Метаболизъм- това е приемането на хранителни вещества и течности от околната среда в тялото, храносмилането, асимилацията им и отделянето на продуктите.

Всички вещества, които влизат в тялото на животно, претърпяват значителни трансформации в него. Някои от тях се разпадат на прости, предимно неорганични продукти, като при това се освобождава енергия, използвана от тялото както за мускулна работа, така и за секреторни и нервни процеси (дисимилация). Техните разпадни продукти се екскретират от тялото. Други вещества претърпяват по-малко дълбоко разцепване и от тях се синтезират вещества, подобни на съставните части на тялото (асимилация - асимилация). Новосъздадените вещества или се превръщат в активни елементи на клетките и тъканите, или се отлагат в резерв, превръщайки се в потенциални източници на енергия. Неорганичните вещества се включват в общия метаболизъм на организма, претърпяват сложни трансформации заедно с органичните вещества, участващи във всички жизнени прояви.

Във всички живи клетки и тъкани на тялото, както в спокойно състояние, така и по време на активност, се случват едновременно два противоположни процеса: разрушаването на веществото и неговия синтез.

Метаболизмът се състои от два тясно свързани процеса: асимилация и дисимилация. Тези два процеса са не само едновременни, но и взаимно зависими. Едното е невъзможно без другото, защото никаква работа в тялото не може да се осъществи без разпадането на веществата, които преди това са били усвоени от тялото. От друга страна, процесите на синтез в организма изискват енергия, отделена при разпадането на веществата.

Тези два процеса изграждат метаболизма на тялото. Обмяната на вещества се извършва постоянно и непрекъснато. Всички клетки, всички тъкани на тялото, без да се изключват такива плътни и привидно непоклатими като костите и рогови образувания, са в постоянен процес на разпадане и обновяване. Това се отнася както за органични, така и за неорганични вещества.

Асимилация (анаболизъм)

Асимилацията или анаболизмът е преходът на съставните части на хранителните вещества, които са влезли в човешкото тяло от външната среда в клетките, т.е. превръщането на по-прости вещества в химически сложни. В резултат на асимилацията възниква клетъчно възпроизвеждане. Колкото по-млад е тялото, толкова по-активно протичат процесите на асимилация в него, осигурявайки неговия растеж и развитие.

Дисимилация (катаболизъм)

Протеините, или протеините, играят важна роля за здравето, нормалния растеж и развитие на човешкото тяло. Те изпълняват две различни физиологични функции: пластична и енергийна.

Функции на протеините

Пластичната функция на протеините е, че те са част от всички клетки и тъкани. Енергийната функция на протеините е, че те, окислявайки се в присъствието на кислород, се разграждат и освобождават енергия. При разделянето на 1 g протеин се освобождават 4,1 kcal енергия.

Структурата на протеините

Протеините са изградени от аминокиселини. от аминокиселинен съставделят се на пълни и долни.

Пълноценни протеини

Пълноценните протеини се съдържат в животинските продукти (месо, яйца, риба, хайвер, мляко и млечни продукти). За нормален растеж и развитие на организма в ежедневната диета на децата и юношите е необходимо да има достатъчно количество пълноценни протеини.

Непълни протеини

Непълноценните протеини се съдържат в растителните продукти (хляб, картофи, царевица, грах, боб мунг, ориз и др.).

Мазнините, както и протеините, в човешкото тяло имат пластична и енергийна стойност. 1 g мазнина, окислена в организма в присъствието на кислород, освобождава 9,3 kcal енергия. Има два вида мазнини: животински и растителни.

За човешкото тяло въглехидратите имат основно енергийно значение. По-специално, когато правите физическа работавъглехидратите първи се разграждат и снабдяват клетките, тъканите и особено мускулите с необходимата енергия за тяхната дейност. Когато 1 g въглехидрати се окисляват в присъствието на кислород, се освобождават 4,1 kcal енергия. Въглехидратите се намират в големи количества в храни от растителен произход (в хляб, картофи, плодове, пъпеши) и сладкиши.

Количеството вода в тялото

Водата е част от всички клетки и тъкани на човешкото тяло. В зависимост от физиологичните свойства на всяка тъкан водата се съдържа в различни количества. 50 - 60% от тялото на възрастен е вода, в тялото на младите хора съдържанието на вода е по-високо. Дневната нужда от вода на тялото на възрастни е 2-3 литра.

Ефектът на водата върху тялото

Водата играе важна роля в метаболизма. Ако човек изобщо не яде, а използва вода в нормално количество, тогава той може да живее 40-45 дни (докато телесното му тегло намалее с 40%). Но ако, напротив, храната е нормална и водата не се консумира, тогава човек може да умре в рамките на една седмица (до намаляване на теглото с 20-22%).

Водата влиза в тялото чрез храната и напитките. Той се абсорбира от стомаха и червата в кръвта, участва в метаболитните процеси в клетките и тъканите, основната му част се отделя чрез дишане, изпотяване и урина.

В горещия летен период се наблюдава голяма загуба на вода от тялото при изпотяване и дишане. Следователно нуждата на тялото от вода се увеличава. При жажда и усещане за сухота в устата, без да прибягвате до пиене на много вода, трябва често да изплаквате устата си, подкиселената вода (вода с лимон, минерална вода) утолява жаждата по-добре и в същото време сърцето не изпитва допълнителен стрес.

минерални солиса част от всички клетки и тъкани на човешкото тяло. Има макро- и микроелементи.

Макронутриенти

Макроелементите включват натрий, хлор, калций, фосфор, калий и желязо. Те се намират в големи количества в кръвта, клетките, особено в костите.

микроелементи

Микроелементите включват манган, кобалт, мед, алуминий, флуор, йод, цинк. Те се намират в кръвта, клетките и костите, но в по-малки количества. Минералните соли играят важна роля в метаболизма, особено в процесите на възбуждане на клетките.

тъканно дишане

Тъканното дишане е последният етап от разграждането на органичните вещества в клетките на тялото, в който участва кислород и се образува въглероден диоксид.

За да се обясни защо по време на тъканното дишане веществата, които обикновено са устойчиви на молекулярен кислород, се окисляват, беше предложена идеята за активиране на кислорода. Предполага се, че кислородът образува пероксид, от който се отделя активният кислород. Има и активиране на водорода, който преминава от едно вещество в друго, в резултат на което едно от веществата се оказва по-богато на кислород, т.е. окислява се, а другото става по-бедно на него, т.е. е намалена.

Голямо значение за тъканното дишане имат клетъчните пигменти, които съдържат желязо и се намират на повърхността на клетките и окислителните вещества. Желязото е един от най-силните катализатори, както може да се види в случая с хемоглобина в кръвта. Освен това има други катализатори, които насърчават преноса на кислород или водород. От тях са известни ензимът каталаза и трипептидът-глутатион, съдържащи сяра, която свързва водорода, отделяйки го от окисляващите вещества.

В резултат на химични, механични, топлинни промени в органичните вещества, съдържащи се в храната, тяхната потенциална енергия се превръща в топлинна, механична и електрическа енергия. Тъканите и органите вършат своята работа, клетките се размножават, техните износени компоненти се обновяват, младият организъм расте и се развива благодарение на тази генерирана енергия. Постоянството на температурата на човешкото тяло също се осигурява от тази енергия.

терморегулация

В различните органи на тялото метаболизмът протича с различна интензивност. Това може отчасти да се съди по количеството кръв, която тече през тях, тъй като кръвта доставя хранителни вещества и кислород към тях.

Нервна регулация

При висшите животни метаболитните процеси се регулират от нервната система, която влияе върху хода на всички химични процеси. Всички промени в хода на метаболизма се възприемат от нервната система, която по рефлекторен начин стимулира образуването и освобождаването на ензимни системи, които извършват разграждането и синтеза на веществата.

Хуморална регулация

Метаболитните процеси зависят и от хуморалната регулация, която се определя от състоянието на ендокринните жлези. Органите на вътрешната секреция, особено хипофизната жлеза, надбъбречните жлези, щитовидната и половите жлези, до голяма степен определят хода на метаболизма. Някои от тях влияят върху интензивността на процеса на дисимилация, докато други влияят върху метаболизма на някои вещества от мазнините, минерали, въглехидрати и др.

Ролята на черния дроб в метаболизма

Възраст

Метаболизмът също е различен при животните на различна възраст. При младите животни преобладават процесите на синтез, необходими за растежа им (синтезът им надвишава разпадането 4-12 пъти). При възрастните животни процесите на асимилация и дисимилация обикновено са балансирани.

Кърмене

Обмяната се влияе и от продуктите, произведени от животното. И така, метаболизмът на лактираща крава се преустройва в посока на синтеза на специфични вещества на млечния казеин, млечна захар. материал от сайта

Храна

Различните животински видове имат различен метаболизъм, особено ако се хранят разнообразна храна. Естеството и степента на метаболитните процеси се влияят от естеството на храненето. От особено значение е количеството и съставът на белтъчините, вит., както и минерален съставхрана. Едностранното хранене с което и да е вещество показва, че като се хранят само с протеини, животните могат да живеят дори с мускулна работа. Това се дължи на факта, че протеините са както строителен материал, така и източник на енергия в тялото.

Гладуване

По време на гладуване тялото използва своите резерви, първо чернодробен гликоген, а след това мазнини от мастните депа. Разграждането на протеините в организма намалява и количеството на азот в секретите пада. Това се установява още от първия ден на гладуването и показва, че намаляването на разграждането на протеините е от рефлексен характер, тъй като в червата все още има много хранителни вещества за ден или два. При по-нататъшно гладуване азотният метаболизъм се установява на ниско ниво. Едва след като запасите от въглехидрати и мазнини в организма вече са изчерпани, започва повишено разграждане на протеините и рязко се увеличава отделянето на азот. Сега протеините са основният източник на енергия за тялото. Винаги е предвестник неизбежна смърт. Дихателният коефициент в началото на гладуването е 0,9 - тялото изгаря предимно въглехидрати, след това пада до 0,7 - използват се мазнини, в края на гладуването е 0,8 - тялото изгаря протеините на тялото си.

Пълният глад (при прием на вода) може да продължи до 50 дни за човек, над 100 дни за кучета и до 30 дни за коне.

Продължителността на гладуването може да се увеличи с предварителна тренировка, тъй като се оказа, че след кратки периоди на гладуване тялото складира повече от обикновено и това улеснява вторичното гладуване.

Това показва аутопсия на трупове на умрели от глад животни различни органинамаляване на теглото в различни степени. Отслабнете най-много подкожна тъкан, тогава мускулите, кожата и храносмилателният канал, жлезите, бъбреците губят още по-малко тегло; сърцето и мозъкът губят не повече от 2-3% от теглото си.

Стрес от упражнения

Метаболизмът по време на физическа активност е придружен от увеличаване на процеса на дисимилация поради голямата нужда на тялото от енергия.

Дори в пълен покой животното изразходва енергия за работата на вътрешните органи, чиято дейност никога не спира: сърцето, дихателните мускули, бъбреците, жлезите и др. Мускулите на скелета са постоянно в състояние на известно напрежение, чиято поддръжка също изисква значителен разход на енергия. Животните изразходват много енергия за получаване, дъвчене и смилане на храната. При кон до 20% от енергията на получената храна се изразходва за това. Но консумацията на енергия се увеличава особено по време на мускулна работа и колкото повече, толкова по-трудна е извършената работа. И така, кон, когато се движи по равен път със скорост 5-6 км в час, изразходва 150 кал топлина на километър пътека, а при скорост 10-12 км в час - 225 кал.

метаболизъм метаболизъм физически процесив

метаболизмът се извършва при

метаболитни процеси

Въпроси към тази статия:

Много хора смятат, че метаболизмът и скоростта на смилане на храната са синоними, но това е погрешно. Ние даваме правилната дефиниция на метаболизма и разбираме от какво зависи неговата скорост и до какви неизправности и повреди могат да доведат.

Метаболизмът (наричан още метаболизъм) е в основата на живота важни процесивъзникващи в тялото. Метаболизмът се отнася до всички биохимични процеси, протичащи вътре в клетките. Тялото непрекъснато се грижи за себе си, като използва (или съхранява в резервни депа) получените хранителни вещества, витамини, минерали и микроелементи, за да осигури всички функции на тялото.

За метаболизма, който също се контролира от ендокринната и нервната система, хормоните и ензимите (ензимите) са от голямо значение. Традиционно най важно тялов метаболизма се има предвид черният дроб.

За да изпълнява всичките си функции, тялото се нуждае от енергия, която черпи от протеини, мазнини и въглехидрати, получени с храната. Следователно процесът на усвояване на храната може да се счита за едно от необходимите условия за метаболизма.

Метаболизмът е автоматичен. Това дава възможност на клетките, органите и тъканите да се възстановяват независимо след въздействието на определени външни фактори или вътрешни повреди.

Каква е същността на метаболизма?

Метаболизмът е промяна, трансформация, обработка на химикали, както и енергия. Този процес се състои от 2 основни, взаимосвързани етапа:

• Катаболизъм (от гръцката дума за "разрушаване"). Катаболизмът включва разграждането на сложни органични вещества, които влизат в тялото, до по-прости. Това е специален обмен на енергия, който възниква по време на окисляването или разпадането на определено химическо или органично вещество. В резултат на това в тялото се освобождава енергия (по-голямата част от нея се разсейва под формата на топлина, останалата част по-късно се използва в анаболни реакции и при образуването на АТФ);
• Анаболизъм (от гръцката дума за "възход"). През тази фаза се образуват важни за организма вещества - аминокиселини, захар и протеини. Този пластичен обмен изисква голям разход на енергия.

Казано с прости думи, катаболизмът и анаболизмът са два равнопоставени процеса в метаболизма, последователно и циклично заместващи се един друг.

Какво влияе върху скоростта на метаболитните процеси

Една от възможните причини за бавен метаболизъм е генетичен дефект. Има предположение, че скоростта на процеса на изгаряне на енергия зависи не само от възрастта (ще обсъдим това по-долу) и структурата на тялото, но и от наличието на определен индивидуален ген.

През 2013 г. беше проведено проучване, по време на което се оказа, че мутация в KSR2, генът, отговорен за метаболизма, може да бъде причина за бавния метаболизъм. Ако има дефект в него, тогава неговият носител или носител има не само повишен апетит, но и по-бавен (в сравнение със здрави хора), основен метаболизъм ( прибл. Ед .: базалният метаболизъм означава минималното количество енергия, от което тялото се нуждае сутрин за нормален живот в легнало положение и будност преди първото хранене). Въпреки това, предвид факта, че по-малко от 1% от възрастните и по-малко от 2% от децата с наднормено тегло имат този генетичен дефект, тази хипотеза едва ли може да се нарече единствената правилна.

С много по-голяма увереност учените твърдят, че скоростта на метаболизма зависи от пола на човека.

И така, холандски изследователи установиха, че мъжете наистина имат по-активен метаболизъм от жените. Те обясняват това явление с факта, че мъжете обикновено имат повече мускулна маса, костите им са по-тежки и процентът на телесните мазнини е по-нисък, така че в покой (говорим за основен метаболизъм), те консумират повече енергия, когато се движат.

Метаболизмът също се забавя с възрастта и за това са виновни хормоните. И така, колкото по-възрастна е жената, толкова по-малко естроген произвежда нейното тяло: това причинява появата (или увеличаването на съществуващите) на мастни натрупвания в областта на корема. При мъжете нивата на тестостерон намаляват, което води до намаляване на мускулна маса. Освен това – и този път говорим за хора от двата пола – с течение на времето тялото започва да произвежда все по-малко хормон на растежа соматотропин, който също е предназначен да стимулира разграждането на мазнините.

Отговорете на 5 въпроса, за да разберете колко бърз е вашият метаболизъм!

Често ли ви е горещо?Хората с добър метаболизъм са склонни да се разгорещяват по-често от хората с слаб (бавен) метаболизъм, те са много по-малко студени. Ако не сте започнали преди менопаузата, тогава положителният отговор на този въпрос може да се счита за един от признаците, че метаболизмът ви е в ред.

Колко бързо се възстановяваш?Ако сте склонни към бързо напълняване, тогава може да се предположи, че метаболизмът ви не функционира правилно. При правилен метаболизъм получената енергия се изразходва почти веднага, а не се отлага под формата на мазнини в депото.

Често ли се чувствате весели и заредени с енергия?Хората с бавен метаболизъм често се чувстват уморени и претоварени.

Смилате ли храната бързо?Хората с добър метаболизъм обикновено могат да се похвалят с добро храносмилане. Честият запек често е сигнал, че нещо не е наред с метаболизма.

Колко често и по колко ядете?Чувствате ли се често гладни и ядете много? Добър апетитобикновено показва, че храната се усвоява бързо от тялото и това е знак бърз метаболизъм. Но, разбира се, това не е причина да се откажете от правилното хранене и активния начин на живот.

Имайте предвид, че твърде бързият метаболизъм, за който мнозина мечтаят, също е изпълнен с проблеми: може да доведе до безсъние, нервност, загуба на тегло и дори проблеми със сърцето и кръвоносните съдове.

Как да установим обмен с храненето?

Има доста храни, които могат да имат благоприятен ефект върху метаболизма, например:

• зеленчуци, богати на груби фибри (цвекло, целина, зеле, моркови);
• постно месо (пилешко филе без кожа, телешко);
• зелен чай, цитрусови плодове, джинджифил;
• риба, богата на фосфор (особено морска);
• екзотични плодове (авокадо, кокосови орехи, банани);
• зеленчуци (копър, магданоз, босилек).

Проверете дали допускате грешки в храненето, които водят до ненужно забавяне на метаболизма!

Грешка №1. Вашата диета е твърде бедна на здравословни мазнини

Страстни сте по продуктите с етикет Light? Не забравяйте да се уверите, че консумирате достатъчно ненаситени мастни киселини, които се намират в същата сьомга или авокадо. Те също така помагат за поддържане на нивата на инсулин в нормални граници и предпазват метаболизма ви от забавяне.

Грешка №2. Диетата ви съдържа много полуфабрикати и готови храни

Внимателно проучете етикетите, най-вероятно ще откриете, че захарта е включена дори в онези продукти, където изобщо не трябва да бъде. Той е отговорен за скоковете в кръвната захар. Не превръщайте тялото си в увеселителен парк с храна. В крайна сметка тялото приема подобни разлики като сигнал, че е време да складира повече мазнини.

Грешка #3. Често пренебрегвате пристъпите на глад и пропускате хранения

Важно е не само какво ядете, но и кога го правите (трябва да ядете редовно и по едно и също време). Всеки, който чака, докато стомахът започне да се извива от гладни спазми (или напълно игнорира сигналите на тялото), рискува да повлияе негативно на скоростта на метаболизма. Нищо добро не може да се очаква в този случай. Поне жестоките пристъпи на глад вечер, които не могат да бъдат избегнати, определено не попадат в категорията „добри“.

Причини и последици от метаболитни нарушения

Сред причините за провала на метаболитните процеси може да се нарече патологични променив работата на надбъбречните жлези, хипофизата и щитовидната жлеза.

В допълнение, предпоставките за неуспехи включват неспазване на диетата (суха храна, често преяждане, болезнена страст към строги диети), както и лоша наследственост.

Има редица външни признаци, по които можете самостоятелно да се научите да разпознавате проблемите на катаболизма и анаболизма:

1. поднормено или наднормено тегло;
2. соматична умора и подуване на горните и долните крайници;
3. отслабени нокътни плочи и чуплива коса;
4. кожни обриви, акне, лющене, бледност или зачервяване на кожата.

Ако метаболизмът е отличен, тогава тялото ще бъде стройно, косата и ноктите ще бъдат здрави, кожата ще бъде без козметични дефектии се чувствам добре.

Метаболизмът (от гръцки: μεταβολή metabolē, „промяна“) е поредица от химически трансформации в клетките на живите организми, необходими за поддържане на живота. Трите основни цели на метаболизма са превръщането на храната/горивото в енергия за протичане на клетъчните процеси, превръщането на храната/горивото в градивни елементи за протеини, липиди, нуклеинови киселини и някои въглехидрати и елиминирането на азотни отпадъчни продукти. Тези ензимни реакции позволяват на организма да расте и да се възпроизвежда, да поддържа своите структури и да реагира на околната среда. Думата "метаболизъм" може също да се отнася до сбора от всички химична реакциявъзникващи в живите организми, включително храносмилането и транспортирането на вещества в различни клеткии между тях, в този случай наборът от реакции вътре в клетките се нарича междинен метаболизъм. Метаболизмът обикновено се разделя на две категории: катаболизъм, разграждането на органичната материя, напр. клетъчно дишане, и анаболизъм, създаването на клетъчни компоненти като протеини и нуклеинови киселини. По правило при разцепване се отделя енергия, а при натрупване се изразходва.

Химичните реакции на метаболизма са организирани в метаболитни пътища, в които един химическо съединениесе трансформира чрез серия от стъпки в друго съединение, използвайки последователност от ензими. Ензимите са от решаващо значение за метаболизма, защото позволяват на организмите да извършват желани реакции, които изискват енергиен разход, който не би възникнал сам по себе си, като ги свързват към спонтанни реакции, които освобождават енергия. Ензимите действат като катализатори, които позволяват на реакциите да протичат повече бързо. Ензимите също така позволяват регулирането на метаболитните пътища в отговор на промени в околната среда на клетката или на сигнали от други клетки. Метаболитната система на даден организъм определя кои вещества ще бъдат хранителни за него и кои ще бъдат отровни. Например, някои прокариоти използват сероводород като хранително вещество, но този газ е отровен за животните. Скоростта на метаболизма влияе върху това колко храна ще изисква тялото, както и колко ще може да получи тази храна. Отличителна черта на метаболизма е сходството на основните метаболитни пътища и компоненти между дори напълно различни видове. Например, много карбоксилни киселини, които са най-известни като междинни продукти в цикъла на Кребс, присъстват във всички известни организми. Те са открити в различни видове като едноклетъчни бактерии E. coli и гигантски многоклетъчни организми като слонове. Тези поразителни прилики в метаболитните пътища вероятно са свързани с техните ранна появав еволюционната история и тяхната устойчивост поради тяхната ефективност.

Основни биохимикали

Повечето от структурите, които изграждат животните, растенията и микробите, са изградени от три основни класа молекули: аминокиселини, въглехидрати и липиди (често наричани мазнини). Тъй като тези молекули имат жизненоважно важностза цял живот, метаболитните реакции или се фокусират върху производството на тези молекули в процеса на изграждане на клетки и тъкани, или върху тяхното разграждане и използване като източник на енергия, в процеса на храносмилане. Тези биохимикали могат да се комбинират един с друг, за да образуват полимери като ДНК и протеини, които са от съществено значение за живота на макромолекулата.

Аминокиселини и протеини

Протеините са изградени от аминокиселини, подредени в линейна верига, свързани помежду си с пептидни връзки. Много протеини са ензими, които катализират химичните реакции в метаболизма. Други протеини имат структурни или механични функции, като протеини, които образуват цитоскелета, системата, която поддържа формата на клетката. Протеините също играят важна роля в клетъчното сигнализиране, имунни реакции, клетъчна адхезия, активен транспорт през мембраните и клетъчния цикъл. Аминокиселините също подпомагат клетъчния енергиен метаболизъм, като осигуряват източник на въглерод за влизане в цикъла. лимонена киселина(цикъл на трикарбоксилната киселина), особено когато първичен енергиен източник като глюкозата е недостатъчен или когато клетките са под метаболитен стрес.

Липиди

Липидите са най-разнообразната група биохимични вещества. Основните им структурни употреби са като част от биологични мембрани, вътрешни и външни, като клетъчни мембрани или като източник на енергия. Липидите обикновено се определят като хидрофобни или амфипатични биологични молекули, но те се разтварят в органични разтворители като бензен или хлороформ. Мазнините са голяма група съединения, които съдържат мастна киселинаи глицерин; молекула глицерол, прикрепена към три естеримастни киселини се нарича триацилглицерид. Има няколко вариации на тази основна структура, включително алтернативни гръбнаци като сфингозин върху сфинголипиди и хидрофилни групи като фосфат върху фосфолипиди. Стероидите като холестерол са друг важен клас липиди.

Въглехидрати

Въглехидратите са алдехиди или кетони, с много свързани хидроксилни групи, които могат да съществуват като прави вериги или пръстени. Въглехидратите са най-често срещаните биологични молекули и изпълняват много функции, като съхраняване и транспортиране на енергия (нишесте, гликоген) и структурни компоненти (целулоза в растенията, хитин в животните). Основните единици на въглехидратите се наричат ​​монозахариди и включват галактоза, фруктоза и, най-важното, глюкоза. Монозахаридите могат да бъдат свързани заедно, за да образуват полизахариди.

Нуклеотиди

Две нуклеинови киселини, ДНК и РНК, са полимери на нуклеотиди. Всеки нуклеотид се състои от фосфат, прикрепен към рибозна или дезоксирибозна захарна група, която е прикрепена към азотна основа. Нуклеиновите киселини са критични за съхранението и използването на генетична информация и нейната интерпретация чрез процесите на транскрипция и биосинтеза на протеини. Тази информация е защитена от механизми за възстановяване на ДНК и се разпространява чрез репликация на ДНК. Много вируси имат РНК геном, като ХИВ, който използва обратна транскрипция, за да създаде ДНК шаблон от своя вирусен РНК геном. РНК в рибозомите като сплайсозоми и рибозоми е подобна на ензимите по това, че може да катализира химични реакции. Индивидуалните нуклеозиди се създават чрез свързване на рибозна захар към нуклеобаза. Тези основи са азотсъдържащи хетероциклични пръстени и се класифицират като пурини или пиримидини. Нуклеотидите също действат като коензими в реакциите на прехвърляне на метаболитни групи.

Коензими

Метаболизмът включва широк обхватхимични реакции, но повечето от тези реакции са включени в няколко основни типа реакции, които включват пренос на функционални групи от атоми и техните връзки в молекулите. Тези химични реакции позволяват на клетките да използват малък набор от метаболитни междинни продукти, за да преместват химически групи между тях различни реакции. Тези междинни продукти в реакциите на групов трансфер се наричат ​​коензими. Всеки клас реакции на групов трансфер се осъществява от специфичен коензим, който е субстрат за набор от ензими, които го произвеждат, както и набор от ензими, които го консумират. Следователно тези коензими непрекъснато се произвеждат, консумират и след това се използват повторно. Един от централните коензими е аденозин трифосфат (АТФ), универсален източник на енергия за клетките. Този нуклеотид се използва за пренос на химическа енергия между различни химични реакции. Само малко количество АТФ съществува в клетките, но тъй като то непрекъснато се регенерира, човешкото тяло може да използва количество АТФ на ден, което е приблизително собственото му тегло. АТФ действа като "мост" между катаболизма и анаболизма. Катаболизмът разгражда молекулите, докато анаболизмът ги обединява. Катаболните реакции създават АТФ, а анаболните реакции го консумират. АТФ също така служи като носител за фосфатни групи в реакции на фосфорилиране. Витаминът е органично съединение от съществено значение за малки количества, които не могат да се произвеждат в клетките. В човешкото хранене повечето витамини функционират като коензими след модификация; например всички водоразтворими витаминиса фосфорилирани или свързани с нуклеотиди, когато се използват в клетките. Никотинамид аденин динуклеотид (NAD+), производно на витамин B3 (ниацин), е важен коензим, който действа като акцептор на водород. стотици определени видоведехидрогеназите премахват електрони от техните субстрати и редуцират NAD+ до NADH. Тази редуцирана форма на коензима е субстрат за всяка от редуктазите в клетката, която трябва да възстанови своите субстрати. Никотинамид аденин динуклеотидът съществува в две свързани форми в клетката, NADH и NADPH. Формата NAD+/NADH е по-важна при катаболните реакции, докато NADP+/NADH се използва при анаболните реакции.

Минерали и кофактори

Неорганичните елементи играят важна роля в метаболизма; някои от тях се намират в изобилие в тялото (например натрий и калий), докато други действат в минимални концентрации. Около 99% от масата на бозайника се състои от въглерод, азот, калций, натрий, хлор, калий, водород, фосфор, кислород и сяра. Органичните съединения (протеини, липиди и въглехидрати) съдържат по-голямата част от въглерода и азота; най-много кислород и водород присъстват във водата. Изобилните неорганични елементи действат като йонни електролити. Най-важните йони са натрий, калий, калций, магнезий, хлорид, фосфат и органичният бикарбонатен йон. Поддържането на точни йонни градиенти в клетъчните мембрани поддържа осмотичното налягане и pH. Йоните също са важни за функционирането на нервите и мускулите, тъй като потенциалите за действие в тези тъкани се образуват от обмена на електролити между извънклетъчната течност и клетъчната течност, цитозола. Електролитите влизат и излизат от клетките чрез протеини в клетъчната мембрана, наречени йонни канали. Например, мускулната контракция зависи от движението на калция, натрия и калия през йонните канали в клетъчната мембрана и Т-тубулите. Преходните метали обикновено присъстват в организмите като микроелементи, като цинкът и желязото се намират в тялото в най-високи концентрации. Тези метали се използват като кофактори в някои протеини и са от съществено значение за активността на ензими като каталаза и протеини носители на кислород като хемоглобин. Металните кофактори са тясно свързани със специфични места в протеините; въпреки че ензимните кофактори могат да бъдат модифицирани по време на катализа, те винаги се връщат в първоначалното си състояние до края на катализираната реакция. Следи от метали се абсорбират в организмите чрез специфични транспортери и се свързват с протеини за съхранение като феритин или металотионеин, когато не се използват.

катаболизъм

Катаболизмът е набор от метаболитни процеси, които разграждат големи молекули. Тези процеси включват разграждането и окисляването на хранителните молекули. Целта на катаболните реакции е да осигурят енергия и компоненти, необходими по време на анаболните реакции. Точното естество на тези катаболни реакции е различно различни организми. Организмите могат да бъдат класифицирани въз основа на техните източници на енергия и въглерод (основните им хранителни групи). Органотрофите използват органични молекули като източник на енергия, докато литотрофите използват неорганични субстрати, а фототрофите използват слънчевата светлина като химическа енергия. Въпреки това, всички тези различни форми на метаболизъм зависят от редокс реакции, които включват трансфер на електрони от редуцирани донорни молекули като органични молекули, вода, амоняк, сероводород или йони на желязо към акцепторни молекули като кислород, нитрат или сулфат . При животните тези реакции включват сложни органични молекули, които се разпадат на по-прости молекули, като напр въглероден двуокиси вода. При фотосинтезиращи организми като растения и цианобактерии тези реакции на пренос на електрони не освобождават енергия, а се използват като начин за съхраняване на енергията, абсорбирана от слънчевата светлина. Най-честите катаболни реакции при животните могат да бъдат разделени на три основни етапа. В първия етап големи органични молекули като протеини, полизахариди или липиди се разграждат на по-малки компоненти извън клетката. Освен това тези малки молекули се поемат от клетките и се превръщат в още по-малки молекули, обикновено ацетил-коензим А (ацетил-КоА), който освобождава малко енергия. И накрая, ацетиловата група на CoA се окислява до вода и въглероден диоксид в цикъла на лимонената киселина и веригата за транспортиране на електрони, освобождавайки енергия, която се съхранява чрез редуциране на коензима никотинамид аденин динуклеотид (NAD+) до NADH.

храносмилане

Макромолекули като нишесте, целулоза или протеини не могат да бъдат бързо поети от клетките и трябва да бъдат разградени на по-малки единици, преди да могат да бъдат използвани в клетъчния метаболизъм. Няколко общи класа ензими усвояват тези полимери. Тези храносмилателни ензимивключват протеази, които превръщат протеините в аминокиселини, както и гликозидни хидролази, които превръщат полизахаридите в прости захариизвестни като монозахариди. Микробите просто отделят храносмилателни ензими в околната среда, докато животните отделят тези ензими само от специализирани клетки в червата си. Аминокиселините или захарите, освободени от тези извънклетъчни ензими, след това се изпомпват в клетките чрез активни транспортни протеини.

Енергия от органични съединения

Въглехидратният катаболизъм е разграждането на въглехидратите на по-малки единици. Въглехидратите обикновено се приемат в клетките, когато се усвояват в монозахариди. Веднъж в тялото, основният път на разграждане е гликолизата, по време на която захари като глюкоза и фруктоза се превръщат в пируват и се генерира АТФ. Пируватът е междинен продукт в няколко метаболитни пътя, но повечето пируват се превръща в ацетил-КоА и участва в цикъла на лимонената киселина. Въпреки че малко АТФ се генерира в цикъла на лимонената киселина, повечето важен продукте NADH, който се получава от NAD+, когато ацетил-CoA се окислява. По време на това окисление, като страничен продуктотделя се въглероден диоксид. При анаеробни условия гликолизата произвежда лактат чрез ензима лактат дехидрогеназа, повторно окисляващ NADH до NAD+ за повторна употреба в гликолизата. Алтернативен път за разграждане на глюкозата е пентозофосфатният път, който намалява NADPH коензима и произвежда пентози като рибоза, захарния компонент на нуклеиновите киселини. Мазнините се катаболизират по време на хидролиза до свободни мастни киселини и глицерол. Глицеролът навлиза в гликолизата и мастните киселини се разграждат чрез бета-окисление, освобождавайки ацетил-КоА, който след това се включва в цикъла на лимонената киселина. Мастните киселини освобождават повече енергия, когато се окисляват, отколкото въглехидратите, тъй като въглехидратите съдържат повече кислород в техните структури. Стероидите също се разграждат от някои бактерии в процес, подобен на бета-окислението, и този процес на разграждане е свързан с освобождаването на значителни количества ацетил-КоА, пропионил-КоА и пируват, които могат да бъдат използвани от клетката за енергия . M. tuberculosis може също да расте върху липидния холестерол като негов единствен източник на въглерод и се твърди, че гените, участващи в пътя на използване на холестерола(ите), са важни за различни етапижизнен цикъл на инфекция с Mycobacterium tuberculosis. Аминокиселините се използват или за синтезиране на протеини и други биомолекули, или се окисляват до урея и въглероден диоксид като източник на енергия. Пътят на окисление започва с отстраняването на аминогрупата от трансаминазата. Аминогрупата навлиза в цикъла на уреята, оставяйки дезаминиран въглероден скелет под формата на кето киселина. Някои от тези кето киселини са междинни продукти в цикъла на лимонената киселина, например дезаминирането на глутамата води до образуването на α-кетоглутарат. Глюкогенните аминокиселини също могат да бъдат превърнати в глюкоза чрез глюконеогенеза.

Енергийни трансформации

Окислително фосфорилиране

По време на окислителното фосфорилиране електроните се отстраняват от органичните молекули в области като цикъла на протагоновата киселина и се прехвърлят към кислорода, а освободената енергия се използва за производството на АТФ. Това се извършва при еукариотите от поредица от протеини в митохондриалните мембрани, наречени електрон-транспортна верига. При прокариотите тези протеини се намират във вътрешната мембрана на клетката. Тези протеини използват енергията, освободена от преминаването на електрони от редуцирани молекули като NADH в кислород, за да изпомпват протони през мембраната. Изпомпването на протони от митохондриите създава разлика в концентрацията на протони през мембраната и генерира електрохимичен градиент. Това кара протоните да се връщат обратно в митохондриите през основата на ензим, наречен АТФ синтаза. Потокът от протони кара субединицата да се върти, което кара активното място на синтазния домейн да промени формата си и да фосфорилира ADP, превръщайки го в ATP.

Енергия от неорганични съединения

Хемолитотрофията е вид метаболизъм при прокариотите, при който енергията се произвежда чрез окисление на неорганични съединения. Тези организми могат да използват водород, редуцирани серни съединения (като сулфид, сероводород и тиосулфат), двувалентно желязо (FeII) или амоняк като източници на редуцираща мощност и те получават енергия от окисляването на тези съединения с акцептори на електрони като напр. кислород или нитрит. Тези микробни процеси играят важна роля в глобалните биогеохимични цикли като ацетогенеза, нитрификация и денитрификация и са от решаващо значение за плодородието на почвата.

светлинна енергия

Слънчевата светлина се използва от растения, цианобактерии, лилави бактерии, зелени серни бактерии и някои протозои. Този процес често се свързва с превръщането на въглеродния диоксид в органични съединения като част от фотосинтезата. Системите за улавяне на енергия и фиксиране на въглерод обаче могат да работят отделно в прокариотите, тъй като лилавите бактерии и зелените серни бактерии могат да използват слънчевата светлина като източник на енергия, докато превключват между фиксиране на въглерод и органична ферментация. В много организми улавянето на слънчева енергия е подобно по принцип на окислителното фосфорилиране, тъй като включва съхраняване на енергия под формата на градиент на концентрация на протони. Тази движеща сила на протоните след това води до синтеза на АТФ. Електроните, необходими за управлението на тази електротранспортна верига, идват от събиращи светлина протеини, наречени фотосинтетични реакционни центрове или родопсини. Реакционните центрове са разделени на два типа въз основа на типа фотосинтетичен пигмент, като повечето фотосинтезиращи бактерии имат само един тип, докато растенията и цианобактериите имат два. В растенията, водораслите и цианобактериите фотосистема II използва светлинна енергия, за да отстрани електрони от водата, освобождавайки кислород като страничен продукт. След това електроните се придвижват към комплекса цитохром b6f, който използва тяхната енергия, за да изпомпва протони през тилакоидната мембрана в хлоропластите. Тези протони се движат обратно през мембраната, докато управляват АТФ синтазата, както преди. След това електроните преминават през фотосистема I и след това могат или да бъдат използвани за регенериране на коензима NADP+, за използване в цикъла на Калвин, или да бъдат рециклирани за по-нататъшно генериране на АТФ.

Анаболизъм

Анаболизмът е набор от конструктивни метаболитни процеси, при които енергията, освободена от катаболизма, се използва за синтезиране на сложни молекули. Като цяло сложните молекули, които изграждат клетъчните структури, са изградени от малки и прости прекурсори. Анаболизмът включва три основни етапа. Първо, производството на прекурсори като аминокиселини, монозахариди, изопреноиди и нуклеотиди, второ, тяхното активиране в реактивни форми, използвайки енергия от АТФ, и трето, сглобяването на тези прекурсори в сложни молекули като протеини, полизахариди, липиди и нуклеинови киселини . Различни организми могат да изграждат различно количествомолекули в клетките. Автотрофите като растенията могат да изградят сложни органични молекули в клетките като полизахариди и протеини от прости молекули като въглероден диоксид и вода. Хетеротрофните организми, от друга страна, изискват източник на повече сложни вещества, като монозахариди и аминокиселини, за производството на тези сложни молекули. Организмите могат да бъдат допълнително класифицирани по техните основни източници на енергия: фотоавтотрофите и фотохетеротрофите получават енергията си от светлината, докато хемоавтотрофите и хемохетеротрофите получават енергията си от реакции на неорганично окисление.

Въглеродна фиксация

Фотосинтезата е синтез на въглехидрати от слънчева светлина и въглероден диоксид (CO2). В растенията, цианобактериите и водораслите кислородната фотосинтеза разгражда водата, като кислородът се отделя като страничен продукт. Този процес използва ATP и NADPH, произведени от фотосинтетични реакционни центрове, както е описано по-горе, за преобразуване на CO2 в глицерат 3-фосфат, който след това може да се преобразува в глюкоза. Тази реакция на въглеродна фиксация се извършва от ензима Rubisco като част от цикъла на Келвин-Бенсън. Растенията имат три вида фотосинтеза, C3 въглеродна фиксация, C4 въглеродна фиксация и CAM фотосинтеза. Те се различават по пътя, по който въглеродният диоксид се използва за цикъла на Калвин, като C3 растенията фиксират CO2 директно, докато C4 и CAM фотосинтезата превръщат CO2 в други съединения първо като адаптации за справяне с интензивна слънчева светлина и сухи условия. При фотосинтезиращите прокариоти механизмите на въглеродна фиксация са по-разнообразни. Тук въглеродният диоксид може да се фиксира чрез цикъла на Келвин-Бенсън, обратния цикъл на лимонената киселина или карбоксилирането на ацетил-КоА. Прокариотните хемоавтотрофи също фиксират CO2 чрез цикъла на Келвин-Бенсън, но използват енергия от неорганични съединения, за да управляват реакцията.

Въглехидрати и гликани

При въглехидратния анаболизъм простите органични киселини могат да се превърнат в монозахариди като глюкоза и след това да се използват за сглобяване на полизахариди като нишесте. Генерирането на глюкоза от съединения като пируват, лактат, глицерол, глицерат 3-фосфат и аминокиселини се нарича глюконеогенеза. Глюконеогенезата превръща пирувата в глюкозо-6-фосфат чрез редица междинни продукти, много от които се наблюдават при гликолизата. Този път обаче не е само гликолиза, протичаща в обратна посока, тъй като няколко стъпки се катализират от негликолитични ензими. Това е важно, защото позволява отделно регулиране на производството и разграждането на глюкоза и също така предотвратява едновременното протичане на двата пътя в безполезния цикъл. Въпреки че мазнините са често срещан начин за съхраняване на енергия, при гръбначни животни като хората, мастните киселини, съдържащи се в тези запаси, не могат да бъдат превърнати в глюкоза чрез глюконеогенеза, тъй като тези организми не могат да превърнат ацетил-КоА в пируват; растенията, за разлика от животните, имат необходимите за това ензимни механизми. В резултат на това, след продължително гладуване, гръбначните трябва да произвеждат кетонови тела от мастни киселини, за да заместят глюкозата в тъкани като мозъка, които не могат да метаболизират мастни киселини. В други организми, като растения и бактерии, тази метаболитна задача се изпълнява от глиоксилатния цикъл, който заобикаля етапите на декарбоксилиране в цикъла на лимонената киселина и насърчава превръщането на ацетил-КоА в оксалоацетат, където може да се използва за производството на глюкоза. Полизахаридите и гликаните се произвеждат чрез последователно добавяне на монозахариди чрез гликозилтрансфераза от реактивен донор на захар-фосфат като уридин дифосфат глюкоза (UDP-глюкоза) към акцептор на хидроксилна група на нарастващия полизахарид. Тъй като всяка от хидроксилните групи на субстратния пръстен може да бъде акцептор, получените полизахариди могат да имат прави или разклонени структури. Произведените полизахариди могат да имат структурни или метаболитни функции сами по себе си или да бъдат прехвърлени към липиди и протеини от ензими, наречени олигозахарилтрансферази.

Мастни киселини, изопреноиди и стероиди

Мастните киселини се произвеждат от синтази на мастни киселини, които полимеризират и след това редуцират ацетил-КоА редуктазните единици. Тези ацилови вериги в мастните киселини се удължават чрез цикъл от реакции, които добавят ацилова група, редуцират я до алкохол, дехидратират я до алкенова група и след това я редуцират обратно до алканова група. Биосинтетичните ензими на мастни киселини попадат в две групи: при животните и гъбите всички тези реакции на синтаза на мастни киселини се извършват от единичен многофункционален протеин тип I, докато в растителните и бактериалните пластиди отделни ензими от тип II извършват всяка стъпка по пътя . Терпените и изопреноидите представляват голям клас липиди, които включват каротеноиди и образуват най-големия клас растения натурални продукти. Тези съединения са създадени чрез сглобяване и модифициране на изопренови единици, дарени от реактивните прекурсори изопентенил пирофосфат и диметилалил пирофосфат. Тези прекурсори могат да бъдат произведени по различни начини. При животни и археи мевалонатният път произвежда тези съединения от ацетил-КоА, докато при растенията и бактериите немевалонатният път използва пируват и глицералдехид-3-фосфат като субстрати. Една важна реакция при използване на тези активирани изопренови донори е биосинтезата на стероиди. Тук изопреновите единици се обединяват, за да произведат сквален и след това образуват набор от пръстени, произвеждайки ланостерол. След това ланостеролът може да се преобразува в други стероиди като холестерол и ергостерол.

катерици

Синтез на нуклеотиди

Нуклеотидите се изграждат от аминокиселини, въглероден диоксид и мравчена киселинапо път, който изисква много метаболитна енергия. Следователно повечето организми имат ефективни системи за спасяване на предварително формирани нуклеотиди. Пурините се синтезират като нуклеозиди (бази в рибозата). И аденинът, и гуанинът са направени от прекурсора нуклеозид инозин монофосфат, който се синтезира с помощта на атоми от аминокиселините глицин, глутамин и аспарагинова киселина, както и формиат, пренесен от коензима тетрахидрофолат. Пиримидините, от друга страна, се синтезират от основния оротат, който се образува от глутамин и аспартат.

Ксенобиотици и редокс метаболизъм

Всички организми са постоянно изложени на съединения, които не могат да използват като храна и които могат да бъдат вредни, ако се натрупват в клетките, тъй като нямат метаболитни функции. Тези потенциално вредни съединения се наричат ​​ксенобиотици. Ксенобиотици като синтетични лекарства, естествени отрови и антибиотици се детоксикират от редица метаболизиращи ксенобиотици ензими. При хората тези ензими включват цитохром Р450 оксидаза, UDP-глюкуронилтрансфераза и глутатион S-трансфераза. Тази ензимна система работи в три стъпки, първо чрез окисляване на ксенобиотици (фаза I) и след това чрез конюгиране на водоразтворими групи в молекулата (фаза II). След това модифицираният водоразтворим ксенобиотик може да бъде изведен от клетките и в многоклетъчните организми може да бъде допълнително метаболизиран, преди да бъде елиминиран от тялото (фаза III). В екологията тези реакции са особено важни при микробното биоразграждане на замърсители и биоремедиацията на замърсена земя и нефтени разливи. Много от тези микробни реакции се наблюдават в многоклетъчните организми, но поради невероятното разнообразие от микробни видове, тези организми могат да се справят с много по-широк спектър от ксенобиотици, отколкото многоклетъчните организми, и могат също така да разграждат дори устойчиви органични замърсители като органохлорини. Свързан проблем за аеробни организми- оксидативен стрес. Тук процеси, включващи окислително фосфорилиране и образуване на дисулфидни връзки по време на нагъване на протеини, произвеждат реактивни кислородни видове като водороден пероксид. Тези увреждащи оксиданти се отстраняват от антиоксидантни метаболити като глутатион и ензими като каталази и пероксидази.

Термодинамика на живите организми

Живите организми трябва да се подчиняват на законите на термодинамиката, които описват преноса на топлина и работата. Вторият закон на термодинамиката гласи, че във всяка затворена система количеството ентропия (разстройство) не може да намалее. Въпреки че удивителната сложност на живите организми изглежда противоречи на този закон, животът е възможен, защото всички организми са отворени системи, които обменят материя и енергия със своята среда. По този начин живите системи не са в равновесие, а са дисипативни системи, които поддържат своето състояние на висока сложност, причинявайки по-голямо увеличение на ентропията на тяхната среда. Клетъчният метаболизъм постига това чрез комбиниране на спонтанни процеси на катаболизъм в неспонтанни процеси на анаболизъм. От гледна точка на термодинамиката, метаболизмът поддържа реда, като създава безпорядък.

Регулация и контрол

Тъй като средата на повечето организми непрекъснато се променя, метаболитните реакции трябва да бъдат фино регулирани, за да се поддържа постоянен набор от условия в клетките, състояние, наречено хомеостаза. Метаболитната регулация също позволява на организмите да реагират на сигнали и активно да взаимодействат с околната среда. Две тясно свързани концепции са от съществено значение за разбирането на това как се контролират метаболитните пътища. Първо, регулирането на ензима по пътя, тъй като неговата активност се увеличава и намалява в отговор на сигнали. Второ, контролът на този ензим е ефектът, който тези промени имат върху общото ниво на пътя (потока през пътя). Например, един ензим може да покаже големи промени в активността (т.е. силно регулиран), но ако тези промени имат малък ефект върху потока на метаболитния път, тогава този ензим не участва в контрола на пътя. Има няколко нива на метаболитна регулация. Когато се регулира вътрешно, метаболитният път се саморегулира в отговор на промени в нивата на субстрата или продукта; например, намаляването на количеството продукт може да увеличи потока през компенсационните пътища. Този тип регулиране често включва алостерично регулиране на активността на няколко ензима по пътя. Външната регулация включва клетката в многоклетъчен организъмкато променя своя метаболизъм в отговор на сигнали от други клетки. Тези сигнали обикновено са под формата на разтворими пратеници като хормони и растежни фактори и се откриват от специфични рецептори на клетъчната повърхност. След това тези сигнали се предават в клетката чрез вторични информационни системи, които често участват във фосфорилирането на протеини. Много добър пример за външно регулиране е регулирането на метаболизма на глюкозата от хормона инсулин. Инсулинът се произвежда в отговор на повишаване на нивата на кръвната захар. Свързването на хормона с инсулиновите рецептори на клетките след това активира каскада от протеин кинази, които карат клетките да поемат глюкоза и да я превръщат в молекули за съхранение като мастни киселини и гликоген. Метаболизмът на гликогена се контролира от активността на фосфорилазата, ензимът, който разгражда гликогена, и гликоген синтазата, ензимът, който го произвежда. Тези ензими се регулират взаимно, като фосфорилирането инхибира гликоген синтазата, но активира фосфорилазата. Инсулинът провокира синтеза на гликоген чрез активиране на протеиновата фосфатаза и води до намаляване на фосфорилирането на тези ензими.

Еволюция

Проучване и манипулация

Класически, метаболизмът се изучава в редукционистки подход, фокусиран върху един метаболитен път. Особено ценно е използването на радиоактивни етикети в целия организъм, тъкани и др клетъчно ниво, който дефинира пътища от предшественици до крайни продуктичрез идентифициране на радиоактивно маркирани междинни продукти и други продукти. След това ензимите, които катализират тези химични реакции, могат да бъдат пречистени и изследвани за тяхната кинетика и реакция към инхибитори. Паралелен подход е да се идентифицират малки молекули в клетката или тъканите; пълният набор от тези молекули се нарича метаболом. Като цяло, тези проучвания дават добра представа за структурата и функцията на простите метаболитни пътища, но липсват, когато се прилагат към по-сложни системи като метаболизма на цялата клетка. Сега е възможно да се използват тези геномни данни за реконструиране на пълни мрежи от биохимични реакции и създаване на по-холистични математически модели, които могат да обяснят и предскажат тяхното поведение. Тези модели са особено мощни, когато се използват за интегриране на пътни и метаболитни данни, получени чрез класически методи, с данни за генна експресия от протеомика и изследвания на ДНК микрочипове. Използвайки тези техники, в момента се създава модел на човешкия метаболизъм, който ще ръководи бъдещите откривания на лекарства и биохимични изследвания. Тези модели в момента се използват в мрежовия анализ за класифициране на човешките заболявания в групи, които споделят общи протеини или метаболити. Бактериалните метаболитни мрежи са отличен пример"bow" организация, архитектура, способна да въвежда широка гама от хранителни вещества и да произвежда голямо разнообразие от продукти и сложни макромолекули с относително малък брой междинни продукти. Основното технологично приложение на тази информация е метаболитното инженерство. Тук организми като дрожди, растения или бактерии са генетично модифицирани, за да ги направят по-полезни в биотехнологиите и да улеснят производството на лекарства като антибиотици или индустриални химикали като 1,3-пропандиол и шикимова киселина. Тези генетични модификации обикновено са насочени към намаляване на количеството енергия, използвано за производството на продукт, увеличаване на размера на производството и намаляване на производството на отпадъци.

История

Терминът "метаболизъм" идва от гръцкото Μεταβολισμός - "Metabolismos", което означава "промяна" или "революция". Първите документирани препратки към метаболизма са направени от Ибн ал-Нафис в неговия труд от 1260 г. сл. Хр., озаглавен Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah (Трактат на Камил върху биографията на пророка), който включва следната фраза „и двете тялото и неговите части са вътре постоянно състояниеразтваряне и хранене, следователно те неизбежно претърпяват постоянни промени. Историята на научното изследване на метаболизма обхваща няколко века и се движи от изучаването на цели животни в ранните изследвания до разглеждането на отделните метаболитни реакции в съвременната биохимия. Първите контролирани експерименти върху човешкия метаболизъм са публикувани от Санторио през 1614 г. в неговия Ars de statica Medicina. Той описва как се претегля преди и след хранене, сън, работа, секс, гладуване, пиене и ходене до тоалетна. Той установи, че по-голямата част от храната, която поглъща, се губи в процес, който той нарече „незабележимо изпотяване“. В тези ранни проучвания механизмите на тези метаболитни процеси не са идентифицирани и се смята, че жизнената сила съживява живата тъкан. През 19-ти век, докато изучава ферментацията на захар в алкохол от дрожди, Луи Пастьор заключава, че ферментацията се катализира от вещества в клетките на дрождите, които той нарича "ензими". Той пише, че „алкохолната ферментация се отнася до живота и организацията на клетките на дрождите, а не до смъртта или гниенето на клетките“. Това откритие, заедно с работата на Фридрих Вьолер през 1828 г. върху химическия синтез на урея, се отличава с това, че е първото органично съединение, направено от изцяло неорганични прекурсори. Това доказа, че органичните съединения и химичните реакции в клетките по принцип не се различават от която и да е друга част на химията. Откриването на ензимите в началото на 20 век от Едуард Бюхнер разделя изучаването на химичните реакции на метаболизма от биологичното изследване на клетките и също така бележи раждането на биохимията. Биохимичните познания нарастват бързо през първата половина на 20 век. Един от най-плодотворните сред биохимиците от онова време е Ханс Кребс, който има огромен принос в изучаването на метаболизма.

Какво е метаболизъм?

Никога не сме се замисляли защо някои хора ядат всичко (без да забравяме кифлите и сладките), докато изглеждат така, сякаш не са яли няколко дни, докато други, напротив, непрекъснато броят калории, ходят на диети, посещават фитнес зали и все още не може да се справи с излишните килограми. И така, каква е тайната? Оказва се, че всичко е заради метаболизма!

И така, какво е метаболизъм? И защо хората с висок метаболизъм никога не затлъстяват или наднормено тегло? Говорейки за метаболизма, важно е да се отбележи следното, че това е метаболизмът, който се случва в тялото и всички химични промени, започвайки от момента, в който хранителните вещества навлязат в тялото, до извеждането им от тялото във външната среда. Метаболитният процес е всички протичащи в организма реакции, благодарение на които се изграждат елементите на структурните тъкани, клетките, както и всички онези процеси, благодарение на които тялото получава енергията, от която се нуждае толкова много за нормално поддържане.

Метаболизмът е от голямо значение в нашия живот, защото благодарение на всички тези реакции и химични промени ние получаваме всичко необходимо от храната: мазнини, въглехидрати, протеини, както и витамини, минерали, аминокиселини, полезни фибри, органични киселини, и т.н. d.

Според свойствата си метаболизмът може да бъде разделен на две основни части - анаболизъм и катаболизъм, тоест на процеси, които допринасят за създаването на всички необходими органични вещества и за разрушителни процеси. А именно анаболните процеси допринасят за „трансформирането“ на простите молекули в по-сложни. И всички тези процеси на данни са свързани с разходи за енергия. Катаболните процеси, напротив, освобождават тялото от крайни продукти на разпадане, като въглероден диоксид, урея, вода и амоняк, което води до освобождаване на енергия, т.е., грубо казано, протича метаболизъм на урината.

Какво представлява клетъчният метаболизъм?

Какво представлява клетъчен метаболизъмили метаболизма на живата клетка? Добре известно е, че всяка жива клетка от нашето тяло е добре координирана и организирана система. Клетката съдържа различни структури, големи макромолекули, които й помагат да се разпадне поради хидролиза (т.е. разделянето на клетката под въздействието на вода) на най-малките компоненти.

В допълнение, клетките съдържат голямо количество калий и много малко натрий, въпреки факта, че клетъчната среда съдържа много натрий, а калият, напротив, е много по-малко. В допълнение, клетъчната мембрана е проектирана по такъв начин, че да подпомага проникването както на натрий, така и на калий. За съжаление различни структури и ензими могат да разрушат тази добре установена структура.

А самата клетка е далеч от съотношението на калий и натрий. Такава "хармония" се постига само след смъртта на човек в процеса на смъртна автолиза, тоест храносмилане или разлагане на тялото под въздействието на собствените му ензими.

Какво е енергия за клетките?

На първо място, клетките просто се нуждаят от енергия, за да поддържат работата на система, която е далеч от равновесие. Следователно, за да бъде клетката в нормално състояние за нея (дори и да е далеч от равновесие), тя със сигурност трябва да получи необходимата за нея енергия. А това правило е задължително условие за нормалното функциониране на клетките. Наред с това тече и друга работа, насочена към взаимодействие с околната среда.

Например, ако има свиване в мускулните клетки или в бъбречните клетки и дори урината е започнала да се образува, или нервни импулсив нервни клетки, а в клетките, отговарящи за стомашно-чревния тракт, започна отделянето на храносмилателни ензими или започна секрецията на хормони в клетките на жлезите с вътрешна секреция? Или например клетките на светулките започнаха да светят, а в клетките на рибите например се появиха електрически разряди? За да се избегне всичко това, е необходима енергия за това.

Какви са източниците на енергия

В горните примери виждаме Че клетката използва за своята работа енергията, получена поради структурата на аденозин трифосфат или (АТФ). Благодарение на него клетката се насища с енергия, чието освобождаване може да тече между фосфатните групи и да служи за по-нататъшна работа. Но в същото време, с просто хидролитично разрушаване на фосфатни (АТФ) връзки, получената енергия няма да стане достъпна за клетката, в този случай енергията ще се изразходва като топлина.

Този процес се състои от два последователни етапа. Във всеки такъв етап участва междинен продукт, който се обозначава като HF. В уравненията по-долу X и Y означават две напълно различни органични вещества, буквата F означава фосфат, а съкращението ADP означава аденозин дифосфат.

Нормализиране на метаболизма - този термин твърдо навлезе в нашия живот днес, освен това се превърна в показател за нормално тегло, тъй като метаболитните нарушения в организма или метаболизма често са свързани с наддаване на тегло, наднормено тегло, затлъстяване или неговата недостатъчност. Възможно е да се разкрие скоростта на метаболитните процеси в тялото благодарение на теста на базата на метаболизма.

Каква е основната борса?! Това е такъв индикатор за интензивността на производството на енергия от тялото. Този тест се провежда сутрин на празен стомах, по време на пасивност, тоест в покой. Квалифицирано лице измерва (O2) поемането на кислород, както и отделянето от тялото (CO2). Когато сравняват данните, те откриват колко процента тялото изгаря входящите хранителни вещества.

Също така активността на метаболитните процеси се влияе от хормонална система, щитовидната жлеза и жлезите с вътрешна секреция, следователно, когато определят лечението на заболявания, свързани с метаболизма, лекарите също се опитват да идентифицират и вземат предвид нивото на работа на тези хормони в кръвта и наличните заболявания на тези системи.

Основни методи за изследване на метаболитните процеси

Изучавайки процесите на метаболизъм на едно (което и да е) от хранителните вещества, се наблюдават всички негови промени (които са се случили с него) от една форма, попаднала в тялото, до крайното състояние, в което се изхвърля от тялото.

Методите за изследване на метаболизма днес са изключително разнообразни. Освен това за това се използват редица биохимични методи. Един от методите за изследване на метаболизма е метод на използване на животниили органи.

Тестовото животно се инжектира със специална субстанция, след което урината и екскрементите му се използват за откриване възможни продуктипромени (метаболити) дадено вещество. Най-точната информация може да бъде събрана чрез изследване на метаболитните процеси на определен орган, като мозъка, черния дроб или сърцето. За да направите това, това вещество се инжектира в кръвта, след което метаболитите помагат да се идентифицира в кръвта, излъчвана от този орган.

Тази процедура е много сложна и изпълнена с риск, тъй като често с такива методи на изследване се използва методът тънки скубиили направете разрези на тези органи. Такива срезове се поставят в специални инкубатори, където се държат при температура (подобна на телесната) в специални разтворими вещества с добавяне на веществото, чийто метаболизъм се изследва.

При този метод на изследване клетките не се увреждат, поради факта, че срезовете са толкова тънки, че веществото лесно и свободно влиза в клетките и след това ги напуска. Случва се да има затруднения, причинени от бавното преминаване на специално вещество през клетъчните мембрани.

В този случай обикновено се унищожават мембраните смила тъкан, за да може специално вещество да инкубира клетъчната каша. Подобни експерименти доказаха, че всички живи клетки на тялото са способни да окисляват глюкозата до въглероден диоксид и вода и само тъканните клетки на черния дроб могат да синтезират урея.

Използваме ли клетки?

По своята структура клетките представляват много сложна организирана система. Добре известно е, че клетката се състои от ядро, цитоплазма, а в околната цитоплазма има малки тела, наречени органели. Предлагат се в различни размери и текстури.

Благодарение на специални техники ще бъде възможно да се хомогенизират клетъчните тъкани и след това да се подложат на специално разделяне (диференциално центрофугиране), като по този начин ще се получат препарати, които ще съдържат само митохондрии, само микрозоми, както и плазма или бистра течност. Тези препарати се инкубират отделно със съединението, чийто метаболизъм се изследва, за да се определи точно кои субклетъчни структури участват в последващите промени.

Известни са случаи, когато първоначалната реакция започва в цитоплазмата и нейният продукт претърпява промени в микрозомите, след което се наблюдават промени при други реакции с митохондриите. Инкубацията на изследваното вещество с тъканен хомогенат или живи клетки най-често не разкрива отделни стъпки, свързани с метаболизма. За да се разбере цялата верига от случващи се данни от събития, помагат последващите един след друг експерименти, в които определени субклетъчни структури се използват за инкубация.

Как да използваме радиоактивни изотопи

За да се изследват определени метаболитни процеси на дадено вещество, е необходимо:

• използват аналитични методи за определяне на дадено вещество и неговите метаболити;
• необходимо е да се използват такива методи, които ще помогнат да се разграничи въведеното вещество от същото вещество, но вече присъстващо в този препарат.

Спазването на тези изисквания беше основната пречка по време на изследването на метаболитните процеси в тялото до момента, в който бяха открити радиоактивните изотопи, както и 14C, радиоактивен въглехидрат. И след появата на 14C и инструменти, които правят възможно измерването дори на слаба радиоактивност, всички горепосочени трудности приключиха. След това нещата с измерването на метаболитните процеси тръгнаха нагоре, както се казва.

Сега към специалното биологичен препарат(например суспензии от митохондрии) се добавя белязана 14C мастна киселина, след което не са необходими специални анализи за определяне на продуктите, които влияят на нейната трансформация. И за да се установи степента на използване, вече е възможно просто да се измери радиоактивността на последователно получени митохондриални фракции.

Тази техника помага не само да се разбере как да се нормализира обмяната на веществата, но също така благодарение на нея е лесно експериментално да се разграничат молекулите на въведената радиоактивна мастна киселина от молекулите на мастната киселина, които вече присъстват в митохондриите в самото начало на експеримента.

Електрофореза и ... хроматография

За да разберете какво и как нормализира обмяната на веществата, т.е. как се нормализира обмяната на веществата, също е необходимо да се използват методи, които ще помогнат за разделянето на смеси, които съдържат органични вещества в малки количества. Един от най-важните от тези методи, основан на явлението адсорбция, е хроматографският метод. Благодарение на този метод сместа от компоненти се разделя.

В този случай се получава разделяне на компонентите на сместа, което се извършва или чрез адсорбция върху сорбента, или поради хартия. Когато се разделят чрез адсорбция върху сорбент, т.е. когато започват да пълнят такива специални стъклени тръби (колони), с постепенно и последващо елуиране, т.е. с последващо измиване на всеки от наличните компоненти.

Методът на разделяне чрез електрофореза зависи пряко от наличието на признаци, както и от броя на йонизираните заряди на молекулите. Също така, електрофорезата се извършва върху някои от неактивните носители, като целулоза, каучук, нишесте или накрая върху хартия.

Един от най-чувствителните и ефективни методиразделянето на сместа е газова хроматография. Този метод на разделяне се използва само ако веществата, необходими за разделяне, са в газообразно състояние или например могат да преминат в това състояние по всяко време.

Как се освобождават ензимите?

За да разберете как се изолират ензимите, за това е необходимо да разберете, че това е последното място в тази серия: животно, след това орган, след това част от тъкан и след това фракция от клетъчни органели и хомогенатът заема ензими, които катализира определена химична реакция. Изолирането на ензими в пречистена форма се превърна във важна посока в изследването на метаболитните процеси.

Връзката и комбинацията от горните методи е позволила основните метаболитни пътища в повечето организми, обитаващи нашата планета, включително хората. В допълнение, тези методи помогнаха да се установят отговори на въпроса как протичат метаболитните процеси в тялото и също помогнаха да се изясни системният характер на основните етапи на тези метаболитни пътища. Днес има повече от хиляда всички видове биохимични реакции, които вече са изследвани, както и ензимите, които участват в тези реакции.

Тъй като АТФ е необходим за появата на всяка проява в жизнените клетки, не е изненадващо, че скоростта на метаболитните процеси в мастните клетки е насочена предимно към синтезиране на АТФ. За да се постигне това, се използват последователни реакции с различна сложност. Такива реакции използват главно химическа потенциална енергия, която се съдържа в молекулите на мазнините (липидите) и въглехидратите.

Метаболитни процеси между въглехидрати и липиди

Такъв метаболитен процес между въглехидрати и липиди по друг начин се нарича синтез на АТФ, анаеробен (което означава без участието на кислород) метаболизъм.

Основната роля на липидите и въглехидратите е, че синтезът на АТФ осигурява по-прости съединения, въпреки факта, че същите процеси са протичали в най-примитивните клетки. Само в лишена от кислород атмосфера беше невъзможно напълно да се окислят мазнините и въглехидратите до въглероден диоксид.

Дори в тези най-примитивни клетки са били използвани същите процеси и механизми, поради което е пренаредена самата структура на молекулата на глюкозата, която синтезира малки количества АТФ. По друг начин такива процеси в микроорганизмите се наричат ​​​​ферментация. Към днешна дата "ферментацията" на глюкозата до състояние на етилов алкохол и въглероден диоксид в дрождите е особено добре проучена.

За да се завършат всички тези промени и да се образуват редица междинни продукти, беше необходимо да се извършат единадесет последователни реакции, които в крайна сметка бяха представени в редица междинни продукти (фосфати), тоест естери на фосфорната киселина. Тази фосфатна група се прехвърля към аденозин дифосфат (ADP) и също с образуването на АТФ. Само две молекули представляват нетния добив на АТФ (за всяка от молекулите на глюкозата, произведени от процеса на ферментация). Подобни процеси се наблюдават и във всички живи клетки на тялото, тъй като те доставят енергията, така необходима за нормалното функциониране. Такива процеси много често се наричат ​​анаеробно клетъчно дишане, въпреки че това не е напълно правилно.

Както при бозайниците, така и при хората, този процес се нарича гликолиза и неговият краен продукт се счита за млечна киселина, а не CO2 (въглероден диоксид) или алкохол. С изключение на последните два етапа, цялата последователност от реакции на гликолиза се счита за почти идентична с процеса, който се случва в клетките на дрождите.

Метаболизмът е аеробен, което означава използване на кислород

Очевидно с появата на кислород в атмосферата, благодарение на фотосинтезата на растенията, благодарение на майката природа, се появи механизъм, който направи възможно да се осигури пълното окисляване на глюкозата до вода и CO2. Такъв аеробен процес позволява нетно освобождаване на АТФ (от тридесет и осем молекули, на базата на всяка молекула глюкоза, само окислени).

Такъв процес на използване на кислород от клетките за появата на богати на енергия съединения днес е известен като аеробно, клетъчно дишане. Такова дишане се извършва от цитоплазмени ензими (за разлика от анаеробното дишане), а окислителните процеси протичат в митохондриите.

Тук пирогроздената киселина, която е междинен продукт, след като се образува в анаеробната фаза, след това се окислява до състояние на CO2 чрез последователност от шест реакции, където във всяка реакция двойка техни електрони се прехвърля към акцептор, общ коензим никотинамид аденин динуклеотид, съкратено (NAD). Тази последователност от реакции се нарича цикъл на трикарбоксилна киселина, както и цикъл на лимонена киселина или цикъл на Кребс, което води до факта, че всяка глюкозна молекула образува две молекули пирогроздена киселина. По време на тази реакция дванадесет двойки електрони се отдалечават от молекулата на глюкозата за нейното по-нататъшно окисление.

В хода на енергийния източник... действат липидите

Оказва се, че мастните киселини могат да действат като източник на енергия, както и въглехидратите. Реакцията на окисляване на мастни киселини възниква поради последователността на разцепване от мастната киселина (или по-скоро нейната молекула) на двувъглероден фрагмент с появата на ацетил коензим А (с други думи, това е ацетил-CoA) и прехвърлянето на две двойки електрони едновременно към самата верига на техния трансфер.

Така полученият ацетил-КоА е същият компонент на цикъла на трикарбоксилната киселина, чиято по-нататъшна съдба не е много различна от ацетил-КоА, който се доставя поради въглехидратния метаболизъм. Това означава, че механизмите, които синтезират АТФ по време на окисляването както на глюкозните метаболити, така и на мастните киселини, са почти идентични.

Ако енергията, доставена на тялото, се получава практически поради само един процес на окисление на мастни киселини (например по време на гладуване, при заболяване като диабет и др.), Тогава в този случай интензивността на появата на ацетил -CoA ще превиши интензивността на своето окисление в самия цикъл на трикарбоксилната киселина. В този случай молекулите на ацетил-КоА (които ще бъдат излишни) ще започнат да реагират една с друга. Чрез този процес ще се появят ацетооцетна и b-хидроксимаслена киселина. Това натрупване може да причини кетоза, вид ацидоза, която може да доведе до тежък диабет и дори смърт.

Защо енергийни резерви?

За да получат по някакъв начин допълнителен запас от енергия, например за животни, които се хранят нередовно и несистематично, те просто трябва по някакъв начин да се запасят с необходимата енергия. Такива запасите от енергия се генерират чрез хранителни резерви,на които все едно мазнини и въглехидрати.

Оказа се, мастните киселини могат да се съхраняват под формата на неутрални мазнини, които се намират както в мастната тъкан, така и в черния дроб . И въглехидрати, при прием на огромен бройв стомашно-чревния тракт те започват да се хидролизират до глюкоза и други захари, които, когато попаднат в черния дроб, се синтезират в глюкоза. И тогава гигантски полимер започва да се синтезира от глюкоза чрез комбиниране на глюкозни остатъци, както и чрез отделяне на водни молекули.

Понякога остатъчното количество глюкоза в молекулите на гликогена достига 30 000. И ако има нужда от енергия, тогава гликогенът отново започва да се разлага до глюкоза по време на химическа реакция, продуктът на последния е глюкозен фосфат. Този глюкозен фосфат влиза в пътя на процеса на гликолиза, който е част от пътя, отговорен за окисляването на глюкозата. Глюкозофосфатът може също така да претърпи реакция на хидролиза в самия черен дроб и така образуваната глюкоза се доставя до клетките на тялото заедно с кръвта.

Как протича синтеза от въглехидрати към липиди?

Обичате въглехидратна храна? Оказва се, че ако количеството въглехидрати, получено от храната наведнъж надвишава допустима норма, в този случай въглехидратите отиват в "резерва" под формата на гликоген, т.е. излишната въглехидратна храна се превръща в мазнини. Първо, ацетил-КоА се образува от глюкоза и след това започва да се синтезира в цитоплазмата на клетката за дълговерижни мастни киселини.

Този процес на "трансформация" може да се опише като нормален окислителен процес на мастните клетки. След това мастните киселини започват да се отлагат под формата на триглицериди, тоест неутрални мазнини, които се отлагат (главно в проблемните зони), в различни частитяло.

Ако тялото спешно се нуждае от енергия, тогава неутралните мазнини, подложени на хидролиза, както и мастните киселини започват да навлизат в кръвта. Тук те се насищат с молекули албумин и глобулин, т.е. плазмени протеини, и след това започват да се абсорбират от други, повечето различни клетки. Животните нямат такъв механизъм, който да синтезира от глюкоза и мастни киселини, но растенията го имат.

Синтез на азотсъдържащи съединения

При животните аминокиселините се използват не само като протеинова биосинтеза, но и като изходен материал, готов за синтеза на определени азотсъдържащи съединения. Аминокиселина като тирозин става предшественик на такива хормони като норепинефрин и адреналин. А глицеролът (най-простата аминокиселина) служи като изходен материал за биосинтеза на пурини, които са част от нуклеиновата киселина, както и порфирини и цитохроми.

Предшественикът на пиримидините на нуклеиновата киселина е аспарагиновата киселина, а метиониновата група започва да се прехвърля по време на синтеза на креатин, саркозин и холин. Предшественикът на никотиновата киселина е триптофанът, а от валин (който се образува в растенията) може да се синтезира такъв витамин като пантотенова киселина. И това са само някои примери за използването на синтеза на азотсъдържащи съединения.

Как протича липидният метаболизъм

Обикновено липидите навлизат в тялото под формата на триглицериди на мастни киселини. Веднъж попаднали в червата под въздействието на ензими, произвеждани от панкреаса, те започват да се подлагат на хидролиза. Тук те отново се синтезират като неутрални мазнини, след което постъпват или в черния дроб, или в кръвта, а също така могат да се отлагат като резерв в мастната тъкан.

Вече казахме, че мастните киселини също могат да бъдат повторно синтезирани от предишни въглехидратни прекурсори. Трябва също да се отбележи, че въпреки факта, че в животинските клетки може да се наблюдава едновременно включване на една двойна връзка в молекули на мастни киселини с дълга верига. Тези клетки не могат да включват втората и дори третата двойна връзка.

И тъй като мастните киселини с три и две двойни връзки играят важна роля в метаболитните процеси на животните (включително хората), по своята същност те са важни хранителни компоненти, може да се каже, витамини. Ето защо линоленовата (C18:3) и линоловата (C18:2) се наричат ​​още есенциални мастни киселини. Установено е също, че в клетките двойна четвърта връзка може да бъде включена и в линоленовата киселина. Поради удължаването на въглеродната верига може да се появи друг важен участник в метаболитните реакции арахидонова киселина ( S20: 4).

По време на липидния синтез могат да се наблюдават остатъци от мастни киселини, които са свързани с коензим А. Чрез синтеза тези остатъци се прехвърлят към глицерофосфатния естер на глицерол и фосфорна киселина. В резултат на тази реакция се образува съединение на фосфатидна киселина, където едно от нейните съединения е глицерол, естерифициран с фосфорна киселина, а другите две са мастни киселини.

С появата на неутрални мазнини, фосфорната киселина ще бъде отстранена чрез хидролиза и на нейно място ще има мастна киселина, която се е появила в резултат на химическа реакция с ацил-КоА. Самият коензим А може да идва от един от витамините пантотенова киселина. Тази молекула съдържа сулфхидрилна група, която реагира на киселини с появата на тиоестери. На свой ред фосфолипидната фосфатидна киселина реагира с азотни основи като серин, холин и етаноламин.

По този начин всички стероиди, които се срещат в тялото на бозайниците (с изключение на витамин D), могат да бъдат независимо синтезирани от самото тяло.

Как се осъществява протеиновият метаболизъм?

Доказано е, че протеините във всички живи клетки се състоят от двадесет и един вида аминокиселини, които са свързани в различни последователности. Тези аминокиселини се синтезират от организмите. Такъв синтез обикновено води до появата на α-кето киселина. А именно а-кето киселината или а-кетоглутаровата киселина участва в синтеза на азот.

Човешкото тяло, подобно на тялото на много животни, е успяло да запази способността си да синтезира всички налични аминокиселини (с изключение на няколко незаменими аминокиселини), които трябва да се доставят с храната.

Как протича протеиновият синтез

Този процес обикновено протича по следния начин. Всяка аминокиселина в цитоплазмата на клетката реагира с АТФ и след това се присъединява към крайната група на молекулата на рибонуклеиновата киселина, която е специфична за тази аминокиселина. След това сложната молекула се свързва с рибозомата, определена в позицията на по-удължена молекула рибонуклеинова киселина, която е свързана с рибозомата.

След като всички сложни молекули се подредят, възниква празнина между аминокиселината и рибонуклеиновата киселина, започват да се синтезират съседни аминокиселини и така се получава протеин. Нормализирането на метаболизма се дължи на хармоничния синтез на метаболитните процеси на протеини, въглехидрати и мазнини.

И така, какво е органичен метаболизъм?

За по-добро разбиране и разбиране на метаболитните процеси, както и за възстановяване на здравето и подобряване на метаболизма, е необходимо да се придържате към следните препоръки относно нормализирането и възстановяването на метаболизма.

• Важно е да се разбере, че метаболитните процеси не могат да бъдат обърнати. Разпадането на веществата никога не протича по простия път на обръщане на реакциите на синтез. В това разпадане задължително участват други ензими, както и някои междинни продукти. Много често в различни отделения на клетката започват да протичат процеси, насочени в различни посоки. Например, мастните киселини могат да се синтезират в цитоплазмата на клетката под въздействието на един определен набор от ензими, докато процесът на окисление в митохондриите може да се случи с напълно различен набор.
• В живите клетки на тялото се наблюдават достатъчно ензими, за да се ускори процесът на метаболитни реакции, но въпреки това метаболитните процеси не винаги протичат бързо, следователно това показва наличието в нашите клетки на някои регулаторни механизми, които влияят на метаболитните процеси . Към днешна дата някои видове такива механизми вече са открити.
• Един от факторите, влияещи върху намаляването на скоростта на метаболитните процеси на дадено вещество, е навлизането на това вещество в самата клетка. Следователно регулирането на метаболитните процеси може да бъде насочено към този фактор. Например, ако приемаме инсулин, чиято функция, както знаем, е свързана с улесняване на проникването на глюкозата във всички клетки. Скоростта на "трансформация" на глюкозата в този случай ще зависи от скоростта, с която е пристигнала. Ако вземем предвид калций и желязо, когато влизат в кръвта от червата, тогава скоростта на метаболитните реакции в този случай ще зависи от много, включително регулаторни процеси.
• За съжаление, не всички вещества могат да се движат свободно от едно клетъчно отделение в друго. Съществува също предположение, че вътреклетъчният трансфер постоянно се контролира от определени стероидни хормони.
• Учените са идентифицирали два вида сервомеханизми, които са отговорни за отрицателната обратна връзка в метаболитните процеси.
• Дори при бактериите са отбелязани примери, които доказват наличието на някакви последователни реакции. Например, биосинтезата на един от ензимите потиска аминокиселините, които са толкова необходими за получаването на тази аминокиселина.
• Чрез изучаване на отделни случаи на метаболитни реакции беше установено, че ензимът, чиято биосинтеза е засегната, е отговорен за основната стъпка в метаболитния път, водещ до синтеза на аминокиселината.
• Важно е да се разбере, че малък брой градивни елементи участват в метаболитни и биосинтетични процеси, всеки от които започва да се използва за синтеза на много съединения. Тези съединения включват: ацетил коензим А, глицин, глицерофосфат, карбамил фосфат и други. От тези малки компоненти след това се изграждат сложни и разнообразни съединения, които могат да се наблюдават в живите организми.
• Много рядко простите органични съединения участват пряко в метаболитните процеси. Такива съединения, за да покажат своята активност, ще трябва да се присъединят към редица съединения, които активно участват в метаболитните процеси. Например, глюкозата може да започне окислителни процеси само след като е естерифицирана с фосфорна киселина, а за други последващи промени ще трябва да бъде естерифицирана с уридиндифосфат.
• Ако вземем предвид мастните киселини, те също не могат да участват в метаболитни промени, докато образуват естери с коензим А. В същото време всеки активатор става свързан с един от нуклеотидите, които са част от рибонуклеиновата киселина или се образуват от това, което - витамин. Следователно става ясно защо имаме нужда от витамини само в малки количества. Те се консумират поради коензими, докато всяка молекула коензим се използва няколко пъти през целия си живот, за разлика от хранителните вещества, чиито молекули се използват веднъж (например молекулите на глюкозата).

И последно! Завършвайки тази тема, наистина искам да кажа, че самият термин "метаболизъм", ако по-рано означаваше синтеза на протеини, въглехидрати и мазнини в тялото, сега се използва като обозначение за няколко хиляди ензимни реакции, които могат да представляват огромна мрежа от взаимосвързани метаболитни пътища.

Във връзка с

Метаболизъм. метаболитни процеси.

Метаболизъм(или метаболизъм, от гръцки μεταβολή - „трансформация, промяна“) (наричано по-нататък „O.v.“) - това е естественият ред на трансформация на веществата и енергията в живите системи, лежащи в основата на живота, насочени към тяхното запазване и самовъзпроизвеждане; съвкупността от всички химични реакции, протичащи в тялото.

Свободният МН3, образуван при дезаминирането на аминокиселините за организма; той се свързва с киселини или се превръща в урея, пикочна киселина, аспарагин или глутамин. При животни амониеви соли, урея и пикочна киселинасе отделят от тялото, докато в растенията аспарагинът, глутаминът и уреята се използват в тялото като резервни източници на азот. Така една от най-важните биохимични разлики между растенията и животните е почти пълно отсъствиепри първите азотни отпадъци. Образуването на урея по време на окислителната дисимилация на аминокиселините се осъществява главно с помощта на така наречения орнитинов цикъл, който е тясно свързан с други трансформации на протеини и аминокиселини в тялото. Дисимилацията на аминокиселините може да се осъществи и чрез тяхното декарбоксилиране, при което от аминокиселината се образува CO 2 и всеки амин или нова аминокиселина (например, когато хистидинът се декарбоксилира, се образува хистамин - физиологично активно вещество, а когато аспарагиновата киселина се декарбоксилира - нова аминокиселина - (α- или β-аланин.) Амините могат да бъдат метилирани, за да образуват различни бетаини и важни съединения като холин. Растенията използват амини (заедно с някои аминокиселини) за биосинтеза на алкалоиди.

III. Връзката на метаболизма на въглехидрати, липиди, протеини и други съединения

Всички биохимични процеси, протичащи в тялото, са тясно свързани помежду си. Връзката между протеиновия метаболизъм и редокс процесите се осъществява по различни начини. Отделните биохимични реакции, лежащи в основата на процеса, възникват поради каталитичното действие на съответните ензими, т.е. протеини. В същото време продуктите от разцепването на протеините - аминокиселините - могат да претърпят различни редокс трансформации - декарбоксилиране, дезаминиране и др.

По този начин продуктите на дезаминиране на аспарагиновата и глутаминовата киселина - оксалоцетната и α-кетоглутаровата киселина - са в същото време най-важните връзки в окислителните трансформации на въглехидратите, протичащи в процеса. Пирогроздената киселина, най-важният междинен продукт, образуван по време на ферментацията, също е тясно свързана с протеиновия метаболизъм: взаимодействайки с NH3 и съответния ензим, тя дава важната аминокиселина α-аланин. Най-тясната връзка между процесите на ферментация и дишане с липидния метаболизъм в организма се проявява във факта, че фосфоглицералдехидът, образуван в първите етапи на дисимилацията на въглехидратите, е изходният материал за синтеза на глицерол. От друга страна, в резултат на окисляването на пирогроздена киселина се получават остатъци от оцетна киселина, от които се синтезират високомолекулни мастни киселини и различни изопреноиди (терпени, каротеноиди, стероиди). По този начин процесите на ферментация и дишане водят до образуването на съединения, необходими за синтеза на мазнини и други вещества.

IV. Ролята на витамините и минералите в метаболизма

При трансформациите на веществата в организма важно място заемат водата и различните минерални съединения. участват в множество ензимни реакции като част от коензими. И така, производно на витамин B 1 - тиамин пирофосфат - служи като коензим по време на окислително декарбоксилиране (α-кето киселини, включително пирогроздена киселина; витамин B 6 фосфатен естер - пиридоксал фосфат - е необходим за каталитично трансаминиране, декарбоксилиране и метаболизъм на други аминокиселини реакции.Производното на витамин А е включено в състава на зрителния пигмент.Функциите на редица витамини (например аскорбинова киселина) не са напълно изяснени. Различни видовеорганизмите се различават както по способността си да биосинтезират витамини, така и по нуждите си от набор от определени витамини, които идват с храната и са необходими за нормалния метаболизъм.

Важна роля в минералната обмяна играят Na, K, Ca, P, както и др. неорганична материя. Na и K участват в биоелектричните и осмотичните явления в клетките и тъканите, в механизмите на пропускливостта на биологичната мембрана; Ca и P са основните компоненти и; Fe е част от дихателните пигменти - хемоглобин и миоглобин, както и от редица ензими. Други микроелементи (Cu, Mn, Mo, Zn) също са необходими за дейността на последния.

решаваща роля в енергийни механизмиМетаболизмът се играе от естери на фосфорна киселина и преди всичко аденозинфосфорни киселини, които възприемат и акумулират енергията, освободена в тялото в процесите на гликолиза, окисление и фотосинтеза. Тези и някои други богати на енергия съединения (вижте високоенергийни съединения) пренасят енергията, съдържаща се в техните химични връзки, за използване в процеса на механична, осмотична и други видове работа или за осъществяване на синтетични реакции, които вървят с консумацията на енергия (виж също биоенергетика).

V. Регулиране на метаболизма

Изненадващата съгласуваност и съгласуваност на метаболитните процеси в живия организъм се постига чрез строга и пластична координация на метаболитните процеси. както в клетките, така и в тъканите и органите. Тази координация определя даден организъместеството на метаболизма, който се е развил в процеса на историческо развитие, поддържан и направляван от механизмите на наследствеността и взаимодействието на организма с външната среда.

Регулирането на метаболизма на клетъчно ниво се осъществява чрез регулиране на синтеза и активността на ензимите. Синтезът на всеки ензим се определя от съответния ген. Различни междинни продукти на O. v., действащи върху определено място, което съдържа информация за синтеза на даден ензим, могат да индуцират (стартират, усилват) или, обратно, да потискат (спират) неговия синтез. Така, колис излишък на изолевцин в хранителната среда, той спира синтеза на тази аминокиселина. Излишният изолевцин действа по два начина:

• а) инхибира (инхибира) активността на ензима треонин дехидратаза, който катализира първия етап от веригата от реакции, водещи до синтеза на изолевцин, и
• б) потиска синтеза на всички ензими, необходими за биосинтезата на изолевцин (включително треонин дехидратаза).

Инхибирането на треонин дехидратазата се извършва съгласно принципа на алостеричната регулация на ензимната активност.

Натрупването в кръвта и тъканите на редица междинни метаболитни продукти (млечна, пирогроздена, ацетооцетна киселина) се наблюдава при нарушаване на окислителните процеси, нарушения и бери-бери; нарушаването на минералния метаболизъм може да доведе до промени в киселинно-алкалния баланс. В основата на някои видове стои нарушение на метаболизма на холестерола. Сериозните метаболитни нарушения включват нарушение на абсорбцията на протеини при тиреотоксикоза, хронично нагнояване, някои; нарушение на абсорбцията на вода с вар и фосфорни соли с остеомалация и други заболявания костна тъкан, натриеви соли - с болестта на Адисон.

Диагностика на метаболитни нарушениясе основава на изучаването на газообмена, връзката между количеството на веществото, постъпило в тялото, и неговото отделяне, определянето на химическия състав на кръвта, урината и други секрети. За изследване на метаболитни нарушения се въвеждат изотопни индикатори (например радиоактивен йод - главно 131 I - при тиреотоксикоза).

Лечение на метаболитни нарушениянасочени главно към отстраняване на причините, които ги предизвикват. Вижте също „молекулярни болести“, наследствени болести и литература под тези статии. (S. M. Leites)

Прочетете повече за метаболизма в литературата:

• Ф. Енгелс, Диалектика на природата, Карл Маркс, Ф. Енгелс, Съчинения, 2-ро издание, том 20;
• Енгелс Ф., Анти-Дюринг, пак там;
• Wagner R., Mitchell G., Генетика и метаболизъм, преведени от английски М., 1958;
• Кристиан Бьомер Анфинсен. Молекулярни основиеволюция, превод от английски, М., 1962;
• Якоб Франсоа, Моно Жак. Биохимични и генетични механизми на регулация в бактериална клетка, [превод от френски], в книгата: Молекулярна биология. Проблеми и перспективи, Москва, 1964;
• Опарин Александър Иванович. Възникването и първоначалното развитие на живота, М., 1966;
• Скулачев Владимир Петрович Натрупване на енергия в клетка, М., 1969;
• Молекули и клетки, превод от английски, c. 1 - 5, М., 1966 - 1970;
• Кретович Вацлав Леонович. Основи на растителната биохимия, 5-то издание, М., 1971 г.;
• Збарски Борис Илич, Иванов И. И., Мардашев Сергей Руфович. Биологична химия, 5 изд., Л., 1972 г.