Обмен веществ (метаболизм) – это совокупность всех химических изменений и всех видов превращений энергии, белков, жиров, углеводов, витаминов, минералов и других веществ в организме. При этом из белков создается строительный материал, а жиры с углеводами регулируют баланс энергии. К ним на помощь приходят минеральные вещества и витамины, которые стимулируют обменные процессы.

Благодаря правильному обмену веществ происходит гармоничное развитие плода, обеспечивается нормальная работа организма мамы и повышается адаптация к изменениям внешних условий.

Из чего состоит обмен веществ?

Этот сложный механизм состоит из двух полярно противоположных процессов: катаболизма и анаболизма.

Катаболизм (от греч. katabole – разрушение) – это расщепление пищевых веществ, при котором происходит освобождение энергии, необходимой для жизнедеятельности всех клеток организма мамы и ребенка.

Анаболизм (от греч. anabole – подъем) – совокупность химических процессов в живом организме, направленных на образование и обновление клеток и тканей.

Между этими сложными процессами не всегда наблюдается равновесие. Например, в период роста преобладают процессы анаболизма. А вот при неправильном питании, тяжелых заболеваниях, интенсивном физическом и умственном труде процессы катаболизма (распада веществ) могут быть значительно выше процессов построения новых клеток, что может неблагоприятно отразиться на росте и развитии ребенка.

На что влияет обмен веществ?

Для каждого из нас характерен генетически запрограммированный обмен веществ. Затем метаболизм меняется под воздействием гормональных изменений (например, в период беременности и лактации), при некоторых заболеваниях (особенно щитовидной железы, гипофиза, надпочечников, яичников) и под воздействием определенных пищевых веществ.

Большое влияние на метаболизм оказывает и образ жизни будущей мамы: характер ее питания, продолжительность сна, наличие стрессовых ситуаций, физическая активность.

К чему приводит нарушение обмена веществ при беременности?

В зависимости от того, обмен каких веществ в организме нарушается, развиваются различные заболевания. Так, при нарушениях углеводного обмена у беременной женщины может возникать сахарный диабет, при неправильном жировом обмене – и откладывание в сосудах атеросклеротических бляшек, что служит фактором риска развития болезней сердца и сосудов.

При нарушении фосфорно-кальциевого обмена и замедлении метаболизма витамина D наблюдается остеопороз (разрежение костей) у будущей мамы и развитие рахита у плода.

А при нарушении обмена мочевой кислоты происходит отложение солей этой кислоты (уратов) в хрящах, особенно суставных, обусловливая развитие подагры и подагрического артрита, и в почках, приводя к почечно-каменной болезни.

Как улучшить обмен веществ при беременности с помощью питания?

Необходимо есть чаще (оптимальный промежуток времени между приемами пищи составляет 2–3 часа) и малыми порциями (по объему около 200–300 мл). Каждый прием пищи сопровождается кратковременной стимуляцией обмена веществ, и чем чаще организм будет получать пищу, тем быстрее он будет ее переваривать, что значительно ускорит метаболизм. Это не только позволит контролировать прибавку веса, держать на постоянном уровне концентрацию сахара и холестерина в крови, усваивать максимальное количество витаминов и микроэлементов из пищи, но и даст возможность не перегрузить пищеварительную систему.

Последний прием пищи должен быть не менее чем за 2–2,5 часа до сна. Это связано с тем, что в ночное время суток все происходящие в организме обменные процессы замедляются, и поздний прием пищи будет способствовать нарушению жирового обмена и накоплению избыточной массы тела.

Для ускорения метаболизма перед приемом пищи выйти прогуляться на свежем воздухе. Это приведет к насыщению крови кислородом и активизирует окислительные процессы в организме, влияющие на обмен веществ.

Обмен веществ - процесс достаточно сложный. Характеризуется он осуществлением превращения в организме химических компонентов. Этот процесс способствует деятельности, росту, развитию и жизни организма в целом. Энгельс, характеризуя говорил о том, что это главный жизненный признак, и отмечал, что с прекращением процесса остановится и жизнь. При превращении химических компонентов образуется энергия, необходимая для обеспечения жизнедеятельности.

Обмен веществ, как известно, состоит из двух противоположных процессов, протекающих в одно время.

Диссимиляция (катаболизм) включает реакции, обусловленные распадом продуктов, их окислением и последующим выведением компонентов распада. Ассимиляция (анаболизм) подразумевает все реакции, которые связаны с синтезом нужных организму элементов, их усвоением и применением для развития, роста, жизнедеятельности.

Обмен веществ - комплекс энергетических и биохимических процессов, который обеспечивает применение пищевых компонентов для нужд организма, удовлетворяет его потребности в энергетических и пластических продуктах.

В пищеварительной системе вещества и прочие высокомолекулярные соединения) расщепляются на более простые соединения (низкомолекулярные). Последние после проникновения в кровь и ткани подвергаются последующим превращениям: окислительному фосфолированию, аэробному окислению и прочим.

Необходимо отметить, что в каждом живом организме протекают различные биохимические процессы. При этом в неживых телах не происходит замещение атомов и молекул, их составляющих.

При проведении исследований с внедрением меченых атомов в организм животных было установлено, что обменные процессы во всех клетках и тканях происходят непрерывно. При этом не выявлено каких-либо ограничений между "энергетическими" и "строительными" молекулами. Их движение в равной степени составляет основной обмен веществ.

Установлено, что в среднем у человека половина всех белков ткани изменяется каждые восемьдесят суток. Ферменты печени (для этого органа характерно наличие наиболее интенсивных реакций) обновляются каждые два или четыре часа. Есть некоторые элементы, обновление которых происходит через каждые несколько десятков минут.

Обеспечивают динамическое равновесие живому организму как системе. При этом процессы синтеза и разрушения, гибели и размножения сбалансированы. Неправильный обмен веществ сопровождается нарушением баланса. Это, в свою очередь, приводит к расстройству деятельности систем и органов.

Основу реакций обмена веществ составляют взаимодействия молекул и атомов на физико-химическом уровне. Эта взаимосвязь подчинена единым законам для неживой и живой материи.

Обменные процессы неразрывно связаны с обменом энергией. считаются открытыми системами (с энергетической точки зрения). В зависимости от среды, окружающей организм, внутри него (организма) происходит формирование энергии. Таким образом, существование обеспечивается при условии непрерывного поступления энергии извне.

Для человека и животных первичным энергетическим источником является излучение Солнца. Благодаря его воздействию происходит и образование пищи.

Пища имеет разнообразный и сложный состав. Больше всего в ней основных питательных компонентов - макронутриентов. К ним относят углеводы, жиры, белки. В пище присутствуют также и минеральные компоненты (макроэлементы). К ним относят кальций и прочие. Присутствуют в пище и микроэлементы: селен, марганец, йод, цинк, кобальт, медь и прочие. Вместе с витаминами микроэлементы относятся к классу микронутриентов.

Метаболизм это – процесс химических превращений питательных веществ, попадающих в наш организм. Обмен веществ простыми словами - это когда организм, расщепляет пищу, которую мы потребили на мелкие составляющие и строит из них новые молекулы нашего организма.

Сам термин Метаболизм образовался от греческого слова «Metabole», что переводится как «перемена» или «превращение». Уж очень много это слово в себя включает – и гормональные особенности, и особенности телосложения и прямую зависимость телосложения от количества потребляемых вами калорий. Поэтому, чтобы внести ясность, давайте разбираться со всем по порядку.

Что такое обмен веществ и как сделать его лучше

В первую очередь, о метаболизме должны думать те, кого заботит «грамотное» похудение. Если говорить грубо, но понятно, метаболизм – это своего рода печь, от мощности которой зависит скорость сжигания наших калорий. Высокий уровень метаболизма вообще творит чудеса – сокращает объем ненавистных калорий до такого состояния, что организм начинает питаться собственными запасами. Так уходит жир.

Из чего состоит метаболизм?

RMR (Resting Metabolic Rate) – количество калорий, которого достаточно, чтобы поддерживать жизнедеятельность организма. У каждого индивидуума этот показатель индивидуален – это уже сугубо генетическая данность.

Следующая неотъемлемая часть метаболизма - масса тела и мышечная масса. Здесь есть прямая зависимость одного от другого – выше мышечная масса – выше метаболизм и наоборот. С чего бы это? Да просто пол килограмма мышц «уничтожают» 35-50 калорий за день. То же количество жира избавит лишь от 5-10 калорий.

Составляющая №3 – ваша щитовидная железа. Поэтому, ценный совет – тем, кому за 30 есть смысл сходить к доктору и сдать все анализы на гормоны + УЗИ щитовидной железы. Именно она оказывает прямое слияние на метаболизм и сжигание жиров.

Анаболизм и катаболизм

Два не менее важных понятия, напрямую связанных с здоровым метаболизмом.

Анаболизм – набор химических процессов, ответственных за ткани, клетки вашего организма, их развитие и за синтез аминокислот.

Катаболизм – расщепление пищевых молекул для последующего их превращения в энергию вашего тела.

Именно энергия, полученная от катаболизма необходима для полноценной жизни организма.

Так как же действительно использовать свой встроенный «жиросжигатель» в правильном направлении? Да все, в общем, не сложно.

Начальный этап – встаньте перед зеркалом, предельно объективно себя оцените и определитесь с типом своего телосложения - это то, с чем метаболизм непосредственно связан и, по сути, первая ступенечка к началу управления машиной сжигания собственного жира.

Все мы разные, но основная масса ученых сходится на трех типах строения человеческих тел:

Эктоморф

Обладает небольшим телом;

Форма грудной клетки – плоская;

Плечи узкие;

Телосложение тощее;

Мышцы отсутствуют;

Мышечную массу набрать довольно сложно;

Очень быстрый метаболизм.

Если вы тот самый «тощий» эктоморф, то есть необходимость в потреблении большого количества калорий. И тут есть маленькая несомненная радость – эктоморфу необходимо есть перед сном, чтобы дезактивировать процессы катаболизма . Почти все физические нагрузки у эктоморфов должны быть направлены на определенные группы мышц. Неплохо бы было пользоваться спортивными пищевыми добавками.

Мезоморф

Телосложение спортивное, атлетическое;

Форма тела прямоугольная;

Мезоморфы, как правило, очень сильные;

Не испытывают проблем с наращиванием мышечной массы;

Могут испытывать проблемы с набором излишнего веса.

Не имеют проблем с наращиванием мышц, также как и наращиванием лишнего жира. Это не есть хорошо – постоянно придется следить за тем, что употребляешь в пищу и в каком количестве. То есть, для мезоморфов жизненно важен правильно подобранный рацион питания. Тут еще и не обойтись без регулярных кардионагрузок.

Эндоморф

Округлые очертания фигуры;

И мышечная и жировая массы растут, как говорится, «на ура»;

Невысокие;

Имеют проблемы с сбрасыванием лишнего веса;

Метаболизм замедленный.

Самое главное для эндоморфов – рассчитанная по калориям белковая диета + постоянные кардиотренировки – бег, велосипед, спортивная ходьба.

Следующий этап – разобраться с вытекающими из вышесказанного понятиями – быстрый и медленный метаболизм.

Медленный метаболизм – выражается в высоком аппетите и отсутствии желания двигаться и заниматься активными видами спорта. Здесь, в первую очередь, важна смена режима питания и пищевых привычек в целом. После, полученный результат уже легче будет поддерживать занятиями физкультурой.

Быстрый метаболизм – наоборот выражается в желании меньше есть и больше двигаться. Такие люди чаще всего огорчены тем, что им катастрофически сложно набрать мышечную массу несмотря на все усилия. Людям с быстрым метаболизмом необходим правильный, калорийный рацион питания и детально продуманная система тренировок, преобразующая полученную энергию в нужное русло.

Завершающий этап. Похудение и использование процессов метаболизма в вашем организме с умом.

От чего зависит метаболизм?

1. Возраст, вес, рост, пол, телосложение (о типах телосложения читайте выше);

2. Питание, физические нагрузки (и их грамотное сочетание в зависимости от типа строения тела);

3. Состояние здоровья (стабильный гормональный фон, что проверяется у доктора-эндокринолога);

4. Психическое здоровье (отсутствие стрессов и любых других расшатывающих психику факторов).

Процессы метаболизма в жировой ткани безумно медленны по сравнению с метаболизмом в ткани мышечной. Те, у кого действительно есть проблемы с лишним весом нуждаются в меньшем количестве энергии, но едят, все же, больше, чем необходимо. Эта лишняя «съеденная» энергия не расходуется, а стремительно уходит в жировые «запасы» нашего организма – а куда ее еще девать? Естественно, при таком метаболизме худеть не представляется возможным.

Лишний жир, постепенно проникая во внутренние органы, влияет на стабильность работы эндокринной системы и расшатывает наш гормональный фон. У женщин, например, излишний жир в организме вызывает задержки или постоянные сбои циклов. Есть вероятность развития метаболического синдрома.

Что такое метаболический синдром?

Это такое состояние, при котором подкожная жировая прослойка приводит к серьезным нарушениям внутренних обменных процессов – липидных и углеводных. Это как раз тот случай, при котором человек начинает «пухнуть» буквально от всего. Появляются проблемы с сердцем и артериальная гипертензия. Резко повышается давление и количество сахара в крови.

Однако, нужно отметить, что все эти симптомы не относятся к метаболическому синдрому, если показатели вашего телосложения (объем талии и вес) в норме. Хотя, даже в этом случае, визит к доктору обязателен.

Как разогнать свой метаболизм, чтобы похудеть?

Перестать себя обманывать!

Убрать из рациона жиры и простые углеводы (шоколад, булки, пирожные, сливочное масло и т. д.)

Ограничиться нежирными белками (куриная грудка, молоко, яичный белок) и клетчаткой (фрукты, овощи). Так вы, наконец, улучшите обмен веществ и ускорите метаболизм.

Сократить углеводы – они наоборот, замедляют метаболизм.

Поднять мышечный тонус, заняться спортом , увеличить нагрузку на мышцы.опубликовано .

P.S. И помните, всего лишь изменяя свое сознание - мы вместе изменяем мир! © econet

Каждому из нас хочется ежедневно баловать себя сладостями и при этом не задумываться об учете углеводов. Но четкое понимание того, к чему приводят лишние калории, останавливает нас от бесконтрольного поедания кулинарных шедевров. Большинство современных людей заботится о своей фигуре. В норму вошли суровые диеты, голодовки. А лишние килограммы при этом не исчезают. Если удается похудеть, достигнутый результат удержать крайне сложно. Причиной этого может являться нарушенный метаболизм.

Что это такое

Метаболизм - это разнообразные химические процессы, которые протекают в межклеточной жидкости и в самих клетках человеческого организма. Такие процессы связаны:

• с переработкой тех питательных элементов, которые поступают с пищей;
• с преобразованием их в простейшие мелкие частички;
• с освобождением клеток от отработанных элементов;
• со снабжением клеток строительным материалом.

Простейшие мелкие частички, которые образуются из питательных элементов, в состоянии проникать в клетки человеческого организма. При этом они выделяют энергию, необходимую для его нормальной жизнедеятельности.

Если говорить другими словами, то метаболизм - это обмен веществ, который индивидуален для каждого человека. Его неповторимость основана на сочетании различных факторов. Сюда можно отнести генетическую предрасположенность человека, его пол и возраст, вес и рост, мышечную массу, образ жизни, стрессы, влияние окружающей среды, наличие заболеваний щитовидной железы.

Быстрый и медленный метаболизм

Под медленным метаболизмом подразумевают тот обмен веществ в человеческом организме, который протекает с низкой скоростью. Это значит, что за определенный промежуток времени сжигается меньшее число калорий, а процесс преобразования питательных веществ в энергию замедляется. Именно по этой причине замедленные обменные процессы в ситуации с лишним весом приводят к тому, что все калории, которые не подверглись сжиганию, откладываются. У человека на теле появляются заметные жировые складочки, а нижняя часть лица обретает дополнительные подбородки.

Если рассматривать быстрый метаболизм, то при таком типе обмена веществ невозможно набрать оптимальный для себя вес. Человек может употреблять в пищу любые продукты, но это не позволяет ему поправиться. Витамины и полезные элементы, поступающие вместе с едой, не усваиваются. В результате наблюдается нехватка жизненно важных ферментов, отсутствие которых замедляет функционирование главнейших процессов организма. Человек, у которого обменные процессы протекают с высокой скоростью, всегда плохо себя чувствует, его иммунитет ослаблен, что уменьшает устойчивость к сезонным заболеваниям.

Нарушение обмена веществ: причины

Метаболизм - это основополагающий механизм, обуславливающий работу человеческого организма. Если его функционирование нарушается на клеточном уровне, наблюдается повреждение биологических мембран. Вслед за этим человека начинают атаковать всевозможные тяжелые заболевания. Когда нарушение обменных процессов наблюдается во внутренних органах, это приводит к изменению функций их работы, что способствует усложнению взаимосвязи с окружающей средой. В результате ухудшается выработка гормонов и ферментов, которые необходимы организму, что провоцирует тяжелые заболевания со стороны репродуктивной и эндокринной систем.

Нарушение метаболизма часто наблюдается как следствие голодания и изменения режима питания. В первоочередном порядке его жертвами становятся нерационально питающиеся люди. Недоедание так же опасно, как и переедание.

Каждый день в меню должны присутствовать чеснок и лук, брюссельская и цветная капуста, брокколи, морковь, болгарский перец, шпинат.

Ежедневно в рационе должно присутствовать нежирное мясо, которое является источником белка. Например, постная говядина, индейка, курица без кожи, телятина.

Для утоления жажды лучше всего отдавать предпочтение зеленому чаю, сокам из черники, вишни, граната, натуральных овощей.

Ежедневный рацион обязательно должен включать орехи и семечки. Последние должны быть несолеными и нежареными.

В рационе должны присутствовать специи и травы. Например, петрушка, куркума, корица, имбирь, кардамон, базилик, гвоздика.

Тренировка для снижения веса от Джиллиан Майклс

В последнее время особой популярностью среди людей, которые стремятся похудеть, пользуется тренировка от Джиллиан Майклс под названием Banish Fat Boost Metabolism ("Сожги жир, ускорь метаболизм").

В видеоуроке описаны упражнения, которые позволяют избавиться от лишнего веса. Автор этой программы дает подробные инструкции по занятиям, что позволяет с легкостью достичь желаемого результата.

Тренировка Джиллиан Майклс основана на том, что сжиганию жировых клеток способствует кислород. Если поддерживать частоту сердечных сокращений на определенном уровне, то обменные процессы заметно ускоряются. Именно по этой причине основная часть тренировки отводится кардиоупражнениям, которые обеспечивают жировые ткани кислородом. В программе присутствуют упражнения и на растяжку, и силовые. Все они укрепляют мышечный корсет, а фигура буквально после нескольких занятий обретает четкие очертания.

Если принято решение начать тренировки по программе Джиллиан Майклс "Сбрось вес, ускорь метаболизм", нужно запомнить несколько основных правил:

• занятия должны проходить в обуви, что защитит голеностоп и стопу от возможных травм;
• тренироваться нужно регулярно (только так можно достичь желаемого);
• ни в коем случае нельзя сбавлять ритм, который был задан автором тренировки.

Вы давно ищете действенную программу, которая помогла бы избавиться от лишнего веса? Тренировка от Джиллиан Майклс - это то, что вам нужно! Об эффективности программы свидетельствуют многочисленные положительные отзывы.

Общее представление о метаболизме органических веществ.
Что такое метаболизм? Понятие метаболизма. Методы исследования.
Метаболизм - значение слова. Метаболизм углеводов и липоидов.

Метаболизм белков

МЕТАБОЛИЗМ - этообмен веществ, химические превращения, протекающие от момента поступления питательных веществ в живой организм до момента, когда конечные продукты этих превращений выделяются во внешнюю среду. К метаболизму относятся все реакции, в результате которых строятся структурные элементы клеток и тканей, и процессы, в которых из содержащихся в клетках веществ извлекается энергия. Иногда для удобства рассматривают по отдельности две стороны метаболизма – анаболизм и катаболизм, т.е. процессы созидания органических веществ и процессы их разрушения. Анаболические процессы обычно связаны с затратой энергии и приводят к образованию сложных молекул из более простых, катаболические же сопровождаются высвобождением энергии и заканчиваются образованием таких конечных продуктов (отходов) метаболизма, как мочевина, диоксид углерода, аммиак и вода.

Клеточный метаболизм.

Живая клетка – это высокоорганизованная система. В ней имеются различные структуры, а также ферменты, способные их разрушить. Содержатся в ней и крупные макромолекулы, которые могут распадаться на более мелкие компоненты в результате гидролиза (расщепления под действием воды). В клетке обычно много калия и очень мало натрия, хотя клетка существует в среде, где натрия много, а калия относительно мало, и клеточная мембрана легко проницаема для обоих ионов. Следовательно, клетка – это химическая система, весьма далекая от равновесия. Равновесие наступает только в процессе посмертного автолиза (само переваривания под действием собственных ферментов).

Потребность в энергии.

Чтобы удержать систему в состоянии, далеком от химического равновесия, требуется производить работу, а для этого необходима энергия. Получение этой энергии и выполнение этой работы – непременное условие для того, чтобы клетка оставалась в своем стационарном (нормальном) состоянии, далеком от равновесия. Одновременно в ней выполняется и иная работа, связанная со взаимодействием со средой, например: в мышечных клетках – сокращение; в нервных клетках – проведение нервного импульса; в клетках почек – образование мочи, значительно отличающейся по своему составу от плазмы крови; в специализированных клетках желудочно-кишечного тракта – синтез и выделение пищеварительных ферментов; в клетках эндокринных желез – секреция гормонов; в клетках светляков – свечение; в клетках некоторых рыб – генерирование электрических разрядов и т.д.

Источники энергии.

В любом из перечисленных выше примеров непосредственным источником энергии, которую клетка использует для производства работы, служит энергия, заключенная в структуре аденозинтрифосфата (АТФ). В силу особенностей своей структуры это соединение богато энергией, и разрыв связей между его фосфатными группами может происходить таким образом, что высвобождающаяся энергия используется для производства работы. Однако энергия не может стать доступной для клетки при простом гидролитическом разрыве фосфатных связей АТФ: в этом случае она расходуется впустую, выделяясь в виде тепла. Процесс должен состоять из двух последовательных этапов, в каждом из которых участвует промежуточный продукт, обозначенный здесь X–Ф (в приведенных уравнениях X и Y означают два разных органических вещества; Ф – фосфат; АДФ – аденозиндифосфат).

Термин «обмен веществ» вошел в повседневную жизнь с тех пор, как врачи стали связывать избыточный или недостаточный вес, чрезмерную нервозность или, наоборот, вялость больного с повышенным или пониженным обменом. Для суждения об интенсивности метаболизма ставят тест на «основной обмен». Основной обмен – это показатель способности организма вырабатывать энергию. Тест проводят натощак в состоянии покоя; измеряют поглощение кислорода (О2) и выделение диоксида углерода (СО2). Сопоставляя эти величины, определяют, насколько полно организм использует («сжигает») питательные вещества. На интенсивность метаболизма влияют гормоны щитовидной железы, поэтому врачи при диагностике заболеваний, связанных с нарушениями обмена, в последнее время все чаще измеряют уровень этих гормонов в крови.

Методы исследования метаболизма.

При изучении метаболизма какого-нибудь одного из питательных веществ прослеживают все его превращения от той формы, в какой оно поступает в организм, до конечных продуктов, выводимых из организма. В таких исследованиях применяется крайне разнообразный набор биохимических методов. Использование интактных животных или органов. Животному вводят изучаемое соединение, а затем в его моче и экскрементах определяют возможные продукты превращений (метаболиты) этого вещества. Более определенную информацию можно получить, исследуя метаболизм определенного органа, например печени или мозга. В этих случаях вещество вводят в соответствующий кровеносный сосуд, а метаболиты определяют в крови, оттекающей от данного органа. Поскольку такого рода процедуры сопряжены с большими трудностями, часто для исследования используют тонкие срезы органов. Их инкубируют при комнатной температуре или при температуре тела в растворах с добавкой того вещества, метаболизм которого изучают. Клетки в таких препаратах не повреждены, и так как срезы очень тонкие, вещество легко проникает в клетки и легко выходит из них. Иногда затруднения возникают из-за слишком медленного прохождения вещества сквозь клеточные мембраны. В этих случаях ткани измельчают, чтобы разрушить мембраны, и с изучаемым веществом инкубируют клеточную кашицу. Именно в таких опытах было показано, что все живые клетки окисляют глюкозу до СО2 и воды и что только ткань печени способна синтезировать мочевину.

Использование клеток.

Даже клетки представляют собой очень сложно организованные системы. В них имеется ядро, а в окружающей его цитоплазме находятся более мелкие тельца, т.н. органеллы, различных размеров и консистенции. С помощью соответствующей методики ткань можно «гомогенизировать», а затем подвергнуть дифференциальному центрифугированию (разделению) и получить препараты, содержащие только митохондрии, только микросомы или прозрачную жидкость – цитоплазму. Эти препараты можно по отдельности инкубировать с тем соединением, метаболизм которого изучается, и таким путем установить, какие именно субклеточные структуры участвуют в его последовательных превращениях. Известны случаи, когда начальная реакция протекает в цитоплазме, ее продукт подвергается превращению в микросомах, а продукт этого превращения вступает в новую реакцию уже в митохондриях. Инкубация изучаемого вещества с живыми клетками или с гомогенатом ткани обычно не выявляет отдельные этапы его метаболизма, и только последовательные эксперименты, в которых для инкубации используются те или иные субклеточные структуры, позволяют понять всю цепочку событий.

Использование радиоактивных изотопов.

Для изучения метаболизма какого-либо вещества необходимы: 1) соответствующие аналитические методы для определения этого вещества и его метаболитов; и 2) методы, позволяющие отличать добавленное вещество от того же вещества, уже присутствующего в данном биологическом препарате. Эти требования служили главным препятствием при изучении метаболизма до тех пор, пока не были открыты радиоактивные изотопы элементов и в первую очередь радиоактивный углерод 14C. С появлением соединений, «меченных» 14C, а также приборов для измерения слабой радиоактивности эти трудности были преодолены. Если к биологическому препарату, например к суспензии митохондрий, добавляют меченную 14C жирную кислоту, то никаких специальных анализов для определения продуктов ее превращений не требуется; чтобы оценить скорость ее использования, достаточно просто измерять радиоактивность последовательно получаемых митохондриальных фракций. Эта же методика позволяет легко отличать молекулы радиоактивной жирной кислоты, введенной экспериментатором, от молекул жирной кислоты, уже присутствовавших в митохондриях к началу эксперимента.

Хроматография и электрофорез.

В дополнение к вышеупомянутым требованиям необходимы и методы, позволяющие разделять смеси, состоящие из малых количеств органических веществ. Важнейший из них – хроматография, в основе которой лежит феномен адсорбции. Разделение компонентов смеси проводят при этом либо на бумаге, либо путем адсорбции на сорбенте, которым заполняют колонки (длинные стеклянные трубки), с последующей постепенной элюцией (вымыванием) каждого из компонентов.

Разделение методом электрофореза зависит от знака и числа зарядов ионизированных молекул. Электрофорез проводят на бумаге или на каком-нибудь инертном (неактивном) носителе, таком, как крахмал, целлюлоза или каучук. Высокочувствительный и эффективный метод разделения – газовая хроматография. Им пользуются в тех случаях, когда подлежащие разделению вещества находятся в газообразном состоянии или могут быть в него переведены.

Выделение ферментов.

Последнее место в описываемом ряду – животное, орган, тканевой срез, гомогенат и фракция клеточных органелл – занимает фермент, способный катализировать определенную химическую реакцию. Выделение ферментов в очищенном виде – важный раздел в изучении метаболизма.

Сочетание перечисленных методов позволило проследить главные метаболические пути у большей части организмов (в том числе у человека), установить, где именно эти различные процессы протекают, и выяснить последовательные этапы главных метаболических путей. К настоящему времени известны тысячи отдельных биохимических реакций, изучены участвующие в них ферменты.

Поскольку практически для любого проявления жизнедеятельности клеток необходим АТФ, неудивительно, что метаболическая активность живых клеток направлена в первую очередь на синтез АТФ. Этой цели служат различные сложные последовательности реакций, в которых используется потенциальная химическая энергия, заключенная в молекулах углеводов и жиров (липидов).

МЕТАБОЛИЗМ УГЛЕВОДОВ И ЛИПОИДОВ

Синтез АТФ. Анаэробный метаболизм (без участия кислорода).

Главная роль углеводов и липидов в клеточном метаболизме состоит в том, что их расщепление на более простые соединения обеспечивает синтез АТФ. Несомненно, что те же процессы протекали и в первых, самых примитивных клетках. Однако в атмосфере, лишенной кислорода, полное окисление углеводов и жиров до CO2 было невозможно. У этих примитивных клеток имелись все же механизмы, с помощью которых перестройка структуры молекулы глюкозы обеспечивала синтез небольших количеств АТФ. Речь идет о процессах, которые у микроорганизмов называют брожением. Лучше всего изучено сбраживание глюкозы до этилового спирта и CO2 у дрожжей.

В ходе 11 последовательных реакций, необходимых для того, чтобы завершилось это превращение, образуется ряд промежуточных продуктов, представляющих собой эфиры фосфорной кислоты (фосфаты). Их фосфатная группа переносится на аденозиндифосфат (АДФ) с образованием АТФ. Чистый выход АТФ составляет 2 молекулы АТФ на каждую молекулу глюкозы, расщепленную в процессе брожения. Аналогичные процессы происходят во всех живых клетках; поскольку они поставляют необходимую для жизнедеятельности энергию, их иногда (не вполне корректно) называют анаэробным дыханием клеток.

У млекопитающих, в том числе у человека, такой процесс называется гликолизом и его конечным продуктом является молочная кислота, а не спирт и CO2. Вся последовательность реакций гликолиза, за исключением двух последних этапов, полностью идентична процессу, протекающему в дрожжевых клетках.

Аэробный метаболизм (с использованием кислорода).

С появлением в атмосфере кислорода, источником которого послужил, очевидно, фотосинтез растений, в ходе эволюции развился механизм, обеспечивающий полное окисление глюкозы до CO2 и воды, – аэробный процесс, в котором чистый выход АТФ составляет 38 молекул АТФ на каждую окисленную молекулу глюкозы. Этот процесс потребления клетками кислорода для образования богатых энергией соединений известен как клеточное дыхание (аэробное). В отличие от анаэробного процесса, осуществляемого ферментами цитоплазмы, окислительные процессы протекают в митохондриях. В митохондриях пировиноградная кислота – промежуточный продукт, образовавшийся в анаэробной фазе – окисляется до СО2 в шести последовательных реакциях, в каждой из которых пара электронов переносится на общий акцептор – кофермент никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Эту последовательность реакций называют циклом трикарбоновых кислот, циклом лимонной кислоты или циклом Кребса. Из каждой молекулы глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты; 12 пар электронов отщепляется от молекулы глюкозы в ходе ее окисления.

Липиды как источник энергии.

Жирные кислоты могут использоваться в качестве источника энергии приблизительно так же, как и углеводы. Окисление жирных кислот протекает путем последовательного отщепления от молекулы жирной кислоты двууглеродного фрагмента с образованием ацетилкофермента A (ацетил-КоА) и одновременной передачей двух пар электронов в цепь переноса электронов. Образовавшийся ацетил-КоА – нормальный компонент цикла трикарбоновых кислот, и в дальнейшем его судьба не отличается от судьбы ацетил-КоА, поставляемого углеводным обменом. Таким образом, механизмы синтеза АТФ при окислении, как жирных кислот, так и метаболитов глюкозы практически одинаковы.

Если организм животного получает энергию почти целиком за счет одного только окисления жирных кислот, а это бывает, например, при голодании или при сахарном диабете, то скорость образования ацетил-КоА превышает скорость его окисления в цикле трикарбоновых кислот. В этом случае лишние молекулы ацетил-КоА реагируют друг с другом, в результате чего образуются в конечном счете ацетоуксусная и b-гидроксимасляная кислоты. Их накопление является причиной патологического состояния, т.н. кетоза (одного из видов ацидоза), который при тяжелом диабете может вызвать кому и смерть.

Запасание энергии.

Животные питаются нерегулярно, и их организму нужно как-то запасать заключенную в пище энергию, источником которой являются поглощенные животным углеводы и жиры. Жирные кислоты могут запасаться в виде нейтральных жиров либо в печени, либо в жировой ткани. Углеводы, поступая в большом количестве, в желудочно-кишечном тракте гидролизуются до глюкозы или иных сахаров, которые затем в печени превращаются в ту же глюкозу. Здесь из глюкозы синтезируется гигантский полимер гликоген путем присоединения друг к другу остатков глюкозы с отщеплением молекул воды (число остатков глюкозы в молекулах гликогена доходит до 30 000). Когда возникает потребность в энергии, гликоген вновь распадается до глюкозы в реакции, продуктом которой является глюкозофосфат. Этот глюкозофосфат направляется на путь гликолиза – процесса, составляющего часть пути окисления глюкозы. В печени глюкозофосфат может также подвергнуться гидролизу, и образующаяся глюкоза поступает в кровоток и доставляется кровью к клеткам в разных частях тела.

Синтез липидов из углеводов.

Если количество углеводов, поглощенных с пищей за один прием, больше того, какое может быть запасено в виде гликогена, то избыток углеводов превращается в жиры. Начальная последовательность реакций совпадает при этом с обычным окислительным путем, т.е. сначала из глюкозы образуется ацетил-КоА, но далее этот ацетил-КоА используется в цитоплазме клетки для синтеза длинноцепочечных жирных кислот. Процесс синтеза можно описать как обращение обычного процесса окисления жирных клеток. Затем жирные кислоты запасаются в виде нейтральных жиров (триглицеридов), отлагающихся в разных частях тела. Когда требуется энергия, нейтральные жиры подвергаются гидролизу и жирные кислоты поступают в кровь. Здесь они адсорбируются молекулами плазменных белков (альбуминов и глобулинов) и затем поглощаются клетками самых разных типов. Механизмов, способных осуществлять синтез глюкозы из жирных кислот, у животных нет, но у растений такие механизмы имеются.

Метаболизм липидов.

Липиды попадают в организм главным образом в форме триглицеридов жирных кислот. В кишечнике под действием ферментов поджелудочной железы они подвергаются гидролизу, продукты которого всасываются клетками стенки кишечника. Здесь из них вновь синтезируются нейтральные жиры, которые через лимфатическую систему поступают в кровь и либо транспортируются в печень, либо отлагаются в жировой ткани. Выше уже указывалось, что жирные кислоты могут также синтезироваться заново из углеводных предшественников. Следует отметить, что, хотя в клетках млекопитающих может происходить включение одной двойной связи в молекулы длинноцепочечных жирных кислот (между С–9 и С–10), включать вторую и третью двойную связь эти клетки неспособны. Поскольку жирные кислоты с двумя и тремя двойными связями играют важную роль в метаболизме млекопитающих, они в сущности являются витаминами. Поэтому линолевую (C18:2) и линоленовую (C18:3) кислоты называют незаменимыми жирными кислотами. В то же время в клетках млекопитающих в линоленовую кислоту может включаться четвертая двойная связь и путем удлинения углеродной цепи может образоваться арахидоновая кислота (C20:4), также необходимый участник метаболических процессов.

В процессе синтеза липидов остатки жирных кислот, связанные с коферментом А (ацил-КоА), переносятся на глицерофосфат – эфир фосфорной кислоты и глицерина. В результате образуется фосфатидная кислота – соединение, в котором одна гидроксильная группа глицерина этерифицирована фосфорной кислотой, а две группы – жирными кислотами. При образовании нейтральных жиров фосфорная кислота удаляется путем гидролиза, и ее место занимает третья жирная кислота в результате реакции с ацил-КоА. Кофермент А образуется из пантотеновой кислоты (одного из витаминов). В его молекуле имеется сульфгидрильная (– SH) группа, способная реагировать с кислотами с образованием тиоэфиров. При образовании фосфолипидов фосфатидная кислота реагирует непосредственно с активированным производным одного из азотистых оснований, таких, как холин, этаноламин или серин.

За исключением витамина D, все встречающиеся в организме животных стероиды (производные сложных спиртов) легко синтезируются самим организмом. Сюда относятся холестерин (холестерол), желчные кислоты, мужские и женские половые гормоны и гормоны надпочечников. В каждом случае исходным материалом для синтеза служит ацетил-КоА: из ацетильных групп путем многократно повторяющейся конденсации строится углеродный скелет синтезируемого соединения.

МЕТАБОЛИЗМ БЕЛКОВ

Синтез аминокислот. Растения и большинство микроорганизмов могут жить и расти в среде, в которой для их питания имеются только минеральные вещества, диоксид углерода и вода. Это значит, что все обнаруживаемые в них органические вещества эти организмы синтезируют сами. Встречающиеся во всех живых клетках белки построены из 21 вида аминокислот, соединенных в различной последовательности. Аминокислоты синтезируются живыми организмами. В каждом случае ряд химических реакций приводит к образованию a-кетокислоты. Одна такая a-кетокислота, а именно a-кетоглутаровая (обычный компонент цикла трикарбоновых кислот), участвует в связывании азота.

Азот глутаминовой кислоты может быть затем передан любой из других a-кетокислот с образованием соответствующей аминокислоты.

Организм человека и большинства других животных сохранил способность синтезировать все аминокислоты за исключением девяти т.н. незаменимых аминокислот. Поскольку кетокислоты, соответствующие этим девяти, не синтезируются, незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей.

Синтез белков.

Аминокислоты нужны для биосинтеза белка. Процесс биосинтеза протекает обычно следующим образом. В цитоплазме клетки каждая аминокислота «активируется» в реакции с АТФ, а затем присоединяется к концевой группе молекулы рибонуклеиновой кислоты, специфичной именно для данной аминокислоты. Эта сложная молекула связывается с небольшим тельцем, т.н. рибосомой, в положении, определяемом более длинной молекулой рибонуклеиновой кислоты, прикрепленной к рибосоме. После того как все эти сложные молекулы соответствующим образом выстроились, связи между исходной аминокислотой и рибонуклеиновой кислотой разрываются и возникают связи между соседними аминокислотами – синтезируется специфичный белок. Процесс биосинтеза поставляет белки не только для роста организма или для секреции в среду. Все белки живых клеток со временем претерпевают распад до составляющих их аминокислот, и для поддержания жизни клетки должны синтезироваться вновь.

Синтез других азотсодержащих соединений.

В организме млекопитающих аминокислоты используются не только для биосинтеза белков, но и как исходный материал для синтеза многих азотсодержащих соединений. Аминокислота тирозин является предшественником гормонов адреналина и норадреналина. Простейшая аминокислота глицин служит исходным материалом для биосинтеза пуринов, входящих в состав нуклеиновых кислот, и порфиринов, входящих в состав цитохромов и гемоглобина. Аспарагиновая кислота – предшественник пиримидинов нуклеиновых кислот. Метильная группа метионина передается ряду других соединений в ходе биосинтеза креатина, холина и саркозина. При биосинтезе креатина от одного соединения к другому передается также и гуанидиновая группировка аргинина. Триптофан служит предшественником никотиновой кислоты, а из валина в растениях синтезируется такой витамин, как пантотеновая кислота. Все это лишь отдельные примеры использования аминокислот в процессах биосинтеза.

Азот, поглощаемый микроорганизмами и высшими растениями в виде иона аммония, расходуется почти целиком на образование аминокислот, из которых затем синтезируются многие азотсодержащие соединения живых клеток. Избыточных количеств азота ни растения, ни микроорганизмы не поглощают. В отличие от них, у животных количество поглощенного азота зависит от содержащихся в пище белков. Весь азот, поступивший в организм в виде аминокислот и не израсходованный в процессах биосинтеза, довольно быстро выводится из организма с мочой. Происходит это следующим образом. В печени неиспользованные аминокислоты передают свой азот a-кетоглутаровой кислоте с образованием глутаминовой кислоты, которая дезаминируется, высвобождая аммиак. Далее азот аммиака может либо на время запасаться путем синтеза глутамина, либо сразу же использоваться для синтеза мочевины, протекающего в печени.

У глутамина есть и другая роль. Он может подвергаться гидролизу в почках с высвобождением аммиака, который поступает в мочу в обмен на ионы натрия. Этот процесс крайне важен как средство поддержания кислотно-щелочного равновесия в организме животного. Почти весь аммиак, происходящий из аминокислот и, возможно, из других источников, превращается в печени в мочевину, так что свободного аммиака в крови обычно почти нет. Однако при некоторых условиях довольно значительные количества аммиака содержит моча. Этот аммиак образуется в почках из глутамина и переходит в мочу в обмен на ионы натрия, которые таким образом реадсорбируются и задерживаются в организме. Этот процесс усиливается при развитии ацидоза – состояния, при котором организм нуждается в дополнительных количествах катионов натрия для связывания избытка ионов бикарбоната в крови.

Избыточные количества пиримидинов тоже распадаются в печени через ряд реакций, в которых высвобождается аммиак. Что касается пуринов, то их избыток подвергается окислению с образованием мочевой кислоты, выделяющейся с мочой у человека и других приматов, но не у остальных млекопитающих. У птиц отсутствует механизм синтеза мочевины, и именно мочевая кислота, а не мочевина, является у них конечным продуктом обмена всех азотсодержащих соединений.

ОБЩИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О МЕТАБОЛИЗМЕ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Можно сформулировать некоторые общие понятия, или «правила», касающиеся метаболизма. Приведенные ниже несколько главных «правил» позволяют лучше понять, как протекает и регулируется метаболизм.

1. Метаболические пути необратимы. Распад никогда не идет по пути, который являлся бы простым обращением реакций синтеза. В нем участвуют другие ферменты и другие промежуточные продукты. Нередко противоположно направленные процессы протекают в разных отсеках клетки. Так, жирные кислоты синтезируются в цитоплазме при участии одного набора ферментов, а окисляются в митохондриях при участии совсем другого набора.

2. Ферментов в живых клетках достаточно для того, чтобы все известные метаболические реакции могли протекать гораздо быстрее, чем это обычно наблюдается в организме. Следовательно, в клетках существуют какие-то регуляторные механизмы. Открыты разные типы таких механизмов.

а) Фактором, ограничивающим скорость метаболических превращений данного вещества, может быть поступление этого вещества в клетку; именно на этот процесс в таком случае и направлена регуляция. Роль инсулина, например, связана с тем, что он, по-видимому, облегчает проникновение глюкозы во все клетки, глюкоза же подвергается превращениям с той скоростью, с какой она поступает. Сходным образом проникновение железа и кальция из кишечника в кровь зависит от процессов, скорость которых регулируется.

б) Вещества далеко не всегда могут свободно переходить из одного клеточного отсека в другой; есть данные, что внутриклеточный перенос регулируется некоторыми стероидными гормонами.

в) Выявлено два типа сервомеханизмов «отрицательной обратной связи».

У бактерий были обнаружены примеры того, что присутствие продукта какой-нибудь последовательности реакций, например аминокислоты, подавляет биосинтез одного из ферментов, необходимых для образования этой аминокислоты.

В каждом случае фермент, биосинтез которого оказывается затронутым, был ответствен за первый «определяющий» этап (на схеме реакция 4) метаболического пути, ведущего к синтезу данной аминокислоты.

Второй механизм хорошо изучен у млекопитающих. Это простое ингибирование конечным продуктом (в нашем случае – аминокислотой) фермента, ответственного за первый «определяющий» этап метаболического пути.

Еще один тип регулирования посредством обратной связи действует в тех случаях, когда окисление промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот сопряжено с образованием АТФ из АДФ и фосфата в процессе окислительного фосфорилирования. Если весь имеющийся в клетке запас фосфата и (или) АДФ уже исчерпан, то окисление приостанавливается и может возобновиться лишь после того, как этот запас вновь станет достаточным. Таким образом, окисление, смысл которого в том, чтобы поставлять полезную энергию в форме АТФ, происходит только тогда, когда возможен синтез АТФ.

3. В биосинтетических процессах участвует сравнительно небольшое число строительных блоков, каждый из которых используется для синтеза многих соединений. Среди них можно назвать ацетилкофермент А, глицерофосфат, глицин, карбамилфосфат, поставляющий карбамильную (H2N–CO–) группу, производные фолиевой кислоты, служащие источником гидроксиметильной и формильной групп, S-аденозилметионин – источник метильных групп, глутаминовую и аспарагиновую кислоты, поставляющие аминогруппы, и наконец, глутамин – источник амидных групп. Из этого относительно небольшого числа компонентов строятся все те разнообразные соединения, которые мы находим в живых организмах.

4. Простые органические соединения редко участвуют в метаболических реакциях непосредственно. Обычно они должны быть сначала «активированы» путем присоединения к одному из ряда соединений, универсально используемых в метаболизме. Глюкоза, например, может подвергнуться окислению лишь после того, как она будет этерифицирована фосфорной кислотой, для прочих же своих превращений она должна быть этерифицирована уридиндифосфатом. Жирные кислоты не могут быть вовлечены в метаболические превращения прежде, чем они образуют эфиры с коферментом А. Каждый из этих активаторов либо родствен одному из нуклеотидов, входящих в состав рибонуклеиновой кислоты, либо образуется из какого-нибудь витамина. Легко понять в связи с этим, почему витамины требуются в таких небольших количествах. Они расходуются на образование «коферментов», а каждая молекула кофермента на протяжении жизни организма используется многократно, в отличие от основных питательных веществ (например, глюкозы), каждая молекула которых используется только один раз.

В заключение следует сказать, что термин «метаболизм», означавший ранее нечто не более сложное, чем просто использование углеводов и жиров в организме, теперь применяется для обозначения тысяч ферментативных реакций, вся совокупность которых может быть представлена как огромная сеть метаболических путей, многократно пересекающихся (из-за наличия общих промежуточных продуктов) и управляемых очень тонкими регуляторными механизмами.