Обмен веществ в организме¶

Обмен веществ (метаболизм) — совокупность химических реакций, обеспечивающих жизнедеятельность организма: превращение поступающих извне веществ в энергию и строительные компоненты, а также удаление продуктов распада. Термин происходит от греческого «metabole» — «изменение, превращение». Метаболизм лежит в основе роста, развития, воспроизведения и поддержания постоянства внутренней среды (гомеостаза) всех живых организмов — от бактерий до человека.

¶Общая характеристика

Метаболизм представляет собой совокупность двух взаимосвязанных процессов:

• Катаболизм — расщепление сложных молекул (белков, жиров, углеводов) до более простых с выделением энергии.
• Анаболизм — синтез сложных соединений из простых с затратой энергии.

Эти процессы протекают одновременно и связаны общими промежуточными продуктами. Энергия, высвобождаемая при катаболизме, запасается в виде молекул аденозинтрифосфата (АТФ) — универсального «энергетического носителя» клетки. Совокупность всех реакций в организме называют общим метаболизмом, а скорость их протекания — интенсивностью обмена веществ.

¶Основные этапы

Обмен веществ у человека и животных включает несколько последовательных стадий:

1. Поступление питательных веществ — с пищей в организм попадают белки, жиры, углеводы, витамины, минеральные соли и вода.
2. Переваривание и всасывание — в желудочно-кишечном тракте крупные молекулы расщепляются до мономеров (аминокислот, глюкозы, жирных кислот), которые всасываются в кровь.
3. Промежуточный обмен (метаболизм в клетках) — превращения веществ внутри клеток, включающие катаболизм и анаболизм.
4. Выделение конечных продуктов — углекислый газ, вода, мочевина и другие соединения удаляются через лёгкие, почки, кожу.

¶Виды обмена веществ

В зависимости от типа превращаемых соединений выделяют:

Отдельно выделяют основной обмен — минимальный уровень энергозатрат организма в состоянии покоя, натощак, при нормальной температуре тела. У взрослого человека он составляет примерно 1600–1800 ккал в сутки и зависит от пола, возраста, массы тела и состояния эндокринной системы.

¶Энергетический обмен

Ключевую роль в энергетике клетки играет клеточное дыхание — последовательность реакций, при которой глюкоза и другие субстраты окисляются до углекислого газа и воды. Основные этапы:

• Гликолиз — расщепление глюкозы до пировиноградной кислоты в цитоплазме.
• Цикл Кребса — серия реакций в митохондриях, где происходит полное окисление органических кислот.
• Окислительное фосфорилирование — синтез АТФ с участием кислорода и электронтранспортной цепи.

Энергия, заключённая в АТФ, расходуется на мышечное сокращение, синтез веществ, передачу нервных импульсов, поддержание температуры тела.

¶Регуляция обмена веществ

Обмен веществ регулируется на нескольких уровнях:

• Ферменты — биологические катализаторы, ускоряющие реакции в десятки и сотни тысяч раз.
• Гормоны — инсулин, тироксин, адреналин, кортизол и другие влияют на скорость и направленность процессов.
• Нервная система — гипоталамус и вегетативная нервная система координируют работу органов.

Нарушения регуляции приводят к таким заболеваниям, как сахарный диабет, ожирение, гипо- и гипертиреоз, подагра.

¶Значение и нарушения

Обмен веществ — основа жизнедеятельности. Его интенсивность меняется с возрастом: у детей и подростков он выше, чем у пожилых. На него влияют питание, физическая активность, наследственность, условия среды.

Нарушения метаболизма проявляются в виде:

• избыточной или недостаточной массы тела;
• повышенного или пониженного уровня сахара в крови;
• отёков, нарушений водно-солевого баланса;
• авитаминозов и дефицита микроэлементов.

Для оценки состояния обмена веществ применяют лабораторные анализы крови и мочи, измерение основного обмена, биоимпедансный анализ состава тела.

¶Исследования в России

Значительный вклад в изучение метаболизма внесли российские и советские учёные. Иван Павлов исследовал механизмы пищеварения и регуляции обмена. Александр Опарин разработал теорию происхождения жизни, связанную с эволюцией обменных процессов. Владимир Энгельгардт изучал окислительное фосфорилирование и роль АТФ в клетке. Современные исследования в институтах Российской академии наук и медицинских центрах посвящены метаболическим заболеваниям, нутригеномике и персонализированной диетологии.

¶Интересные факты

• За сутки в организме человека обновляется около 200–300 г белков.
• Мозг потребляет примерно 20 % всей энергии организма, хотя составляет лишь около 2 % массы тела.
• Скорость обмена веществ у мелких животных выше, чем у крупных: сердце землеройки сокращается более 600 раз в минуту.
• Мышечная ткань расходует энергию даже в покое активнее жировой, поэтому увеличение мышечной массы повышает основной обмен.

Источники: учебники по биологии и физиологии человека, материалы по биохимии, научно-популярные издания о метаболизме.