Метаболизм, включающий в себя обмен веществ и энергии, представляет собой совокупность сложных биохимических реакций, понимание которых может быть затруднительным для неспециалиста. Эта статья призвана объяснить, какие изменения происходят с веществами, поступающими в организм с пищей, и какие факторы оказывают влияние на метаболические процессы.
Обмен веществ и энергии представляет собой сложный комплекс биохимических реакций, протекающих в живых организмах. Он обеспечивает жизнедеятельность клеток, тканей и органов.
К основным процессам обмена веществ относятся: синтез и расщепление органических молекул, а также окисление и восстановление соединений.
В ходе метаболизма выделяются тепловая энергия и различные биологически активные вещества.
Эти процессы тесно взаимосвязаны и регулируются сложной системой ферментов, гормонов и генетических факторов.
Необходимо отметить, что обмен веществ и энергии является важной составляющей функционирования любого живого существа.
Он обеспечивает поступление необходимых питательных веществ в организм, а также удаление продуктов метаболизма.
В зависимости от возраста, пола, физической активности и других факторов интенсивность обмена веществ может варьироваться у различных организмов.
Изучение обмена веществ и энергии позволяет глубже понять механизмы жизнедеятельности живых существ
Процессы энергообмена и метаболизма следуют единой структуре:
- поступление веществ в организм, его преобразование и абсорбция;
- применение в организме;
- выведение или запасание излишков.
Все процессы метаболизма разделяются на 2 типа:
- Ассимиляция, также известная как пластический обмен или анаболизм, представляет собой процесс формирования специфических соединений, характерных для данного организма, из веществ, поступивших в него.
- Диссимиляция представляет собой ряд реакций, в ходе которых сложные органические соединения распадаются на более простые. Из образовавшихся веществ впоследствии синтезируются новые, специфические соединения. Поскольку в процессе диссимиляции выделяется энергия, этот комплекс реакций также известен как энергообмен или катаболизм.
Эти процессы имеют обратную направленность, но при этом тесно взаимосвязаны. Они осуществляются постоянно, поддерживая нормальное функционирование организма. Регуляцию обмена веществ и энергии обеспечивает нервная система. Гипоталамус, являясь основным отделом центральной нервной системы, контролирует все виды метаболизма.
Основные виды
В зависимости от того, какие соединения претерпевают изменения в организме, различают несколько видов обмена веществ. У каждого из них есть свои особенности.
Белки
Полимерами, состоящими из аминокислот, являются белки или пептиды.
Осуществляют выполнение множества важнейших функций:
- структурная (присутствуют в структуре клеток тканей, составляющих организм человека);
- ферментативная (ферменты – это белки, участвующие практически во всех биохимических процессах);
- двигательная (взаимодействие пептидов актина и миозина обеспечивает все движения);
- энергетическая (разлагаются, высвобождая энергию);
- защитная (белки – иммуноглобулины участвуют в формировании иммунитета);
- участвуют в регуляции водно-солевого баланса;
- транспортная (обеспечивают доставку газов, биологически активных веществ, лекарственных средств и др.).
После употребления пищи белки расщепляются до аминокислот, которые затем используются для создания новых пептидов, характерных для данного организма. Если поступление белков с пищей ограничено, организм способен синтезировать лишь часть из 20 необходимых аминокислот, остальные же должны поступать извне.
Этапы белкового метаболизма:
- поступление белков с пищей;
- распад пептидов до аминокислот в ЖКТ;
- перемещение последних в печень;
- распределение аминокислот в тканях;
- биосинтез специфичных пептидов;
- выведение из организма неиспользованных аминокислот в виде солей.
Жиры
Метаболизм жиров также входит в число процессов обмена веществ и энергии, происходящих в организме человека. Жиры представляют собой соединения глицерина и жирных кислот. Ранее существовало мнение, что их потребление не является обязательным для нормального функционирования организма. Тем не менее, некоторые виды этих веществ содержат важные вещества, препятствующие развитию склероза.
Жиры выполняют важную роль как источник энергии и способствуют сохранению белков в организме. В случае дефицита углеводов и липидов белки начинают использоваться для обеспечения организма энергией. Жиры необходимы для усвоения витаминов А, Е и D. Липиды присутствуют в цитоплазме и клеточной стенке.
Пищевая ценность жиров зависит от состава жирных кислот, из которых они состоят. Эти кислоты делятся на два основных типа:
- Насыщенные жиры, не содержащие двойных связей, признаются наиболее опасными для здоровья, поскольку избыточное потребление продуктов, богатых этими кислотами, способно спровоцировать атеросклероз, ожирение и другие недуги. Они содержатся в сливочном масле, сливках, молоке и жирном мясе.
- Ненасыщенные жирные кислоты приносят пользу организму. К ним относятся Омега-3, -6 и -9 кислоты. Они способствуют укреплению иммунной системы, нормализации гормонального баланса, препятствуют накоплению холестерина, а также улучшают состояние кожи, ногтей и волос. Получить эти соединения можно из масел растительного происхождения и рыбий жир.
Этапы обмена липидов:
- поступление жиров в организм;
- распад в ЖКТ до глицерина и жирных кислот;
- образование липопротеидов в печени и тонком кишечнике;
- транспорт липопротеидов в ткани;
- образование специфических липидов клеток.
Лишние жировые отложения могут формироваться в подкожной клетчатке или скапливаться вокруг внутренних органов.
Углеводы
Сахара, или углеводы, обеспечивают организм основной запасом энергии.
Процессы обмена углеводов:
- преобразование углеводов в ЖКТ в простые сахара, которые затем всасываются;
- превращение глюкозы в гликоген, его накопление в печени и мышцах либо использование для выработки энергии;
- преобразование гликогена в глюкозу печенью в случае падения уровня сахара в крови;
- создание глюкозы из неуглеводных компонентов;
- превращение глюкозы в жирные кислоты;
- кислородное разложение глюкозы до углекислого газа и воды.
Когда человек потребляет избыточное количество продуктов, содержащих глюкозу, углевод переходит в липиды. Эти жиры накапливаются в подкожном слое и способны использоваться для производства энергии в клетках.
Значение воды и минеральных солей
Водно-солевой обмен представляет собой совокупность процессов, связанных с поступлением, использованием и удалением воды и минеральных веществ. Основной объем жидкости поступает в организм из окружающей среды. Кроме того, вода в небольших количествах образуется в процессе расщепления питательных веществ.
Функции воды в организме:
- структурная (необходимый компонент всех тканей);
- растворение и транспорт веществ;
- обеспечение многих биохимических реакций;
- обязательный компонент биологических жидкостей;
- обеспечивает постоянство водно-солевого баланса, участвует в терморегуляции.
Жидкость покидает организм через легкие, потовые железы, органы мочевыделительной системы и кишечник.
Минеральные соли, поступающие с пищей, классифицируют на макро- и микроэлементы. К макроэлементам относятся минералы, присутствующие в организме в существенных количествах, такие как магний, кальций, натрий, фосфор и другие. Микроэлементы необходимы организму в крайне малых дозах. К ним относятся железо, марганец, цинк, йод и прочие элементы.
Дефицит минеральных веществ может оказать негативное влияние на функционирование различных систем организма. Например, при недостатке магния и калия возникают нарушения в работе центральной нервной системы и мышц, включая сердечную мышцу. Недостаточное потребление кальция и фосфора может привести к ослаблению костной ткани, а дефицит йода – повлиять на работу щитовидной железы. Нарушения водно-солевого баланса способны спровоцировать развитие мочекаменной болезни.
Витамины
Витамины представляют собой обширную группу несложных веществ, которые необходимы для нормального функционирования всех систем организма.
Витамины делятся на 2 группы:
- водорастворимые (витамины группы В, витамин С и РР), не накапливающиеся в организме;
- жирорастворимые (А, D, Е), имеющие подобное свойство накопления.
Некоторые соединения, такие как витамин B12 и фолиевая кислота, синтезируются микрофлорой кишечника. Витамины также выполняют роль компонентов разнообразных ферментов, необходимых для протекания биохимических реакций.
Этапы обмена витаминов:
- поступление с пищей;
- перемещение к месту накопления или утилизации;
- преобразование в кофермент (составляющее фермента небелкового происхождения);
- соединение кофермента и апофермента (белковой части фермента).
Дефицит витаминов приводит к гиповитаминозу, а их избыток – к гипервитаминозу.
Обмен энергии
Катаболизм, или энергетический обмен, представляет собой совокупность реакций, в ходе которых сложные питательные вещества расщепляются до более простых, высвобождая энергию. Без этого процесса невозможны рост и развитие, движение и другие функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Выделяющаяся энергия запасается в виде АТФ – универсального источника энергии, присутствующего во всех клетках живых организмов.
Энергетическая ценность продукта питания, то есть объем энергии, которая высвобождается после его употребления, измеряется в килокалориях (ккал).
Энергообмен проходит в несколько этапов:
- Предварительный этап пищеварения включает расщепление сложных питательных веществ в желудочно-кишечном тракте на более простые соединения.
- Анаэробное брожение – это процесс преобразования глюкозы, который не требует участия кислорода. Данный процесс осуществляется в цитоплазме клеток. В результате этого этапа образуются две молекулы АТФ, вода и пировиноградная кислота.
- На кислородном, или аэробном, этапе, который осуществляется в митохондриях – специализированных клеточных структурах, пировиноградная кислота расщепляется с использованием кислорода, в результате чего синтезируется 36 молекул АТФ.
Терморегуляция
Терморегуляция – это способность живого организма поддерживать стабильную температуру тела, которая служит важным индикатором теплового обмена. Для поддержания стабильности этого показателя необходимо, чтобы теплоотдача и теплопродукция находились в равновесии.
Теплопродукция представляет собой процесс выделения тепла организмом. Энергия для этого высвобождается в тканях, где происходят реакции. Значительную роль в поддержании температуры тела играет печень, поскольку именно в ней протекает большое количество биохимических реакций.
Физическое охлаждение или регуляция температуры возможно тремя способами:
- теплопроведение – отдача тепла окружающей среде и предметам, соприкасающимся с кожей;
- теплоизлучение – отдача тепла воздуху и окружающим предметам путем излучения инфракрасных (тепловых) лучей;
- испарение – отдача тепла с помощью улетучивания влаги с потом или в процессе дыхания.
Что влияет на процесс метаболизма
Метаболизм, характерный для каждого организма, обладает индивидуальными чертами. На скорость обмена веществ влияет ряд факторов:
- половая принадлежность (обычно у мужчин процессы метаболизма протекают несколько быстрее, чем у женщин);
- генетический фактор;
- доля мышечной массы (людям, обладающим развитой мускулатурой требуется больше энергии для работы мышц, поэтому происходящие процессы будут протекать быстрее);
- возраст (с годами скорость обмена веществ снижается);
- гормональный фон.
Питание играет значительную роль в регуляции метаболизма. При этом важны как состав рациона, так и режим питания. Для нормального функционирования организма необходимо сбалансированное количество белков, жиров, углеводов, витаминов, минералов и жидкости. Следует учитывать, что лучше есть небольшими порциями, но чаще, поскольку длительные перерывы между приемами пищи могут замедлить обмен веществ и, как следствие, привести к набору лишнего веса.