Обмен веществ в биологии¶
Обмен веществ (метаболизм) — совокупность химических реакций, происходящих в живых организмах и обеспечивающих их рост, развитие, размножение, поддержание гомеостаза и реакции на окружающую среду. Термин происходит от греческого metabolē — «перемена, превращение». Обмен веществ включает два взаимосвязанных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция). Общая скорость обмена веществ измеряется основным обменом — количеством энергии, расходуемым организмом в состоянии покоя за единицу времени.
¶Основные направления обмена веществ
¶Катаболизм
Катаболизм — расщепление сложных органических веществ на более простые с освобождением энергии. В ходе катаболизма белки распадаются до аминокислот, жиры — до глицерина и жирных кислот, углеводы — до моносахаридов. Дальнейшее окисление этих продуктов приводит к образованию углекислого газа, воды и аммиака. Значительная часть освобождённой энергии запасается в виде молекул АТФ (аденозинтрифосфата) — универсального переносчика энергии в клетке.
Ключевые этапы катаболизма:
- Гликолиз — расщепление глюкозы до пирувата, происходит в цитоплазме, не требует кислорода.
- Кребсов цикл (цикл лимонной кислоты) — окислительное декарбоксилирование ацетил-КоА в матриксе митохондрий.
- Электронно-транспортная цепь — заключительное окисление, сопряжённое с синтезом АТФ (окислительное фосфорилирование).
¶Анаболизм
Анаболизм — синтез сложных веществ из простых предшественников с затратой энергии. К основным анаболическим процессам относят:
- Биосинтез белка на рибосомах по матрице иРНК.
- Фотосинтез — образование глюкозы из CO₂ и воды на свету у растений и цианобактерий.
- Глюконеогенез — синтез глюкозы из неуглеводных предшественников.
- Липогенез — образование жирных кислот и триглицеридов.
Анаболические и катаболические пути не совпадают и различаются ферментативным аппаратом, что позволяет организму одновременно регулировать оба направления.
¶Виды обмена веществ
¶Белковый обмен
Аминокислоты, поступающие с пищей или образующиеся при распаде тканевых белков, используются для синтеза собственных белков, а также для энергетических потребностей. При избытке аминокислоты дезаминируются, и их углеродный скелет окисляется или превращается в глюкозу и жиры. Конечные продукты азотистого обмена — мочевина (у млекопитающих), мочевая кислота (у птиц и рептилий), аммиак (у рыб).
¶Углеводный обмен
Глюкоза является основным субстратом для клеточного дыхания. Её уровень в крови регулируется инсулином (снижает) и глюкагоном (повышает). Гликоген служит запасной формой углеводов в печени и мышцах. Нормальное содержание глюкозы в крови человека — примерно 3,3–5,5 ммоль/л натощак.
¶Жировой обмен
Жиры выполняют структурную роль (компонент клеточных мембран), служат источником энергии (9 ккал на грамм) и сырьём для синтеза стероидных гормонов. Холестерин участвует в образовании желчных кислот и витамина D. Нарушения жирового обмена лежат в основе атеросклероза и ряда наследственных заболеваний.
¶Водно-солевой обмен
Вода составляет 60–70 % массы тела взрослого человека. Водно-солевой баланс регулируется антидиуретическим гормоном, альдостероном и натрий-уретическим пептидом. Почки обеспечивают фильтрацию, реабсорбцию и секрецию ионов, поддерживая кислотно-основное равновесие.
¶Регуляция обмена веществ
Обмен веществ регулируется на нескольких уровнях:
- Нервный — через вегетативную нервную систему и нейромедиаторы.
- Гуморальный — гормоны щитовидной железы (тироксин), надпочечников (адреналин, кортизол), поджелудочной железы (инсулин), гипофиза (СТГ).
- Клеточный — аллостерические ферменты, концентрация субстратов и продуктов реакций.
Щитовидные гормоны повышают интенсивность основного обмена: при гипертиреозе основной обмен возрастает на 60–100 %, при гипотиреозе — снижается.
¶Обмен веществ и энергетика
Энергия, освобождаемая при катаболизме, измеряется в килокалориях или килоджоулях. Суточная потребность взрослого человека в энергии составляет примерно 2000–3000 ккал в зависимости от пола, возраста и физической активности. Нарушение баланса между поступлением и расходом энергии приводит к ожирению или истощению.
¶Нарушения обмена веществ
К наследственным болезням обмена относят фенилкетонурию (нарушение обмена фенилаланина), болезнь Гоше (дефицит глюкоцереброзидазы), галактоземию, гликогенозы. Приобретённые нарушения включают сахарный диабет, подагру, амилоидоз, ожирение. Диагностика опирается на определение метаболитов в крови и моче, нагрузочные пробы и генетический анализ.
¶История изучения
Понятие «обмен веществ» сформировалось в XVII–XVIII веках. Вильям Гарвей описал кровообращение (1628), Михаил Ломоносов сформулировал закон сохранения массы, применяемый к биологическим системам. Антуан Лавуазье установил, что дыхание — процесс окисления, и первым измерил газообмен у человека. В XIX веке Юстус Либих разработал теорию минерального питания растений. В 1937 году Ханс Кребс описал цикл лимонной кислоты, за что получил Нобелевскую премию (1953).
Источники:
- Биологический энциклопедический словарь (Гиляров, 1986)
- Альбертс Б. и др. «Клеточная молекулярная биология»
- Сапин М. Р., Биология человека
- Лекции по биохимии, под ред. В. В. Пономарёвой