Общие закономерности обмена веществ и энергии в организме человека
Обмен веществ и энергии – это обязательное условие существования живых организмов. Организм из внешней среды получает энергию и строительные вещества, затем эти вещества перерабатываются и, наконец, ненужные продукты переработки выделяются из организма в окружающую среду. Таким образом, обмен веществ может быть представлен в виде трех процессов.
1. Пищеварение – это процесс в ходе которого пищевые вещества, как правило, высокомолекулярные и для организма чужеродные, под действием пищеварительных ферментов расщепляются и превращаются в простые соединения – универсальные для всех живых организмов. Белки, например, распадаются на аминокислоты точно такие же как аминокислоты самого организма. Из углеводов пищи образуется универсальный моносахарид – глюкоза. Поэтому конечные продукты пищеварения могут вводиться во внутреннюю среду организма и использоваться клетками для разнообразных целей.
2. Метаболизм – это совокупность химических реакций, протекающая во внутренней среде организма.Правда, иногда слово «метаболизм» понимают как синоним обмена веществ.
3. Выделение – это процесс удаления отработанных веществ из организма. Этот процесс происходит, как на последних этапах пищеварения, так и в ходе метаболизма. В последнем случае в выделении участвует кровьи особые органы выделения продуктов распада азотистых веществ -почки.
Выделяют внешний и промежуточный виды обмена веществ. Внешний обмен веществ – это внеклеточное превращение веществ на путях их поступления и выделения. Этот вид обмена обычно изучается в курсах физиологии человека.Промежуточный обмен веществ– обмен веществ внутри клеток, включающий превращение компонентов пищи после их переваривания и всасывания. Промежуточный обмен является предметом изучения биохимии. Часто именно к внутриклеточным процессам применяют термин метаболизм. Метаболизм представляет собой множество последовательных ферментативных реакций.
Клеточный метаболизм складывается из двух потоков реакций – энергетического (катаболизма) и конструктивного метаболизма (анаболизма).Катаболизм (диссимиляция) – это процесс распада поступающих извне питательных веществ с образованием энергетических субстратов. Энергетический метаболизм приводит к накоплению клеточной энергии, которая затем расходуется во всех клеточных энергозависимых процессах.
Анаболизм (ассимиляция) – это процесс биосинтеза, обеспечивающий построение компонентов клетки из поступающих извне веществ. Анаболизм связан с потреблением энергии. Анаболизм и катаболизм сопряжены, и общая их часть называется – амфиболизмом или центральными метаболическими реакциями. Итак,амфиболизм– это сопряженная часть катаболических и анаболических процессов.
В обмене веществ выделяют два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса - анаболизм и катаболизм. Анаболизм (ассимиляция) представляет собой совокупность химических реакций, в результате которых из простых соединений образуются сложные органические вещества, специфичные для организма (нуклеиновые кислоты, белки и др.). Анаболические реакции протекают с использованием химической энергии в виде макроэргических связей (в основном АТФ) и восстановительных эквивалентов (НАДН2 и НАДФН2), образованных при распаде биоорганических соединений.
Под катаболизмом (диссимиляцией) подразумевают распад сложных органических молекул до более простых или до образования низкомолекулярных конечных продуктов, выделяемых из организма. Катаболические реакции сопровождаются выделением свободной энергии, которая заключена в сложных молекулах органических веществ. Часть этой энергии превращается в химическую форму энергии (АТФ, восстановительные эквиваленты и др.) и запасается в клетках организма в виде углеводов, липидов и белков. Большая часть энергии рассеивается в виде тепла. Кроме того, вследствие многоступенчатости этого процесса образуется большое число промежуточных метаболитов (пируват, оксалоацетат, альфа-кетоглутарат, ацетил-SКoA и некоторые другие), которые могут быть использованы в реакциях анаболизма в качестве субстратов – источников углеродных атомов.
Таким образом, тесная связь между анаболизмом и катаболизмом проявляется на трех уровнях: 1) на уровне источников атомов углерода; 2) на энергетическом уровне (АТФ); 3) на уровне восстановительных эквивалентов (рис.1).
Скорость и сбалансированность анаболических и катаболических процессов зависят от возраста и двигательной активности человека, температуры окружающей среды и самого организма (например, при заболевании), качественного и количественного состава пищи и многих других факторов. Так, у детей анаболические процессы преобладают над катаболическими, что создает условия для роста организма, увеличения объема тканей и органов. Реакции анаболизма протекают с большими затратами энергии, поэтому детям не рекомендуются тяжелые и длительные физические нагрузки, которые могут затормозить процессы роста. Различия в средней скорости ассимиляции и диссимиляции наиболее выражены сразу после рождения, а затем постепенно сглаживаются. С 17-20 лет устанавливается динамическое равновесие между этими двумя сторонами обмена веществ. С этого времени рост организма практически прекращается, что фиксируется по относительному постоянству массы тела. В стареющем организме преобладают катаболические процессы. Это приводит к уменьшению содержания структурных белков, гормонов, ферментов, легко доступных для использования источников энергии и других физиологически важных веществ, в связи с чем снижаются функциональные возможности органов и тканей, ухудшается регуляция обменных процессов, затруднено восстановление организма после физических нагрузок.
Рис. Взаимосвязь катаболических и анаболических процессов обмена веществ
На протяжении жизни меняется также общая интенсивность обменных процессов. Наивысшая после рождения, она постепенно снижается к зрелому возрасту, стабилизируется на довольно значительный период времени и вновь уменьшается к старости. Высокая интенсивность обменных процессов обеспечивает быстрый рост организма, быструю обновляемость тканей, создает необходимые предпосылки для повышенной функциональной активности.
Все изменения в обменных процессах, происходящие под влиянием внешних факторов, носят адаптационный характер. Они обеспечивают повышение устойчивости организма к воздействию этих факторов. Благодаря тому, что обмен веществ может изменяться, обеспечивая необходимые сдвиги или постоянство 10 констант в организме, живые организмы обладают высокой приспособительной способностью. Так, при выполнении интенсивной мышечной работы резко усиливаются процессы диссимиляции, обеспечивающие энергией мышечную деятельность. После завершения работы происходит переключение энергетического обмена на восполнение затраченных энергетических субстратов, разрушившихся структурных белков, ферментов, синтез многих жизненно важных для организма веществ, т. е. начинают преобладать процессы ассимиляции. Поэтому постоянная напряженная мышечная тренировка может обеспечить преобладание анаболических процессов над катаболическими, что приводит к накоплению важных для функционирования мышц сократительных белков, энергетических субстратов, ферментов, других веществ и повышению функциональных возможностей организма.
Усиление процессов катаболизма наблюдается также при понижении температуры окружающей среды. Увеличивающееся при этом образование тепла предохраняет организм от переохлаждения. Повышение скорости диссимиляции, наблюдаемое при заболеваниях, является источником тепла, повышающего температуру тела.
На протекание обменных процессов существенное влияние может оказывать питание. Избыточное поступление продуктов питания в организм человека ведет к усилению анаболических процессов, в первую очередь синтеза липидов, что имеет следствием развитие ожирения. Напротив, недостаточное и неполноценное с точки зрения качественного состава питание может привести к снижению общей интенсивности обменных процессов и преобладанию процессов распада над процессами синтеза. Это, в свою очередь, сопровождается кахексией (истощением) и может быть причиной летального исхода. Кахексия может наблюдаться также при патологии, например в терминальных стадиях злокачественных новообразований, когда в клетках организма человека начинают превалировать катаболические процессы вследствие снижения поступления в них строительных и топливных молекул.
Многочисленные факторы внешней среды оказывают влияние на отдельные стороны обменных процессов. Так, пребывание на солнце усиливает реакции, обеспечивающие синтез и накопление в кожных покровах пигмента меланина, предохраняющего организм от ультрафиолетовых лучей, способных вызывать фотостарение и рак кожи.
Метаболизм представляет собой высоко координированную и целенаправленную клеточную активность, обеспечиваемую участием многих взаимосвязанных мультиферментных систем. Он складывается из сотен различных ферментативных реакций, каждая из которых подчиняется первому и второму законам термодинамики. Превращение органических соединений в клетке осуществляется, как правило, в виде цепи или последовательности реакций, которые называются метаболическими путями, а вовлекаемые в такие реакции соединения - метаболитами.
Для метаболизма характерна многостадийность происходящих процессов. Катаболизм питательных веществ включает 3 основных этапа – подготовительный, промежуточный и заключительный (рис. 2). На подготовительном этапе сложные молекулы углеводов, жиров и белков распадаются до структурных мономеров: белки – до аминокислот, сложные углеводы – до моносахаридов, в основном глюкозы, жиры – до глицерина и жирных кислот. При этом выделяется незначительное количество потенциальной энергии (около 1%) в форме тепла. Такой распад питательных веществ происходит в пищеварительной системе и в цитоплазме или лизосомах клеток различных тканей под действием ферментов, относящихся, как правило, к классу гидролаз. Промежуточный этап включает в себя внутриклеточные реакции, в результате которых образуется небольшое число промежуточных соединений, называемых центральными метаболитами обмена веществ (пируват, ацетил-SКоА, оксалоацетат, -кетоглутарат, сукцинил-SКoA, фумарат). На этом этапе выделяется около 30% энергии в форме тепла и различ-ных видов химической энергии (АТФ и восстановительных эквивалентов). Заключительный этап сводится к дальнейшему превращению центральных метаболитов в выделяемые из организма конечные продукты обмена веществ (углекислый газ и вода), при этом выделяется около 70% заключенной в продуктах питания энергии. Основная форма образуемой на этом этапе энергии сосредотачивается в макроэргических фосфатных связях АТФ, часть ее выделяется в форме тепла. Все реакции этого этапа сосредоточены в митохондриях.
Из приведенного рисунка следует, что начальные этапы катаболизма основных питательных веществ (белков, углеводов и жиров), а именно подготовительный и промежуточный, происходят при участии ферментов, специфичных для каждого класса веществ, поэтому эти этапы называют специфическими путями катаболизма. Из большого числа исходных соединений при этом образуются лишь несколько метаболитов: пируват, активная форма уксусной кислоты (аце-тил-КоА) и некоторые соединения, относящиеся к субстратам лимоннокислого цикла Кребса (оксалоацетат, α-кетоглутарат, сукцинат и фумарат). После образования пировиноградной кислоты дальнейший путь распада веществ до конечных продуктов (СО2 и Н2О) протекает одинаково. Поэтому процесс, начинающийся с пирувата, называется общим путем катаболизма. Он, в свою очередь, состоит из двух процессов: окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты с образованием ацетил-КоА (I общий путь катаболизма) и окисления ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) Кребса (II общий путь катаболизма). Общие пути катаболизма представляют собой единые пути распада различных классов веществ, являющиеся продолжением специфических путей. С ними, в основном, связаны главные биоэнергетические процессы, сопряженные с высвобождением и накоплением энергии в клетке.
Таким образом, организм человека, как и другие живые системы, неразрывно связан с внешней средой. В течение всей жизни из внешней среды в организм поступают питательные вещества (углеводы, жиры, белки), а также вода и кислород. Используются они либо на построение собственных веществ организма, либо для извлечения энергии. Продукты обмена веществ и часть энергии, в основном в виде тепла, выделяется из организма в окружающую среду. Взрослый человек за 40 лет жизни съедает тонны питательных веществ и выпивает около 20000 л воды без изменения массы тела. Это свидетельствует о том, что организм человека, являясь открытой системой, способен создавать и поддерживать постоянство химического состава внутренней среды – гомеостаз. Такое свойство живого организма обеспечивает его самообновление и самосохранение, что возможно благодаря постоянно протекающему обмену веществ.