Метаболизм, включающий в себя обмен веществ и энергии, представляет собой совокупность сложных биохимических реакций, понимание которых может быть затруднительным для неспециалиста. Эта статья призвана объяснить, какие изменения происходят с веществами, поступающими в организм с пищей, и какие факторы оказывают влияние на метаболические процессы.

Краткий обзор обмена веществ и энергии

Процессы энергообмена и метаболизма следуют единой структуре:

• поступление веществ в организм, его преобразование и абсорбция;
• применение в организме;
• выведение или запасание излишков.

Все процессы метаболизма разделяются на 2 типа:

1. Анаболизм или пластический обмен представляет собой создание уникальных для живого существа молекул с использованием поступающих питательных веществ и других компонентов.
2. Диссимиляция представляет собой ряд реакций, в ходе которых сложные органические соединения распадаются на более простые. Из образовавшихся веществ впоследствии синтезируются новые, специфические соединения. Поскольку в процессе диссимиляции выделяется энергия, этот комплекс реакций также известен как энергообмен или катаболизм.

Эти процессы имеют обратную направленность, но при этом тесно взаимосвязаны. Они осуществляются постоянно, поддерживая нормальное функционирование организма. Регуляцию обмена веществ и энергии обеспечивает нервная система. Гипоталамус, являясь основным отделом центральной нервной системы, контролирует все виды метаболизма.

Основные виды

В зависимости от того, какие соединения претерпевают изменения в организме, различают несколько видов обмена веществ. У каждого из них есть свои особенности.

Белки

Белковые и пептидные соединения представляют собой цепочки, состоящие из аминокислотных звеньев.

Они осуществляют широкий спектр необходимых для жизни процессов:

• обеспечение построения клеток и тканей организма;
• ферментативная (ферменты – это белки, участвующие практически во всех биохимических процессах);
• Двигательная функция (взаимодействие между пептидами актина и миозина лежит в основе всех перемещений);
• энергетическая (разлагаются, высвобождая энергию);
• Защитная роль (белковые молекулы, такие как иммуноглобулины, играют важную часть в создании устойчивости к болезням);
• участвуют в регуляции водно-солевого баланса;
• транспортная (обеспечивают доставку газов, биологически активных веществ, лекарственных средств и др.).

После попадания с пищей в организм, белковые соединения расщепляются на аминокислоты. Из этих самых кислот впоследствии создаются новые пептиды, характерные для данного организма. Если поступление белков недостаточно, то лишь небольшая часть из двадцати необходимых аминокислот может быть произведена самим организмом; остальные же должны поступать с пищей и считаются жизненно важными.

Этапы белкового метаболизма:

• поступление белков с пищей;
• распад пептидов до аминокислот в ЖКТ;
• перемещение последних в печень;
• распределение аминокислот в тканях;
• биосинтез специфичных пептидов;
• Удаление из тела не усвоенных аминокислот происходит посредством образования солей.

Жиры

В перечень метаболических процессов и энергетического обмена в человеческом теле входит и обмен веществ жиров. Жиры представляют собой сложные соединения глицерина с жирными кислотами. Ранее существовало мнение, что их потребление не критично для нормального функционирования организма. Тем не менее, некоторые виды этих соединений обладают ценными свойствами, препятствующими развитию склероза.
Жиры выполняют важную роль как источник энергии и способствуют сохранению белков в организме. В случае дефицита углеводов и липидов белки начинают использоваться для обеспечения организма энергией. Жиры необходимы для усвоения витаминов А, Е и D. Липиды присутствуют в цитоплазме и клеточной стенке.

Пищевая ценность жиров зависит от состава жирных кислот, из которых они состоят. Эти кислоты делятся на два основных типа:

1. Насыщенные жиры, не содержащие двойных связей, признаются наиболее опасными для здоровья, поскольку избыточное потребление продуктов, богатых этими кислотами, способно спровоцировать атеросклероз, ожирение и другие недуги. Они содержатся в сливочном масле, сливках, молоке и жирном мясе.
2. Ненасыщенные жирные кислоты приносят пользу организму. К ним относятся Омега-3, -6 и -9 кислоты. Они способствуют укреплению иммунной системы, нормализации гормонального баланса, препятствуют накоплению холестерина, а также улучшают состояние кожи, ногтей и волос. Получить эти соединения можно из масел растительного происхождения и рыбий жир.

Этапы обмена липидов:

• поступление жиров в организм;
• распад в ЖКТ до глицерина и жирных кислот;
• образование липопротеидов в печени и тонком кишечнике;
• транспорт липопротеидов в ткани;
• образование специфических липидов клеток.

Избыток жира накапливается под кожным слоем или вокруг внутренних органов.

Углеводы

Сахарные соединения, или углеводы, обеспечивают организм основным топливом.

Процессы обмена углеводов:

• преобразование углеводов в ЖКТ в простые сахара, которые затем всасываются;
• превращение глюкозы в гликоген, его накопление в печени и мышцах либо использование для выработки энергии;
• Когда концентрация сахара снижается, печень расщепляет накопленный гликоген обратно до глюкозы.
• создание глюкозы из неуглеводных компонентов;
• превращение глюкозы в жирные кислоты;
• кислородное разложение глюкозы до углекислого газа и воды.

Когда человек потребляет избыточное количество продуктов, содержащих глюкозу, углевод переходит в липиды. Эти жиры накапливаются в подкожном слое и способны использоваться для производства энергии в клетках.

Значение воды и минеральных солей

Водно-солевой обмен представляет собой совокупность процессов, связанных с поступлением, использованием и удалением воды и минеральных веществ. Основной объем жидкости поступает в организм из окружающей среды. Кроме того, вода в небольших количествах образуется в процессе расщепления питательных веществ.

Функции воды в организме:

• Функциональная (является обязательным элементом всех тканей).
• растворение и транспорт веществ;
• обеспечение многих биохимических реакций;
• обязательный компонент биологических жидкостей;
• Поддержание стабильного соотношения воды и солей, а также регулирование температуры тела – важные функции этого процесса.

Удаление избыточной жидкости происходит посредством дыхательной системы, потовых выделений, почек и желудочно-кишечного тракта.

Минеральные соли, поступающие с пищей, классифицируют на макро- и микроэлементы. К макроэлементам относятся минералы, присутствующие в организме в существенных количествах, такие как магний, кальций, натрий, фосфор и другие. Микроэлементы необходимы организму в крайне малых дозах. К ним относятся железо, марганец, цинк, йод и прочие элементы.

Дефицит минеральных веществ может оказать пагубное воздействие на функционирование различных органов и систем. Например, недостаток магния или калия приводит к нарушениям в работе нервной системы, мышечной ткани (включая сердечную мышцу). Недостаточное потребление кальция и фосфора негативно влияет на структуру костной ткани, а дефицит йода может вызвать проблемы со щитовидной железой. Дисбаланс водно-солевого равновесия чреват образованием камней в почках.

Витамины

Витамины представляют собой обширную группу несложных веществ, которые необходимы для нормального функционирования всех систем организма.

Витамины делятся на 2 группы:

• К ним относятся водорастворимые витамины (включая витамины группы B, а также C и РР), которые не задерживаются в теле человека;
• В отличие от них, жирорастворимые витамины – A, D и E – характеризуются способностью к накоплению.

Некоторые вещества, необходимые для жизни (например, витамин B12 и фолиевая кислота), синтезируются микроорганизмами, обитающими в кишечнике. Значительная часть этих веществ входит в состав ферментов – ключевых компонентов биохимических реакций.

Этапы обмена витаминов:

• поступление с пищей;
• перемещение к месту накопления или утилизации;
• Они участвуют в процессе превращения в коферменты – небелковые компоненты ферментов.
• Фермент состоит из двух частей: кофермента и белковой составляющей (апофермента).

Дефицит витаминов приводит к гиповитаминозу, а их избыток – к гипервитаминозу.

Обмен энергии

Катаболизм, или энергетический обмен, представляет собой совокупность реакций, в ходе которых сложные питательные вещества расщепляются до более простых, высвобождая энергию. Без этого процесса невозможны рост и развитие, движение и другие функции, обеспечивающие жизнедеятельность. Выделяющаяся энергия запасается в виде АТФ – универсального источника энергии, присутствующего во всех клетках живых организмов.

Энергетическая ценность продукта питания, то есть объем энергии, которая высвобождается после его употребления, измеряется в килокалориях (ккал).

Энергообмен проходит в несколько этапов:

1. Этап подготовки включает в себя деструкцию сложных веществ, содержащихся в пище, до более простых соединений внутри желудочно-кишечного тракта.
2. Анаэробное брожение – это изменение глюкозы без использования кислорода. Данный процесс осуществляется непосредственно в цитоплазме клеток и завершается образованием двух молекул АТФ, воды и пировиноградной кислоты.
3. На кислородном, или аэробном, этапе, который осуществляется в митохондриях – специализированных клеточных структурах, пировиноградная кислота расщепляется с использованием кислорода, в результате чего синтезируется 36 молекул АТФ.

Терморегуляция

Способность организма поддерживать стабильное значение температуры тела называют терморегуляцией, что является ключевым аспектом теплового баланса. Для сохранения этой устойчивости необходимо равновесие между количеством тепла, выделяемого организмом и теплом, которое он генерирует.

Выделение энергии в теле – это то, что подразумевается под термином «теплопродукция». Источниками этого процесса являются различные ткани организма, где происходят химические реакции с высвобождением энергии. Значимую роль в терморегуляции играет печень, поскольку именно там протекает большое количество биохимических реакций.

Физическое охлаждение или регуляция температуры возможно тремя способами:

• теплопроведение – отдача тепла окружающей среде и предметам, соприкасающимся с кожей;
• Теплоизлучение – это передача тепловой энергии окружающему воздуху и предметам в виде инфракрасного излучения.
• испарение – отдача тепла с помощью улетучивания влаги с потом или в процессе дыхания.

Что влияет на процесс метаболизма

Метаболические процессы у каждого живого существа уникальны. Интенсивность обмена веществ зависит от ряда факторов:

• биологический пол (как правило, метаболизм протекает быстрее у мужчин по сравнению с женщинами).
• генетический фактор;
• Объем мускулатуры (у людей с выраженной мышечной структурой потребность в энергии для функционирования мышц возрастает, что ускоряет метаболические реакции);
• Возрастной фактор (с течением времени интенсивность обмена веществ уменьшается).
• гормональный фон.

Питание играет значительную роль в регуляции метаболизма. При этом важны как состав рациона, так и режим питания. Для нормального функционирования организма необходимо сбалансированное количество белков, жиров, углеводов, витаминов, минералов и жидкости. Следует учитывать, что лучше есть небольшими порциями, но чаще, поскольку длительные перерывы между приемами пищи могут замедлить обмен веществ и, как следствие, привести к набору лишнего веса.