Обмен веществ и энергии в клетке: этапы и формула метаболического процесса

Жизнь на планете Земля не затихает ни на секунду. Миллиарды животных, птиц, рыб охотятся, выводят потомство, заботятся о нем. Человек в современном обществе тоже живет напряженной жизнью: движется, трудится, общается. Все как-то происходит само собой, и редко кто задумывается, что без источников энергии ему и шага не сделать.

Для обеспечения жизнедеятельности организма ему нужна энергия, которая вырабатывается в процессе расщепления пищи. Обмен веществ и энергии в клетке — комплекс сложнейших биохимических процессов, которые ученые изучают не одно десятилетие.

Что такое обмен веществ

В биологии есть понятие метаболизм, который в свою очередь подразделяется на анаболизм и катаболизм. Последний называют еще энергетическим обменом. Анаболизм же представляет собой процесс пластического обмена, для которого нужна энергия.

Ее вырабатывает клетка, синтезируя с помощью катаболизма следующие вещества:

• полисахариды,
• белки,
• нуклеиновые кислоты,
• прочие необходимые соединения.

Анаболизм, или пластический обмен, включает в себя химические реакции, необходимые для обменных процессов, и направлен на образование клеток и тканей. Благодаря ему клетки делятся, растут, развиваются. Метаболические процессы способствуют обмену веществ, происходящему между живым организмом и окружающей средой.

Из внешней среды организм получает источники энергии:

• воду,
• минеральные соли,
• органические вещества,
• кислород.

В течение человеческой жизни клетки организма успевают смениться неоднократно. Раз в трое суток полностью меняется слизистая оболочка желудка. Раз в сутки меняется половина эпителия кишечника, до 30 миллиардов лейкоцитов, до 450 млрд эритроцитов. Кровь полностью обновляется каждые 4 года.

В процессе жизнедеятельности организм отдает во внешнюю среду:

• соли мочевой кислоты,
• мочевину,
• не усвоившиеся минеральные соли,
• излишки жидкости,
• углекислый газ.

Пластический и энергетический обмен в клетке и называется метаболизмом, имеющим важное значение в жизнедеятельности любого организма.

Исследования метаболизма

Ученых давно интересовал вопрос, как пища превращается в энергию. Для исследования используют органы или интактных животных, которым вводят изучаемое питательное вещество, например, одну из жирных кислот, а затем изучают экскременты и мочу, вычленив метаболиты — продукты превращения кислоты.

Для более детального изучения необходимое вещество вводят в кровеносный сосуд отдельного органа, например, почку, мозг или печень. Метаболиты извлекают из крови, вытекающей от органа. Чтобы облегчить задачу, используют срезы органов — тонкие пластинки, помещенные в инкубаторы со специальным раствором.

Туда же помещают и исследуемое вещество. Если оно проникает через мембрану клетки слишком медленно, ткани измельчают, разрушая мембраны и получая клеточную кашицу. Именно таким способом удалось узнать, что печень синтезирует мочевину, а углекислый газ получается при окислении глюкозы.

Используют и другие методы исследования:

• применение радиоактивных изотопов,
• дифференциальное разделение клеток,
• выделение ферментов,
• хроматография,
• электрофорез.

Этапы энергетического обмена

Катаболизм характеризуется распадом органических соединений, сложных по своему составу. При этом выделяется энергия, накапливающаяся в молекулах АТФ (аденозинтрифосфат). По мере необходимости она используется для жизнедеятельности. Часть ее идет на пластический обмен для получения биологического материала, необходимого для роста и регенерации тканей.

Катаболизм делится на 3 этапа (стадии):

1. Подготовительный. Биополимеры превращаются в мономеры путем расщепления.
2. Бескислородный. Глюкоза расщепляется, трансформируясь в пировиноградную кислоту.
3. Кислородный. Пировиноградная кислота расщепляется, образуя воду и углекислый газ.

Подготовительный

Поступившие с едой органические соединения расщепляются в процессе диссимиляции на более простые — мономеры. Жиры трансформируются в жирные кислоты и глицерин, белки — в аминокислоты, углеводы распадаются до сахаров. На данном этапе выделяется и энергия, но она не накапливается, а сразу идет, как тепло, на поддержание температуры тела.

Полимеры под воздействием ферментов частично расщепляются в пищеварительном тракте. Питательные вещества через стенки кишечника всасываются в кровь и поступают к тканям. Другая часть полимеров расщепляется в лизосомах клеток. У одноклеточных организмов пища переваривается в вакуолях.

Мономеры могут использоваться как для анаболизма, так и для катаболизма. В первом случае синтезируются клеточные компоненты, во втором — мономеры расщепляются, превращаясь в энергию.

Бескислородный

Данный этап протекает в клеточной цитоплазме. Если организм аэробный, расщепление ограничивается гликолизом, конечный продукт которого — пируват (пировиноградная кислота). Глюкоза на молекулярном уровне имеет 6 атомов углерода. При расщеплении получается до двух молекулярных единиц пирувата.

Гликолиз сопровождается выделением энергии, часть из которой идет в запас. В процессе ассимиляции (синтеза) из глюкозы получается 2 молекулы аденозинтрифосфата.

У анаэробных организмов, не имеющих клеточного дыхания, пируват, обезвреживаясь, трансформируется в молочную кислоту или подвергается брожению. Энергия при этом в запас не откладывается. Данный способ обмена считается малоэффективным, поскольку гликолизом все и ограничивается.

Кислородный

Процесс проходит в митохондриях и включает 2 подэтапа: цикл Кребса и окислительное фосфорилирование. На первом подэтапе в матрице митохондрий образуется и выделяется углекислый газ. Второй подэтап протекает с участием кислорода, ферментов и коферментов. Конечный результат — АТФ-синтетаза.

Как проходит процесс метаболизма

Наука биохимия изучает метаболизм давно. Ученые пришли к выводу, что пища, попадая в организм, подвергается химическим реакциям, в результате которых сложные вещества распадаются на более простые. Это превращение ученые назвали метаболическими путями.

Важные функции при этом выполняют ферменты:

• снижают энергию активации,
• выступают в роли биологических катализаторов,
• регулируют метаболические пути в ответ на сигналы клеток и изменение их среды.

Совокупность химических реакций приводит к образованию энергии — синтезу АТФ. Обмен имеет много нюансов, от которых зависит, будет ли организмом использована конкретная молекула как энергетический потенциал. Чем выше скорость обмена, тем больше пищи нужно организму, но и энергии при этом он получит больше.

Формула процесса

Каждый организм индивидуален и переваривает пищу, превращая ее в энергию, с определенной скоростью: один быстрее, другой медленнее. Чтобы производить расчет метаболизма, была принята единица его измерения — калория.

Базовый уровень обмена включает количество энергии, необходимой организму для выполнения основных функций:

• дыхание,
• сердцебиение,
• работа органов зрения и слуха,
• речь,
• моторика.

Он не включает физическую активность и рассчитывается по формуле:

БУМ (базовый уровень метаболизма) = вес х 24

Так, при весе 80 кг он будет равен: 80 х 24 ккал = 1920 ккал. То есть, если человек целый день лежит на диване и смотрит сериалы, ему все равно для нормальной жизнедеятельности понадобится 1920 ккал.

Для расчета БУМ с учетом физической активности нужно умножить его на 1,3 при средней нагрузке и на 1,4 — при высокой.

Есть еще одна формула расчета базового уровня обмена, правда, и она не претендует на высокую точность.

RMR = 655 + (9,6 х вес) + (1,8 х рост) (4,7 х возраст в годах)

При возрасте 40 лет, весе 80 кг и росте 170 см, расчет будет следующим: RMR= 655 + (9,6 х 80) + (1,8 х 170) – (4,7 х 40) = 1541 ккал.

Чтобы посчитать уровень обмена с учетом физической активности, необходимо воспользоваться повышающими коэффициентами:

• 1,9 — бурная активность (кузнец, пловец, занятия в тренажерном зале),
• 1,725 — повышенная активность (ежедневные занятия фитнесом),
• 1,55 — умеренная активность (мастер на производстве, почтальон),
• 1,375 — легкая активность (продавец, учитель, парикмахер),
• 1,2 — сидячая работа (офисный работник, вахтер, депутат).

Клетки, участвующие в метаболизме

Ученые считают живую клетку высокоорганизованной системой с внутренними и внешними связями. Это главный строительный материал для человеческого организма. В ней содержатся ферменты и макромолекулы, калий и натрий. Данная система далека от равновесия, хотя и стремится к нему в конечном итоге.

Старые клетки, отжившие свое, переваривают себя сами с помощью находящихся в них ферментов и становятся отходами жизнедеятельности. А пока равновесия в процессе посмертного автолиза не наступило, клетка будет функционировать, активно участвуя в метаболизме, ведь она постоянно взаимодействует со средой, выполняя сложную работу.

У каждой клетки свои определенные функции:

• в почках на клеточном уровне образуется моча,
• посредством нервной системы проводятся импульсы,
• мышцы сокращаются,
• печень очищает кровь и выполняет много другой полезной работы,
• легкие занимаются воздухообменом,
• желудочно-кишечный тракт синтезирует и выделяет пищеварительные ферменты.

А в целом организм выполняет слаженную работу по производству энергии с помощью метаболизма. В ходе анаболического процесса из простых молекул образуются сложные.

Катаболизм связан с образованием конечных продуктов обмена:

• воды,
• аммиака,
• диоксида углерода,
• мочевины и других.

Нарушения метаболизма

Многие считают, что нарушение обмена веществ приводит к набору лишнего веса. Стремясь исправить ситуацию, человек садится на диету, но этим только усугубляет свое состояние. Нарушений метаболизма встречается довольно много. Они касаются как изменения скорости обмена, так и его качества.

При этом нарушения могут быть связаны, например, только с обменом жиров или белков. Симптомы наблюдаются уже на ранней стадии, так как сначала страдает желудок.

Признаки изменившегося метаболизма следующие:

• головные боли,
• усталость,
• лишние килограммы,
• повышенный сахар в крови,
• запоры,
• диарея,
• повышенная кислотность желудка.

Но дело в том, что данные симптомы наблюдаются и при других заболеваниях, поэтому определить, связано ли это с нарушением обмена веществ, может только специалист.

Метаболизм классифицируется по типу нарушений.

Вот самые распространенные из них:

• сверхускоренный обмен,
• сверхзамедленный обмен,
• метаболизм, стремящийся к состоянию равновесия,
• энергетические нарушения,
• неправильное всасывание белков или жиров или углеводов,
• нарушение анаболизма или катаболизма.

Значение для здоровья

Метаболизм имеет большое значение для здоровья человека. Если процессы обмена протекают правильно, организм получает достаточное количество энергии. При этом не наблюдается лишнего веса. Главной ошибкой людей, следящих за своей фигурой, являются строгие диеты.

При большом дефиците калорий в первую очередь худеют мышцы, а жир исчезает в последнюю. При этом организм, чувствуя, что его посадили на голодный паек, начинает придерживать жировые запасы, стремясь получить их из любого продукта, даже овощей. Жесткое ограничение в питании приводит не только к дальнейшему нарушению метаболизма, но и к анорексии.

Поэтому лучше следить за калориями и не переедать. 7000 лишних килокалорий дают прибавку килограмма жира. Когда человек худеет, жировые клетки никуда не исчезают, они просто становятся плоскими, но стоит побаловать себя жареной свининой с картошкой, как ушедшие килограммы вновь возвращаются, часто даже с добавкой.

Чтобы кишечник работал правильно, необходимо употреблять в пищу больше фруктов, овощей, клетчатки, следить за балансом белков, жиров и медленных углеводов, поступающих в организм с пищей. Рацион должен быть разнообразным. Принимать пищу лучше небольшими порциями 4—5 раз в день. Пирожок с кофе на работе и обильный ужин дома — не самый лучший вариант для бесперебойной работы желудочно-кишечного тракта.

Тест

1. Как называется по-другому энергетический обмен?

Ответы:

1. Анаболизм.
2. Катаболизм.
3. Метаболизм.

2. Что обновляется каждые 4 года?

1. Кровь.
2. Эпителий кишечника.
3. Слизистая оболочка желудка.

3. Во что превращается глюкоза в процессе расщепления?

1. Сахароза.
2. Пировиноградная кислота.
3. Гликоген.

4. Где протекает бескислородный этап энергетического обмена?

1. В клеточной цитоплазме.
2. В ядре клетки.
3. В клеточной мембране.

5. Что получается в ходе анаболического процесса?

1. Жирные кислоты.
2. Белок.
3. Сложные молекулы.

6. Что относится к конечным продуктам обмена при катаболизме?

1. Аммиак.
2. Сульфат натрия.
3. Соли калия.

7. Один из признаков изменившегося метаболизма?

1. Потеря аппетита.
2. Повышенная кислотность желудка.
3. Сонливость.

8. К чему приводит жесткое ограничение в питании?

1. К лейкемии.
2. К галлюцинациям.
3. К анорексии.

Правильные ответы: 2, 1, 2, 1, 3, 1, 2, 3.

Видео

В этом видео рассказывается, как происходит синтез АТФ.