- •Глава 8. Общие закономерности обмена веществ и энергии в организме
- •8.1. Обмен веществ
- •8.2. Обмен энергии
- •Глава 9. Биологическое окисление
- •9.2. Дыхательная цепь
- •9.3. Окислительное фосфорилирование
- •Глава 10. Обмен углеводов
- •10.1. Переваривание углеводов
- •10.2. Метаболизм глюкозы
- •10.3. Биосинтез гликогена
- •10.4. Распад гликогена
- •10.5. Анаэробный гликолиз
- •10.6. Аэробный распад глюкозы
- •Аэробный распад глюкозы в мозге
- •10.7. Пентозофосфатный цикл
- •10.8. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез)
- •10.10. Регуляция обмена углеводов
Глава 8. Общие закономерности обмена веществ и энергии в организме
С точки зрения термодинамики, все системы по характеру обмена с окружающей средой делятся на три вида:
1) изолированные - нет обмена со средой ни веществом, ни энергией;
2) закрытые - обмен со средой только энергией;
3) открытые - обмен со средой и веществом, и энергией.
Примерами открытых систем могут служить озеро или река, доменная печь, узел трения какого - либо станка или машины, а также живой организм. Во всех этих системах происходит преобразование химических соединений, взаимодействие их друг с другом, разрушение одних из них и синтез других, и все эти процессы сопровождаются изменением энергии. Однако при этом неживая система любого типа в отличие от живой не самообновляется, а лишь видоизменяется.
Обмен веществ и энергии составляет сущность жизнедеятельности любого организма. Прекращение этого обмена означает прекращение жизни. Обмен веществ и обмен энергии неразрывно связаны и представляют собой диалектическое единство.
8.1. Обмен веществ
В обмене веществ организма выделяют внешний обмен, включающий поступление веществ из среды в организм (в результате питания и дыхания) и выделение конечных продуктов обмена, а также промежуточный обмен. Под промежуточным обменом, или метаболизмом, понимают совокупность всех химических реакций, протекающих в живом организме, включая усвоение веществ (ассимиляция) и их расщепление (диссимиляция) до конечных продуктов, и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения.
Определенная последовательность химических превращений какого-либо вещества в организме называется метаболическим путем, а образующиеся промежуточные продукты - метаболитами.
Метаболизм осуществляется при условии и в результате постоянного взаимодействия организма и среды. В связи с этим ход и характер этого процесса зависят от условий внешней среды. Характерные организмам химические превращения осуществляются лишь в определенных, ограниченных интервалах температуры, давления, радиации; лишь при условии постоянного притока веществ, пригодных для организма, и оттока веществ, которые уже не могут служить исходным материалом для построения органов и тканей организма.
При изменениях состояния организма (температурные изменения, прием пищи, смена умственного труда физическим, переход от сна к двигательной активности) концентрация метаболитов в организме изменяется и система (организм) переходит в новое стационарное состояние с новыми скоростями метаболических превращений или их направлением.
Таким образом, любой живой организм представляет саморегулирующуюся систему, закономерно и адекватно изменяющуюся при изменении условий среды, которые организм ассимилирует. Саморегуляция обмена веществ и энергии - важнейшее свойство живых систем.
При нормальном обмене веществ и энергии организм человека находится в стационарном состоянии, то есть его масса сохраняется постоянной. Некоторые величины, характеризующие обмен веществ у человека, приведены в табл.10.
Основную массу элементов, из которых построены пищевые вещества, а также организм человека, составляют С, Н, О и N. Эти же элементы входят в состав главных конечных продуктов обмена веществ -СО2, Н2О и мочевины. Кроме этих продуктов человек выделяет с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом много и других веществ, но в незначительных количествах. Однако физиологическое значение выделения таких веществ может быть велико. Например, нарушение выделения продуктов распада гена или лекарственных препаратов может быть причиной нарушения обмена веществ и энергии, приводящего к заболеванию.
Основные пищевые вещества, как правило, представляют собой полимеры, которые не могут быть усвоены клетками организма. В желудочно-кишечном тракте они под действием ферментов-гидролаз расщепляются на мономеры - в этом сущность пищеварения. В результате из различных белков, полисахаридов, жиров получается 20 белковых аминокислот, небольшое число моносахаридов (в основном, глюкоза, фруктоза, галактоза), глицерин, жирные кислоты (главным образом олеиновая, стеариновая, пальмитиновая). Мономеры легко проникают через клеточные мембраны кишечного эпителия и, попадая в лимфу и кровь, транспортируются во все органы и ткани, где и используются в процессе метаболизма.
Таблица 10. Суточный обмен человека
(средние величины для взрослого человека с массой 70 кг.)
Вещества |
Содержание в организме, г |
Суточное потребление, г |
Суточное выделение, г |
О2 |
- |
850 |
- |
СО2 |
- |
- |
1000 |
Н2О |
42000 |
2200 |
2600 |
Органические вещества: |
|
|
|
белки |
15000 |
80 |
- |
липиды |
10000 |
100 |
- |
углеводы |
700 |
400 |
- |
нуклеиновые кислоты |
700 |
- |
- |
мочевина |
- |
- |
30 |
Минеральные соли |
3500 |
20 |
20 |
Всего |
71900 |
3650 |
3650 |
Различают две стороны метаболизма - анаболизм и катаболизм.
Анаболизм - это синтез сложных молекул из более простых, направленный на образование и обновление структурно-функциональных компонентов клетки, таких как белки, нуклеиновые кислоты, гормоны, коферменты и другие. Анаболические процессы преимущественно восстановительные и требуют затрат энергии (эндергомические).
Катаболизм - это расщепление сложных молекул как поступивших с пищей, так и входящих в состав клетки, до простых компонентов (в конечном итоге чаще всего до СО2 и Н2О). Катаболические процессы обычно окислительные и сопровождаются выделением энергии (экзергонические).
Обе стороны метаболизма взаимосвязаны в пространстве и во времени, при этом установлена принципиальная общность совокупности метаболических превращений у разных видов живых организмов. Источником энергии для реакций анаболизма служат процессы катаболизма.
При распаде веществ до конечных продуктов обмена у взрослого человека, например, освобождается 8000 - 12000 кДж энергии в сутки.
Энергия катаболизма используется не только в анаболических процессах, но и для обеспечения функциональной активности клетки (рис 22).
Рис.22. Схема метаболизма
Структурно-функциональные компоненты клеток непрерывно обновляются. В организме происходит постоянно и распад, и синтез структурных компонентов клеток. В растущем организме скорость образования их превышает скорость распада, у взрослого человека скорости этих процессов одинаковы.
Катаболические и анаболические процессы, в особенности у эукариотов, отличаются по своей локализации в клетке. Принадлежность различных ферментных систем определенным участкам клетки (компартментализация) обеспечивает как разделение, так и интеграцию внутриклеточных функций, возможность протекания в одно и то же время как анаболических, так и катаболических процессов и тем самым соответствующую регуляцию процессов обмена веществ и энергии в клетке.