; 293(1):G1-4. [Бесплатная статья PMC: PMC2887286] [PubMed: 17218471]

10.

Пирс В., Кароббио С., Видаль-Пуиг А. Различные оттенки жира. Природа. 2014 05 июня; 510 (7503): 76-83. [В паблике: 24899307]

11.

Deutz NE, Wolfe RR. Существует ли максимальный анаболический ответ на прием белка во время еды? Клин Нутр. 2013 апр; 32 (2): 309-13. [Бесплатная статья PMC: PMC3595342] [PubMed: 23260197]

12.

Finn PF, Dice JF. Протеолитические и липолитические реакции на голодание. Питание. 2006 июль-август; 22 (7-8): 830-44. [PubMed: 16815497]

13.

Ванденберг Р.Дж., Райан Р.М. Механизмы транспорта глутамата. Physiol Rev. 9 октября 2013 г.3(4):1621-57. [PubMed: 24137018]

14.

Заккарди Ф., Уэбб Д.Р., Йейтс Т., Дэвис М.Дж. Патофизиология сахарного диабета 1 и 2 типа: взгляд на 90 лет. Postgrad Med J. 2016 Feb; 92 (1084): 63-9. [PubMed: 26621825]

15.

Чеккони М., Эванс Л., Леви М., Родс А. Сепсис и септический шок. Ланцет. 2018 07 июля; 392 (10141): 75-87. [PubMed: 29937192]

16.

Штайнер М., Людеманн Дж., Краммер-Штайнер Б. Фавизм и дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. N Engl J Med. 2018 15 марта; 378 (11): 1068. [В паблике: 29542311]

Раскрытие информации: Артуро Санчес Лопес де Нава заявляет об отсутствии соответствующих финансовых отношений с неправомочными компаниями.

Раскрытие информации: Avais Raja заявляет об отсутствии соответствующих финансовых отношений с неправомочными компаниями.

Физиология, метаболизм — StatPearls — NCBI Bookshelf

Введение

Метаболизм относится ко всей сумме реакций, происходящих в организме в каждой клетке и обеспечивающих тело энергией. Эта энергия используется для процессов жизнедеятельности и синтеза нового органического материала. Каждый живой организм использует окружающую среду, чтобы выжить, забирая питательные вещества и вещества, которые служат строительными блоками для движения, роста, развития и размножения. Все они опосредованы ферментами, которые представляют собой белки со специализированными функциями в анаболизме и катаболизме. Скорость производства энергии называется скоростью основного обмена и зависит от таких факторов, как пол, раса, физические упражнения, диета, возраст и такие заболевания, как сепсис или рак.

Вопросы, вызывающие озабоченность

Химические реакции, посредством которых происходит обмен веществ, почти одинаковы во всех живых организмах, включая животных, растения, бактерии и грибы. Все эти химические реакции опосредованы белками, которые действуют как катализаторы в определенных условиях окружающей среды, таких как рН и температура. Синтез многих катализаторов, обеспечивающих химические реакции в нашем организме, берет свое начало в ДНК. Дезоксирибонуклеиновая кислота представляет собой молекулу, находящуюся внутри ядра, состоящую из четырех оснований, называемых аденином, гуанином, цитозином и тимином. РНК — это молекула, используемая некоторыми живыми организмами вместо ДНК, и компоненты этой молекулы включают рибозу и урацил вместо тимина. Окружающая среда, в основном растения, использует солнечный свет для преобразования воды и углекислого газа для синтеза углеводов. Живые организмы поступают наоборот, потребляя углеводы и другие органические материалы для производства энергии.

Термодинамика

Невозможно говорить об обмене веществ, не взглянув на законы термодинамики. Особого внимания заслуживают первые два закона. Первые два закона термодинамики гласят, что энергия не может быть ни создана, ни уничтожена и что результатом физических и химических изменений является увеличение энтропии во Вселенной. Энергия, действительно полезная, или свободная энергия, — это такая энергия, которая способна совершать работу при любой разнице температур. Менее полезные формы энергии высвобождаются в виде тепла.[1]

Сотовый уровень

Химический носитель энергии называется АТФ. Синтез АТФ происходит внутри внутриклеточной органеллы, ограниченной внешней и внутренней мембранами. Диссоциация воды на молекулу водорода и гидроксильную группу, происходящая во внутренней среде организма, необходима для синтеза АТФ. Катаболические реакции, о которых пойдет речь в этой статье, высвобождают значительное количество протонов, большая часть которых транспортируется в митохондрии для производства АТФ. Эти протоны транспортируются через ряд комплексов во внутренней мембране митохондрий, чтобы активировать АТФазу, используя энергию, высвобождаемую механизмом транспорта электронов.

Организмы перерабатывают пищу, которую они едят, в три этапа. Первый этап включает в себя преобразование сложных молекул в простые молекулы; это включает расщепление сложных белков на олигопептиды и свободные аминокислоты для облегчения всасывания, расщепление сложных сахаров на дисахариды или моносахариды и расщепление липидов на глицерин и свободные жирные кислоты. Эти процессы называются пищеварением и составляют лишь около 0,1% производства энергии, которая не может быть использована клеткой. Во второй фазе все эти небольшие молекулы подвергаются неполному окислению. Окисление означает удаление электронов или атомов водорода. Конечным продуктом этих процессов являются вода и углекислый газ, а также три основных вещества, а именно: ацетилкофермент А, оксалоацетат и альфа-оксоглутарат. Из них наиболее распространенным соединением является ацетилкоэнзим А, который образует 2/3 углерода в углеводах и глицерине, весь углерод в жирных кислотах и ​​половину углерода в аминокислотах. Третья и последняя фаза этого процесса происходит в цикле, называемом циклом Кребса, открытом сэром Гансом Кребсом. В этом цикле ацетилкоэнзим А и оксалоацетат объединяются и образуют цитрат. В этой ступенчатой ​​реакции происходит высвобождение протонов, которые передаются в дыхательную цепь для синтеза АТФ.

Дисбаланс между анаболизмом и катаболизмом может привести к ожирению и кахексии соответственно. Метаболическая энергия переносится высокоэнергетическими фосфатными группами, такими как АТФ, ГТФ и креатинфосфат; или переносчиками электронов, такими как НАДН, ФАДН и НАДФН.[2][3]

Вовлеченные системы органов

Поджелудочная железа является ключевым метаболическим органом, который регулирует количество углеводов в крови либо путем высвобождения значительного количества инсулина для снижения уровня глюкозы в крови, либо путем высвобождения глюкагона для его повышения. Утилизация углеводов и липидов организмом называется циклом Рэндла, регулируется инсулином.

Печень является органом, отвечающим за переработку абсорбированных аминокислот и липидов из тонкого кишечника. Он также регулирует цикл мочевины и основные метаболические процессы, такие как глюконеогенез и отложение гликогена.[4]

Функция

Характеристики углеводов включают растворимость, относительно легкую транспортировку, нетоксичные молекулы, которые служат источником энергии при снижении уровня кислорода.

Наиболее энергоемкими молекулами являются липиды, и они являются основной энергетической молекулой для млекопитающих и тканей. Поскольку они нерастворимы, они плохо переносятся кровью, не используются анаэробно и требуют большего количества кислорода для извлечения из них энергии (2,8 АТФ/молекула кислорода). Они не могут проникнуть через гематоэнцефалический барьер, и эритроциты или почечные клетки не могут их использовать. Аминокислоты действуют как субстраты для производства глюкозы только в условиях длительного голодания, демонстрируя истощение запасов гликогена.

Метаболизм этих трех основных субстратов сводится к одной молекуле, ацетил-КоА, в митохондриях. Метаболизм этой промежуточной молекулы генерирует 3 NADH, 1 FADH, 1 GTP и 2 CO2, все из которых участвуют в дыхательной цепи в митохондриях для синтеза АТФ.[5]

Механизм

Метаболизм углеводов

Основное внимание уделяется одному конкретному виду сахара — глюкозе. После поглощения клеткой молекулы глюкозы она немедленно метаболизируется в глюкозо-6-фосфат, который не может покинуть клетку. Фермент, катализирующий эту реакцию, называется гексокиназой (в печени и поджелудочной железе) или глюкокиназой во всех других тканях. Этот метаболит используется почти во всех метаболических процессах, включая гликолиз и гликогенез. Углеводы хранятся в виде гранул гликогена для быстрой мобилизации глюкозы при необходимости.

Гликоген представляет собой полимер глюкозы, собранный гликогенсинтазой, с точками ветвления через каждые десять молекул глюкозы, что придает гликогену древовидную структуру, что способствует мобилизации глюкозы. Некоторые ткани используют гликоген для собственного поддержания, например скелетные мышцы; некоторые другие ткани используют гликоген для поддержания стабильного уровня глюкозы в сыворотке, например, печень. Печень может хранить почти 100 г гликогена, который поставляет глюкозу в течение 24 часов; скелетные мышцы запасают 350 г, которых достаточно для 60-минутного сокращения мышц. Глюкоза метаболизируется путем гликолиза во всех клетках с образованием пирувата. В этом процессе не используется кислород, и образуются две молекулы пирувата, 2 НАДН и 2 АТФ.

Пируват может иметь три судьбы внутри клетки: он может транспортироваться в митохондрии и генерировать ацетил-КоА, он может оставаться в цитозоле и генерировать лактат или может использоваться в гликонеогенезе ферментом аланинаминотрансферазой (АЛТ). Судьба пирувата в тканях будет зависеть от гормональной регуляции, доступности кислорода и конкретной ткани. Например, в печени избыток пирувата метаболизируется до ацетил-КоА, который затем используется для синтеза липидов, тогда как в мышцах он подвергается полному окислению до СО2.

Глюкозо-6-фосфат также можно использовать в пентозофосфатном пути. Этот путь синтезирует нуклеотиды, синтез специфических липидов и поддерживает глутатион в его активной форме. Этот процесс регулируется глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой.

Углеводный обмен регулируется в основном инсулином, так как он стимулирует гликолиз и гликогенез. Катехоламины, глюкагон, кортизол и гормон роста стимулируют глюконеогенез и гликогенолиз. [6]

Метаболизм липидов

Жирные кислоты служат для производства энергии в окислительных тканях. Некоторые из них являются амфипатическими, потенциально токсичными и транспортируются в связанном виде с альбумином. Кишечник всасывает жирные кислоты в виде мицелл; они поглощаются энтероцитами в стенке кишечника. Оказавшись внутри, эти молекулы жира расщепляются на более мелкие молекулы, свободные жирные кислоты и глицерин, которые в задней части конъюгируются с образованием триглицеридов. Они связаны с белками, образуя хиломикроны вне энтероцита.

Эти хиломикроны очень богаты холестерином и триглицеридами, которые по системе воротной вены транспортируются в печень. Печень будет обрабатывать эти сложные молекулы, чтобы извлечь фракцию холестерина и триглицеридов. Печень секретирует новую форму сложной молекулы, называемой ЛПОНП, которая транспортирует эндогенные липиды и жир к периферическим тканям, экспрессирующим гормоночувствительную липазу и липопротеинлипазу.

Этот фермент превращает ЛПОНП в ЛПНП, который содержит больше холестерина, чем другие молекулы, и в конечном итоге поглощается тканями-мишенями. Весь этот процесс называется «прямой метаболизм холестерина». Когда в периферических тканях слишком много жира или холестерина, они перемещаются в липопротеине, называемом ЛПВП, который попадает в желчевыводящую систему для экскреции. Этот процесс называется «обратным метаболизмом холестерина». Оба регулируются инсулином, который стимулирует липазы в организме, но подавляет липолиз.][10]

Метаболизм аминокислот

Мы потребляем почти 100 г белка в день. В организме содержится около 10 кг белка, который метаболизируется по 300 г в день. Структурными единицами, составляющими белки, являются аминокислоты. Некоторые из них являются незаменимыми (это означает, что организм не может их синтезировать и должен получать с пищей), а некоторые являются заменимыми аминокислотами (которые организм может синтезировать). Белки поглощаются энтероцитами в виде аминокислот. Аминокислоты содержат группу азота и двухуглеродный скелет, называемый 2-оксокислотой.

Метаболизм аминокислот приводит к образованию аммония, который является токсичной молекулой, особенно для ЦНС. Аммоний может метаболизироваться в печени для экскреции в цикле орнитина (мочевины). Метаболизм аминокислот происходит в результате двух видов химических реакций. Первый называется трансаминированием, в котором участвуют аланинаминотрансфераза (АЛТ) и аспартатаминотрансфераза (АСТ). Эти две реакции требуют трехуглеродного скелета для замены аминогруппы; скелетом этих двух ферментов является альфа-кетоглутарат. В реакции, регулируемой АЛТ, аланин переносит аминогруппу на альфа-кетоглутарат с образованием пирувата и глутамата. При регулируемой АСТ реакции происходит обратная ситуация. Он использует пожертвованную аминогруппу из глутамата для создания аспартата, чтобы пожертвовать второй атом амино в цикл мочевины. Второй реакцией является дезаминирование, при котором глутаматдегидрогеназа метаболизирует глутамат с образованием альфа-кетоглутарата и аммиака, который должен быть детоксицирован циклом мочевины.

После дезаминирования скелет подвергается промежуточному метаболизму. Метаболизм аминокислот может давать семь типов скелетов, а именно: альфа-кетоглутарат, оксалоацетат, сукцинил-КоА, фумарат, пируват, ацетил-КоА и ацетоацетил-КоА. Первые пять имеют три или более атомов углерода и полезны для гликонеогенеза, последние два имеют только два атома углерода и непригодны для гликонеогенеза. Вместо этого они используются для синтеза липидов.

Как и все другие метаболические пути, инсулин является основным регулятором. Напротив, регулятором метаболизма аминокислот является кортизол и гормон щитовидной железы, который опосредует разрушение мышц.

Клиническая значимость

Сахарный диабет

Поджелудочная железа определяет концентрацию глюкозы в крови и некоторых аминокислот, таких как аргинин и лейцин. Высокий уровень этих веществ указывает на питательное насыщение, и это сообщение посылается организму поджелудочной железой в виде инсулина. Инсулин является уникальным метаболическим гормоном, отвечающим за распределение питательных веществ в организме, а это означает, что дефицит инсулина вызывает плейотропные изменения в метаболизме человека. При дефиците инсулина торможение катаболических реакций меньше; это приводит к чистой мобилизации субстратов из тканей. Поджелудочная железа определяет статус метаболитов, периферические ткани определяют статус концентрации инсулина. Когда периферические ткани ощущают снижение уровня инсулина, они начинают катаболизироваться, и начинают мобилизоваться субстраты. Печень реагирует на низкий уровень инсулина увеличением синтеза глюкозы с помощью глюконеогенеза и гликогенолиза. Как видно из метаболизма аминокислот, основным субстратом глюконеогенеза является аланин, образующийся в результате мышечного распада и протеолиза. Жировая ткань также реагирует, усиливая липолиз, что приводит к накоплению жирных кислот и глицерина. Повышенная доставка неэтерифицированных жирных кислот (НЭЖК) в печень увеличивает кетогенез.[14]

Сепсис, травма и ожоги

Катаболизм также может инициироваться чрезмерной воспалительной реакцией, характеризующейся активацией и экспрессией провоспалительных цитокинов, таких как TNF-альфа, IL-6 и IL-1. Этот процесс называется синдромом системной воспалительной реакции (SIRS). Он имеет три фазы метаболизма; фаза прилива или шока, катаболическая фаза и анаболическая фаза. В этих сценариях происходит значительная мобилизация субстрата по всему телу.[15]

Дефицит G6PDH

Дефицит широко распространен в экваториальных регионах. Он связан с Х-хромосомой и снижает уровень НАДФН, следовательно, снижает уровень активной формы глутатиона и увеличивает окислительный стресс для эритроцитов; это приводит к гемолизу, представленному как кризис, в зависимости от инсульта. Он проявляется в виде телец Хайнца и пузырчатых клеток в мазке периферической крови.[16]

Контрольные вопросы

• Доступ к бесплатным вопросам с несколькими вариантами ответов по этой теме.

• Прокомментируйте эту статью.

Ссылки

1.

Liu X, Chen T, Jain PK, Xu W. Выявление термодинамических свойств элементарных химических реакций на уровне одной молекулы. J Phys Chem B. 25 июля 2019 г.; 123 (29): 6253-6259. [PubMed: 31246466]

2.

Ramnanan CJ, Edgerton DS, Kraft G, Cherrington AD. Физиологическое действие глюкагона на метаболизм глюкозы в печени. Сахарный диабет Ожирение Metab. 13 октября 2011 г. Приложение 1 (Приложение 1): 118–25. [Бесплатная статья PMC: PMC5371022] [PubMed: 21824265]

3.

Сабо И., Зоратти М. Митохондриальные каналы: потоки ионов и многое другое. Physiol Rev. 2014 Apr;94(2):519-608. [PubMed: 24692355]

4.

Hue L, Taegtmeyer H. Новый взгляд на цикл Рэндла: новая голова для старой шляпы. Am J Physiol Endocrinol Metab. 2009 г., сен; 297 (3): E578-91. [Бесплатная статья PMC: PMC2739696] [PubMed: 19531645]

5.

KREBS HA. Цикл трикарбоновых кислот. 1948–1949 Харви Лект. Серия 44: 165-99. [PubMed: 14849928]

6.

Дашти М. Краткий обзор биохимии: углеводный обмен. Клин Биохим. 2013 Октябрь;46(15):1339-52. [PubMed: 23680095]

7.

Абумрад Н.А., Дэвидсон НЕТ. Роль кишечника в липидном гомеостазе. Physiol Rev. 2012 г., июль; 92 (3): 1061-85. [Бесплатная статья PMC: PMC3589762] [PubMed: 22811425]

8.

Goldstein JL, Brown MS. Рецептор ЛПНП. Артериосклеры Тромб Васк Биол. 2009 г.29 апреля (4): 431-8. [Бесплатная статья PMC: PMC2740366] [PubMed: 19299327]

9.

Яворски К., Саркади-Надь Э., Дункан Р.Э., Ахмадян М., Сул Х.С. Регуляция метаболизма триглицеридов. IV. Гормональная регуляция липолиза в жировой ткани. Am J Physiol Gastrointest Liver Physiol. 2007 июль; 293(1):G1-4. [Бесплатная статья PMC: PMC2887286] [PubMed: 17218471]

10.

Пирс В., Кароббио С., Видаль-Пуиг А. Различные оттенки жира. Природа. 2014 05 июня; 510 (7503): 76-83. [В паблике: 24899307]

11.

Deutz NE, Wolfe RR. Существует ли максимальный анаболический ответ на прием белка во время еды? Клин Нутр.