Обмен веществ (метаболизм) - постоянно протекающий процесс биохимических реакций в организме человека, в следствии чего происходит рост и развитие. В ходе химических реакций одно вещество превращается в другое при участии определенных ферментов которые играют важную роль катализатора в протекающих процессах.
Обменные процессы
Метаболизм можно разделить на два противоположных процесса: катаболизм и анаболизм.
Катаболизм - разрушение (сложные органические вещества распадаются до более простых). В ходе катаболизма происходит окисление или распад веществ с образованием энергии (тепло, энергетические молекулы АТФ).
Анаболизм - образование необходимых веществ, пластический обмен, который происходит с затратами энергии, благодаря чему организм может обновлять/образовывать клетки и ткани.
Катаболизм и анаболизм – это две стороны обмена веществ взаимосвязанные друг с другом, которые происходят последовательно и циклично. Эти обменные процессы очень важны для поддержания оптимального уровня жизнедеятельности организма. Нарушение обмена веществ происходит при изменениях на одной из стадий (катаболической или анаболитической) и приводит к сбою нормального функционирования организма человека, а так же препятствуют процессам саморегуляции.
Контроль и этапы метаболизма
Контроль всех видов обменных и энергетических процессов происходит в гипоталамусе. Так же большое влияние на обменные процессы и теплообразование оказывают железы внутренней секреции (гормоны коры надпочечников и щитовидной железы). В результате тесной связи влияния нервной и эндокринной систем на обменные процессы обеспечивается приспособление организма к меняющимся условиям жизни.
Организм человека – сложнейшая высокоорганизованная система, которая благодаря обменным процессам способна к саморегуляции и самосохранению. Метаболизм обеспечивает адаптацию организма к внешней среде. Вследствие автономных процессов метаболизма клетки, органы и ткани способны к самовосстановлению после внешних повреждений или внутренних сбоев (процессы регенерации).
Обмен веществ протекает в несколько основных этапов:
- поступление пищи в организм (питательные элементы)
- всасывание жизненно необходимых элементов в ЖКТ
- распределение питательных веществ по всему организму, выделение энергии и усвоение (тканевый этап)
- выведение продуктов распада с потом, мочой и калом
Понятие обмена веществ включает в себя:
- основной обмен (образование и расход энергии)
- обмен белков
- обмен углеводов
- обмен жиров
- водно-солевой обмен
Основной обмен
Основной обмен — минимальное количество энергии, необходимое для поддержания жизнедеятельности организма в состоянии полного покоя. В состоянии полного физического и психического покоя организм расходует энергию на:
- постоянно совершающиеся химические процессы
- механическую работу, выполняемую отдельными органами
- постоянную деятельность железисто-секреторного аппарата
Источником энергии для организма является окисление органических веществ, поступающих с пищей. В ходе этого процесса выделяется энергия, часть которой используется на работу, выполняемую мышцами, другая часть используется для синтеза макроэргических соединениях (вещества расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии). В организме макроэргическими соединениями являются аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) и креатинфосфат (КФ).
По расходу энергии в состоянии покоя ткани организма неоднородны, внутренние органы расходуют энергию более активно, а мышечная ткань - менее. Мышечная же деятельность вызывает повышение обмена веществ пропорционально тяжести выполняемой работы. Основной обмен веществ зависит от возраста, роста, массы тела, пола. Поэтому у женщин основной обмен веществ ниже, чем у мужчин (меньше масса и поверхность тела). Так же отмечаются сезонные колебания основного обмена веществ - повышение его весной и снижение зимой.
Основной обмен нарушается при заболеваниях эндокринных желез, при гиперфункции ЩЖ он может увеличивается (до 150 % от нормы), а при гипофункции снижается. Значительные изменения обмена веществ происходят при патологии гипофиза, регулирующего деятельность периферических желез внутренней секреции.
Белковый обмен
Белковый обмен - процесс поступления белка с пищей в организме, его изменения в организме и выделение продуктов метаболизма. Важность белка для организма очень высока потому что белок лежит в основе структурного образования органов, тканей и клеток организма. Без него невозможен синтез гормонов, аминокислот, антител и ферментов. Поэтому белок является незаменимым компонентом пищи.
Источником белка служит пища, критерием ценности употребляемого с пищей белка служит его аминокислотный состав. Аминокислота - структурные единицы белка, "кирпичики" из которых состоят все белки. Некоторые аминокислоты не могут синтезироваться в организме (незаменимые) и могут поступать только с пищей.
Регуляция обмена белков в организме происходит под влиянием ЦНС и гормонов. Все гормоны участвующие в этом процессе можно разделить на две группы: анаболические и катаболические гормоны.
Анаболические гормоны активируют синтез белка и тормозят его распад:
- соматотропный гормон (СТГ) - активирует все стадии синтеза белка и РНК, активирует транспорт аминокислот в клетку для чего обеспечивает синтез белка энергией переключая производство энергии с углеводов на липиды, это дает усиление роста костного скелета, мышечной ткани и устанавливает положительный азотистый баланс
- инсулин - регулирует не только углеводный обмен, но и влияет на обмен белков активируя синтез белка, тормозит его распад и глюконеогенез (образование глюкозы из аминокислот)
- тироксин (Т4) - в детском возрасте и в малых дозах стимулирует синтез белка во всех тканях, активирует синтез ферментов и транспорт аминокислот в клетку
- андрогены (мужские половые гормоны) - активируют синтез белка в мышечной, соединительной и костной ткани, в тканях-мишенях мужского организма, транспорт аминокислот в клетку
- эстрогены - активируют синтез белка в тканях-мишенях женского организма
Катаболические гормоны активируют распад белка и аминокислот, тормозят синтез белка:
- тироксин (Т4) - при повышенных дозах во взрослом организме усиливаются окислительные процессы аминокислот, активируется распад белка, повышается основной обмен, активируется синтез глюкозы из аминокислот (глюконеогенез)
- глюкокортикоиды (гормоны коры надпочечников) - усиливают распад белка, трансаминирование, активируют глюконеогенез, тормозят синтез белка
Показателем, отражающим интенсивность белкового обмена, является азотистый баланс – разница между количеством азота, поступающего с пищей, и количеством выделяемого азота. Азотсодержащие вещества, такие как мочевина, аммиак, креатинин, являются ядом для организма и должны выводится. В норме в здоровом организме наблюдается азотистое равновесие.
Углеводный обмен
Углеводный обмен - важная часть общего обмена веществ. Процесс метаболизма углеводов это сложная цепь реакций происходящих на разных уровнях от первичного превращения и всасывания углеводов в кишечнике до образования углеводистых соединений из других, в том числе белковых, компонентов.
Процессы обмена углеводов, жиров и белков взаимосвязаны, они образуют общие промежуточные вещества, основным из которых является ацетилкоэнзим А. С его помощью обмен белков, жиров и углеводов сводится к циклу трикарбоновых кислот, в котором, в результате окисления, высвобождается около 70 % всей вырабатываемой энергии.
Между двумя основными источниками энергии, углеводами и жирами, существует тесная взаимосвязь. При большом количестве поступающих углеводов с пищей увеличивается синтез триглицеридов, уменьшается расщепление жиров в жировой ткани и активируется их депонирование. При снижении содержания углеводов в пище процесс синтеза триглицеридов тормозится и ускоряется распад жиров.
Регуляция углеводного обмена осуществляется гормонами и центральной нервной системой. О состоянии углеводного обмена судят по уровню сахара в крови, в норме (натощак) уровень колеблется в диапазоне 3,3-5,5 ммоль/л - при сахарной нагрузке эта величина возрастает, а затем возвращается к норме.
Главный регулятор уровня сахара в крови - инсулин - гормон, вырабатываемый β-клетками островковой ткани поджелудочной железы. Инсулин снижает уровень глюкозы в крови за счет усиления синтеза гликогена (в печени и мышцах) и повышения потребления глюкозы тканями организма. При уменьшении выработки инсулина поджелудочной железой развиваются стойкая гипергликемия.
Инсулин единственный гормон снижающий уровень сахара в крови, но существуют еще и контринсулярные гормоны, повышающие уровень сахара. К ним относятся:
- глюкагон
- адреналин
- глюкокортикоиды
- соматотропный гормон
- тироксин (Т4) и трийодтиронин (Т3)
Жировой обмен
Жировой или липидный обмен важная часть общего обмена в организме, недостаток жиров в питании негативно отражается на работе нашего организма. Жиры (липиды) - большая группа органических соединений, являются основной частью нашего питания и в зависимости от источника разделяются на животные и растительные. Жиры различаются по строению и свойствам, условно все липиды можно разделить на жирные кислоты, триглицериды, фосфолипиды, и стероиды.
Жирные кислоты входят в состав многих липидов организма, могут связываться с глицеролом образуя глицерофосфолипиды и с аминоспиртом сфингозином (сфинголипиды), так же жирные кислоты, наравне с глюкозой, являются важным источником энергии.
Триглицериды - энергетический запас организма хранящийся в жировых клетках - адипоцитах (жировая ткань). Так же жировая прослойка выполняет теплоизолирующую и механическую (защитную) функции.
Фосфолипиды - соединения жирных кислот и остатка фосфорной кислоты, аминоспирта или аминокислоты. Входят в состав липопротеинов (холестерин). Фосфолипиды подразделяются на глицерофосфолипиды ( в основе строения глицерол) и сфинголипиды ( связь с аминоспиртом сфингозином). Сфинголипиды входят в состав клеточных мембран и антигенов.
Стероиды - основной стероид - холестерин является предшественником всех остальных стероидов, входит в состав мембраны клеток, влияет на ее свойства, участвует в синтезе желчных кислот и стероидных гормонов.
Некоторые из жирных кислот являются незаменимыми (не могут синтезироваться в организме человека) - линолевая, линоленовая, арахидоновая кислоты и должны поступать с пищей.
Водно-солевой обмен
Водно-солевой обмен - взаимосвязь процессов потребления воды и солей (электролитов), их всасывание, распределение и выделение из организма. Гомеостаз воды в организме при сбалансированном метаболизме поддерживается за счет увеличения потребления воды или задержкой при ее недостатке, либо выведением свободной воды при ее избытке. Снижение количества воды в организме приводит к увеличению осмолярности и уменьшению объема крови, а также к снижению почечного кровотока. Важным моментом является обеспечение постоянства объема жидкости и осмотического давления во всех водных пространствах организма.
Регуляция баланса поисходит при участии нескольких систем:
- гипофизарных гормонов (вазопрессин, окситоцин)
- ренин-ангиотензин-альдостероновой системы
- натрийуретических пептидов
- кортикостероидов и кортикотропина
Взаимодействие обменов
В живом организме не существует четкого разделения между отдельными обменами, все они тесно взаимосвязаны и зависят друг от друга. Все взаимопревращения веществ объединяются понятием общий обмен или метаболизм. Эти процессы протекают исходя из потребностей организма, либо по необходимости замены одних веществ другими в случае их отсутствия или блокирования отдельных процессов при патологии.
Для белков, жиров и углеводов существуют основные, схожие пути их превращения (распада) и преобразования в энергию. На первом этапе сложные сахара распадаются до простых, жиры до глицерина и жирных кислот, а белки до аминокислот. Высвобождающаяся в ходе этих процессов энергия используется организмом в качестве тепла.
На втором этапе все эти вещества, в процессе расщепления, превращаются в один и тот же промежуточный продукт - ацетилкоэнзим А. После чего, на третьем этапе, ацетил КоА вступает в цикл Кребса - общий конечный путь, где происходит окисление до углекислого газа, воды и аммиака.
Регуляция обменных процессов осуществляется на трех уровнях:
- первый - ферментный, самый быстро реагирующий на любые изменения, влияет на активность метаболических процессов
- второй - гормональный, стимулирует или тормозит определенные виды обмена
- третий уровень регуляции реагирует на недостаток или избыток того или иного вещества в клетке запуская необходимые процессы
Поэтому при поиске патологий важна оценка совокупности обменных процессов в организме. Необходим комплексный анализ метаболизма с учетом всех факторов влияющих на нормальное протекание данных процессов.
