Обмен веществ - это поступление в организм питательных веществ и жидкостей из окружающей среды, переваривание, усвоение их и выделение продуктов.

Все вещества, поступающие в организм животного, подверга-ются в нем значительным превращениям. Одни из них распадаются до простых, большей частью, неорганических продуктов, выделяя при этом энергию, используемую организмом как для мышечной работы, так и для секреторных и нервных процессов (диссими-ляция). Продукты их распада выделяются из организма. Другие вещества подвергаются менее глубокому расщеплению и из них синтезируются вещества, подобные составным частям организма (ассимиляция — уподобление). Вновь созданные вещества или превращаются в активные элементы клеток и тканей или же откла-дываются в запас, становясь потенциальными источниками энер-гии. Неорганические вещества включаются в общий обмен веществ тела, подвергаясь сложным превращениям вместе с органическими, участвуя во всех жизненных проявлениях.

Во всех живых клетках и тканях организма как в спокойном состоянии, так и во время деятельности одновременно протекают два противоположных процесса: разрушение вещества и его синтез.

Обмен веществ состоит из двух тесно взаимосвязанных процессов: ассимиляции и диссимиляции. Эти два процесса не только одновременны, но и взаимообус-ловлены. Одно без другого невозможно, ибо никакая работа в ор-ганизме не может происходить без распада веществ, ранее ассими-лированных организмом. С другой стороны, и для процессов синте-за в организме необходима энергия, выделяющаяся при распаде веществ.

Эти два процесса и составляют обмен веществ в организме. Обмен веществ происходит постоянно и непрерывно. Все клетки, все ткани тела, не исключая и таких плотных и, казалось бы, незыблемых, как кости и роговые образования, находятся в постоян-ном процессе распада и возобновления. Это касается как органичес-ких, так и неорганических веществ.

Ассимиляция (анаболизм)

Ассимиляцияили анаболизм- это переход составных частей пищевых веществ, поступивших в человеческий организм из внешней среды в клетки, то есть превращение более простых веществ в химически сложные. В результате ассимиляции происходит размножение клеток. Чем моложе организм, тем активнее протекают в нем процессы ассимиляции, обеспечивая его рост и развитие.

Диссимиляция (катаболизм)

Белки, или протеины, играют важную роль в здоровье , нормальном росте и развитии организма человека . Они выполняют две разные физиологические функции: пластическую и энергетическую.

Функции белков

Пластическая функция белков состоит в том, что они входят в состав всех клеток и тканей. Энергетическая функция белков состоит в том, что они, подвергаясь окислению в присутствии кислорода, расщеп-ляются и выделяют энергию. При расщеплении 1 г белка выделя-ется 4,1 ккал энергии.

Строение белков

Белки состоят из аминокислот. По аминокислотному составу они разделяются на полноценные и неполноценные.

Полноценные бел-ки

Полноценные бел-ки содержатся в продуктах животного происхождения (в мясе, яйцах, рыбе, икре, молоке и молочных продуктах). Для нормального роста и развития организма в суточном рационе детей и подростков не-обходимо наличие достаточного количества полноценных белков.

Неполноценные белки

Неполноценные белки содержатся в продуктах растительного про-исхождения (в хлебе, картошке, кукурузе, горохе, маше, фасоле, рисе и др.).

Жиры, так же как и белки, в организме чело-века имеют пластическое и энергетическое значение. 1 г жира, окисляясь в организме в присутствии кислорода, выделяет 9,3 ккал энергии. Различают два вида жиров: животные и растительные.

Для организма человека углеводы имеют в основном энергетическое значение. В частности, при выполнении физической работы углеводы первыми подвергаются расщеплению и снабжают клетки, ткани и в особенности мышцы необходимой энергией для их деятельности. При окислении 1 г углеводов в при-сутствии кислорода выделяется 4,1 ккал энергии. Углеводы содер-жатся в большом количестве в продуктах растительного происхож-дения (в хлебе, картошке, фруктах, бахчевых) и сладостях.

Количество воды в организме

Вода входит в состав всех клеток и тканей организма человека. В зависимости от физиологи-ческих свойств каждой ткани вода в ней содержится в различном количестве. 50 — 60% организма взрослого человека составляет вода, в организме молодых людей содержание воды больше. Суточная потребность организма взрослых людей в воде составляет 2-3 л.

Влияние воды на организм

Вода играет важную роль в обмене веществ. Если человек совер-шенно не будет питаться, но будет употреблять воду в нормальном количестве, то он может прожить 40-45 дней (до уменьшения массы его тела на 40%). Но если, наоборот, питание будет нормальным, а вода не будет употребляться, то человек может погибнуть в течение одной недели (до уменьшения массы на 20-22%).

Вода поступает в организм в составе пищи и в виде напитков. Она, всасываясь из желудка и кишечника в кровь , участвует в про-цессах обмена веществ в клетках и тканях, основная ее часть выво-дится наружу путем дыхания , потоотделения и с мочой.

В жаркий летний период происходят большие по-тери воды организмом при потоотделении и дыхании. Поэтому воз-растает потребность организма в воде. При жажде и ощущении сухости во рту , не прибегая к обиль-ному употреблению воды, следует часто прополаскивать рот, под-кисленная вода (вода с лимоном, минеральная вода) лучше утоляет жажду и при этом сердце не испытывает дополнительной нагрузки.

Минеральные соли входят в состав всех клеток и тканей орга-низма человека. Различают макро- и микроэлементы.

Макроэлементы

К макроэле-ментам относятся натрий, хлор, кальций, фосфор, калий, железо. Они содержатся в большом количестве в крови, клетках, в особен-ности в костях.

Микроэлементы

К микроэлементам относятся марганец, кобальт, медь, алюминий, фтор, йод, цинк. Они содержатся в крови, клет-ках и костях , но в меньшем количестве. Минеральные соли играют важную роль в обмене веществ, в особенности в процессах возбуж-дения клеток.

Тканевое дыхание

Тканевое дыхание - это последний этап распада органических веществ в клетках тела, в котором участвует кислород и образуется углекислота.

Чтобы объяснить, почему при тканевом дыхании окисляются вещества, обычно стойкие по отношению к молекулярному кислороду, была выдви-нута мысль об активизации кислорода. Предполагают, что кислород обра-зует перекись, от которой отщепляется активный кислород. Происходит и активизация водорода, который переходит от одного вещества к другому, в результате чего одно из веществ оказывается богаче кислородом т. е. окисляется, тогда как другое становится беднее им, т. е восстанавливается.

Большое значение в тканевом дыхании имеют клеточные пигменты, которые содержат железо и находятся на поверхности клеток и окисляющихся веществ. Железо является одним из сильнейших катализаторов, как это можно увидеть на примере гемоглобина крови. Кроме того, существуют и другие катализаторы, способствующие переносу кислорода или водорода. Из них известен фермент каталаза и трипептид-глютатион, содержащий серу, которая и связывает водород, отщепляя его от окисляющихся веществ

В результате хими-ческих, механических, термических изменений органических ве-ществ, которые содержатся в пище, происходит превращение их по-тенциальной энергии в тепловую, механическую и электрическую энергию. Ткани и органы выполняют работу, клетки размножают-ся, изношенные их составные части обновляются, молодой орга-низм растет и развивается за счет этой образовавшейся энергии. Постоянство температуры тела человека также обеспечивается за счет этой энергии.

Терморегуляция

В разных органах тела обмен веществ протекает с разной ин-тенсивностью. Об этом можно отчасти судить по количеству проте-кающей через них крови, так как с кровью к ним доставляются пи-тательные вещества и кислород.

Нервная регуляция

У высших животных процессы обмена веществ регулируются нервной системой , которая влияет на течение всех химических процессов. Все изменения в ходе обмена веществ воспринимаются нервной системой, которая рефлекторным путем стимулирует об-разование и выделение ферментативных систем, осуществляющих распад и синтез веществ.

Гуморальная регуляция

Процессы обмена веществ зависят и от гуморальной регуляции, что определяется состоянием эндокринных желез . Органы внутренней секреции, особенно гипофиз, надпо-чечники, щитовидные и половые железы — во многом определяют ход обмена веществ. Некоторые из них влияют на интенсивность процесса диссимиляции, иные же на обмен отдельных веществ жиров, минеральных веществ, углеводов и пр.

Роль печени в обмене веществ

Возраст

Обмен веществ различен также у животных разного возраста. У молодняка преобладают процессы синтеза, нужные для их роста (у них синтез превышает распад в 4-12 раз). У взрослых животных процессы ассимиляции и диссимиляции обычно уравновешены.

Лактация

На обмен влияет и продук-ция, вырабатываемая животным. Так, обмен веществ у лактирующей коровы перестраивается в сторону синтеза специфических ве-ществ молока-казеина, молочного сахара. Материал с сайта

Питание

У разных видов животных обмен веществ различен, особенно если они питаются различной пищей. На характер и степень обменных процессов влияет характер питания. Особое значение имеет количество и состав белков, витаминный, а также минеральный состав пищи. Одностороннее питание какими-либо одними веществами показало, что, питаясь одними белками, животные могут жить даже при мышечной работе. Это связано с тем, что белки являются как строительным материалом, так и источником энергии в организме.

Голодание

При голодании орга-низм использует имеющиеся у него запасы, сначала гликоген печени, а затем жир из жировых депо. Распад же белков в теле умень-шается, и количество азота в выделениях падает. Это обнару-живается уже с первого дня голодания и указывает на то, что умень-шение белкового распада носит рефлекторный характер, так как в течение суток или двух в кишечнике еще находится много пищевых веществ. При дальнейшем голодании азотистый обмен устанавливается на низком уровне. Лишь после того, как запас углеводов и жиров в организме уже исчерпан, начинается усиленный распад белков и выделение азота резко увеличивается. Теперь белки со-ставляют основной источник энергии для организма. Это всегда является предвестником близкой смерти. Дыхательный коэффици-ент в начале голодания равен 0,9 — организм сжигает преимущественно углеводы, затем опускается до 0,7 — используются жиры, к концу голодания он равен 0,8-организм сжигает белки своего тела.

Абсолютное голодание (при приеме воды) может продолжаться человека до 50 дней, у собак — свыше 100 дней, у лошадей — до 30 дней.

Длительность голодания может увеличиваться при предварительной тренировке, так как оказалось, что после коротких пе-риодов голодания организм откладывает запасы в большем, чем обычно, количестве, и это облегчает вторичное голодание.

Вскрытие трупов животных, павших от голодания, показывает, что разные органы уменьшаются в весе в разной степени. Больше всего теряет в весе подкожная клетчатка, затем мышцы, кожа , и пищеварительный канал, еще меньше теряют в весе железы, почки; сердце и мозг теряют не больше 2-3% своего веса.

Физическая нагрузка

Обмен веществ при физической нагрузке сопровождается усилением процесса диссимиляции в связи с большой потребностью организма в энергии.

Даже при полном покое животное затрачивает энергию на работу внут-ренних органов, деятельность которых никогда не прекращается: сердца, дыхательных мышц, почек, желез и др. Мышцы скелета постоянно находятся в состоянии известного напряжения, на поддержание которого также необходим значительный расход энергии. Много энергии затрачивают животные на прием, переже-вывание корма и его переваривание. У лошади на это тратится до 20% энергии принятого корма. Но особенно увеличивается рас-ход энергии при мышечной работе, причем тем больше, чем тяжелее производимая работа. Так, лошадь при движении по ровной дороге со скоростью 5-6 км в час расходует 150 кал тепла на каждый километр пути, а при скорости 10-12 км в час — 225 кал.

Обмен веществ метаболизм физические процессы в

обмен веществ происходит на уровне

процессы обмена вещества

Вопросы к этой статье:

Многие считают, что обмен веществ и скорость переваривания пищи - синонимы, но это неправильно. Даем верное определение метаболизму и разбираемся, от чего зависит его скорость и к чему могут привести неполадки и сбои.

Обмен веществ (его также называют метаболизмом) - это основа жизненно важных процессов, происходящих в организме. Под метаболизмом понимают все биохимические процессы, происходящие внутри клеток. Тело постоянно заботится о себе, используя (или откладывая в резервные депо) полученные питательные вещества, витамины, минералы и микроэлементы для обеспечения всех функций организма.

Для обмена веществ, управляемого в том числе эндокринологической и нервной системами, огромное значение имеют гормоны и энзимы (ферменты). Традиционно самым важным органом в метаболизме считается печень.

Для того, чтобы выполнять все свои функции, организму нужна энергия, которую он черпает из белков, жиров и углеводов, получаемых вместе с едой. Поэтому процесс усвоения пищи можно считать одним из необходимых условий для метаболизма.

Обмен веществ происходит автоматически. Именно это дает возможность клеткам, органам и тканям самостоятельно восстанавливаться после влияния определенных внешних факторов или же внутренних сбоев.

В чем суть метаболизма?

Метаболизм – это изменение, превращение, переработка химических веществ, а также энергии. Этот процесс состоит из 2 основных, связанных между собой стадий:

• Катаболизм (от греческого слова «разрушение»). Катаболизм предусматривает распад сложных органических веществ, поступивших в организм, до более простых. Это особый энергетический обмен, происходящий во время окисления или же распада определенного химического или органического вещества. В результате в организме происходит выброс энергии (большая ее часть рассеивается в виде тепла, оставшаяся позже используется в анаболических реакциях и при образовании АТФ);
• Анаболизм (от греческого слова «подъем»). Во время данной фазы происходит образование важных для организма веществ – аминокислот, сахара и белка. Для этого пластического обмена необходимы большие затраты энергии.

Говоря простым языком, катаболизм и анаболизм – это два равноправных процесса в обмене веществ, последовательно и циклично сменяющих друг друга.

Что влияет на скорость обменных процессов

Одна из возможных причин медленного обмена веществ - генетический дефект. Существует предположение, что скорость процесса сжигания энергии зависит не только от возраста (об этом мы расскажем ниже) и строения тела, но и от наличия определенного индивидуального гена.

В 2013 году было проведено исследование, в ходе которого выяснилось, что причиной медленного обмена веществ может быть мутация KSR2 - гена, отвечающего за метаболизм. Если в нем имеется дефект, то у его носителя или носительницы отмечается не только повышенный аппетит, но и более медленный (по сравнению со здоровыми людьми), основной обмен (прим. ред.: под основным обменом подразумевают минимальное количество энергии, которое нужно организму утром для нормальной жизнедеятельности в положении лежа и состоянии бодрствования до первого приема пищи ). Однако учитывая тот факт, что данный генетический дефект имеется менее чем у 1% взрослых людей и менее чем у 2% детей с избыточным весом, данную гипотезу трудно назвать единственно верной.

С гораздо большей уверенностью ученые говорят о том, что скорость метаболизма зависит от пола человека.

Так, голландские исследователи выяснили, что у мужчин действительно более активный обмен веществ, чем у женщин. Они объясняют данное явление тем, что мужчины обычно обладают большей мышечной массой, кости у них тяжелее, а процент жира в организме меньше, поэтому что в состоянии покоя (речь про основной обмен), что при движении они потребляют большее количество энергии.

Также метаболизм замедляется с возрастом, и винить в этом стоит гормоны. Так, чем старше женщина, тем меньше эстрогена производит ее организм: это становится причиной появления (или увеличения уже имеющихся) жировых отложений в области живота. У мужчин снижается уровень тестостерона, что приводит к уменьшению мышечной массы. Кроме того - и на сей раз мы говорим о людях обоих полов - со временем тело начинает вырабатывать все меньше гормона роста соматотропина, призванного в том числе стимулировать расщепление жира.

Ответьте на 5 вопросов, чтобы узнать, насколько быстр ваш метаболизм!

Часто ли вам бывает жарко? Людям с хорошим обменом веществ, как правило, чаще бывает жарко, чем людям с плохим (медленным) метаболизмом, они гораздо меньше мерзнут. Если у вас не начался предклимактерический период, то положительный ответ на этот вопрос можно считать одним из признаков того, что ваш метаболизм в порядке.

Как быстро вы поправляетесь? Если вы склонны к быстрому набору веса, то можно предположить, что ваш обмен веществ функционирует не совсем правильно. При правильном метаболизме полученная энергия тратится практически сразу, а не откладывается в виде жира в депо.

Часто ли вы ощущаете бодрость и прилив сил? Люди с замедленным обменом веществ часто чувствуют себя уставшими и разбитыми.

Быстро ли вы перевариваете пищу? Люди с хорошим метаболизмом обычно могут похвастаться хорошим пищеварением. Частые запоры зачастую являются сигналом, что с обменом веществ что-то не так.

Как часто и много вы едите? Вы часто испытываете чувство голода и много едите? Хороший аппетит обычно указывает на то, что пища быстро усваивается организмом, и это признак быстрого метаболизма. Но, конечно же, это не повод отказаться от правильного питания и активного образа жизни.

Отметим, что слишком быстрый обмен веществ, о котором мечтают многие, тоже чреват проблемами: он может привести к бессоннице, нервозности, дефициту веса и даже проблемам с сердцем и сосудами.

Как наладить обмены при помощи питания?

Существует достаточно много продуктов питания, которые способны благотворно повлиять на обмен веществ, например:

• богатые грубой клетчаткой овощи (свекла, сельдерей, капуста, морковь);
• постное мясо (филе курицы без кожи, телятина);
• зеленый чай, цитрусовые фрукты, имбирь;
• богатая фосфором рыба (особенно морская);
• экзотические фрукты (авокадо, кокосы, бананы);
• зелень (укроп, петрушка, базилик).

Проверьте, не совершаете ли вы ошибки в пищевом поведении, которые ведут к ненужному замедлению метаболизма!

Ошибка №1. В вашем рационе слишком мало полезных жиров

Увлекаетесь продуктами с маркировкой light? Обязательно следите за тем, чтобы потреблять достаточное количество ненасыщенных жирных кислот, которые содержатся в том же лососе или авокадо. Они также помогают удерживать уровень инсулина в пределах нормы и не позволяют обмену веществ замедляться.

Ошибка №2. В вашем рационе много полуфабрикатов и готовой еды

Внимательно изучите этикетки, скорее всего, вы обнаружите, что сахар входит в состав даже тех продуктов, где его быть вовсе не должно. Именно он отвечает за скачки глюкозы в крови. Не устраивайте организму пищевые американские горки. Ведь тело расценивает подобные перепады как сигнал, что пора запасти побольше жира.\

Ошибка №3. Вы часто игнорируете приступы голода и пропускаете приемы пищи

Важно не только то, что вы едите, но и когда вы это делаете (питаться нужно регулярно и в одно и то же время). Тот, кто ждет, пока желудок не начнут скручивать голодные спазмы (или вообще игнорирует сигналы организма), рискует отрицательно повлиять на скорость обмена веществ. Ничего хорошего в этом случае ждать нельзя. По крайней мере, зверские приступы голода по вечерам, которых не избежать, в категорию «хорошее» точно не попадают.

Причины и следствия сбоев обмена веществ

Среди причин сбоя обменных процессов можно назвать патологические изменения в работе надпочечников, гипофиза и щитовидной железы.

Кроме этого, к предпосылкам сбоев относят несоблюдение рациона питания (сухая пища, частое переедание, болезненная увлеченность жесткими диетами), а также плохую наследственность.

Существует целый ряд внешних признаков, по которым можно самостоятельно научиться распознавать проблемы катаболизма и анаболизма:

1. недостаточная или чрезмерная масса тела;
2. соматическая усталость и отечность верхних и нижних конечностей;
3. ослабленные ногтевые пластины и ломкие волосы;
4. кожные высыпания, прыщи, шелушение, бледность или покраснение кожных покровов.

Если метаболизм отличный, то тело будет стройным, волосы и ногти - крепкими, кожа - без косметических дефектов, а самочувствие - хорошим.

Метаболизм (от греческого: μεταβολή metabolē, «изменение») – это ряд химических превращений в клетках живых организмов, необходимых для поддержания жизни. Тремя основными целями метаболизма являются превращение пищи / топлива в энергию для запуска клеточных процессов, превращение пищи / топлива в строительные блоки для белков, липидов, нуклеиновых кислот и некоторых углеводов, а также устранение азотистых шлаков. Эти ферментативные реакции позволяют организму расти и размножаться, сохранять свои структуры и реагировать на окружающую среду. Слово «метаболизм» может также относиться к сумме всех химических реакций, происходящих в живых организмах, включая пищеварение и транспортировку веществ в различные клетки и между ними, в этом случае множество реакций внутри клеток называется промежуточным метаболизмом. Метаболизм обычно делится на две категории: катаболизм, расщепление органического вещества, например, с помощью клеточного дыхания, и анаболизм, создание компонентов клеток, таких как белки и нуклеиновые кислоты. Как правило, при расщеплении энергия высвобождается, а при наращивании потребляется.

Химические реакции обмена веществ организованы в метаболических путях, в которых одно химическое соединение трансформируется через ряд шагов в другое соединение, при помощи последовательности ферментов. Ферменты имеют решающее значение для обмена веществ, поскольку они позволяют организмам осуществлять желаемые реакции, которые требуют затрат энергии, которые не будут происходить сами по себе, путем присоединения их к спонтанным реакциям, которые высвобождают энергию. Ферменты действуют как катализаторы, которые позволяют реакциям протекать более быстрыми темпами. Ферменты также позволяют регулировать метаболические пути в ответ на изменения в окружающей среде клетки или на сигналы от других клеток. Метаболическая система конкретного организма определяет, какие вещества для него будут питательными, а какие – ядовитыми. Например, некоторые прокариоты используют сероводород в качестве питательного вещества, но этот газ является ядовитым для животных. Скорость метаболизма влияет на то, сколько пищи потребует организм, а также на то, насколько он будет способен получить эту пищу. Отличительной чертой метаболизма является сходство основных метаболических путей и компонентов между даже совершенно разными видами. Например, множество карбоновых кислот, которые более всего известны как промежуточные соединения в цикле Кребса, присутствуют во всех известных организмах. Они были обнаружены у таких разнообразных видов, как одноклеточные бактерии кишечной палочки и гигантские многоклеточные организмы, такие как слоны. Эти поразительные сходства в метаболических путях, вероятно, связаны с их ранним появлением в эволюционной истории, и их сохранением из-за их эффективности.

Основные биохимические вещества

Большинство структур, которые составляют животных, растений и микробов, состоят из трех основных классов молекул: аминокислоты, углеводы и липиды (часто называемые жирами). Так как эти молекулы имеют жизненно важное значение для жизни, метаболические реакции либо сосредотачиваются на производстве этих молекул в процессе строительства клеток и тканей, либо на их расщеплении и использовании в качестве источника энергии, в процессе их переваривания. Эти биохимические вещества могут соединяться друг с другом, образуя полимеры, такие как ДНК и белки, необходимые для жизни макромолекулы.

Аминокислоты и белки

Белки состоят из аминокислот, расположенных в линейной цепи, соединенные между собой пептидными связями. Многие белки представляют собой ферменты, которые катализируют химические реакции в обмене веществ. Другие белки имеют структурные или механические функции, такие, как белки, которые формируют цитоскелет, систему, которая поддерживает форму клетки. Белки также играют важную роль в клеточной сигнализации, иммунных реакциях, клеточной адгезии, активном транспорте через мембраны, и клеточном цикле. Аминокислоты также способствуют клеточному метаболизму энергии, обеспечивая источник углерода для вхождения в цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот), особенно когда основного источника энергии, такого как глюкоза, недостаточно, или когда клетки подвергаются метаболическому стрессу.

Липиды

Липиды являются наиболее разнообразной группой биохимических веществ. Их основные структурные виды использования – как часть биологических мембран, как внутренних, так и внешних, таких как клеточные мембраны, или в качестве источника энергии. Липиды обычно определяются как гидрофобные или амфипатические биологические молекулы, но они растворяются в органических растворителях, таких как бензол или хлороформ. Жиры – это большая группа соединений, которые содержат жирные кислоты и глицерин; молекула глицерина, присоединенная к трем сложных эфирам жирных кислот, называется триацилглицеридом. Существует несколько вариаций этой базовой структуры, в том числе альтернативные скелеты, такие как сфингозин у сфинголипидов, и гидрофильные группы, такие как фосфат, у фосфолипидов. Стероиды, такие как холестерин, являются еще одним важным классом липидов .

Углеводы

Углеводы являются альдегидами или кетонами, с большим количеством присоединенных гидроксильных групп, которые могут существовать в виде прямых цепей или колец. Углеводы являются наиболее распространенными биологическими молекулами, и выполняют множество функций, таких как хранение и транспортировка энергии (крахмал, гликоген) и структурных компонентов (целлюлоза у растений, хитин у животных). Базовые единицы углеводов называются моносахаридами и включают галактозу, фруктозу и, самое главное, глюкозу. Моносахариды могут быть связаны друг с другом, образуя полисахариды.

Нуклеотиды

Две нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, представляют собой полимеры нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из фосфата, прикрепленного к рибозной или дезоксирибозной сахарной группе, которая присоединена к азотистому основанию. Нуклеиновые кислоты имеют решающее значение для хранения и использования генетической информации и ее интерпретации через процессы транскрипции и биосинтеза белка. Эта информация защищена механизмами репарации ДНК и распространяется через репликацию ДНК. Многие вирусы имеют РНК-геном, такие как ВИЧ, который использует обратную транскрипцию для создания шаблона ДНК из своего вирусного РНК-генома. РНК в рибозимах, таких как сплайсосомы и рибосомы, аналогична ферментам, так как она может катализировать химические реакции. Отдельные нуклеозиды создаются путем присоединения к нуклеиновому основанию рибозного сахара. Эти основания являются гетероциклическими кольцами, содержащими азот, и классифицируются как пурины или пиримидины. Нуклеотиды также выступают в качестве коферментов в метаболических реакциях переноса групп.

Коферменты

Метаболизм включает в себя широкий спектр химических реакций, но большинство этих реакций входит в несколько основных типов реакций, которые включают перенос функциональных групп атомов и их связей в молекулах. Эти химические реакции позволяют клеткам использовать небольшой набор метаболических промежуточных продуктов для того, чтобы перемещать химические группы между различными реакциями. Эти промежуточные вещества в реакциях переноса групп называются коферментами. Каждый класс реакций переноса групп осуществляется конкретным коферментом, который является субстратом для ряда ферментов, которые производят его, а также для ряда ферментов, потребляющих его. Поэтому эти коферменты непрерывно производится, потребляются, а затем используются повторно. Одним из центральных коферментов является аденозинтрифосфат (АТФ), универсальный источник энергии для клеток. Этот нуклеотид используется для передачи химической энергии между различными химическими реакциями. В клетках существует лишь небольшое количество АТФ, но, так как он непрерывно регенерируется, человеческое тело может использовать такое количество АТФ в день, которое составляет приблизительно его собственный вес. АТФ выступает в качестве «моста» между катаболизмом и анаболизмом. Катаболизм разрушает молекулы, а анаболизм собирает их вместе. Катаболические реакции создают АТФ, а анаболические реакции потребляют его. АТФ также служит в качестве носителя фосфатных групп в реакциях фосфорилирования. Витамин представляет собой органическое соединение, необходимое в небольших количествах, которое не может быть произведено в клетках. В питании человека, большинство витаминов функционируют в качестве коферментов после модификации; например, все водорастворимые витамины фосфорилируются или соединяются с нуклеотидами, когда они используются в клетках. Никотинамид-аденин-динуклеотид (НАД +), производное витамина B3 (ниацина), является важным коферментом, который действует как акцептор водорода. Сотни отдельных видов дегидрогеназ удаляют электроны от их субстратов и восстанавливают НАД + в НАДH. Эта восстановленная форма кофермента является субстратом для любой из редуктаз в клетке, которые должны восстановить свои субстраты. Никотинамидадениндинуклеотид существует в двух родственных формах в клетке, НАДH и НАДФН. НАД + / НАДН форма является более важной в катаболических реакциях, в то время как НАДФ + / НАДФН используется в анаболических реакциях.

Минералы и кофакторы

Неорганические элементы играют важную роль в обмене веществ; некоторые из них содержатся в организме в изобилии (например, натрий и калий), в то время как другие действуют в минимальных концентрациях. Около 99% массы млекопитающего состоит из углерода, азота, кальция, натрия, хлора, калия, водорода, фосфора, кислорода и серы. Органические соединения (белки, липиды и углеводы) содержат большую часть углерода и азота; большая часть кислорода и водорода присутствует в воде. Содержащиеся в изобилии неорганические элементы действуют как ионные электролиты. Наиболее важными ионами являются натрий, калий, кальций, магний, хлорид, фосфат и органический бикарбонат-ион. Поддержание точных ионных градиентов в клеточных мембранах поддерживает осмотическое давление и рН. Ионы также имеют важное значение для функционирования нервов и мышц, поскольку потенциалы действия в этих тканях образуются путем обмена электролитов между внеклеточной жидкостью и клеточной жидкостью, цитозолью. Электролиты входят и выходят из клеток с помощью белков в клеточной мембране, называемыми ионными каналами. Например, сокращение мышц зависит от перемещения кальция, натрия и калия через ионные каналы в клеточной мембране и Т-канальцах. Переходные металлы, как правило, присутствуют в организмах в качестве микроэлементов, при этом цинк и железо содержатся в организме в наибольших концентрациях. Эти металлы используются в некоторых белках в качестве кофакторов и имеют важное значение для активности ферментов, таких как каталаза и белки-переносчики кислорода, такие как гемоглобин. Металлические кофакторы тесно связаны со специфическими участками в белках; хотя ферментные кофакторы могут быть модифицированы во время катализа, они всегда возвращаются в исходное состояние к концу катализируемой реакции. Металлические микроэлементы усваиваются в организмах при помощи специфических транспортеров и связываются с запасными белками, такими как ферритин или металлотионеин, когда не используются.

Катаболизм

Катаболизм – это множество метаболических процессов, которые расщепляют крупные молекулы. Эти процессы включают в себя расщепление и окисление молекул пищи. Цель катаболических реакций состоит в обеспечении энергией и компонентами, необходимыми в ходе анаболических реакций. Точный характер этих катаболических реакций отличается у разных организмов. Организмы могут быть классифицированы на основе их источников энергии и углерода (их первичных пищевых групп). Органические молекулы используются в качестве источника энергии органотрофами, в то время как литотрофы используют неорганические субстраты, и фототрофы используют солнечный свет в виде химической энергии. Тем не менее, все эти различные формы метаболизма зависят от окислительно-восстановительных реакций, которые включают перенос электронов от восстановленных молекул-доноров, таких как органические молекулы, вода, аммиак, сероводород или ионы железа, к акцепторным молекулам, таким как кислород, нитрат или сульфат. У животных, эти реакции включают сложные органические молекулы, которые расщепляются на более простые молекулы, такие как углекислый газ и вода. У фотосинтезирующих организмов, таких как растения и цианобактерии, эти реакции переноса электрона не высвобождают энергию, но используются как способ хранения энергии, поглощаемой из солнечного света. Наиболее распространенные катаболические реакции у животных могут быть разделены на три основные стадии. В первой стадии, большие органические молекулы, такие как белки, полисахариды или липиды, расщепляются на более мелкие компоненты за пределами клетки. Далее, эти небольшие молекулы захватываются клетками и преобразуются в еще более мелкие молекулы, обычно в ацетил-кофермент А (ацетил-КоА), который высвобождает некоторое количество энергии. И, наконец, ацетильная группа на КоА окисляется до воды и углекислого газа в цикле лимонной кислоты и цепи переноса электронов, высвобождая энергию, которая хранится за счет восстановления кофермента никотинамидадениндинуклеотида (НАД +) в НАДH.

Переваривание

Макромолекулы, такие как крахмал, целлюлоза или белки, не могут быстро захватываться клетками и должны быть расщеплены на более мелкие единицы, прежде чем они могут быть использованы в метаболизме клеток. Несколько общих классов ферментов переваривают эти полимеры. Эти пищеварительные ферменты включают протеазы, которые перерабатывают белки в аминокислоты, а также гликозид гидролазы, которые перерабатывают полисахариды в простые сахара, известные как моносахариды. Микробы просто выделяют пищеварительные ферменты в окружающую среду, в то время как животные выделяют эти ферменты только из специализированных клеток в своих кишках. Аминокислоты или сахара, высвобожденные этими внеклеточными ферментами, затем перекачивается в клетки с помощью активных транспортных белков.

Энергия из органических соединений

Углеводный катаболизм – это распад углеводов на более мелкие единицы. Углеводы, как правило, принимаются в клетки, когда они перевариваются в моносахариды. Попадая в организм, основным маршрутом расщепления является гликолиз, в ходе которого сахара, такие как глюкоза и фруктоза, превращаются в пируват и генерируется АТФ. Пируват – это промежуточное соединение в нескольких метаболических путях, но большая часть пирувата превращается в ацетил-КоА и участвует в цикле лимонной кислоты. Хотя некоторая часть АТФ генерируется в цикле лимонной кислоты, наиболее важным продуктом является НАДН, который производится из НАД +, когда ацетил-СоА окисляется. В ходе этого окисления в качестве побочного продукта высвобождается углекислый газ. В анаэробных условиях, гликолиз производит лактат, через фермент лактатдегидрогеназы, повторно окисляя НАДH в НАД + для повторного использования в гликолизе. Альтернативным путем для расщепления глюкозы является пентозофосфатный путь, который восстанавливает кофермент НАДФН и производит пентозы, такие как рибоза, сахарный компонент нуклеиновых кислот. Жиры катаболизируются в ходе гидролиза до свободных жирных кислот и глицерина. Глицерин входит в гликолиз и жирные кислоты расщепляются путем бета-окисления, высвобождая ацетил-КоА, который затем участвует в цикле лимонной кислоты. Жирные кислоты выделяют при окислении больше энергии, чем углеводы, потому что углеводы содержат больше кислорода в своих структурах. Стероиды также расщепляются некоторыми бактериями в процессе, подобном бета-окислению, и этот процесс расщепления связан с высвобождением значительного количества ацетил-КоА, пропионил-КоА и пирувата, которые могут быть использованы клеткой для получения энергии. M. tuberculosis может также вырасти на липидном холестерине в качестве единственного источника углерода, и гены, участвующие в пути использования холестерина (ов), были утверждены в качестве важных при различных стадиях жизненного цикла инфекции микобактерий туберкулеза . Аминокислоты либо используются для синтеза белков и других биомолекул, или окисляются до мочевины и диоксида углерода в качестве источника энергии. Путь окисления начинается с удаления аминогруппы при помощи трансаминазы. Аминогруппа входит в цикл мочевины, оставляя деаминированный скелет углерода в форме кетокислоты. Некоторые из этих кетокислот являются промежуточными продуктами в цикле лимонной кислоты, например, дезаминирование глутамата приводит к образованию α-кетоглютарата. Глюкогенные аминокислоты также могут быть преобразованы в глюкозу через глюконеогенез.

Энергетические преобразования

Окислительное фосфорилирование

В ходе окислительного фосфорилирования, электроны удаляются из органических молекул в таких областях, как цикл протагоновой кислоты, и переносятся в кислород, а выделяемая при этом энергия используется для производства АТФ. Это делается у эукариот серией белков в мембранах митохондрий, называемой цепью переноса электронов. У прокариот, эти белки находятся во внутренней мембране клетки. Эти белки используют энергию, выделяемую от проходящих электронов от восстановленных молекул, таких как НАДН, в кислород, чтобы перекачивать протоны через мембрану. Выкачивание протонов из митохондрий создает разность концентрации протонов через мембрану, и генерирует электрохимический градиент. Это вызывает движение протонов обратно в митохондрии через основание фермента, называемого АТФ-синтаза. Поток протонов заставляет субъединицу вращаться, в результате чего активный участок домена синтазы изменяет форму и фосфорилирует АДФ, превращая его в АТФ.

Энергия из неорганических соединений

Хемолитотрофия – тип метаболизма у прокариот, при котором энергия производится путем окисления неорганических соединений. Эти организмы могут использовать водород, восстановленные соединения серы (такие как сульфид, сероводород и тиосульфат), двухвалентное железо (FeII) или аммиак в качестве источников восстановительной способности, и они получают энергию от окисления этих соединений с акцепторами электронов, такими как кислород или нитриты. Эти микробные процессы играют важную роль в глобальных биогеохимических циклах, таких как ацетогенез, нитрификация и денитрификация, и имеют решающее значение для плодородия почв.

Энергия света

Энергия солнечного света используется растениями, цианобактериями, пурпурными бактериями, зелеными серными бактериями и некоторыми простейшими. Этот процесс часто связан с превращением двуокиси углерода в органические соединения, как часть фотосинтеза. Системы захвата энергии и фиксации углерода, однако, могут работать отдельно у прокариот, так как пурпурные бактерии и зеленые серные бактерии могут использовать солнечный свет в качестве источника энергии, во время переключения между фиксацией углерода и ферментацией органических соединений. У многих организмов, захват солнечной энергии аналогичен по принципу с окислительным фосфорилированием, так как включает в себя хранение энергии в виде градиента концентрации протонов. Эта движущая сила протонов затем приводит к синтезу АТФ. Электроны, необходимые для работы этой электрон-транспортной цепи, происходят из белков, собирающих свет, называемых фотосинтезирующими реакционными центрами или родопсинами. Реакционные центры делятся на два типа в зависимости от типа фотосинтетического пигмента, при этом большинство фотосинтезирующих бактерий имеют только один тип, в то время как растения и цианобактерии имеют два. У растений, водорослей и цианобактерий, фотосистема II использует энергию света для удаления электронов из воды, выделяя кислород в качестве побочного продукта. Электроны затем перемещаются в комплекс цитохрома b6f, который использует их энергию для перекачки протонов через мембрану тилакоидов в хлоропластах. Эти протоны движутся обратно через мембрану, по мере того, как они управляют АТФ-синтазой, как и раньше. Электроны затем проходят через фотосистему I и затем могут либо быть использованы для восстановления кофермента НАДФ +, для использования в цикле Кальвина, или быть переработаны для дальнейшего поколения АТФ.

Анаболизм

Анаболизм – это множество конструктивных метаболических процессов, в которых энергия, выделяемая катаболизмом, используется для синтеза сложных молекул. В общем, сложные молекулы, которые составляют клеточные структуры, строятся из небольших и простых предшественников. Анаболизм включает в себя три основных этапа. Во-первых, производство прекурсоров, таких как аминокислоты, моносахариды, изопреноиды и нуклеотиды, во-вторых, их активация в химически активные формы с использованием энергии от АТФ, и в-третьих, сборка этих предшественников в сложные молекулы, такие как белки, полисахариды, липиды и нуклеиновые кислоты. Разные организмы могут построить разное количество молекул в клетках. Автотрофы, такие как растения, могут строить сложные органические молекулы в клетках, такие как полисахариды и белки, из простых молекул, таких как углекислый газ и вода. Гетеротрофные организмы, с другой стороны, требуют источник более сложных веществ, таких как моносахариды и аминокислоты, чтобы произвести эти сложные молекулы. Организмы могут быть дополнительно классифицированы по основным источникам их энергии: фотоавтотрофы и фотогетеротрофы получают энергию от света, в то время как хемоавтотрофы и хемогетеротрофы получают энергию от неорганических реакций окисления.

Фиксация углерода

Фотосинтез – это синтез углеводов из солнечного света и углекислого газа (CO2). У растений, цианобактерий и водорослей, кислородный фотосинтез расщепляет воду, при этом кислород выделяется в качестве побочного продукта. Этот процесс использует АТФ и НАДФН, вырабатываемые фотосинтетическими реакционными центрами, как описано выше, для превращения СО2 в глицерат 3-фосфат, который затем может быть превращен в глюкозу. Эта реакция углерод-фиксации осуществляется с помощью фермента Рубиско как часть цикла Кельвина-Бенсона. У растений встречается три типа фотосинтеза, С3 фиксация углерода, C4 фиксация углерода и фотосинтез САМ. Они отличаются по маршруту, который использует двуокись углерода для цикла Кальвина, при этом C3 растения фиксируют CO2 непосредственно, в то время как C4 и CAM фотосинтез включает СО2 сначала в другие соединения, в качестве приспособлений для борьбы с интенсивным солнечным светом и сухими условиями. У фотосинтезирующих прокариот, механизмы фиксации углерода более разнообразны. Здесь, диоксид углерода может быть закреплен с помощью цикла Кельвина-Бенсона, обратного цикла лимонной кислоты, или карбоксилирования ацетил-КоА. Прокариотические хемоавтотрофы также фиксируют СО2 через цикл Кельвина-Бенсона, но используют энергию из неорганических соединений, чтобы провести реакцию.

Углеводы и гликаны

При углеводном анаболизме, простые органические кислоты могут быть превращены в моносахариды, такие как глюкоза, а затем использоваться для сборки полисахаридов, таких как крахмал. Генерирование глюкозы из таких соединений, как пируват, лактат, глицерин, глицерат 3-фосфат и аминокислоты, называется глюконеогенезом. Глюконеогенез преобразует пируват в глюкозо-6-фосфат через ряд промежуточных продуктов, многие из которых наблюдаются при гликолизе. Однако, этот путь не является просто гликолизом, протекающим в обратном направлении, поскольку несколько шагов катализируются не-гликолитическими ферментами. Это важно, поскольку это позволяет отдельно регулировать образование и расщепление глюкозы, а также предотвращает одновременное протекание обоих путей в футильном цикле. Хотя жир является распространенным способом хранения энергии, у позвоночных животных, таких как люди, жирные кислоты, содержащиеся в этих хранилищах, не могут быть преобразованы в глюкозу через глюконеогенез, так как эти организмы не могут преобразовать ацетил-КоА в пируват; растения, в отличие от животных, имеют необходимые для этого ферментативные механизмы. В результате, после длительного голодания, позвоночным необходимо производить кетоновые тела из жирных кислот, чтобы заменить глюкозу в тканях, таких как мозг, который не может метаболизировать жирные кислоты. У других организмов, таких как растения и бактерии, эта метаболическая задача решается с помощью глиоксилатного цикла, который обходит стадии декарбоксилирования в цикле лимонной кислоты и способствует превращению ацетил-КоА в оксалоацетат, где он может быть использован для производства глюкозы. Полисахариды и гликаны производятся путем последовательного добавления моносахаридов гликозилтрансферазой от реактивного донора сахара-фосфата, такого как уридиндифосфатглюкоза (УДФ-глюкоза) к акцептору гидроксильной группы на растущем полисахариде. Поскольку любая из гидроксильных групп на кольце субстрата может быть акцептором, производимые полисахариды могут иметь прямые или разветвленные структуры. Производимые полисахариды могут иметь структурные или метаболические функции сами по себе, или быть переданы липидам и белкам с помощью ферментов, называемых олигосахарилтрансферазы.

Жирные кислоты, изопреноиды и стероиды

Жирные кислоты производятся синтазами жирных кислот, которые полимеризуют, а затем восстанавливают единицы ацетил-КоА-редуктазы. Эти ацильные цепи в жирных кислотах удлиняются при помощи цикла реакций, которые добавляют ацильную группу, восстанавливают её до спирта, обезвоживают его в алкеновую группу, а затем вновь восстанавливают его в алкановую группу. Ферменты биосинтеза жирных кислот делятся на две группы: у животных и грибов все эти реакции синтазы жирных кислот осуществляются одним многофункциональным белком типа I, в то время как в пластидах растений и бактерий отдельные ферменты типа II выполняют каждый шаг в пути. Терпены и изопреноиды представляют большой класс липидов, которые включают каротиноиды и формируют самый большой класс растительных натуральных продуктов. Эти соединения создаются путем сборки и модификации единиц изопрена, пожертвованных от реактивных предшественников изопентенил пирофосфата и диметилаллилового пирофосфата. Эти предшественники могут производиться по-разному. У животных и у архебактерий, мевалонатный путь производит эти соединения из ацетил-КоА, в то время как у растений и бактерий, не-мевалонатный путь использует пируват и глицеральдегид-3-фосфат в качестве субстратов. Одной из важных реакции, использующих эти активированные изопреновые доноры, является биосинтез стероидов. Здесь единицы изопрена объединяются вместе, производя сквален, а затем сформировывают набор колец, производя ланостерол. Ланостерол затем может быть преобразован в другие стероиды, такие как холестерин и эргостерол.

Белки

Нуклеотидный синтез

Нуклеотиды производятся из аминокислот, углекислого газа и муравьиной кислоты в пути, который требует большого количества метаболической энергии. Следовательно, большинство организмов имеют эффективные системы, чтобы спасать предварительно образованные нуклеотиды. Пурины синтезируются как нуклеозиды (основания при рибозе). И аденин, и гуанин производятся из предшественника нуклеозид-инозин-монофосфата, который синтезируется с использованием атомов из аминокислот глицина, глутамина и аспарагиновой кислоты, а также формиата, переданного от кофермента тетрагидрофолата. Пиримидины, с другой стороны, синтезируются из базового оротата, который образуется из глутамина и аспартата.

Ксенобиотики и окислительно-восстановительный метаболизм

Все организмы постоянно подвергаются воздействию соединений, которые они не могут использовать в качестве пищевых продуктов и которые могут нанести вред, если они накапливаются в клетках, так как они не имеют метаболических функций. Эти потенциально вредные соединения называются ксенобиотиками. Ксенобиотики, такие как синтетические наркотики, природные яды и антибиотики, детоксифицируются рядом ферментов, метаболизирующих ксенобиотики. В организме человека, эти ферменты включают оксидазы цитохрома P450, УДФ-глюкуронилтрансферазы и глутатион S-трансферазы. Эта система ферментов действует в три этапа, во-первых, окисляя ксенобиотики (фаза I), а затем конъюгируя водорастворимые группы на молекуле (фаза II). Модифицированный водорастворимый ксенобиотик затем может быть откачан из клеток и в многоклеточных организмах может дополнительно метаболизироваться перед тем, как он будет выведен из организма (фаза III). В экологии, эти реакции особенно важны в микробной биодеградации загрязняющих веществ и биоремедиации загрязненных земель и разливов нефти. Многие из этих микробных реакций наблюдаются у многоклеточных организмов, но, в связи с невероятным разнообразием видов микробов, эти организмы могут иметь дело с намного более широким спектром ксенобиотиков, чем многоклеточные организмы, а также могут расщеплять даже стойкие органические загрязнители, такие как хлорорганические соединения. Связанная с этим проблема для аэробных организмов – окислительный стресс. Здесь, процессы, включающие окислительное фосфорилирование и образование дисульфидных связей в процессе сворачивания белков, производят активные формы кислорода, такие как перекись водорода. Эти повреждающие оксиданты удаляются при помощи антиоксидантных метаболитов, таких как глутатион, и ферментами, такими как каталазы и пероксидазы.

Термодинамика живых организмов

Живые организмы должны подчиняться законам термодинамики, которые описывают передачу тепла и работу. Второй закон термодинамики гласит, что в любой замкнутой системе количество энтропии (расстройство) не может уменьшаться. Хотя удивительная сложность живых организмов, как представляется, противоречит этому закону, жизнь возможна, так как все организмы являются открытыми системами, которые обмениваются веществом и энергией с окружающей средой. Таким образом, живые системы не находятся в равновесии, а являются диссипативными системами, которые поддерживают их состояние высокой сложности, вызывая большее увеличение энтропии их среды. Метаболизм клетки достигает этого путем сочетания спонтанных процессов катаболизма в не-спонтанных процессах анаболизма. В терминах термодинамики, метаболизм поддерживает порядок путем создания расстройства.

Регулирование и контроль

По мере того как среда большинства организмов постоянно изменяется, реакции обмена веществ должны точно регулироваться, чтобы поддерживать постоянный набор условий внутри клеток, состояние, называемое гомеостазом. Метаболическая регуляция позволяет также организмам реагировать на сигналы и активно взаимодействовать со своим окружением. Два тесно связанных понятия имеют важное значение для понимания того, как контролируются метаболические пути. Во-первых, регуляция фермента в пути, по мере того как его активность увеличивается и уменьшается в ответ на сигналы. Во-вторых, контроль этим ферментом – эффект, который эти изменения оказывают на общий уровень пути (поток через путь). Например, фермент может показать большие изменения в активности (т.е. строго регулируется), но если эти изменения оказывают незначительное влияние на поток метаболического пути, то этот фермент не участвует в контроле пути. Существует несколько уровней регуляции метаболизма. При внутренней регуляции, метаболический путь саморегулируется, реагируя на изменения в уровнях субстратов или продуктов; например, уменьшение количества продукта может увеличить поток через пути компенсации. Этот тип регулирования часто включает в себя аллостерическое регулирование активности нескольких ферментов в пути. Внешняя регуляция включает в себя клетку в многоклеточном организме, изменяя его метаболизм в ответ на сигналы от других клеток. Эти сигналы, как правило, имеют форму растворимых мессенджеров, таких как гормоны и факторы роста, и обнаруживаются специфическими рецепторами на поверхности клетки. Затем эти сигналы передаются внутрь клетки с помощью вторичных систем мессенджеров, которые часто участвуют в фосфорилировании белков. Очень хорошим примером внешнего регулирования является регулирование метаболизма глюкозы гормоном инсулином. Инсулин вырабатывается в ответ на увеличение уровня глюкозы в крови. Связывание гормона с рецепторами инсулина на клетках затем активирует каскад протеинкиназ, которые заставляют клетки принимать глюкозу и преобразовывать её в молекулы хранения данных, таких как жирные кислоты и гликоген. Метаболизм гликогена контролируется активностью фосфорилазы, ферментом, который расщепляет гликоген, и гликоген-синтазой, ферментом, который его производит. Эти ферменты взаимно регулируются, при этом фосфорилирование ингибирует гликогенсинтазу, но активирует фосфорилазу. Инсулин провоцирует синтез гликогена путем активации фосфатазы белка и производит снижение фосфорилирования этих ферментов.

Эволюция

Исследование и манипуляции

Классически, метаболизм изучается в редукционистском подходе, ориентированном на один путь метаболизма. Особенно ценным является использование радиоактивных меток в целом организме, тканях и на клеточном уровне, что определяет пути от предшественников до конечных продуктов путем выявления радиоактивно меченых промежуточных и других продуктов. Ферменты, которые катализируют эти химические реакции, могут затем быть очищены и исследована их кинетика и реакция на ингибиторы. Параллельный подход заключается в определении малых молекул в клетке или тканях; полный набор этих молекул называется метаболомом. В целом, эти исследования дают хорошее представление о структуре и функции простых метаболических путей, но недостаточны при применении к более сложным системам, таким как метаболизм целой клетки. Теперь стало возможным использовать эти геномные данные для восстановления полных сетей биохимических реакций и производства более целостных математических моделей, которые могут объяснить и предсказать их поведение. Эти модели особенно эффективны, когда используются для интеграции пути и метаболических данных, полученных с помощью классических методов с данными по экспрессии генов протеомических исследований и исследований микрочипов ДНК. С использованием этих методов, в настоящее время создается модель человеческого метаболизма, которая будет направлять будущие открытия новых лекарств и биохимические исследования. Эти модели в настоящее время используются в сетевом анализе, для классификации заболеваний человека по группам, которые имеют общие белки или метаболиты. Бактериальные метаболические сети являются ярким примером «бантиковой» организации, архитектуры, способной вводить широкий спектр питательных веществ и производить большое разнообразие продуктов и сложных макромолекул с помощью относительно небольшого числа промежуточных веществ. Основным технологическим применением этой информации является метаболическая инженерия. Здесь, организмы, такие как дрожжи, растения или бактерии, генетически модифицируются, что делает их более полезными в области биотехнологии и способствует производству лекарственных препаратов, таких как антибиотики, или промышленных химических веществ, таких как 1,3-пропандиол и шикимовая кислота. Эти генетические модификации обычно направлены на снижение количества энергии, используемой для получения продукта, повышение размера выработки и сокращение производства отходов.

История

Термин «метаболизм» происходит от греческого Μεταβολισμός – «Metabolismos», означающего «изменение», или «переворот». Первые документированные ссылки на метаболизм были сделаны Ибн аль-Нафисом в его работе, датируемой 1260 годом нашей эры под названием Al-Risalah al-Kamiliyyah fil Siera al-Nabawiyyah (Трактат Камиля о биографии Пророка), которая включала следующую фразу «и тело, и его части находятся в постоянном состоянии растворения и питания, поэтому они неизбежно претерпевают постоянные изменения». История научного изучения метаболизма охватывает несколько веков и переходит от изучения целых животных в ранних исследованиях к рассмотрению отдельных метаболических реакций в современной биохимии. Первые контролируемые эксперименты о метаболизме человека были опубликованы Санторио в 1614 году в его книге Ars de statica Medicina. Он описывал, как он взвешивал себя до и после еды, сна, работы, секса, поста, питья и хождения в туалет. Он обнаружил, что большая часть пищи, которую он принимал, терялась в ходе процесса, который он назвал «неощутимым потоотделением». В этих ранних исследованиях, механизмы этих процессов обмена веществ не были выявлены, и считалось, что жизненная сила оживляет живую ткань. В 19-м веке, при изучении ферментации сахара в спирт дрожжами, Луи Пастер пришел к выводу, что брожение катализировалось веществами в клетках дрожжей, которые он назвал «ферментами». Он писал, что «спиртовое брожение соотносится с жизнью и организацией дрожжевых клеток, а не со смертью или гниением клеток». Это открытие, наряду с работой Фридриха Вёлера в 1828 году о химическом синтезе мочевины, отличается тем, что является первым органическим соединением, полученным из полностью неорганических предшественников. Это доказало, что органические соединения и химические реакции в клетках не отличаются в принципе от любой другой части химии. Открытие ферментов в начале 20-го века Эдуардом Бюхнером отделило изучение химических реакций обмена веществ от биологического исследования клеток, а также отметило рождение биохимии. Биохимические знания быстро увеличивались на протяжении первой половины 20 века. Одним из самых плодовитых среди биохимиков того времени был Ганс Кребс, который сделал огромный вклад в изучение обмена веществ.

Что же такое метаболизм?

Никогда не задумывались над тем, почему одни люди едят все подряд (не забывая про булочки и кондитерские изделия), при этом, они выглядят так, будто не ели несколько дней, а другие, наоборот, постоянно считают калории, сидят на диетах, посещают фитнесс залы и все равно никак не могут справиться с лишними килограммами. Так в чем же секрет? Оказывается, все дело в метаболизме!

Так что же такое метаболизм? И почему люди, у которых скорость метаболических реакций высокая, никогда не страдают ожирением или избыточным весом? Говоря о метаболизме, важно отметить следующее, что это обмен веществ происходящие в организме и все химические изменения, начинающиеся с момента попадания питательных веществ в организм, до момента выведения их из организма во внешнюю среду. Метаболический процесс – это все протекающие реакции в организме, благодаря которым происходит построение элементов структурны тканей, клеток, а также все те процессы, благодаря которым организм получает так необходимую ему для нормального поддержания энергию.

Метаболизм значение играет огромное в нашей жизни, так как, благодаря всем этим реакциям и химическим изменениям, из продуктов питания мы получаем все самое необходимое: жиры, углеводы, белки, а также витамины, минералы, аминокислоты, полезную клетчатку, органические кислоты и т.д.

По своим свойствам метаболизм можно разделить на две основные части – анаболизм и катаболизм, то есть на процессы, способствующие созиданию всех необходимых органических веществ и к разрушающим процессам. Именно, анаболические процессы способствуют «превращению» простых молекул в более сложные. И все эти данные процессы связаны с энергетической затратой. Катаболические процессы, наоборот, высвобождают организм от конечных продуктов распада, таких как диоксид углерода, мочевина, вода и аммиак, что приводит к высвобождению от энергии, то есть можно грубо сказать, происходит метаболизм мочи.

Что такое клеточный метаболизм?

Что представляет собою клеточный метаболизм или метаболизм живой клетки? Общеизвестно, что каждая живая клетка нашего организма, это хорошо слаженная и организованная система. В клетке содержатся различные структуры, крупные макромолекулы, которые помогают ей распасться благодаря гидролизу, (то есть расщеплению клетки под воздействием воды) на мельчайшие компоненты.

Кроме этого, в клетках содержится большое количество калия и совсем немного натрия, несмотря на то, что в клеточной среде содержится очень много натрия, а калия, наоборот, значительно меньше. К тому же, мембрана клеточная устроена таким образом, что помогает проникновению как натрия, так и калия. К сожалению, различные структуры и ферменты способны разрушить эту налаженную структуру.

И сама по себе клетка далека от соотношения калия и натрия. Такая «гармония» достигается только после смерти человека в процессе смертного автолиза, то есть переваривания или разложения организма под воздействием собственных ферментов.

Для чего энергия клеткам?

В первую очередь, энергия клеткам просто необходима для того, чтобы поддержать работу системы, которая далека от равновесия. Поэтому, чтобы клетка находилась в нормальном для нее состоянии, (пусть даже далеком от равновесия) она, непременно, должна получать необходимую для нее энергию. И это правило является непременным условием, для нормального клеточного функционирования. Вместе с этим происходит и другая работа, направленная на взаимодействие со средою.

К примеру, если наблюдается сокращение в мышечных клетках, или в клетках почек и даже начала образовываться моча, или появились нервные импульсы в нервных клетках, а в клетках, отвечающих за желудочно-кишечный тракт, началось выделение ферментов пищеварительных, или началась секреция гормонов в клетках желез эндокринных? Или, к примеру, у клеток светляков началось свечения, а в клетках рыб, например, появились разряды электричества? Чтобы всего этого не было, для этого и нужна энергия.

Каковы источники энергии

В вышеприведенных примерах мы видем. Что клетка использует для своей работы энергию, полученную благодаря структуре аденозинтрифосфата или (АТФ). Благодаря ей клетка насыщена энергией, высвобождение которой может поступать между группами фосфатными и послужить дальнейшей работе. Но, в то же время, при простом гидролитическом разрыве связей фосфатных (АТФ), полученная энергия не станет доступной клетке, в этом случае, энергия будет расходована впустую в качестве тепла.

Данный процесс состоит из двух последующих друг за другом этапов. В каждом таком этапе участвует продукт промежуточный, который обозначили ХФ. В приведенных ниже уравнениях X и Y обозначают два абсолютно разных веществ органических, буква Ф означает фосфат, а аббревиатура АДФ – аденозиндифосфат.

Нормализация обмена веществ – этот термин сегодня прочно вошел в нашу жизнь, к тому же стал показателем нормального веса, так как нарушения обменных процессов в организме или метаболизма, очень часто связывают с увеличением массы тела, избыточным весом, ожирением или его недостаточность. Выявить скорость метаболических процессов в организме можно благодаря тесту на основой обмен.

Что такое основной обмен?! Это такой показатель интенсивности выработки организмом энергии. Данный тест проводится утром на голодный желудок, во время пассивности, то есть в состоянии покоя. Квалифицированный специалист измеряет (О2) поглощение кислорода, а также выделение организмом (СО2). При сопоставлении данных, выясняют насколько процентов организм сжигает поступающие питательные вещества.

Также на активность метаболических процессов влияние оказывает гормональная система, щитовидная и эндокринные железы, поэтому медики при выявлении лечении заболеваний связанных с обменом веществ, также стараются выявить и учесть уровень работы данных гормонов в крови и имеющиеся в наличии заболевания данных систем.

Основные методы исследования метаболических процессов

Изучая процессы метаболизма одного (любого) из питательных веществ наблюдаются все его изменения (происходившие с ним) от одной формы поступившей в организм, до конечного состояния, при котором, оно выводится из организма.

Методы исследования обмена веществ сегодня крайне разнообразны. К тому же, для этого используют целый ряд биохимических методов. Одним из методов исследования метаболизма является метод использования животных или органов.

Испытуемому животному вводят специальное вещество, а затем по его моче и экскрементах выявляют возможные продукты изменений (метаболиты) данного вещества. Наиболее точную информацию можно собрать, исследуя метаболические процессы определенного органа, к примеру, мозга, печени или сердца. Для этого данное вещество вводят в кровь, после чего, метаболиты помогают выявить его в крови, исходящей от данного органа.

Данная процедура очень сложна и сопряжена с риском, так как часто при таких методах исследованиях используют метод тоненьких отщипов или делают срезы данных органов. Такие срезы помещают в специальные инкубаторы, где их содержат при температуре (сходной к температуре тела) в специальных растворимых веществах с добавлением того вещества, чей метаболизм и изучается.

При таком методе исследования не повреждаются клетки, благодаря тому, что срезы настолько тонки, что вещество легко и свободно проникает в клетки, а затем, покидает их. Бывает, что и возникают затруднения, вызванные медленным прохождением специального вещества сквозь мембраны клеточные.

В этом случае, чтобы разрушить мембраны обычно измельчают ткани , для того, чтобы специальное вещество инкубировало клеточную кашицу. Такие опыты доказали, что все живые клетки организма способны окислить глюкозу до углекислого газа и воды, и только тканевые клетки печени могут мочевину синтезировать.

Используем клетки?!

По своей структуре клетки представляют очень сложную организованную систему. Общеизвестно, что клетка состоит из ядра, цитоплазмы, а в окружающей цитоплазме находятся мелкие тельца, которые называются органеллы. Они бывают различными по размерам и консистенциям.

Благодаря специальным методикам, можно будет гомогенизовать ткани клеток, а после, подвергнуть специальному разделению (центрифугированию дифференциальному), таким образом, получить препараты, которые будут содержать одни лишь митохондрии, одни лишь микросомы, а также плазму или прозрачную жидкость. Данные препараты инкубируются по отдельности с тем соединением, чей метаболизм находится в стадии изучения, чтобы точно установить какие именно участвуют субклеточные структуры в последовательных изменениях.

Были известны случаи, когда первоначальная реакция начиналась в цитоплазме, а ее продукт подвергался изменениям в микросомах, а после этого, наблюдались изменения с другими уже реакциями с митохондриями. Изучаемого вещества инкубация с гомогенатом ткани или живыми клетками чаще всего не выявляет какие-то отдельные этапы, касающиеся метаболизма. Понять всю цепочку происходящих данных событий помогают следующие один за другим эксперименты, в которых используются для инкубации те или иные структуры субклеточные.

Как использовать радиоактивные изотопы

Чтобы изучить те или иные метаболические процессы какого-то вещества необходимо:

• использовать аналитические методы для определения вещества данного и его метаболитов;
• необходимо использовать такие методы, которые помогут отличить введенное вещество от того же вещества, но уже присутствующего в данном препарате.

Соблюдение данных требований было главным препятствием во время изучения метаболических процессов в организме, до того времени пока не были открыты радиоактивные изотопы, а также 14С – радиоактивный углевод. И после появления 14С и приборов, позволяющих измерить даже слабую радиоактивность, всем вышеперечисленным трудностям пришел конец. После чего, дела с измерением метаболических процессов пошли, как говорится, в гору.

Теперь, когда к специальному биологическому препарату (например, суспензии митохондрий) добавляют меченную жирную кислоту 14С, то, после этого, не нужно делать никаких специальных анализов для определения продуктов, влияющих на ее превращение. А чтобы выяснить скорость использования, теперь стало возможно просто измерить радиоактивность получаемых последовательно фракций митохондриальных.

Данная методика, помогает не только понять, как нормализовать метаболизм, но и благодаря ей можно легко отличить молекулы введенной радиоактивной жирной кислоты экспериментально, от присутствующих уже в митохондриях молекул жирной кислоты в самом начале эксперимента.

Электрофорез и... хроматография

Для того чтобы разобраться в том, что и как нормализует метаболизм, то есть как происходит нормализация метаболизма необходимы также использовать такие методы, которые помогут разделить смеси, в состав которых входят в малых количествах вещества органические. Одним из важнейших таких методов, основой которого является феномен адсорбции, считается метод хроматографии. Благодаря данному методу происходит разделение смеси компонентов.

При этом происходит разделение компонентов смеси, которое проводится либо путем адсорбции на сорбенте, либо, благодаря бумаге. При разделении путем адсорбции на сорбенте, то есть когда начинают заполнять такие специальные стеклянные трубки (колонки), с постепенной и последующей элюцией, то есть с последующим вымыванием каждого из имеющихся компонентов.

Метод разделения электрофореза напрямую зависит от наличия знаков, а также числа ионизированных зарядов молекул. Также электрофорез проводят на каком-нибудь из неактивных носителей, таких как целлюлоза, каучук, крахмал или, в конце концов, на бумаге.

Одним из самых высокочувствительных и эффективных методов разделения смеси является газовая хроматография. Таким методом разделения пользуются только в том случае, если нужные для разделения вещества находятся в состоянии газообразном или, к примеру, в любой момент могут перейти в это состояние.

Как происходит выделение ферментов?

Чтобы выяснить, как происходит выделение ферментов, для этого необходимо понять, что это является последним местом в данном ряду: животное, затем орган, затем тканевый срез, а после – фракция клеточных органелл и гомогенат занимает ферменты, которые катализирует определенную реакцию химическую. Выделить ферменты в очищенном виде стало важным направлением в изучении метаболических процессов.

Соединение и комбинирование вышеперечисленных методов позволило основные метаболические пути, у большинства организмов населяющих нашу планету, в том числе и у человека. К тому же, данные методы помогли установить ответы на вопрос, как протекают метаболические процессы в организме и также помогли выяснить системность основных этапов данных метаболических путей. Сегодня насчитывается более тысячи всевозможных биохимических реакций, которые уже изучены, а также изучены ферменты, которые участвуют в данных реакциях.

Так как для появления любого проявления в клетках жизни необходимо АТФ, то и неудивительно, что скорость метаболических процессов клеток жировых, в первую очередь, направлена на синтезирование АТФ. Для достижения этого используются различные по сложности последовательные реакции. Такие реакции, в основном, используют химическую потенциальную энергию, которая заключена в молекулах жиров (липидов) и углеводов.

Метаболические процессы между углеводами и липидами

Такой метаболический процесс между углеводами и липидами, по-другому, называются синтезом АТФ, анаэробным (значит, без участия кислорода) метаболизмом.

Основная роль липидов и углеводов состоит в том, что именно синтез АТФ обеспечивает более простые соединения, несмотря на то, что те же самые процессы протекали в примитивнейших клетках. Только в лишенной кислорода атмосфере стало невозможно полное окисление жиров и углеводов до углекислого газа.

Даже у этих примитивнейших клеток использовались те же самые процессы и механизмы, благодаря которым происходила перестройка самой структуры молекулы глюкозы, которая и синтезировала небольшие количества АТФ. По-другому, такие процессы у микроорганизмов называются брожением. На сегодня особенно хорошо изучено «брожение» глюкозы до состояния этилового спирта и углекислого газа у дрожжей.

Чтобы завершились все эти изменения и образовался ряд промежуточных продуктов, необходимо было проведение одиннадцати последовательных реакций, что, в конечном счете, в раде промежуточных продуктов представили (фосфаты), то есть эфиры кислоты фосфорной. Такая фосфатная группа переносилась на аденозиндифосфат (АДФ) и также с образованием АТФ. Всего две молекулы составляли чистый выход АТФ (на каждую из молекул глюкозы, полученную в результате процесса брожения). Подобные процессы также наблюдались во всех живых клетках организма, так как поставляли так необходимую для нормального функционирования энергию. Такие процессы очень часто называют анаэробным дыханием клеток, хотя это не совсем корректно.

Как у млекопитающих, так и у людей, данный процесс называется гликолизом, а его завершающим продуктом считается молочная кислота, а не СО2 (углекислый газ) и не спирт. За исключением двух последних этапов вся последовательность реакций гликолиза считается практически идентичной процессу, который протекает в клетках дрожжевых.

Метаболизм аэробный, значит с использованием кислорода

Очевидно, что с появлением кислорода в атмосфере, благодаря фотосинтезу растений, благодаря матушке-природе появился механизм, который позволял обеспечивать полное окисление глюкозу до воды и СО2. Такой аэробный процесс, позволял чистому выходу АТФ (из числа тридцати восьми молекул, из расчета на каждую молекулу глюкозы, только окисленную).

Такой процесс употребления клетками кислорода, для появления насыщенной энергией соединений сегодня известен как дыхание аэробное, клеточное. Такое дыхание осуществляется ферментами цитоплазмы (в отличие от анаэробного), а окислительные процессы проходят в митохондриях.

Здесь пировиноградная кислота, которая является промежуточным продуктом, после того, как образуется в анаэробной фазе, после окисляется до состояния СО2 благодаря последовательным шести реакциям, где в каждой реакции пара их электронов переносится на акцептор общий кофермент никотинамидадениндинуклеотид, сокращенно (НАД). Такая последовательность реакций и называется циклом кислот трикарбоновых, а также циклом кислоты лимонной или циклом Кребса, что приводит к тому, что каждая молекула глюкозу образует две молекулы кислоты пировиноградной. Во время данной реакции двенадцать пар электроном отходят от молекулы глюкозы для дальнейшего ее окисления.

В ходе источника энергии выступают... липиды

Оказывается, в качестве источника энергии, также как и углеводы, могут выступать жирные кислоты. Реакция окисления жирных кислот происходит благодаря последовательности отщепления от жирной кислоты (вернее ее молекула) двууглеродного фрагмента с появлением ацетилкофермента А, (по-другому, это ацетил-КоА) и передачи одновременных двух пар электронов саму цепь их переноса.

Таким образом, полученный ацетил-КоА такой же компонент цикла трикарбоновых кислот, чья дальнейшая судьба не особо отличается от ацетил-КоА, который поставляется благодаря углеводному обмену. Значит механизмы, синтезирующие АТФ при окислении, как метаболитов глюкозы, так и жирных кислот, практически идентичны.

Если энергия, поступающая в организм, получается практически за счет только одного процесса окисления жирных кислот (например, во время голодания, при таком заболевании как сахарный диатез и т.д.), то, в данном случае, интенсивность появления ацетил-КоА будет превышать интенсивность его окисления в самом цикле кислот трикарбоновых. В данном случае, молекулы ацетил-КоА (которые окажутся лишними) начнут реагировать друг с другом. Благодаря этому процессу появятся ацетоуксусная и b-гидроксимасляная кислоты. Такое накопление может стать причиной кетоза, это один из видов ацидоза, который может стать причиной тяжелой формы диабета и даже летального исхода.

Зачем запасы энергии?!

Чтобы как-то приобрести дополнительный запас энергии, к примеру, для животных, которые нерегулярно и не систематически питаются им просто необходимо как-то запастись необходимой энергией. Такие запасы энергии вырабатываются благодаря пищевым запасам, к которым относятся все те же жиры и углеводы .

Оказывается, жирные кислоты могут перейти в запас в виде жиров нейтральных, которые содержатся как в жировой ткани, так и в печени . А углеводы, при поступлении в огромном количестве в желудочно-кишечный тракт начинают гидролизироваться до глюкозы и других сахаров, которые при попадании в печень синтезируются в глюкозу. И тут же из глюкозы начинает синтезироваться полимер гигантский путем соединения остатков глюкозы, а также с отщеплением молекул воды.

Иногда остаточное количество глюкозы в гликогеновых молекулах доходит до 30000. А если ощущается потребность в энергии, тогда гликоген снова начинает распадаться до глюкозы во время химической реакции, продуктом последней является глюкозофосфат. Данный глюкозофосфат становится на путь процесса гликолиза, который составляет часть пути отвечающей за окисление глюкозы. Также может подвергнуться реакции гидролиза глюкозофосфат и в самой печени, а образовавшаяся таким образом глюкоза, доставляется к клеткам тела вместе с кровью.

Как происходит синтез из углеводов в липиды?

Любите углеводную пищу? Оказывается, если количество углеводов полученных с пищей за один прием, превышает допустимую норму, в таком случае, углеводы переходят в «запас» в виде гликогена, то есть, избыточная углеводная пища превращается в жиры. Сначала образуется ацетил-КоА из глюкозы, а потом он начинается синтезироваться в цитоплазме клетки для жирных длинноцепочечных кислот.

Данный процесс «превращения» можно описать как нормальный окислительный процесс жирных клеток. После чего, жирные кислоты начинают откладываться в виде триглицеридов, то есть нейтральных жиров, которые отлагаются (в основном проблемных зонах), в различных частях тела.

Если организму срочно понадобится энергия, тогда жиры нейтральные подвергшись гидролизу, а также жирные кислоты начинают поступать в кровь. Тут они насыщаются молекулами альбуминов и глобулинов, то есть плазменных белков, а потом начинают поглощаться другими, самыми разными клетками. У животных нет таких механизмом, которые могут осуществить синтез из глюкозы и жирных кислот, а вот у растений они имеются.

Синтез соединений азотосодержащих

В организме животных аминокислоты применяются не только в качестве белкового биосинтеза, но и в качестве начального материала готового для синтеза некоторых азотосодержащих соединений. Такая аминокислота как тирозин становится предшественником таких гормонов как норадреналин и адреналин. А глицерин (простейшая аминокислота) служит исходящим материалом для биосинтеза пуринов, которые входят в состав нуклеиновой кислоты, а также порфиринов и цитохромов.

Предшественником пиримидинов нуклеиновых кислот является аспарагиновая кислота, а группа метионина начинает передаваться в ходе синтеза креатина, саркозина и холина. Предшественником никотиновой кислоты является триптофан, а из валина (который образуется в растениях) может синтезироваться такой витамин как кислота пантотеновая. И это только некоторые примеры использования синтеза соединений азотосодержащих.

Как происходит липидный метаболизм

Обычно, в организм липиды попадают в виде триглицеридов жирных кислот. Попадая в кишечник под воздействие ферментов, вырабатываемых поджелудочной железой, они начинают подвергаться гидролизу. Тут они снова синтезируются как жиры нейтральные, после этого, они попадают или в печень, или в кровь, а также могут отложиться в виде запаса в жировой ткани.

Мы уже говорили о том, что жирные кислоты также могут заново синтезироваться из ранее появившихся предшественников углеводных. Необходимо также отметить, что, несмотря на то, что в клетках животных могут наблюдаться одновременное включение одной двойной связи в длинноцепочечных молекулах жирных кислот. Включать вторую и даже третью двойственная связь данные клетки не могут.

А так как жирные кислоты с тремя и двумя двойственными связями играют важную роль в метаболических процессах животных (в том числе и человека), по своей сущности они являются важными питательными компонентами, можно сказать, витаминами. Именно поэтому линоленовую (С18:3) и линолевую (С18:2) называют еще и незаменимыми жирными кислотами. Также обнаружено, что в клетках в линоленовую кислоту также может включиться двойственная четвертая связь. Благодаря удлинению углеродной цепи может появиться еще один важный участник метаболических реакций арахидоновая кислота (С20:4).

Во время синтеза липидов могут наблюдаться остатки жирных кислот, которые связаны с коферментом А. Благодаря синтезу, эти остатки переносятся на глицерофосфат эфир глицерина и фосфорной кислоты. В результате данной реакции образуется соединение фосфатидной кислоты, где одно ее соединение – это глицерина этерифицированного фосфорной кислотой, а другие две – жирными кислотами.

При появлении нейтральных жиров фосфорная кислота будет удалена путем гидролиза, а на ее месте окажется жирная кислота, появившаяся в результате химической реакции с ацил-КоА. Сам кофермент А может появиться благодаря одному из витаминов пантотеновой кислоты. В данной молекуле содержится сульфгидрильная группа, которая реагирует на кислоты с появлением тиоэфиров. В свою очередь, фосфолипидная фосфатидная кислота реагирует на азотистые основания, такие как серин, холин и этаноламин.

Таким образом, все встреченные в организме млекопитающих стероиды (за исключением витамина Д) могут самостоятельно синтезироваться самим организмом.

Как происходит метаболизм белков?

Доказано, что имеющиеся во всех живых клетках белки, состоят из двадцати одного вида аминокислот, которые соединены в различной последовательности. Данные аминокислоты и синтезируются организмами. Такой синтез обычно приводит к появлению а-кетокислоты. Именно, а-кетокислота или а-кетоглутаровая кислота и участвуют в синтезе азота.

Человеческий организм, как и организм многих животных, сумел сохранить умение синтезировать все имеющиеся аминокислоты (исключение составляет несколько незаменимых аминокислот), которые должны обязательно поступать с пищей.

Как происходит синтез белка

Данный процесс обычно протекает следующим образом. Каждая аминокислота в цитоплазме клетки вступает в реакцию с АТФ и после примыкает к завершающей группе молекулы рибонуклеиновой кислоты, которая именно специфична для этой аминокислоты. Затем усложненная молекула соединяется с рибосомой, определяемой в положении более удлиненной молекулы кислоты рибонуклеиновой, которая соединяется с рибосомой.

После того, как все сложные молекулы выстраиваются, происходит разрыв между аминокислотой и рибонуклеиновой кислотой, соседние аминокислоты начинают синтезироваться и таким образом получается белок. Нормализация метаболизма происходит благодаря гармоничному синтезу белково-углеводно-жировых метаболических процессов.

Так что же такое метаболизм органических веществ?

Чтобы лучше понять и разобраться в метаболических процессах, а также, чтобы восстановить здоровье и улучшить обмен веществ, необходимо придерживаться следующих рекомендаций, касающихся нормализации и восстановлении метаболизма.

• Важно понимать, что метаболические процессы нельзя обратить вспять. Распад веществ никогда не протекает по простому пути обращения синтезирующих реакций. В этом распаде обязательно принимают участие другие ферменты, а также некоторые промежуточные продукты. Очень часто направленные в разную сторону процессы начинают протекать в разных отсеках клетки. К примеру, жирные кислоты могут синтезироваться в цитоплазме клетки при воздействии одного какого-то набора ферментов, а процесс окисления в митохондриях может происходить совсем при другом наборе.
• В живых клетках организма наблюдается достаточное количество ферментов, для того, чтобы ускорить процесс метаболических реакций, но, несмотря на это метаболические процессы не всегда протекают быстро, таким образом, это указывает на существование в наших клетках некоторых регуляторных механизмов, которые воздействуют на обменные процессы. На сегодняшний день уже открыты некоторые виды таких механизмов.
• Один из факторов, влияющий на снижение скорости метаболических процессов данного вещества, является поступлением данного вещества в саму клетку. Поэтому, регуляция обменных процессов может быть направленная и на этот фактор. Например, если взять инсулин, функция которого, как нам известно, связана с облегчением проникновения глюкозы во все клетки. Скорость «превращения» глюкозы, в таком случае, будет зависеть от скорости, с которой она поступила. Если же рассмотреть кальций и железо, когда они из кишечника попадают в кровь, то скорость метаболических реакций, в данном случае, будет зависеть от многих, в том числе и регулирующих процессов.
• Свободно передвигаться из одного клеточного отсека в другой, к сожалению, могут далеко не все вещества. Также существует предположение, что перенос внутриклеточный постоянно контролируется некими гормонами стероидными.
• Учеными были выявлены два вида сервомеханизмов, которые отвечают в метаболических процессах за отрицательную обратную связь.
• Даже у бактерий были отмечены примеры, доказывающие присутствие каких-нибудь последовательных реакций. К примеру, биосинтез одного из ферментов, подавляет аминокислоты, так необходимые для получения данной аминокислоты.
• Изучая отдельные случаи метаболических реакций, было выявлено что фермент, чей биосинтез был затронутым, оказывался ответственным за главный этап метаболического пути, приведшего к синтезу аминокислоты.
• Важно понять, что в процессах метаболических и биосинтетических участвует небольшое количество блоков строительных, каждый из которых начинает использовать для синтеза множества соединений. К таким соединениям относятся: ацетилкофермент А, глицин, глицерофосфат, карбамилфосфат и другие. Из этих небольших компонентов выстраиваются потом сложные и разнообразные соединения, которые можно наблюдать в живых организмах.
• Очень редко принимают непосредственное участие в метаболических процессах простые соединения органические. Такие соединения для того, чтобы проявить свою активность должны будут присоединиться к какому-нибудь ряду соединений, который активно участвует в метаболических процессах. К примеру, глюкоза может начать окислительные процессы только после того, как будет подвержена этирифицированию фосфорной кислотой, а для других последующих изменений она должна будет этерифицирована уридиндифосфатом.
• Если рассмотреть жировые кислоты, то они также не могут принять участие в метаболических изменениях до тех пор, пока они образуют эфиры с коферментом А. При этом, любой активатор становится родственен кому-нибудь из нуклеотидов, которые входят в состав рибонуклеиновой кислоты или образуются из какого-то витамина. Поэтому становится понятным, почему нам требуются витамины только в небольших количествах. Расходуются они благодаря коферментам, при этом каждая молекула кофермента в течение всей свой жизни используется несколько раз, в отличие от питательных веществ, молекулы которых используются единожды (например, молекулы глюкозы).

И последнее! Завершая данную тематику, очень хочется сказать, что сам термин «метаболизм» если раньше означал как синтез белков, углеводов и жиров в организме, то сейчас его используют в качестве обозначения нескольких тысяч ферментативных реакций, которые могут представлять собою огромную сеть соединенных между собою метаболических путей.

Вконтакте

Метаболизм. Процессы метаболизма.

Обмен веществ (или метаболизм , от греческого μεταβολή - «превращение, изменение») (далее по тексту - «О. в.») - это лежащий в основе жизни закономерный порядок превращения веществ и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение; совокупность всех химических реакций, протекающих в организме.

Образующийся при дезаминировании аминокислот свободный МН 3 для организма; он связывается с кислотами или же превращается в мочевину, мочевую кислоту, аспарагин или глутамин. У животных аммонийные соли, мочевина и мочевая кислота выводятся из организма, у растений же аспарагин, глутамин и мочевина используются в организме в качестве запасных источников азота. Таким образом, одним из важнейших биохимических отличий растений от животных является почти полное отсутствие у первых азотистых отбросов. Образование мочевины при окислительной диссимиляции аминокислот осуществляется в основном с помощью так называемого орнитинового цикла, который тесно связан с другими превращениями белков и аминокислот в организме. Диссимиляция аминокислот может происходить также путём их декарбоксилирования, при котором из аминокислоты образуются CO 2 и какой-либо амин или же новая аминокислота (например, при декарбоксилировании гистидина образуется гистамин - физиологически активное вещество, а при декарбоксилировании аспарагиновой кислоты - новая аминокислота - (α- или β-аланин). Амины могут подвергаться метилированию, образуя различные бетаины и такие важные соединения, как, например, холин. Растения используют амины (наряду с некоторыми аминокислотами) для биосинтеза алкалоидов.

III. Связь обмена углеводов, липидов, белков и других соединений

Все биохимические процессы, совершающиеся в организме, тесно связаны друг с другом. Взаимосвязь обмена белков с окислительно-восстановительными процессами осуществляется различным образом. Отдельные биохимические реакции, лежащие в основе процесса , происходят благодаря каталитическому действию соответствующих ферментов, т. е. белков. Вместе с тем сами продукты расщепления белков - аминокислоты могут подвергаться различным окислительно-восстановительным превращениям - декарбоксилированию, дезаминированию и др.

Так, продукты дезаминирования аспарагиновой и глутаминовой кислот - щавелево-уксусная и α-кетоглутаровая кислоты - являются вместе с тем важнейшими звеньями окислительных превращений углеводов, происходящих в процессе . Пировиноградная кислота - важнейший промежуточный продукт, образующийся при брожении и , - также тесно связана с белковым обменом: взаимодействуя с NH 3 и соответствующим ферментом, она даёт важную аминокислоту α-аланин. Теснейшая связь процессов брожения и дыхания с обменом липидов в организме проявляется в том, что фосфоглицериновый альдегид, образующийся на первых этапах диссимиляции углеводов, является исходным веществом для синтеза глицерина. С другой стороны, в результате окисления пировиноградной кислоты получаются остатки уксусной кислоты, из которых синтезируются высокомолекулярные жирные кислоты и разнообразные изопреноиды (терпены, каротиноиды, стероиды). Таким образом, процессы брожения и дыхания приводят к образованию соединений, необходимых для синтеза жиров и др. веществ.

IV. Роль витаминов и минеральных веществ в обмене веществ

В превращениях веществ в организме важное место занимают , вода и различные минеральные соединения. участвуют в многочисленных ферментативных реакциях в составе коферментов. Так, производное витамина B 1 - тиаминпирофосфат - служит коферментом при окислительном декарбоксилировании (α-кетокислот, в том числе пировиноградной кислоты; фосфорнокислый эфир витамина B 6 - пиридоксальфосфат - необходим для каталитического переаминирования, декарбоксилирования и других реакций обмена аминокислот. Производное витамина А входит в состав зрительного пигмента. Функции ряда витаминов (например, аскорбиновой кислоты) окончательно не выяснены. Разные виды организмов различаются как способностью к биосинтезу витаминов, так и своими потребностями в наборе тех или иных поступающих с пищей витаминов, которые необходимы для нормального обмена веществ.

Важную роль в минеральном обмене играют Na, К, Ca, Р, а также и другие неорганического вещества. Na и К участвуют в биоэлектрических и осмотических явлениях в клетках и тканях, в механизмах проницаемости биологических мембран; Ca и Р - основные компоненты и ; Fe входит в состав дыхательных пигментов - гемоглобина и миоглобина, а также ряда ферментов. Для активности последних необходимы и другие микроэлементы (Cu, Mn, Mo, Zn).

Решающую роль в энергетических механизмах обмена веществ играют эфиры фосфорной кислоты и прежде всего аденозинфосфорные кислоты, которые воспринимают и накапливают энергию, выделяющуюся в организме в процессах гликолиза, окисления, фотосинтеза. Эти и некоторые другие богатые энергией соединения (см. макроэргические соединения) передают заключённую в их химических связях энергию для использования её в процессе механической, осмотической и других видов работы или же для осуществления синтетических реакций, идущих с потреблением энергии (см. также биоэнергетика).

V. Регуляция обмена веществ

Удивительная согласованность и слаженность процессов обмена веществ в живом организме достигается путём строгой и пластичной координации О. в. как в клетках, так и в тканях и органах. Эта координация определяет для данного организма характер метаболизма, сложившийся в процессе исторического развития, поддерживаемый и направляемый механизмами наследственности и взаимодействием организма с внешней средой.

Регуляция обмена веществ на клеточном уровне осуществляется путём регуляции синтеза и активности ферментов. Синтез каждого фермента определяется соответствующим геном. Различные промежуточные продукты О. в., действуя на определённый участок , в котором заключена информация о синтезе данного фермента, могут индуцировать (запускать, усиливать) или, наоборот, репрессировать (прекращать) его синтез. Так, кишечная палочка при избытке изолейцина в питательной среде прекращает синтез этой аминокислоты. Избыток изолейцина действует двояким образом:

• а) угнетает (ингибирует) активность фермента треониндегидратазы, катализирующего первый этап цепи реакций, ведущих к синтезу изолейцина, и
• б) репрессирует синтез всех ферментов, необходимых для биосинтеза изолейцина (в том числе и треониндегидратазы).

Ингибирование треониндегидратазы осуществляется по принципу аллостерической регуляции активности ферментов.

Накопление в крови и тканях ряда промежуточных продуктов обмена веществ (молочной, пировиноградной, ацетоуксусной кислот) наблюдается при нарушении окислительных процессов, расстройствах и авитаминозах; нарушение минерального обмена может привести к сдвигам кислотно-щелочного равновесия. Расстройство обмена холестерина лежит в основе и некоторых видов . К серьёзным расстройствам обмена веществ следует отнести нарушение усвоения белка при тиреотоксикозе, хроническом нагноении, некоторых ; нарушение усвоения воды при , солей извести и фосфора при , остеомаляции и других заболеваниях костной ткани, солей натрия - при аддисоновой болезни.

Диагностика нарушений обмена веществ основывается на исследовании газообмена, соотношения между количеством того или иного поступающего в организм вещества и выделением его, определении химических составных частей крови, мочи и других выделений. Для изучения нарушений метаболизма вводят изотопные индикаторы (например, радиоактивный йод - главным образом 131 I - при тиреотоксикозе).

Лечение нарушений обмена веществ направлено главным образом на устранение причин, их вызывающих. См. также «молекулярные болезни», наследственные заболевания и литературу при этих статьях. (С. М. Лейтес)

Подробнее об обмене веществ читайте в литературе:

• Энгельс Ф., Диалектика природы, Маркс Карл , Энгельс Ф., Сочинения, 2 издание, том 20;
• Энгельс Ф., Анти-Дюринг, там же;
• Вагнер P., Митчелл Г., Генетика и обмен веществ перевод с английского М., 1958;
• Кристиан Бемер Анфинсен. Молекулярные основы эволюции, перевод с англ., М., 1962;
• Жакоб Франсуа, Моно Жак. Биохимические и генетические механизмы регуляции в бактериальной клетке, [перевод с франц.], в книге: Молекулярная биология. Проблемы и перспективы, Москва , 1964;
• Опарин Александр Иванович. Возникновение и начальное развитие жизни, М., 1966;
• Скулачев Владимир Петрович. Аккумуляция энергии в клетке, М., 1969;
• Молекулы и клетки, перевод с английского, в. 1 - 5, М., 1966 - 1970;
• Кретович Вацлав Леонович. Основы биохимии растений, 5 издание, М., 1971;
• Збарский Борис Ильич, Иванов И. И., Мардашев Сергей Руфович. Биологическая химия , 5 изд., Л., 1972.