Обмен веществ где происходит: Как улучшить обмен веществ в организме — что делать, чтобы наладить метаболизм, продукты нормализующие пищеварение

ASICS Frontrunner — Как ускорить метаболизм

Метаболизм (обмен веществ) – это химические реакции организма, которые направлены на превращение поступившей пищи в энергию и калории. Замедленный обмен веществ у человека не способствует появлению избыточного веса и жировых отложений в тканях. В первую очередь причиной лишнего веса является низкая физическая активность и большое потребление вредной калорийной пищи, а также напитков в виде газировки или алкоголя.

Вот основные факторы, которые помогут Вам ускорить метаболизм.

1. Регулярное питание

Доказано, что прием пищи ускоряет ваш метаболизм намного лучше, чем что-либо другое.

Ну … вроде бы верно, но не совсем. Еда запускает обмен веществ, если вы едите слишком много, этот эффект будет напрасным. Но, что более важно, если вы едите в неправильное время, вы также делаете ошибку.

Самое лучшее, что можно сделать, это поесть несколько раз в течение дня. Но должно быть всего три основных (главных и питательных) приемов пищи и два-три дополнительных небольших приемов пищи, которые можно назвать «здоровая закуска».

 Таким образом вы ускоряете метаболизм постоянно в течение дня.

Еще одна очень важная вещь — это поесть сразу после того, как вы проснетесь, иначе говоря, полноценный завтрак. Почему?

Во время сна обмен веществ в организме замедляется до 30%. Поэтому, когда вы просыпаетесь, тело все еще находится в безопасном режиме, и тем самым оно готовится к еще одной возможной волне голодания, подобной той, что была у него за ночь. Короче говоря, он начинает складывать питательные вещества в жировое хранилище.

Принимая пищу утром, как только вы просыпаетесь, вы останавливаете этот процесс, и вместо того, чтобы замедлить, вы на самом деле ускоряете свой метаболизм. А голодание, наоборот, только замедлит ваш метаболизм, и вы начнете растрачивать потенциал своего тела на сжигание калорий.

2. Вода

Я уже много раз писал про это. Вы должны понять простой механизм, который работает за этим словом.

Мы знаем, что вода используется организмом для обработки калорий, а также используется любым другим механизмом, который работает внутри нашего тела (здесь не напрямую, но мягкое обезвоживание может замедлить процессы, которые происходят ежедневно в нашем организме).

 Из-за этого недостаток воды, как известно, вызывает замедление обмена веществ, а также многие другие неприятные вещи. Пейте чистую природную воду, а на закуску ешьте фрукты и овощи.

Просто для предупреждения, если вы думали, что процесс приема воды может быть увеличен и думаете, что вы можете ускорить процесс, выпив в пять раз больше рекомендуемой суммы – это заблуждение. Организм не приспособлен к работе с таким количеством воды, так что будьте внимательны.

3. Острая пища

Перец чили, добавляемый в пищу, как известно, повышает ваш метаболизм. Но есть также много других специй, которые могут добавить к этому эффекту. Почти все они имеют химические соединения, которые заставляют ваш метаболизм зашкаливать.

Всем известный факт, что у многих специй есть сотни других преимуществ. К примеру, карри. Он может предотвратить серьезные заболевания, а также может сжигать жировые клетки. Так что не бойтесь добавлять специи в свою еду, если вы это любите. Я очень люблю острую пищу и этот пункт точно для меня.

4. Белок

Говоря о питании, я уже рассказывал вам, почему белок так хорош, но теперь остановим внимание на его силе, необходимой для ускорения метаболизма. Дело в том, что пищеварительная система нашего организма нуждается в большем количестве энергии для переработки белка.

Белок необходим организму, как воздух, не стоит забывать о его регулярном потреблении. Однако, включая белок в рацион питания, сытым человек остается дольше, а также благодаря белковой пище метаболизм ускоряет свои рабочие процессы.

5. Кофе

Сам я обожаю кофе.

Давно не секрет, что кофе и зеленый чай — это наиболее действенные ускорители метаболизма. А также они содержат большое количество антиоксидантов, помогают снизить уровень сахара в крови и сжигать больше жира.

Главное — понимать, что кофе, как и зеленый чай, должны быть качественными и употребляться в умеренном количестве.

Несмотря на то, что кофеин может увеличить метаболизм в краткосрочной перспективе, этот эффект уменьшается в долгосрочной из-за привыкания. Если вы заинтересовались кофе ради сжигания жира, то тогда лучше пить его циклами, чтобы предотвратить накопление толерантности. Например, циклы две недели употребления кофе, на две недели отдыха.

6. Утренняя тренировка

У вас было такое чувство, что не хочется вставать с постели утром? Если это так, попробуйте следующее: начните с простой зарядки, перетекающей в более трудоемкие упражнения. И со временем, день за днем, сможете пересилить себя и выйти на первую утреннюю пробежку.

Это не только даст вам огромное количество энергии на короткий, а также на длительный период, но и также увеличит ваш метаболизм. Утренние тренировки улучшают мою концентрацию и помогают мне оставаться бодрым в течение всего дня.

7. Разделите тренировку

Довольно интересно знать тот факт, что разделение тренировки на две части может повлиять на избавление от огромного количества калорий.

Это не всегда практично для многих, но для тех, чей график позволяет, это может оказаться довольно хитрым трюком. И если вы спрашиваете как, имейте в виду, что лучше сначала сосредоточиться на более сложной части, а затем перейти к более легкой во второй половине дня.

Однако никогда не делайте каких-то тяжелых упражнений на первой тренировке, иначе энергии на вторую не точно не останется. Многие говорят, что заниматься спортом перед сном не желательно, так как подготовка организма ко сну — это один из принципов здорового образа жизни. Но я часто отступаю от этого правила. Но это уже другая тема для разговора.

8. Мышцы

Когда людям за двадцать или тридцать, обмен веществ происходит быстрее. Так что в течение дня их тела сжигают намного больше калорий просто сидя, лежа и в обычном спокойном положении. Со временем и возрастом это замедляется.

Но вот что интересно:

Просто добавив немного мышц, вы удвоите и даже утроите этот процесс. Представьте себе сжигание калорий во время просмотра телевизора, или даже сейчас, когда вы читаете это. Довольно круто, да?

Ответ за этим заключается в том, что мышцы требуют большего обслуживания, поэтому тратится больше калорий. Так что добавление некоторых мышц сделает чудеса для вашего метаболизма в долгосрочной перспективе.

9. Дыхание

То, что нужно организму для того, чтобы работать и поддерживать все системы в рабочем состоянии — это кислород.

Хитрость здесь заключается в том, чтобы быть там, где качество воздуха лучше. Менее загрязненные места, природа и т.д. Так что прогуляйтесь в соседнем парке или лесу, или проведите долгие выходные где-нибудь на природе. Кемпинг, походы, бег в горах…

Я сам обожаю загородную жизнь. Очень устаю от мегаполиса, в котором родился и вырос. Время от времени выбираюсь за город, на природу и свежий воздух. Неудивительно, что люди, живущие в сельской местности, имеют более быстрый уровень метаболизма. На данный момент я уже второй месяц живу на природе, не ощущая выхлопных газов, посторонних шумов и т.д., и поверьте, эффект повышенного метаболизма проверил на себе.

Также сейчас существует огромное количество различных дыхательных техник, которые можно изучить. Они научат лучше вдыхать и выдыхать, чтобы получить больше кислорода.

10. Сон

Во время сна мы проходим через несколько 90-минутных циклов глубокого и легкого сна. Хроническое недосыпание (меньше семи часов в сутки) также замедляет метаболизм. Сон должен быть естественным и здоровым.

Отложенный эффект сжигания жиров после интенсивных тренировок может не реализоваться, если не обеспечен полноценный сон, принят сахар во время или после тренировки. 

Высокий уровень гормона кортизол не только нарушает фазу глубокого сна, но и нейтрализует работу гормонов роста. Это приводит к накоплению жира.

В силу недосыпа не только блокируется способность организма избавляться от лишнего жира, кроме этого из-за нее сбивается гормональная система, обостряется чувство голода, ускоряются процессы старения, мы теряем больше энергии и теряем ясность мышления.

Когда мы спим, у нас работают жиросжигающие гормоны. Их уровень начинает расти уже в течение первых двух часов после засыпания. Особенно интенсивно уровень гормонов роста повышается с полуночи до четырех утра. Пропустив сон в этот период, тормозим процесс метаболизма.

Другими словами, ПОКА МЫ СПИМ, МЫ ХУДЕЕМ, благодаря всплескам гормонов роста во время глубокой фазы сна. Сложно будет наверстать упущенное в случае недосыпания.

Это всё о чем я хотел сегодня рассказать. Попробуйте реализовать как можно больше пунктов из моей статьи и ваш метаболизм будет летать. Очень трудно сосредоточиться на всех, но сейчас в период самоизоляции можно попробовать многие из них.

Все эти моменты также сделают вас на один шаг ближе к ведению здорового образа жизни. Получайте удовольствие от реализации этих рекомендаций и будьте здоровы!

Основные закономерности метаболических процессов в организме человека. Часть 1.

Метаболизм – обмен веществ и энергии — представляет собой по классическим определениям, с одной стороны, обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой, а, с другой стороны, совокупность процессов превращения веществ и трансформации энергии, происходящих непосредственно в самих живых организмах. Как известно, обмен веществ и энергии является основой жизнедеятельности организмов и принадлежит к числу важнейших специфических признаков живой материи. В обмене веществ, контролируемом многоуровневыми регуляторными системами, участвует множество ферментных каскадов, обеспечивающих совокупность химических реакций, упорядоченных во времени и пространстве. Данные биохимические реакции, детерминированные генетически, протекают последовательно в строго определенных участках клеток, что, в свою очередь обеспечивается принципом компартментации клетки. В конечном итоге в процессе обмена поступившие в организм вещества превращаются в собственные специфические вещества тканей и в конечные продукты, выводящиеся из организма. В процессе любых биохимических трансформаций освобождается и поглощается энергия.

Клеточный метаболизм выполняет четыре основные специфические функции, а именно: извлечение энергии из окружающей среды и преобразование ее в энергию макроэргических (высокоэнергетических) химических соединений в количестве, достаточном для обеспечения всех энергетических потребностей клетки; образование из экзогенных веществ промежуточных соединений, являющихся предшественниками высокомолекулярных компонентов клетки; синтез из этих предшественников белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других клеточных компонентов; синтез и разрушение специальных биомолекул, образование и распад которых связаны с выполнением специфических функций данной клетки.

Поскольку первоначальные представления об обмене веществ возникли в связи с изучением процессов обмена между организмом и внешней средой и лишь впоследствии эти представления расширились до понимания путей трансформации веществ и энергии внутри организма, до настоящего времени принято выделять соответственно внешний, или общий, обмен веществ и внутренний или промежуточный, обмен веществ. В свою очередь как во внутреннем, так и во внешнем обмене веществ различают структурный (пластический) и энергетический обмен. Под структурным обменом понимают взаимные превращения различных высоко- и низкомолекулярных соединений в организме, а также их перенос (транспорт) внутри организма и между организмом и внешней средой. Под энергетическим обменом понимают высвобождение энергии химических связей молекул, образующейся в ходе реакций и ее превращение в тепло (большая часть), а также использование энергии на синтез новых молекул, активный транспорт, мышечную работу (меньшая часть). В процессе обмена веществ часть конечных продуктов химических реакций выводится во внешнюю среду, другая часть используется организмом. В этом случае конечные продукты органического обмена накапливаются или расходуются в зависимости от условий существования организма, называясь запасными или резервными веществами.

Как указывалось выше совокупность химических превращений веществ, которые происходят непосредственно в организме, начиная с момента их поступления в кровь и до момента выделения конечных продуктов обмена из организма, называют промежуточным обменом (промежуточным метаболизмом). Промежуточный обмен может быть разделен на два процесса: катаболизм (диссимиляция) и анаболизм (ассимиляция). Катаболизмом называют ферментативное расщепление крупных органических молекул, осуществляемое у всех высших организмов, как правило, окислительным путем. Катаболизм сопровождается освобождением энергии, заключенной в химических связях органических молекул, и резервированием ее в форме энергии фосфатных связей молекулы аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Анаболизм, напротив, представляет собой ферментативный синтез крупномолекулярных клеточных компонентов, таких, как полисахариды, нуклеиновые кислоты, белки, липиды, а также некоторых их биосинтетических предшественников из более простых соединений. Анаболические процессы происходят с потреблением энергии. Процессы катаболизма и анаболизма происходят в клетках одновременно, неразрывно связаны друг с другом и являются обязательными компонентами одного общего процесса — метаболизма, в котором превращения веществ теснейшим образом переплетены с превращениями энергии. Катаболические и анаболические реакции различаются, как правило, локализацией в клетке. Например, окисление жирных кислот до углекислого газа и воды осуществляется с помощью набора митохондриальных ферментов, тогда как синтез жирных кислот катализирует другая система ферментов, находящихся в цитозоле. Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно. При этом все превращения органических веществ, процессы синтеза и распада взаимосвязаны, координированы и регулируются нейрогормональными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. В организме человека не существует самостоятельного обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения объединены в целостный процесс метаболизма, допускающий также взаимопревращения между отдельными классами органических веществ. Подобные взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма, а также целесообразностью замены одних классов органических веществ другими в условиях блокирования какого-либо процесса при патологии.

Согласно современным представлениям расщепление основных пищевых веществ в клетке представляет собой ряд последовательных ферментативных реакций, составляющих три главные стадии катаболизма. На первой стадии полимерные органические молекулы распадаются на составляющие их специфические структурные блоки — мономеры. Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки — до аминокислот, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов и нуклеозидов, липиды — до жирных кислот и глицерина. Эти реакции протекают в основном гидролитическим путем и количество энергии, освобождающейся на этой стадии, не превышает 1% от всей выделяемой в ходе катаболизма энергии, и почти целиком используется организмом в качестве тепла.

На второй стадии катаболизма продуктами химических реакций становятся еще более простые молекулы, унифицированные для углеводного, белкового и липидного обмена. по своему типу (гликолиз, катаболизм аминокислот, β-окисление жирных кислот соответственно). Принципиальным является то, что на второй стадии катаболизма образуются продукты, которые являются общими для обмена исходно разных групп веществ. Эти продукты представляют собой ключевые химические соединения, соединяющие разные пути метаболизма. К таким соединениям относятся, например, пируват (пировиноградная кислота), образующийся при распаде углеводов, липидов и многих аминокислот, ацетил-КоА, объединяющий катаболизм жирных кислот, углеводов и аминокислот, a-кетоглутаровая кислота, оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота), фумарат (фумаровая кислота) и сукцинат (янтарная кислота), образующиеся при трансформации аминокислот. Продукты, полученные на второй стадии катаболизма, вступают в третью стадию, которая известна как цикл трикарбоновых кислот (терминальное окисление, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). На третьем этапе ацетил-КоА и некоторые другие метаболиты, например α-кетоглутарат, оксалоацетат, подвергаются окислению в цикле ди- и трикарбоновых кислот Кребса. Окисление сопровождается образованием восстановленных форм НАДН + Н+ и ФАДН2. Именно в ходе второй и третьей стадий катаболизма освобождается и аккумулируется в виде АТФ практически вся энергия химических связей подвергнутых диссимиляции веществ. При этом осуществляется перенос электронов от восстановленных нуклеотидов на кислород через дыхательную цепь, сопровождающийся образованием конечного продукта – молекулы воды. Транспорт электронов в дыхательной цепи сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

Главным катаболическим процессом в обмене веществ принято считать биологическое окисление — совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках, — а именно дыхание и окислительное фосфорилирование. Интегральной характеристикой биологического окисления служит так называемый дыхательный коэффициент (RQ), который представляет собой отношение объема выделенного организмом углекислого газа к объему одновременно поглощенного кислорода. При окислении углеводов объем расходуемого кислорода соответствует объему образующегося углекислого газа и поэтому дыхательный коэффициент в этих случаях равен единице. При окислении жиров и белков такое соответствие отсутствует, поскольку кроме окисления углерода до углекислого газа часть кислорода расходуется на окисление водорода с образованием воды. Вследствие этого величины дыхательного коэффициента в случае окисления жиров и белков составляют соответственно около 0, 7 и 0, 8. Подавляющая часть белкового азота при окислении белка в организме переходит в мочевину. Поэтому по дыхательному коэффициенту и данным о количестве выделяемой мочевины можно определять соотношение участвующих в биологическом окислении углеводов, жиров и белков.

В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Энергия расходуется не только на поддержание температуры тела и выполнение работы, но и на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития организма. Тем не менее, только часть получаемой при окислении белков, жиров и углеводов энергии используется для синтеза АТФ, другая, значительно большая, превращается в теплоту. Так, при окислении углеводов 22, 7% энергии химических связей глюкозы в процессе окисления используется на синтез АТФ, а 77, 3% в виде тепла рассеивается в тканях. Аккумулированная в АТФ энергия используемая в дальнейшем для механической работы, химических, транспортных, электрических процессов в конечном счете тоже превращается в теплоту. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражена в единицах тепла — калориях или джоулях.

Общий баланс энергии организма определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, которое может быть измерено или рассчитано. При этом надо учитывать, что величина калорийности, получаемая при лабораторной калориметрии, может отличаться от величины физиологической калорической ценности, поскольку некоторые вещества в организме не сгорают полностью, а образуют конечные продукты обмена, способные к дальнейшему окислению. В первую очередь это относится к белкам, азот которых выделяется из организма главным образом в виде мочевины, сохраняющей некоторый потенциальный запас калорий. Очевидно, что калорическая ценность, дыхательный коэффициент и величина теплообразования для разных веществ различны. Физиологическая калорическая ценность (в ккал/г) составляет для углеводов — 4, 1; липидов — 9, 3; белков — 4, 1; величина теплообразования (в ккал на 1 литр потребленного кислорода) для углеводов составляет 5, 05; липидов — 4, 69; белков — 4, 49.

Процесс анаболизма по аналогии с катаболическими процессами также проходит три стадии. При этом исходными веществами для анаболических процессов служат продукты второй стадии и промежуточные соединения третьей стадии катаболизма. Таким образом вторая и третья стадии катаболизма являются в то же время первой, исходной стадией анаболизма и химические реакции, протекающие в данном месте и в данное время, выполняют по сути двойную функцию. С одной стороны, они являются основой завершающего этапа катаболизма, а с другой — служат инициацией для анаболических процессов, поставляя вещества-предшественники для последующих стадий ассимиляции. Подобным образом, например, начинается синтез белка. Исходными реакциями этого процесса можно считать образование некоторых a-кетокислот. На следующей, второй стадии в ходе реакций аминирования или трансаминирования эти кетокислоты превращаются в аминокислоты, которые на третьей стадии анаболизма объединяются в полипептидные цепи. В результате ряда последовательных реакций происходит также синтез нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Тем не менее следует подчеркнуть, что пути анаболизма не являются простым обращением процессов катаболизма. Это связано прежде всего с энергетическими особенностями химических реакций. Некоторые реакции катаболизма практически необратимы, поскольку их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. Поэтому в ходе эволюции были выработаны другие, специфические для анаболизма реакции, где синтез олиго- и полимерных соединений сопряжен с затратой энергии макроэргических соединений, прежде всего – АТФ.

Статья добавлена 31 мая 2016 г.

Что нужно знать о метаболизме

Метаболизм, или обмен веществ, — это процесс превращения калорий потребляемых продуктов в энергию для жизнедеятельности организма. На метаболизм влияет ряд факторов — индивидуальная способность усвоения пищи, диета, уровень физической нагрузки, психоэмоцинальное состояние, сон. Чем размереннее образ жизни, тем стабильнее и правильнее работает ваш обмен веществ. «Наше тело постоянно обновляется, совершает какую-то работу, строятся новые клетки и напрягаются мышцы, для всего этого нужна энергия, которую мы получаем за счет расщепления энергетического топлива (креатинфосфата, гликогена, жиров и аминокислот). Все это формирует метаболизм, который принято разделять на обмен веществ покоя (базальный — расход энергии в состоянии покоя) и обмен веществ движения (дополнительный — расход энергии при выполнении какой-либо работы)», — объясняет Александр Мироненко, фитнес-директор клуба «Секция».

«Метаболизм в биохимическом смысле — это цепочка превращений веществ до того состояния, когда их может принять клетка. Они включают в себя реакции синтеза новых соединений — анаболизм. Например, мышечной ткани из аминокислот. А также реакции распада — катаболизм. Например, окисление жиров до углекислого газа и воды. В организме каждую секунду что-то распадается и создается заново. От 10 до 20 килограммов тканей в теле человека собирается заново за сутки, что поразительно», — рассказывает Екатерина Бузина, врач-эндокринолог клиники Юлии Щербатовой.

Метаболизм у всех разный, потому что мы все очень разные не только по антропометрическим, биохимическим, психологическим, физиологическим параметрам, но и по образу жизни, пищевым и поведенческим привычкам. «На метаболизм влияет здоровье клеток и органов, участвующих в обмене (это печень, почки, поджелудочная железа, желудок, кишечник), состояние ферментной системы и гормональный статус. С возрастом здоровье обычно портится и метаболизм замедляется. При нарушении функций печени, например, хуже выводятся токсины и меньше жира организм может окислить. Нарушения в работе поджелудочной железы ведут к сложностям с усвоением сахара, высокому уровню инсулина и накоплению жировой массы, — говорит Екатерина Бузина. — Метаболизм замедлен, когда при неизменном образе жизни и питании человек вдруг начинает медленно, но неуклонно набирать вес, привычные продукты перестают усваиваться и вызывают неприятные симптомы ЖКТ и аллергические реакции».

«Например, на базальный метаболизм невозможно влиять, это генетика. Ускорить метаболизм можно правильными нагрузками и едой — это кардиотренажеры, плавание, игровые виды спорта, дробное питание, большое количество белка, кофе и зеленый чай», — говорит доктор Леонид Элькин.

Малоподвижный образ жизни, неправильное питание, несоблюдение питьевого режима, плохое настроение часто приводят к низкому уровню обмена вещества. «О нарушении обмена веществ свидетельствует сонливость после еды, состояние тяжести и вздутия живота, постоянное ощущение усталости и бессонница и отсутствие ощущения свежести после сна. Это явные сигналы о том, что пора пересмотреть свой образ жизни», — предупреждает Ксения Трушакова, преподаватель аштанга-йоги и основатель студии Yoga Space.

 

Не существует понятий быстрый или медленный метаболизм, скорее имеет место индивидуальная способность организма усваивать питательные вещества и выводить продукты жизнедеятельности из организма. «Нормализовать пищеварение и ускорить метаболизм возможно однодневным голоданием на овощных и несладких фруктовых соках раз в одну-две недели. Растительная пища, богатая клетчаткой, пряности и специи, стабильные и регулярные тренировки два-три раза в неделю вроде плавания, бега и йоги благотворно влияют на процесс нормализации пищеварения, — советует Ксения Трушакова. — Очень важно, чтобы тренировки не были изнуряющими, от которых вы „валитесь с ног“, а давали ощущение подъема и энергии и приятную легкую усталость в мышцах, которая бы проходила на следующий день».

«Выбор типа тренировок зависит от уровня подготовленности, состояния здоровья, индивидуальных психологических предпочтений и физических возможностей. Самыми эффективными тренировками для коррекции фигуры, нормализации гормонального фона, снятия стресса и ускорения метаболических процессов в организме принято считать высокоинтенсивные интервальные тренировки (ВИИТ), — рассказывает фитнес-директор клуба «Секция». — Многочисленные научные исследования показывают, что ВИИТ более эффективны для уменьшения процента жировой составляющей тела, способствуют „разгону“ обмена веществ, активируют работу эндокринной системы. Во время ВИИТ сжигается большое количество калорий, но еще больше энергетических трат происходит после занятия».

На метаболизм также положительно влияет коррекция гормонального статуса, важен нормальный уровень железа. «Основным виновником в избыточном накоплении жировой массы является инсулин. Он подавляет расщепление жира и повышает его синтез. Энергетический расход возрастает из-за тестостерона, ДГЭА (стероидный андрогенный гормон), кортизола, гормона роста. Компенсация дефицитов этих гормонов и снижение инсулина позволят повлиять на метаболические процессы, снижать жировую массу и увеличивать мышечную, — объясняет врач-эндокринолог клиники Юлии Щербатовой. — Очень важно провести диагностику на витамины и минералы. Например, жир не сгорит, если эритроцит крови не принесет кислород. За перенос кислорода эритроцитом отвечает железосодержащая часть. Железо — основной элемент, влияющий на процессы метаболизма».

Тест по биологии в 8 классе по теме «Обмен веществ»

Тест по биологии «Обмен веществ и энергии» 8 класс

1.Что такое пластический обмен?

А. Совокупность реакции окисления и распада веществ

Б. Совокупность реакции биосинтеза веществ

В. Удаление конечных продуктов обмена веществ во внешнюю среду

Г. Выделение пищеварительных соков в желудок и кишечник

2.Что такое энергетический обмен?

А. Выделение пищеварительных соков в желудок

Б. Совокупность реакции биосинтеза веществ в клетке

В. Совокупность реакции окисления и распада веществ в клетке

Г. Расщепление сложных органических веществ при пищеварении

Д. Удаление конечных продуктов обмена веществ в среду

3. Их каких веществ синтезируются молекулы человеческого белка в клетке?

А. Из различных аминокислот пищи

Б. Из минеральных солей

В. Из глицерина и жирных кислот

Г. Из ферментов

Д. Из глюкозы

Е. Из воды

4.Какие превращения веществ происходят при пластическом обмене?

А. Окисление и распад аминокислот и белков

Б. Синтез белков из аминокислот

В. Синтез жиров из глицерина и жирных кислот

Г. Окисление и распад жиров на воду и углекислый газ

Д. Синтез гликогена из глюкозы

5. Какие превращения происходят с органическими веществами при энергетическом обмене?

А. Синтез глюкозы из воды и углекислого газа

Б. Окисление и распад глюкозы на воду и углекислый газ

В. Синтез белков из аминокислот

Г. Окисление и распад аминокислот

Д. Окисление и распад жиров.

6. Какие энергетические процессы происходят при энергетическом обмене?

А. Превращение химической энергии в механическую в мышцах

Б. Накопление химической энергии в молекулах сложных органических

В. Превращение химической энергии в электрическую в нейронах

Г. Освобождение химической энергии связи в клетках

Д. Превращение химической энергии в тепловую

7. Какие энергетические процессы происходят при пластическом обмене

А. Освобождение химической энергии связи в клетках

Б. Накопление химической энергии связи в клетках

В. Превращение химической энергии связи в тепловую

8. Из каких веществ синтезируются в клетках человека молекулы жира?

А. Из аминокислот

Б. Из глюкозы

В. Из воды

Г. Из витаминов и ферментов

Д. Из минеральных солей

Е. Из жирных кислот

Ж. Из глицерина

Ответы: 1-Б; 2-В; 3-А; 4-Б, В, Д; 5-Б, Г, Д; 6-А, В, Г, Д;7-Б; 8—Е, Ж.

1. Каково значение воды в организме человека?

А. Растворитель и среда для химических реакций

Б. Источник энергии

В. Придаёт костной ткани твёрдость

Г. Поддерживает постоянство состава крови

Д. Участвует в свёртывании крови

Е. Основной строительный материал живой клетки

2. Каково значение минеральных солей в организме?

А. Растворитель и среда для химических реакций

Б. Источник энергии

В. Придаёт костной ткани твёрдость

Г. Поддерживает постоянство состава крови

Д. Участвует в свёртывании крови

Е. Основной строительный материал живой клетки

3. При недостатке какого вещества в пище человек заболевает куриной слепотой?

А. Вода и минеральные соли

Б. Белки, жиры, углеводы

В. Ферменты, хлорофилл

Г. Витамин А

Д. Витамин В

Е. Витамин С

Ж. Витамин Д

4. Какое вещество даёт больше всего энергии для клеток человека?

А. Минеральные соли

Б. Жиры

В. Углеводы

Г. Белки

Д. Вода

Е. Витамины

5. Какие вещества пищи не дают энергии организму

А. Минеральные соли

Б. Жиры

В. Углеводы

Д. Вода

Е. Витамины

6. Какие превращения химической энергии (Х Э)происходят при окислении и распаде углеводов и других органических соединений в клетке?

А. Освобождение ХЭ и расходование её для жизнедеятельности

Б. Накопление ХЭ в клетке

В. Превращение энергии не происходит

7. Какие происходят превращения одних органических веществ в другие в клетках человека?

А. Аминокислоты в белки

Б. Жиры в углеводы в белки

В. Жиры в углеводы

Г. Углеводы в жиры

Д. Белки в жиры и углеводы

8. Какие противоположные процессы составляют обмен веществ и энергии в клетке?

А. Газообмен в клетке и тканях

Б. Пищеварение и всасывание пищи

В. Пластический обмен и энергетический обмен

Г. Рост и размножение

Ответы:1-А; 2-В,Г,Д; 3-Г;4-Б; 5-А, Д, Е; 6-А, Б; 7-А, В, Г,Д; 8-В.

Исследование обмена веществ (метаболизма) в Челябинске

ЭКГ

Подготовка не требуется. Снятие ЭКГ проводится медицинской сестрой клиники ежедневно, без предварительной записи. Если ЭКГ проводится с расшифровкой, то длительность расшифровки необходимо уточнять у администратора клиники. Расшифровка ЭКГ и консультация кардиолога  по результатам обследования оплачивается отдельно.

ФВД

Если ранее ФВД не было назначено, то перед проведением манипуляции рекомендуется пройти консультацию аллерглога-иммунолога.Необходима предварительная запись к аллергологу-иммунологу. Пациент или родители пациента должны знать его вес и рост. К исследованию ФВД приступают натощак или не ранее 1-1,5 часа после приема пищи. За 3 часа до обследования нельзя курить, а также пользоваться бронхолитиками и любыми ингаляторами. Перед проведением исследования запрещаются нервные, физические перенапряжения, физиопроцедуры. Обследование ФВД проводят в положении сидя. Пациент выполняет несколько дыхательных маневров, после чего проводится компьютерная обработка и выдача результатов исследования. Длительность расшифровки составляет 15 мин. Консультация аллерголога-иммунолога по результатам обследования оплачивается отдельно.

Суточное холтеровское мониторирование ЭКГ

Если исследование не было назначено ранее, то рекомендуется консультация врача кардиолога. Пациенту рекомендуется быть в свободной, не стесняющей движения одежде. Необходима предварительная запись как на установку аппарата, так и на его снятие. Установку аппарата производит медицинская сестра клиники. Срок готовности расшифровки необходимо уточнять у администратора клиники. Аппарат ставится на 6-12-24часа, в течение этого времени пациентом заполняется специальный дневник (выдается мед сестрой при установке аппарата).  При себе необходимо иметь паспорт.  Дальнейшую консультацию по расшифрованному исследованию проводит врач кардиолог. Консультация доктора оплачивается отдельно.

СМАД

Если исследование не было назначено ранее, то рекомендуется консультация врача кардиолога. Пациенту рекомендуется быть в свободной, не стесняющей движения одежде. Необходима предварительная запись как на установку аппарата, так и на его снятие, при этом интервал должен быть не менее 22 часов и обязательно захватывать ночной сон пациента. Установку аппарата производит медицинская сестра клиники. Срок готовности расшифровки необходимо уточнять у администратора клиники. Аппарат ставится на сутки, в течении суток пациентом заполняется специальный дневник (выдается мед сестрой при установке аппарата).  При себе необходимо иметь паспорт. Дальнейшую консультацию по расшифрованному исследованию проводит врач кардиолог. Консультация доктора оплачивается отдельно.

Дыхательный тест с индикаторной трубкой

Если исследование не было назначено ранее, то рекомендуется консультация врача гастроэнтеролога. Манипуляция проводится по предварительной записи к врачу, возможность записи уточняется у администраторов клиники. Обследование проводится НАТОЩАК (последний прием пищи не позднее 22:00 накануне). Допускается упротребление воды, но за час до обследования можно выпить не более 100 мл. Нельзя принимать некоторые лекарства (антибиотики и антисекреторные сердства — в течение 2-х недель, противовоспалительные, антацидные препараты и анальгетики — в течение 5 дней). Нельзя принимать крепкие спиртные напитки в течении 3-х суток перед обследованием. Нельзя есть бобовые в течение суток перед обследованием. Необходимо отказаться от жевательной резинки за 3 часа до обследования, от курения — за 3 часа до обследования. Перед тестом обязательно нужно почистить зубы и тщательно  прополоскать рот. Исследование проводится с помощью специального хроматографического теста. Дальнейшую консультацию по результатам исследования проводит врач гастроэнтеролог. Консультация доктора оплачивается отдельно. Длительность процедуры — 15 минут (с расшифровкой)

КТГ

Манипуляция проводится по назначению врача акушера-гинеколога. Консультация по результатам обследования оплачивается отдельно. Длительность манипуляции составляет около 1 часа. Необходима предварительная запись к гинекологу.

ЭЭГ

Если исследование не было назначено ранее, то рекомендуется консультация врача невролога. ЭЭГ проводится медицинской сестрой клиники. Необходима предварительная запись. Информацию о длительности расшифровки необходимо уточнить у администратора клиники. Рекомендуется следующая подготовка:

Полноценный ночной отдых.
Отсутствие стрессовых ситуаций и психомоторного возбуждения.
За двое суток необходимо исключить прием алкогольных напитков, снотворных, успокоительных, противосудорожных препаратов, транквилизаторов и кофеина.
Чистая голова. ЭЭГ проводится детям с 3-х лет и взрослым, независимо от патологии.
Длительность манипуляции составляет: дети — около 40 мин., взрослые — около 30 мин. Консультация невролога, по результатам обследования, оплачивается отдельно.

Ученые объяснили универсальный для животных и растений закон, связывающий скорость обмена веществ и массу организма, — закон Клайбера

Закон, который объясняет, почему у мыши и у слона сердце бьется примерно одинаковое количество раз за жизнь, только при этом слон живет около 70 лет, а мышь — один год, и почему животные и растения маленького размера достигают зрелости раньше, чем крупные организмы, — закон Клайбера — наконец объяснен.

Закон Клайбера (метаболический закон 3/4) — биохимическое правило, связывающее скорость основного обмена (минимальное количество энергии, необходимое организму для обеспечения нормальной жизнедеятельности в состоянии относительного психического и физического покоя) и массу организма. Закон был сформулирован швейцарским ученым Максом Клайбером в начале 1930-х годов.

На основе наблюдений Клайбер вывел формулу, говорящую, что для подавляющего большинства живых организмов скорость основного обмена пропорциональна массе их организма в степени 3/4.

Таким образом, если масса одного животного больше массы другого в 100 раз, то скорость основного обмена у него будет выше примерно в 31,6 раза.

Закон Клайбера объясняет, почему, например, у мыши и слона сердце бьется примерно одинаковое количество раз за жизнь, только при этом слон живет около 70 лет, а мышь — один год, а животные и растения маленького размера достигают зрелости раньше, чем крупные организмы. Благодаря закону можно рассчитать дозу лекарства, необходимую человеку, после тестирования препарата на грызунах. Однако до сих пор не было ясно: почему закон Клайбера работает? Живые организмы имеют самую разнообразную форму тела, массу, площадь поверхности…

Как может формула Клайбера отражать метаболический процесс всех животных и растений?

Группа ученых из США, Швейцарии и Италии под руководством Джайанта Банавара и Тодда Кука (Мэрилендский университет в Колледж-Парке) сумела объяснить закон Клайбера. С полным отчетом о работе исследователей можно ознакомиться в журнале PNAS.

В качестве объектов для сравнения исследователи взяли растение (дерево) и животное (тигра). Среди схожих черт ученые выделили наличие клеток, отвечающих за метаболизм, механизм транспортировки энергии, а также наличие внешних покровов, обменивающихся энергией с окружающей средой.

Принципиальные отличия в строении организмов растений и животных заключаются в следующем: дерево неподвижно, его масса распределяется неравномерно (большая часть сосредоточена в корнях, стволе и ветвях), площадь поверхности и занимаемое деревом пространство примерно равны. Задача дерева заключается в том, чтобы преобразовывать солнечный свет в энергию, и вне зависимости от размера растения питательные вещества в нем перемещаются с постоянной скоростью. Посчитав отношение между массами разных видов растений и скоростью их метаболизма, ученые подтвердили: они соответствуют закону Клайбера.

Что касается тигра, то он подвижен, масса его тела распределена равномерно. Тигр получает пищу извне, при переработке которой организм выделяет тепло. Животному необходимо избавляться от излишнего тепла, однако простого охлаждения через поверхность тела будет недостаточно: в отличие от растения площадь поверхности тела животного значительно меньше, чем занимаемое им пространство.

Если бы площадь тела была единственным фактором, который влияет на охлаждение организма, то в случае с животными степень пропорциональности скорости обмена к массе была бы не 3/4, а 2/3.

Очевидно, что для того, чтобы закон Клайбера был справедлив как для животных, так и для растений, необходимо найти еще один недостающий значимый фактор. Ранее исследователями предлагались такие варианты, как площадь поверхности внутренних органов или степень разветвленности кровеносных сосудов. Группа Джайанта Банавара и Тодда Кука выяснила: недостающим звеном является скорость перемещения питательных веществ в организме (у животных сформировались кровеносная система и сердце, перекачивающее кровь со скоростью, необходимой для нормального функционирования организма).

Ученые посчитали эту скорость и установили, что она равняется массе тела в степени 1/12. Получив эти данные, исследователи поняли, что сумели полностью объяснить закон Клайбера. Амос Маритан, итальянский ученый, принимавший участие в исследовании, комментирует: «Иногда элегантный ответ оказывается верным. Растения и животные имеют разное происхождение, однако они приходят к одному и тому же результату благодаря конвергентной эволюции».

Почему возникают нарушения обмена веществ и что с ними делать

О метаболизме мы задумываемся в основном тогда, когда не получается похудеть. И по большей части волнуемся лишь о его скорости. Медленный — плохо, от него заводятся лишние кило. Быстрый — прекрасно: ешь и худеешь!

Между тем обмен веществ — процесс куда более сложный, чем кажется. Он описывается не только скоростью, но и качеством.

Как работает обмен веществ

В общих чертах метаболизм — это совокупность физико-химических процессов ^{, с помощью которых организм превращает пищу в необходимую для жизни энергию.}

Если говорить более подробно, процесс выглядит примерно так. Пища состоит из белков, жиров, углеводов, витаминов, микроэлементов и минералов. Эти вещества расщепляются ферментами в пищеварительной системе, поступают в кровь и с её помощью переносятся к каждой клеточке тела.

Клетки реагируют на сигнал «кушать подано», открываются, пропускают необходимое питание, с помощью кислорода сжигают (окисляют) его, а в процессе получают энергию. Именно она позволяет клеткам функционировать, а организму в целом — дышать, двигаться, думать, жить.

Это ещё не всё. В результате окисления в клетке образуются продукты распада: углекислый газ, вода, молочная кислота, разнообразные соли. Все они возвращаются в кровь, а та транспортирует их к органам выделительной системы: печени, почкам, лёгким…

Так работает обмен веществ в норме.

Что такое нарушение обмена веществ

Это сбой ^{на любом этапе метаболизма. Например, в пищеварительной системе может не хватать ферментов, чтобы расщепить пищу и обеспечить доставку питания в кровь. Или в крови может оказаться слишком мало кислорода, из-за чего клетки не смогут окислить питательные вещества и получить нужное количество энергии. А может, клетки, к которым кровь принесёт питание, не примут его. Или, положим, не полностью выведут продукты распада и начнут отравлять сами себя.}

Вариантов нарушений — сотни. При любом из них клетки получают ^{слишком мало или слишком много тех или иных веществ. И это серьёзно сказывается на их работоспособности, а в итоге — на нашем самочувствии и здоровье.}

Как распознать нарушения обмена веществ

Человеческое тело очень чувствительно к любым нарушениям метаболизма. Недостаток питания или избыток продуктов распада затрагивает клетки всех органов и тканей, включая мозг, нервные окончания, мышцы, сердце и сосуды, кожу, печень, эндокринные железы и так далее. Кроме того, он влияет на выработку гормонов, управляющих процессами во всём организме. Поэтому симптомы могут быть самыми разными: от постоянной тяги к сладкому до заболеваний внутренних органов.

Тем не менее предположить нарушение обмена веществ даже на начальной стадии всё же можно. Вот самые распространённые симптомы:

• быстрая утомляемость;
• упадок сил, хроническая усталость;
• нарушения менструального цикла у женщин;
• беспричинный (на первый взгляд, естественно) набор или потеря веса;
• ухудшения памяти и когнитивных способностей;
• ухудшение состояния кожи (появление акне и раздражений) и ногтей, ломкость и выпадение волос;
• сердечная аритмия, скачки давления;
• перепады настроения;
• постоянные запоры или диарея;
• учащённое мочеиспускание;
• пониженная или повышенная температура, которая долго держится.

По отдельности каждый из этих симптомов может иметь собственное, неметаболическое обоснование. Но если вы наблюдаете у себя сразу несколько признаков, необходимо как можно быстрее обратиться к терапевту.

Обменные нарушения не обязательно что-то страшное: часто они легко корректируются. Но бывают случаи, когда сбои говорят о развитии серьёзного заболевания, например диабета. Важно этот сигнал не пропустить.

Почему происходит нарушение обмена веществ

Вот список наиболее распространённых причин метаболических сбоев:

• Генетическая предрасположенность. Возможно, ваше тело изначально не вырабатывает те или иные ферменты, необходимые для полноценного пищеварения. Или неправильно выводит продукты распада из клеток. А может, определённые продукты повреждают ворсинки в кишечнике, не позволяя тому пропускать переваренную пищу в кровь (на этом механизме основана, например, непереносимость глютена).
• Возраст. Годы меняют гормональный баланс. Например, во время климакса у женщин снижается выработка эстрогена. Это вызывает проблемы с обменом веществ.
• Паразиты. Глисты и патогенные микроорганизмы нарушают процесс преобразования пищи в энергию.
• Нервное перенапряжение. Стрессы — частые провокаторы нарушений обмена веществ.
• Вредные привычки. В частности, злоупотребление алкоголем и курением или страсть к сидяче-лежачему образу жизни.
• Диеты или нерегулярное питание. Они могут спровоцировать гипогликемию — состояние, характеризующееся постоянно низким уровнем сахара в крови, что тоже влияет на метаболизм.
• Некоторые перенесённые заболевания, в том числе вирусные — грипп, корь, ветрянка.
• Приём лекарственных препаратов, например оральных контрацептивов.

Что делать, если у вас нарушение обмена веществ

Главное — не разбрасываться диагнозами самостоятельно. Установить, что ваш метаболизм действительно дал сбой, может только терапевт. Для этого он заглянет в вашу медицинскую карту, расспросит об образе жизни, изменениях в самочувствии и внешности, предложит сдать анализы. В зависимости от результатов медик может отправить вас к эндокринологу или иному узкому специалисту.

Если причина нарушения обмена веществ кроется в болезни какого-то органа или генетической предрасположенности, схему лечение должен составить профессионал, учитывая ваши индивидуальные особенности.

Если же нарушения обмена веществ не связаны с генетикой и заболеваниями, их можно скорректировать самостоятельно. Для этих целей терапевт порекомендует вам внести некоторые изменения в образ жизни:

• Следите за тем, чтобы ваш рацион был полноценным. Овощи, фрукты, мясо и кисломолочные продукты помогут вам поддерживать необходимый баланс питательных веществ.
• Питайтесь регулярно. Завтрак, обед, ужин, пара перекусов между ними.
• Откажитесь от фастфуда и полуфабрикатов. Они заставляют нас накапливать жировую ткань, которая, в свою очередь, влияет на гормональный фон и в итоге на метаболизм в целом.
• Больше двигайтесь. Если нет времени на спортзал, хотя бы начните подниматься в офис и домой по лестнице, а не на лифте и по возможности больше гуляйте в выходные.

Кстати, этот же список мероприятий — эффективная профилактика нарушений обмена веществ.

Читайте также 🤕🧐😉

Метаболизм | Очерки биохимии

Фенилкетонурия (ФКУ) и дефицит ацил-КоА-дегидрогеназы со средней длиной цепи (MCADD) — два наиболее часто наследуемых нарушения обмена веществ, которым страдает примерно 1 из 10000 новорожденных в Великобритании.

ФКУ — это аминокислотное заболевание, вызванное дефицитом фермента фенилаланингидроксилазы, вызывающим ферментативный блок. Это приводит к снижению метаболизма аминокислоты фенилаланина, вызывая повышенное накопление в крови и головном мозге. Если не лечить новорожденных, это может вызвать задержку развития или повреждение головного мозга. Лечение начинается рано с диеты с низким содержанием белка, дополненной смесью аминокислот с удаленным фенилаланином. Однако небольшая часть людей с диагнозом ФКУ не отвечает на этот предложенный вид лечения. Эти люди обычно имеют дефекты синтеза дигидроптеридинредуктазы или биоптерина, вызывающие нарушение функции фенилаланингидроксилазы. Эти люди также обычно имеют дефекты тирозингидроксилазы, что может привести к дефициту нейротрансмиттеров.Затем этим пациентам требуются дополнительные добавки с нейротрансмиттерами, а также диета с низким содержанием фенилаланина.

MCADD — это пожизненное состояние, которое возникает из-за мутации ацил-CoA дегидрогеназы со средней длиной цепи (MCAD) β-окисления жирных кислот. Эта мутация нарушает расщепление жирных кислот со средней длиной цепи в ацетил-КоА. Потеря или недостаточность MCAD снижает окисление жирных ацил-CoA, которые содержат более шести атомов углерода, поскольку первая стадия дегидрирования β-окисления не может происходить. Используя тандемную масс-спектрометрию, можно увидеть, что профиль жирных кислот крови в MCADD показывает накопление C6, C8 и C10: 1. MCADD является основной причиной гипокетотической гипогликемии и может вызывать нарушение функции печени с метаболическим ацидозом, гипераммониемией и внезапной смертью. MCADD особенно опасен во время голодания, когда организм использует запасы гликогена, а свободные жирные кислоты высвобождаются из жировой ткани для получения энергии. Сниженная способность метаболизировать средние жирные кислоты значительно снижает доступность субстратов для кетогенеза, синтеза АТФ и цикла TCA при низкой энергии.Накопление промежуточных продуктов жирных кислот подавляет глюконеогенез, усугубляя гипогликемию. Это накопление также может способствовать сердечно-сосудистым и неврологическим осложнениям, обнаруживаемым в этих условиях. Лечение пациентов с MCADD включает потребление напитков с высоким содержанием сахара и избегание длительных периодов голодания.

Последнее наследственное нарушение обмена веществ, которое мы обсуждаем, встречается гораздо реже и встречается у 1 из 100 000 или 1 50000 новорожденных. Болезнь мочи кленового сиропа (MSUD) возникает из-за дефицита или снижения функции комплекса дегидрогеназы α-кетокислоты с разветвленной цепью (BCKAD). Это приводит к накоплению аминокислот с разветвленной цепью (BCAA), таких как лейцин, изолейцин и валин, в крови и моче. Название заболевания происходит от запаха мочи кленового сиропа из-за избытка BCAA. BCAA потребляются в рационе, богатом белком, в таких продуктах, как мясо, рыба, яйца и молоко. Обычно избыточные аминокислоты расщепляются через аминотрансферазы с разветвленной цепью (BCAT) на α-кетокислоты в митохондриях.На второй стадии катаболизма комплекс BCKAD инициирует окислительное декарбоксилирование α-кетокислот, что приводит к образованию ацетоацетата, ацетил-КоА и сукцинил-КоА. Нормальное функционирование катаболизма аминокислот необходимо для синтеза белка, передачи клеточных сигналов и метаболизма глюкозы. BCKAD состоит из четырех субъединиц. Мутации в каталитических компонентах BCKAD снижают его активность и, следовательно, увеличивают уровни BCAA, проявляясь как MSUD и вызывая дисфункцию иммунной системы, скелетных мышц и центральной нервной системы.По мере накопления токсичных метаболитов, таких как молочная кислота и аммиак, функция иммунных клеток подавляется, вызывая нарушение их регуляции. Скелетные мышцы повреждены, как показали исследования, которые обнаружили уменьшение диаметра мышечных волокон и поражения миофибрилл у крыс MSUD, однако его механизм полностью не изучен. Нарушение регуляции нервной системы, в частности, поражение головного мозга, было связано с накоплением токсичных метаболитов. Однако исследования показали, что образование азот-активных форм у пациентов с MSUD может вызывать морфологические изменения в клетках глиомы C6.Кроме того, у пациентов с MSUD обнаруживаются маркеры окислительного повреждения белков, ДНК и липидов, возможно, в результате продукции свободных радикалов.

Cell Metabolism — обзор

5.1 Внутренняя регуляция функции стволовых клеток

Клеточный метаболизм и воздействие окружающей среды могут привести к повреждению ДНК, особенно в коже, которая напрямую получает УФ-излучение от солнца и мутагенов окружающей среды, которые могут вызвать геномную нестабильность. Интересно, что HFSC более устойчивы к радиационным повреждениям по сравнению с другими эпителиальными клетками кожи (Sotiropoulou et al., 2010). Для достижения этой устойчивости HFSC экспрессируют высокие уровни антиапоптотического белка B-клеточной лимфомы 2 (Bcl2) и временно экспрессируют p53, что способствует выживанию. Кроме того, рак груди 1 (Brca1) необходим для восстановления повреждений ДНК (Gudmundsdottir & Ashworth, 2006; Moynahan & Jasin, 2010), а эпидермальная делеция Brca1 приводит к дефектам образования HF, а также к индукции каспазозависимого апоптоза, который приводит к к гиперпролиферации и последующему истощению взрослых СК (Sotiropoulou et al., 2013). Дифференциальная регуляция повреждений ДНК в SCs также существует в других тканях (Mandal, Blanpain, & Rossi, 2011) и может быть сходной с механизмами, которые действуют в SCs в IFE и др. Эпидермальных придатках.

Было идентифицировано несколько регуляторов транскрипции функции SC в HF, которые являются общими для SC других тканей, включая фактор транскрипции 3 и 4 (TCF3 / 4), ядерный фактор активированных Т-клеток 1 (NFATc1) и область определения пола Y -box 9 (Sox9) (Blanpain & Fuchs, 2006; Nguyen et al., 2009; Нгуен, Рендл и Фукс, 2006; Новак, Полак, Пазолли и Фукс, 2008 г.). Кроме того, Lgr5 (Barker et al., 2007) и атипичный HOP гомеобоксный белок Hopx экспрессируются с помощью кишечного SC эпителиального пула в основании крипты (Takeda, Jain, LeBoeuf, Wang, & Lu, 2011). В HF Hopx экспрессируется внутри клеток bulge и может вносить вклад во все клоны HF при росте HF, а также в клетки IFE при ранении (Takeda, Jain, LeBoeuf, & Padmanabhan, 2013). Клетки нижнего балджа, экспрессирующие SC-маркер Lgr5, также экспрессируют Hopx, способны избегать апоптоза во время фазы смерти при HF и вносить долгосрочный вклад в поддержание клеток балджа (Takeda et al., 2013).

Фактор транскрипции LIM гомеобокс-белок 2 (Lhx2) — еще один гомеобоксный белок, который участвует в регуляции морфогенеза и формирования паттерна эктодермальных производных, а также в поддержании и покое SC в нише HF SC (Mardaryev et al., 2011; Rhee, Polak , & Fuchs, 2006; Törnqvist, Sandberg, Hägglund, & Carlsson, 2010). Lhx2 экспрессируется в выпуклости и вторичном зачатке волоса, где он локализуется совместно с SC маркерами Sox9, Tcf4 и Lgr5. В ответ на повреждение кожи клетки Lhx2 ⁺ внутри выпуклости и вторичного волосяного зародыша пролиферируют и способствуют реэпителизации кожи посредством положительной регуляции Sox9 и Tcf4 , в то же время подавляя цикл HF посредством отрицательной регуляции Lgr5 ( Mardaryev et al. al., 2011). Эти и многие другие исследования предоставили новое понимание того, как пути передачи сигналов Wnt и BMP и сети регуляции транскрипции модулируют активность эпителиальных СК во время нормального гомеостаза и в ответ на повреждение (Blanpain & Fuchs, 2006; Lee & Tumbar, 2012; Sennett & Rendl, 2012).

Эпителиальные SCs также регулируются посттранскрипционно и частично трансляционно с помощью микроРНК (miRNAs), которые представляют собой небольшие некодирующие РНК, которые изменяют трансляцию или стабильность РНК для контроля экспрессии генов.Полное устранение продукции miRNA путем делеции вышестоящего процессингового фермента Dicer у мышей приводит к перинатальной летальности и тяжелым дефектам HF (Andl et al., 2006; Yi et al., 2006). К числу этих дефектов относятся неразвитые и смещенные HFs, повышенный апоптоз и отсутствие клеток K15 ⁺ и CD34 ⁺ в компартменте выпуклости, что указывает на то, что miRNAs, в целом, важны для поддержания HF SC (Andl et al., 2006).

Некоторые miRNAs пространственно-временные регулируются внутри IFE и HFSCs.Было показано, что MiR203 преимущественно обогащен IFE по сравнению с HF (Andl et al., 2006; Yi, Poy, Stoffel, & Fuchs, 2008) и достаточен для стимулирования дифференциации IFE и подавления самообновления в IFE путем контроля экспрессия p63 (Andl et al., 2006; Yi et al., 2008). Кроме того, miR203 транскрипционно активируется во время асимметричного клеточного деления в развивающемся эпидермисе, локализуясь в дифференцированной дочерней клетке, где он способствует выходу из клеточного цикла и устраняет самовыражение. -обновление в процессе, включающем совместную супрессию p63, белка 2, связанного с S-фазой киназы (Skp2), и белка, связывающего РНК musashi 2 (Msi2) (Jackson et al., 2013).

Дополнительная miRNA, miR125b, достаточна для изменения гомеостаза IFE и отмены спецификации волос (Zhang, Stokes, Polak, & Fuchs, 2011). MiR31 также может изменять активность HFSC, воздействуя на фактор роста фибробластов 10 (Fgf10), без дистального гомеобокса. 3 (Dlx3), несколько генов кератина, а также компоненты сигнальных путей Wnt и BMP (Mardaryev et al., 2010). Дифференциальная регуляция нескольких miRNAs в эпителии кожи предполагает, что роли дополнительных miRNAs будут определяться по мере того, как это растущее поле продолжает расширяться.

Другой уровень регуляции SCs кожи происходит посредством модификации гистонов и ДНК, чтобы эпигенетически регулировать транскрипцию (Calo & Wysocka, 2013). Несколько эпигенетических факторов играют роль в дифференцировке эпидермиса (Mulder et al., 2012). Ацетилирование и метилирование гистонов посредством активности гистондеацетилазы и метилтрансферазы, соответственно, регулируют развитие IFE (Driskell et al., 2012; LeBoeuf et al., 2010) и гомеостаз (Driskell et al., 2012). Поддержание репрессивных модификаций гистонов через репрессорный комплекс polycomb, энхансер гомолога 1 zeste (Ezh2) и Ezh3 необходимы для дифференцировки IFE, а также для морфогенеза и поддержания HF (Bardot et al., 2013; Ежкова и др., 2011). Клеткам Меркеля также необходимы белки Ezh3 для своего поддержания посредством регуляции фактора транскрипции Sox2 (Bardot et al., 2013). Метилирование гистонов, контролируемое доменом деметилазы Jumonji, содержащим 3 (JmjD3), необходимо для дифференцировки IFE (Sen, Webster, Barragan, Chang, & Khavari, 2008), в то время как белок 2, содержащий домен деметилазы Jumonji / jmjc (Jarid2), необходим для поддерживать базальных предшественников IFE (Mejetta et al., 2011). Кроме того, ДНК-метилтрансфераза 1 (DNMT1) и убиквитин, содержащий PHD и домен-1 пальца RING (UHRF1), экспрессируются в базальных клетках и подавляются, как только клетки входят в программу дифференцировки, что позволяет предположить, что они также участвуют в регуляции стволовости.Удаление DNMT1 в тестах на регенерацию кожи человека вызывало преждевременную дифференцировку предшественников и прогрессирующую потерю ткани, что дополнительно демонстрирует его важность для самообновления (Sen, Reuter, Webster, Zhu, & Khavari, 2010).

Дополнительный контроль функции SC происходит посредством регуляции экспрессии генов путем изменения положения нуклеосом посредством действия комплексов ремоделирования хроматина, таких как комплекс SWI / SNF (Kidder, Palmer, & Knott, 2009). Перестраивая положения нуклеосом в хроматине, эти комплексы регулируют занятость РНК-полимеразы II и, таким образом, инициацию транскрипции АТФ-зависимым образом (Liu, Balliano, & Hayes, 2011).В основе этих комплексов ген 1, связанный с brahma (Brg1), действует как каталитическая субъединица и регулирует пролиферацию и дифференцировку SC. В HF недавно было показано, что Brg1 динамически активируется после активации SC в коже. Делеция Brg1 с помощью bulge-специфического NFATc1-Cre индуцирует преждевременную регрессию HF, потерю HFSCs и прогрессирующую потерю волос (Xiong et al., 2013). Молекулярно Brg1 и Shh действуют в молекулярной петле, где Brg1 регулирует экспрессию Shh, а Shh активирует экспрессию Brg1 в фолликуле (Xiong et al., 2013). Регулирует ли Brg1 дополнительные гены, чтобы контролировать функцию HFSC, будет интересной областью будущих исследований.

4.1 Энергия и метаболизм — Концепции биологии — 1-е канадское издание

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Объясните, какие метаболические пути имеют
• Изложите первый и второй законы термодинамики.
• Объясните разницу между кинетической и потенциальной энергией
• Опишите эндергонические и экзэргонические реакции
• Обсудите, как ферменты действуют как молекулярные катализаторы

Посмотрите видео о гетеротрофах.

Ученые используют термин биоэнергетика для описания концепции потока энергии (рис. 4.2) через живые системы, такие как клетки. Клеточные процессы , такие как построение и разрушение сложных молекул , происходят посредством ступенчатых химических реакций . Некоторые из этих химических реакций являются спонтанными и высвобождают энергию, тогда как другие требуют энергии для протекания. Точно так же, как живые существа должны постоянно потреблять пищу для пополнения своих запасов энергии, клетки должны постоянно производить больше энергии, чтобы восполнить то, что используется многими химическими реакциями, требующими энергии, которые постоянно происходят.В совокупности, , все химические реакции , которые происходят внутри клеток, включая те, которые потребляют или генерируют энергию, называются метаболизмом клетки .

Рис. 4.2. В конечном счете, большинство форм жизни получают энергию от солнца. Растения используют фотосинтез для захвата солнечного света, а травоядные животные поедают растения для получения энергии. Плотоядные животные едят травоядных, и возможное разложение растительного и животного материала способствует пополнению запасов питательных веществ.

Рассмотрим метаболизм сахара.Это классический пример одного из многих клеточных процессов, которые используют и производят энергию. Живые существа потребляют сахар в качестве основного источника энергии, потому что молекулы сахара имеют много энергии, хранящейся в их связях. По большей части фотосинтезирующие организмы, такие как растения, производят эти сахара. Во время фотосинтеза растения используют энергию (первоначально солнечного света) для преобразования газообразного диоксида углерода (CO ₂ ) в молекулы сахара (например, глюкозы: C ₆ H ₁₂ O ₆ ).Они потребляют углекислый газ и выделяют кислород в качестве побочного продукта. Эта реакция резюмируется как:

6CO ₂ + 6H ₂ O + энергия ——-> C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

Поскольку этот процесс включает синтез молекулы, накапливающей энергию, для его выполнения требуется подача энергии. Во время световых реакций фотосинтеза энергия обеспечивается молекулой, называемой аденозинтрифосфатом (АТФ) , которая является основным источником энергии для всех клеток.Так же, как доллар используется в качестве валюты для покупки товаров, клетки используют молекулы АТФ в качестве энергетической валюты для выполнения немедленной работы. Напротив, молекулы-накопители энергии, такие как глюкоза, потребляются только для того, чтобы расщепиться для использования своей энергии. Реакцию, которая собирает энергию молекулы сахара в клетках, нуждающихся в кислороде для выживания, можно описать обратной реакцией на фотосинтез. В этой реакции расходуется кислород и выделяется углекислый газ в качестве побочного продукта. Реакция резюмируется как:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ ——> 6CO ₂ + 6H ₂ O + энергия

Обе эти реакции включают много этапов.

Процессы производства и расщепления молекул сахара иллюстрируют два примера метаболических путей. Метаболический путь представляет собой серию химических реакций, в которых исходная молекула изменяется, шаг за шагом, через ряд промежуточных продуктов метаболизма, в конечном итоге приводя к конечному продукту. В примере метаболизма сахара первый метаболический путь синтезирует сахар из более мелких молекул, а другой путь расщепляет сахар на более мелкие молекулы. Эти два противоположных процесса — первый, требующий энергии, а второй — производящий энергию — называются анаболическими путями (строительные полимеры) и катаболическими путями (разрушение полимеров на их мономеры) соответственно.Следовательно, метаболизм состоит из синтеза (анаболизма) и деградации (катаболизма) (рис. 4.3).

Важно знать, что химические реакции метаболических путей не происходят сами по себе. Каждая стадия реакции ускоряется или катализируется белком, называемым ферментом. Ферменты важны для катализирования всех типов биологических реакций — как тех, которые требуют энергии, так и тех, которые выделяют энергию.

Рис. 4.3. Катаболические пути — это те пути, которые генерируют энергию, расщепляя более крупные молекулы.Анаболические пути — это те, которые требуют энергии для синтеза более крупных молекул. Оба типа путей необходимы для поддержания энергетического баланса клетки.

Термодинамика относится к изучению энергии и передачи энергии с участием физической материи. Материя, относящаяся к конкретному случаю передачи энергии, называется системой, а все, что находится вне этой материи, называется окружающей средой. Например, при нагревании кастрюли с водой на плите система включает плиту, кастрюлю и воду.Энергия передается внутри системы (между плитой, кастрюлей и водой). Есть два типа систем: открытая и закрытая. В открытой системе можно обмениваться энергией с окружающей средой. Плита открыта, потому что тепло может отдаваться воздуху. Закрытая система не может обмениваться энергией со своим окружением.

Биологические организмы — открытые системы. Между ними и их окружением происходит обмен энергией, поскольку они используют энергию солнца для фотосинтеза или потребляют молекулы, накапливающие энергию, и выделяют энергию в окружающую среду, выполняя работу и выделяя тепло.Как и все в физическом мире, энергия подчиняется физическим законам. Законы термодинамики управляют передачей энергии внутри и между всеми системами во Вселенной.

В общем, энергия определяется как способность выполнять работу или создавать какие-либо изменения. Энергия существует в разных формах. Например, электрическая энергия, световая энергия и тепловая энергия — это разные виды энергии. Чтобы понять, как энергия поступает в биологические системы и выходит из них, важно понимать два физических закона, управляющих энергией.

Первый закон термодинамики гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно и сохраняется. Другими словами, во Вселенной всегда было и будет точно такое же количество энергии. Энергия существует во многих различных формах . Согласно первому закону термодинамики, энергия может передаваться с места на место или преобразовываться в различные формы, , но не может быть создана или уничтожена . Передачи и преобразования энергии происходят вокруг нас постоянно.Лампочки преобразуют электрическую энергию в световую и тепловую. Газовые плиты преобразуют химическую энергию природного газа в тепловую. Растения осуществляют одно из наиболее биологически полезных преобразований энергии на Земле: преобразование энергии солнечного света в химическую энергию, хранящуюся в органических молекулах (рис. 4.2). Некоторые примеры преобразования энергии показаны на рисунке 4.4.

Задача всех живых организмов — получить энергию из окружающей среды в формах, которые они могут передавать или преобразовывать в полезную энергию для выполнения работы.Живые клетки эволюционировали, чтобы справиться с этой задачей. Химическая энергия, хранящаяся в органических молекулах, таких как сахара и жиры, передается и преобразуется посредством ряда клеточных химических реакций в энергию в молекулах АТФ. Энергия в молекулах АТФ легко доступна для работы. Примеры типов работы, которую должны выполнять клетки, включают построение сложных молекул, транспортировку материалов, обеспечение движения ресничек или жгутиков и сокращение мышечных волокон для создания движения.

Рисунок 4.4 Показаны некоторые примеры передачи и преобразования энергии из одной системы в другую и из одной формы в другую. Пища, которую мы потребляем, обеспечивает наши клетки энергией, необходимой для выполнения функций организма, так же как световая энергия дает растениям средства для создания необходимой им химической энергии. (кредит «мороженое»: модификация работы Д. Шэрон Прюитт; кредит «дети»: модификация работы Макса из Провиденса; кредитный «лист»: модификация работы Кори Занкера)

Основные задачи получения живой клетки, преобразование и использование энергии для работы может показаться простым.Однако второй закон термодинамики объясняет, почему эти задачи сложнее, чем кажется. Все передачи и преобразования энергии никогда не бывают полностью эффективными . При каждой передаче энергии некоторое количество энергии теряется в непригодной для использования форме. В большинстве случаев это форма тепловой энергии. Термодинамически тепловая энергия определяется как неработающая энергия, передаваемая от одной системы к другой. Например, когда включается электрическая лампочка, часть энергии, преобразуемой из электрической энергии в энергию света, теряется в виде тепловой энергии.Точно так же часть энергии теряется в виде тепловой энергии во время клеточных метаболических реакций.

Важным понятием в физических системах является понятие порядка и беспорядка. Чем больше энергии теряется системой в свое окружение, тем менее упорядоченной и случайной является система. Ученые называют меру случайности или беспорядка в системе энтропией . Высокая энтропия означает высокий беспорядок и низкую энергию. Молекулы и химические реакции также имеют разную энтропию. Например, энтропия увеличивается, когда молекулы с высокой концентрацией в одном месте диффундируют и разлетаются.Второй закон термодинамики гласит, что энергия всегда будет теряться в виде тепла при передаче или преобразовании энергии.

Живые существа очень упорядочены, и для поддержания низкого уровня энтропии требуется постоянный ввод энергии.

Когда объект находится в движении, с ним связана энергия. Подумайте о шаре для разрушения. Даже медленно движущийся шар-разрушитель может нанести большой урон другим объектам. Энергия, связанная с движущимися объектами, называется кинетической энергией (Рисунок 4.5). Ускоряющаяся пуля, идущий человек и быстрое движение молекул в воздухе (выделяющих тепло) — все они обладают кинетической энергией.

А что, если тот же самый неподвижный шар для разрушения поднять краном на два этажа над землей? Если подвешенный шар для разрушения неподвижен, связана ли с ним энергия? Ответ положительный. Энергия, которая требовалась для подъема разрушающего шара, не исчезла, а теперь сохраняется в разрушающем шаре в силу его положения и силы тяжести, действующей на него.Этот вид энергии называется потенциальной энергией (рис. 4.5). Если мяч упадет, потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую энергию до тех пор, пока вся потенциальная энергия не будет исчерпана, когда мяч упадет на землю. Шары-крушители тоже качаются, как маятник; во время качания происходит постоянное изменение потенциальной энергии (самая высокая в верхней части качания) на кинетическую энергию (самая высокая в нижней части качания). Другие примеры потенциальной энергии включают энергию воды, удерживаемой за плотиной, или человека, который собирается прыгнуть с парашютом из самолета.

Рисунок 4.5 У негазированной воды есть потенциальная энергия; движущаяся вода, например, в водопаде или в быстро текущей реке, обладает кинетической энергией. (кредит «дамба»: модификация работы «Паскаля» / Flickr; кредит «водопад»: модификация работы Фрэнка Гуалтьери)

Потенциальная энергия связана не только с расположением материи, но и со структурой материи. Даже пружина на земле имеет потенциальную энергию, если она сжата; то же самое происходит и с туго натянутой резинкой. На молекулярном уровне связи, которые удерживают атомы молекул вместе, существуют в определенной структуре, обладающей потенциальной энергией.Помните, что анаболические клеточные пути требуют энергии для синтеза сложных молекул из более простых, а катаболические пути высвобождают энергию при расщеплении сложных молекул. Тот факт, что энергия может выделяться при разрыве определенных химических связей, означает, что эти связи обладают потенциальной энергией. Фактически, в связях всех пищевых молекул, которые мы едим, хранится потенциальная энергия, которая в конечном итоге используется для использования. Это потому, что эти связи могут высвобождать энергию при разрыве.Тип потенциальной энергии, которая существует в химических связях и высвобождается при разрыве этих связей, называется химической энергией. Химическая энергия отвечает за обеспечение живых клеток энергией из пищи. Высвобождение энергии происходит при разрыве молекулярных связей в молекулах пищи.

Посмотрите видео о килокалориях.

Концепция в действии

Посетите сайт и выберите «Маятник» в меню «Работа и энергия», чтобы увидеть изменение кинетической и потенциальной энергии маятника в движении.

После того, как мы узнали, что химические реакции высвобождают энергию при разрыве энергосохраняющих связей, возникает следующий важный вопрос: как количественно и выражается энергия, связанная с этими химическими реакциями? Как можно сравнить энергию, выделяемую в результате одной реакции, с энергией другой реакции? Измерение свободной энергии используется для количественной оценки этой передачи энергии. Напомним, что согласно второму закону термодинамики, любая передача энергии связана с потерей некоторого количества энергии в непригодной для использования форме, такой как тепло.Свободная энергия, в частности, относится к энергии, связанной с химической реакцией, которая доступна после учета потерь. Другими словами, свободная энергия — это полезная энергия или энергия, доступная для выполнения работы.

Если энергия выделяется во время химической реакции, то изменение свободной энергии, обозначенное как ∆G (дельта G), будет отрицательным числом. Отрицательное изменение свободной энергии также означает, что продукты реакции имеют меньше свободной энергии, чем реагенты, потому что они выделяют некоторую свободную энергию во время реакции.Реакции, которые имеют отрицательное изменение свободной энергии и, следовательно, высвобождают свободную энергию, называются экзергоническими реакциями. Подумайте: ex эргономичный означает, что энергия ex в системе. Эти реакции также называются спонтанными реакциями, и их продукты имеют меньше накопленной энергии, чем реагенты. Необходимо провести важное различие между термином «спонтанный» и идеей немедленного протекания химической реакции. В отличие от повседневного использования этого термина, спонтанная реакция — это не реакция, которая возникает внезапно или быстро.Ржавчина железа — это пример спонтанной реакции, которая происходит медленно, мало-помалу, с течением времени.

Если химическая реакция поглощает энергию, а не высвобождает ее в балансе, то ∆G для этой реакции будет положительным значением. В этом случае у продуктов больше свободной энергии, чем у реагентов. Таким образом, продукты этих реакций можно рассматривать как молекулы, запасающие энергию. Эти химические реакции называются эндергоническими реакциями и несамопроизвольными .Эндергоническая реакция не будет происходить сама по себе без добавления свободной энергии.

Рисунок 4.6. Показаны некоторые примеры эндергонических процессов (требующих энергии) и экзэргонических процессов (тех, которые выделяют энергию). (кредит а: модификация работы Натали Мэйнор; кредит b: модификация работы Министерством сельского хозяйства США; кредит c: модификация работы Кори Занкера; кредит d: модификация работы Гарри Мальша)

Посмотрите на каждый из представленных процессов и решите если он эндергонический или экзэргонический.

Есть еще одна важная концепция, которую необходимо учитывать в отношении эндергонических и экзэргонических реакций. Экзергонические реакции требуют небольшого количества энергии для начала, прежде чем они смогут приступить к своим этапам высвобождения энергии. Эти реакции имеют чистое высвобождение энергии, но все же требуют некоторого ввода энергии вначале. Это небольшое количество энергии, необходимое для протекания всех химических реакций, называется энергией активации.

Концепция в действии

Посмотрите анимацию перехода от свободной энергии к переходному состоянию реакции.

Вещество, которое способствует протеканию химической реакции, называется катализатором, а молекулы, катализирующие биохимические реакции, называются ферментами. Большинство ферментов — это белков и , которые выполняют критическую задачу , снижая энергию активации химических реакций внутри клетки. Большинство реакций, важных для живой клетки, протекают слишком медленно при нормальных температурах, чтобы быть полезными для клетки. Без ферментов ускорить эти реакции , жизнь не могла бы существовать.Ферменты делают это, связываясь с молекулами реагентов и удерживая их таким образом, чтобы облегчить процессы разрыва и образования химических связей. Важно помнить, что ферменты не изменяют, является ли реакция экзергонической (спонтанной) или эндергонической. Это потому, что они не изменяют свободную энергию реагентов или продуктов. Они только уменьшают энергию активации, необходимую для продолжения реакции (рис. 4.7). Кроме того, сам фермент не изменяется в результате реакции, которую он катализирует.После того, как одна реакция катализируется, фермент может участвовать в других реакциях.

Рис. 4.7. Ферменты снижают энергию активации реакции, но не изменяют свободную энергию реакции.

Химические реагенты, с которыми связывается фермент, называются субстратами фермента. В зависимости от конкретной химической реакции может быть один или несколько субстратов. В некоторых реакциях один реагент-субстрат распадается на несколько продуктов. В других случаях два субстрата могут объединиться, чтобы создать одну большую молекулу.Два реагента также могут вступить в реакцию, и оба они станут модифицированными, но выходят из реакции в виде двух продуктов. Место внутри фермента, где связывается субстрат, называется активным сайтом фермента . Активный сайт — это место, где происходит «действие». Поскольку ферменты являются белками, в активном центре существует уникальная комбинация боковых цепей аминокислот. Каждая боковая цепь характеризуется разными свойствами. Они могут быть большими или маленькими, слабокислотными или основными, гидрофильными или гидрофобными, положительно или отрицательно заряженными или нейтральными.Уникальная комбинация боковых цепей создает очень специфическую химическую среду в активном центре. Эта специфическая среда подходит для связывания с одним конкретным химическим субстратом (или субстратами).

Активные сайты подвержены влиянию местной среды. Повышение температуры окружающей среды обычно увеличивает скорость реакции, катализируемой ферментами или иначе. Однако температуры за пределами оптимального диапазона снижают скорость, с которой фермент катализирует реакцию. Высокие температуры в конечном итоге вызывают денатурирование ферментов, необратимое изменение трехмерной формы и, следовательно, функции фермента.Ферменты также подходят для наилучшего функционирования в определенном диапазоне pH и концентрации соли, и, как и в случае с температурой, экстремальные значения pH и концентрации соли могут вызывать денатурирование ферментов.

В течение многих лет ученые считали, что связывание фермента с субстратом происходит простым «замком и ключом». Эта модель утверждает, что фермент и субстрат идеально сочетаются друг с другом за один мгновенный шаг. Однако текущие исследования поддерживают модель, называемую индуцированной подгонкой (рис. 4.8). Модель индуцированной подгонки расширяет модель блокировки и ключа, описывая более динамическое связывание между ферментом и субстратом.Когда фермент и субстрат объединяются, их взаимодействие вызывает небольшой сдвиг в структуре фермента, который формирует идеальную структуру связывания между ферментом и субстратом.

Концепция в действии

Просмотрите анимацию индуцированной посадки.

Когда фермент связывает свой субстрат, образуется комплекс фермент-субстрат. Этот комплекс снижает энергию активации реакции и способствует ее быстрому развитию одним из множества возможных способов. На базовом уровне ферменты способствуют химическим реакциям, в которых участвует более одного субстрата, объединяя субстраты вместе в оптимальной ориентации для реакции.Другой способ, которым ферменты способствуют реакции своих субстратов, — это создание оптимальной среды в активном центре для протекания реакции. Химические свойства, проистекающие из особого расположения R-групп аминокислот в активном центре, создают идеальную среду для реакции определенных субстратов фермента.

Комплекс фермент-субстрат может также снизить энергию активации за счет нарушения структуры связи, так что ее легче разорвать. Наконец, ферменты также могут снижать энергию активации, принимая участие в самой химической реакции.В этих случаях важно помнить, что фермент всегда возвращается в исходное состояние по завершении реакции. Одним из отличительных свойств ферментов является то, что они в конечном итоге остаются неизменными в результате катализируемых ими реакций. После того, как фермент катализирует реакцию, он высвобождает свой продукт (продукты) и может катализировать новую реакцию.

Рис. 4.8. Модель индуцированной подгонки представляет собой корректировку модели «замок-и-ключ» и объясняет, как ферменты и субстраты претерпевают динамические модификации во время переходного состояния для увеличения сродства субстрата к активному сайту.

Казалось бы, идеальным иметь сценарий, в котором все ферменты организма существуют в изобилии и оптимально функционируют во всех клеточных условиях, во всех клетках, во все времена. Однако множество механизмов гарантирует, что этого не произойдет. Клеточные потребности и условия постоянно меняются от клетки к клетке и со временем меняются внутри отдельных клеток. Необходимые ферменты клеток желудка отличаются от ферментов жировых клеток, клеток кожи, клеток крови и нервных клеток. Кроме того, клетка пищеварительного органа намного усерднее обрабатывает и расщепляет питательные вещества в течение времени, которое следует за едой, по сравнению со многими часами после еды.Поскольку эти клеточные потребности и условия меняются, должны меняться количества и функциональность различных ферментов.

Поскольку скорость биохимических реакций контролируется энергией активации, а ферменты ниже и определяют энергию активации химических реакций, относительные количества и функционирование различных ферментов в клетке в конечном итоге определяют, какие реакции будут протекать и с какой скоростью. Это определение строго контролируется в клетках. В определенных клеточных средах активность ферментов частично контролируется факторами окружающей среды, такими как pH, температура, концентрация соли и, в некоторых случаях, кофакторами или коферментами.

Ферменты также можно регулировать способами, которые либо способствуют, либо снижают активность фермента. Есть много видов молекул, которые подавляют или стимулируют функцию ферментов, и различные механизмы, с помощью которых они это делают. В некоторых случаях ингибирования фермента молекула ингибитора достаточно похожа на субстрат, чтобы она могла связываться с активным сайтом и просто блокировать связывание субстрата. Когда это происходит, фермент ингибируется посредством конкурентного ингибирования , потому что молекула ингибитора конкурирует с субстратом за связывание с активным центром.

С другой стороны, при неконкурентном ингибировании молекула ингибитора связывается с ферментом в месте, отличном от активного сайта, называемом аллостерическим сайтом , но все же удается блокировать связывание субстрата с активным сайтом. Некоторые молекулы ингибитора связываются с ферментами в том месте, где их связывание вызывает конформационное изменение, которое снижает сродство фермента к его субстрату. Этот тип торможения называется аллостерическим торможением (рис. 4.9).Большинство аллостерически регулируемых ферментов состоят из более чем одного полипептида, что означает, что они имеют более одной белковой субъединицы. Когда аллостерический ингибитор связывается с областью фермента, все активные центры белковых субъединиц слегка изменяются, так что они связывают свои субстраты с меньшей эффективностью. Есть аллостерические активаторы, а также ингибиторы. Аллостерические активаторы связываются с участками фермента, удаленными от активного сайта, вызывая конформационные изменения, которые увеличивают сродство активного сайта (ов) фермента к его субстрату (ам) (Рисунок 4.9).

Рис. 4.9. Аллостерическое ингибирование работает, косвенно вызывая конформационные изменения активного сайта, так что субстрат больше не подходит. Напротив, при аллостерической активации молекула активатора изменяет форму активного сайта, чтобы обеспечить лучшее прилегание субстрата.

Через призму коренных народов

Растения не могут убежать или спрятаться от своих хищников, и они разработали множество стратегий, чтобы отпугнуть тех, кто их съел. Подумайте о шипах, раздражителях и вторичных метаболитах: это соединения, которые напрямую не помогают растениям расти, а созданы специально для защиты от хищников.Вторичные метаболиты — самый распространенный способ отпугивания хищников. Некоторые примеры вторичных метаболитов — атропин, никотин, ТГК и кофеин. Люди обнаружили, что эти вторичные метаболиты являются богатым источником материалов для лекарств. Подсчитано, что 90% лекарств в современной аптеке имеют свои «корни» в этих вторичных метаболитах.

Лечение травами первых людей открыло миру эти вторичные метаболиты. Например, коренные народы издавна использовали кору ивовых кустарников и ольхи для приготовления чая, тонизирующего средства или припарок, чтобы уменьшить воспаление.Вы узнаете больше о воспалительной реакции иммунной системы в главе 11.

Рис. 4.10. Кора тихоокеанской ивы содержит соединение салицин.

И ива, и кора ольхи содержат соединение салицин. У большинства из нас в аптечке есть это соединение в виде салициловой кислоты или аспирина. Доказано, что аспирин уменьшает боль и воспаление, а попав в наши клетки, салицин превращается в салициловую кислоту.

Так как это работает? Салицин или аспирин действуют как ингибитор фермента.В воспалительной реакции ключевыми в этом процессе являются два фермента, COX1 и COX2. Салицин или аспирин специфически модифицируют аминокислоту (серин) в активном центре этих двух родственных ферментов. Эта модификация активных центров не позволяет нормальному субстрату связываться и, таким образом, нарушается воспалительный процесс. Как вы читали в этой главе, это делает его конкурентным ингибитором ферментов.

Разработчик фармацевтических препаратов

Рис. 4.11 Задумывались ли вы, как создаются фармацевтические препараты? (кредит: Дебора Остин)

Ферменты — ключевые компоненты метаболических путей.Понимание того, как работают ферменты и как их можно регулировать, — ключевые принципы, лежащие в основе разработки многих фармацевтических препаратов, представленных сегодня на рынке. Биологи, работающие в этой области, совместно с другими учеными разрабатывают лекарства (рис. 4.11).

Рассмотрим, к примеру, статины. Статины — это название одного класса лекарств, которые могут снижать уровень холестерина. Эти соединения являются ингибиторами фермента HMG-CoA редуктазы, который является ферментом, синтезирующим холестерин из липидов в организме.Ингибируя этот фермент, можно снизить уровень холестерина, синтезируемого в организме. Точно так же ацетаминофен, широко продаваемый под торговой маркой Tylenol, является ингибитором фермента циклооксигеназы. Хотя он используется для снятия лихорадки и воспаления (боли), его механизм действия до сих пор полностью не изучен.

Как обнаруживаются наркотики? Одна из самых больших проблем в открытии лекарств — это определение мишени для лекарства. Мишень лекарства — это молекула, которая буквально является мишенью лекарства.В случае статинов мишенью для лечения является HMG-CoA редуктаза. Цели лекарств определяются путем кропотливых лабораторных исследований. Одной идентификации цели недостаточно; ученым также необходимо знать, как мишень действует внутри клетки и какие реакции идут наперекосяк в случае болезни. Как только цель и путь определены, начинается фактический процесс разработки лекарств. На этом этапе химики и биологи работают вместе, чтобы разработать и синтезировать молекулы, которые могут блокировать или активировать определенную реакцию.Однако это только начало: если и когда прототип лекарства успешно выполняет свою функцию, он подвергается множеству тестов, от экспериментов in vitro до клинических испытаний, прежде чем он получит одобрение Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. магазин.

Многие ферменты не работают оптимально или даже не работают, если они не связаны с другими специфическими небелковыми вспомогательными молекулами. Они могут связываться либо временно посредством ионных или водородных связей, либо навсегда посредством более прочных ковалентных связей.Связывание с этими молекулами способствует оптимальной форме и функционированию соответствующих ферментов. Двумя примерами этих типов вспомогательных молекул являются кофакторы и коферменты. Кофакторы — это неорганические ионы, такие как ионы железа и магния. Коферменты — это органические вспомогательные молекулы, имеющие базовую атомную структуру, состоящую из углерода и водорода. Подобно ферментам, эти молекулы участвуют в реакциях, не меняясь сами, и в конечном итоге перерабатываются и используются повторно. Витамины являются источником коферментов.Некоторые витамины являются предшественниками коферментов, а другие действуют непосредственно как коферменты. Витамин C является прямым коферментом множества ферментов, которые участвуют в создании важной соединительной ткани — коллагена. Следовательно, функция фермента частично регулируется обилием различных кофакторов и коферментов, которые могут поступать с пищей организма или, в некоторых случаях, вырабатываться организмом.

Рис. 4.12. Витамины являются важными коферментами или предшественниками коферментов и необходимы для правильного функционирования ферментов.Мультивитаминные капсулы обычно содержат смеси всех витаминов в разном процентном соотношении.

Ингибирование обратной связи в метаболических путях

Молекулы могут регулировать функцию ферментов разными способами. Однако остается главный вопрос: что это за молекулы и откуда они берутся? Как вы уже знаете, некоторые из них являются кофакторами и коферментами. Какие другие молекулы в клетке обеспечивают ферментативную регуляцию, такую ​​как аллостерическая модуляция, а также конкурентное и неконкурентное ингибирование? Возможно, наиболее подходящими источниками регуляторных молекул для ферментативного клеточного метаболизма являются продукты самих клеточных метаболических реакций.Наиболее эффективным и элегантным образом клетки эволюционировали, чтобы использовать продукты собственных реакций для подавления активности ферментов с помощью обратной связи. Подавление обратной связи предполагает использование продукта реакции для регулирования его собственного дальнейшего производства (рис. 4.12). Клетка реагирует на обилие продуктов замедлением производства во время анаболических или катаболических реакций. Такие продукты реакции могут ингибировать ферменты, катализирующие их производство, с помощью механизмов, описанных выше.

Рисунок 4.13 Метаболические пути — это серия реакций, катализируемых множеством ферментов. Ингибирование обратной связи, когда конечный продукт пути ингибирует вышестоящий процесс, является важным регуляторным механизмом в клетках.

Производство как аминокислот, так и нуклеотидов контролируется посредством ингибирования с обратной связью. Кроме того, АТФ является аллостерическим регулятором некоторых ферментов, участвующих в катаболическом распаде сахара, процессе, который создает АТФ. Таким образом, когда АТФ в избытке, клетка может предотвратить производство АТФ.С другой стороны, АДФ служит положительным аллостерическим регулятором (аллостерическим активатором) для некоторых из тех же ферментов, которые ингибируются АТФ. Таким образом, когда относительные уровни АДФ высоки по сравнению с АТФ, клетка начинает производить больше АТФ за счет катаболизма сахара.

Клетки выполняют жизненные функции посредством различных химических реакций. Метаболизм клетки — это комбинация химических реакций, которые происходят в ней. Катаболические реакции расщепляют сложные химические вещества на более простые и связаны с выделением энергии.Анаболические процессы создают сложные молекулы из более простых и требуют энергии.

При изучении энергии термин «система» относится к веществу и окружающей среде, участвующим в передаче энергии. Энтропия — это мера беспорядка системы. Физические законы, описывающие передачу энергии, являются законами термодинамики. Первый закон гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно. Второй закон термодинамики гласит, что каждая передача энергии включает некоторую потерю энергии в непригодной для использования форме, такой как тепловая энергия.Энергия бывает разных форм: кинетической, потенциальной и свободной. Изменение свободной энергии реакции может быть отрицательным (высвобождает энергию, экзергоническое) или положительным (потребляет энергию, эндергоническое). Все реакции требуют начального ввода энергии, называемой энергией активации.

Ферменты — это химические катализаторы, которые ускоряют химические реакции за счет снижения их энергии активации. Ферменты имеют активный центр с уникальной химической средой, которая соответствует определенным химическим реагентам для этого фермента, называемым субстратами.Считается, что ферменты и субстраты связываются в соответствии с моделью индуцированной подгонки. Действие ферментов регулируется для сохранения ресурсов и оптимального реагирования на окружающую среду.

Глоссарий

энергия активации: количество начальной энергии, необходимой для протекания реакции

активный сайт: конкретная область фермента, с которой связывается субстрат

аллостерическое ингибирование: механизм ингибирования действия фермента, в котором регуляторная молекула связывается со вторым сайтом (не активным сайтом) и инициирует изменение конформации в активном сайте, предотвращая связывание с субстратом

анаболический: описывает путь, который требует ввода чистой энергии для синтеза сложных молекул из более простых

биоэнергетика: концепция потока энергии через живые системы

катаболический: описывает путь, по которому сложные молекулы распадаются на более простые, выделяя энергию в качестве дополнительного продукта реакции.

конкурентное ингибирование: общий механизм регуляции активности фермента, при котором молекула, отличная от субстрата фермента, способна связывать активный сайт и предотвращать связывание самого субстрата, тем самым подавляя общую скорость реакции фермента

endergonic: описывает химическую реакцию, в результате которой образуются продукты, которые хранят больше химической потенциальной энергии, чем реагенты.

фермент: молекула, катализирующая биохимическую реакцию

exergonic: описывает химическую реакцию, в результате которой образуются продукты с меньшей химической потенциальной энергией, чем у реагентов, плюс высвобождение свободной энергии

ингибирование с обратной связью: механизм регулирования активности фермента, при котором продукт реакции или конечный продукт серии последовательных реакций ингибирует фермент на более ранней стадии в серии реакций

тепловая энергия: энергия, передаваемая из одной системы в другую, которая не работает

кинетическая энергия: тип энергии, связанной с движущимися объектами

метаболизм: все химические реакции, происходящие внутри клеток, включая те, которые используют энергию, и те, которые высвобождают энергию

неконкурентное ингибирование: общий механизм регуляции активности фермента, при котором регуляторная молекула связывается с сайтом, отличным от активного сайта, и предотвращает связывание активного сайта с субстратом; таким образом, молекула ингибитора не конкурирует с субстратом за активный центр; аллостерическое торможение — это форма неконкурентного торможения

потенциальная энергия: тип энергии, который относится к потенциалу совершать работу

субстрат: молекула, на которую действует фермент

термодинамика: наука о взаимосвязи между теплотой, энергией и работой

Метаболические функции печени

Метаболические функции печени

Гепатоциты — это метаболические сверхспособности в организме.Они играют решающую роль в синтезе молекул, которые используются где-то еще для поддержания гомеостаза, в преобразовании молекул одного типа в другой и в регулировании энергетического баланса. Если вы прослушали курс биохимии, вы, вероятно, потратили большую часть этого курса на изучение метаболических путей в печени. Рискуя быть осужденным слабой похвалой, основные метаболические функции печени можно разделить на несколько основных категорий:

Углеводный метаболизм

Для всех животных критически важно поддерживать концентрацию глюкозы в крови в узком нормальном диапазоне.Поддержание нормального уровня глюкозы в крови как в течение короткого (часы), так и длительного (от дней до недель) периодов времени — одна из особенно важных функций печени.

Гепатоциты содержат множество различных метаболических путей и используют десятки ферментов, которые попеременно включаются или выключаются в зависимости от того, повышается ли уровень глюкозы в крови или выходит за пределы нормального диапазона. Два важных примера этих способностей:

• Избыточная глюкоза, попадающая в кровь после еды, быстро поглощается печенью и секвестрируется в виде большого полимера, гликогена (процесс, называемый гликогенезом ).Позже, когда концентрация глюкозы в крови начинает снижаться, печень активирует другие пути, которые приводят к деполимеризации гликогена (гликогенолиз , ) и экспорту глюкозы обратно в кровь для транспортировки во все другие ткани.
• Когда запасы гликогена в печени истощаются, как это происходит, когда животное не ест в течение нескольких часов, сдаются ли гепатоциты? Нет! Они распознают проблему и активируют дополнительные группы ферментов, которые начинают синтезировать глюкозу из таких веществ, как аминокислоты и негексозные углеводы ( глюконеогенез ).Способность печени синтезировать эту «новую» глюкозу имеет огромное значение для плотоядных животных, которые, по крайней мере в дикой природе, питаются практически без крахмала.

Жировой обмен

Некоторые аспекты метаболизма липидов уникальны для печени, но многие из них выполняются преимущественно печенью. Основные примеры роли печени в метаболизме жиров включают:

• Печень чрезвычайно активна в окислении триглицеридов для выработки энергии. Печень расщепляет намного больше жирных кислот, в которых нуждаются гепатоциты, и экспортирует большие количества ацетоацетата в кровь, где он может быть захвачен и легко метаболизирован другими тканями.
• Большая часть липопротеинов синтезируется в печени.
• Печень является основным местом преобразования избыточных углеводов и белков в жирные кислоты и триглицериды, которые затем экспортируются и хранятся в жировой ткани.
• Печень синтезирует большое количество холестерина и фосфолипидов. Некоторые из них содержат липопротеины и становятся доступными для остального тела. Остальная часть выводится с желчью в виде холестерина или после преобразования в желчные кислоты.

Белковый метаболизм

Наиболее важные аспекты метаболизма белков, происходящие в печени:

• Дезаминирование и трансаминирование аминокислот с последующим превращением неазотистой части этих молекул в глюкозу или липиды. Некоторые из ферментов, используемых в этих путях (например, аланин и аспартатаминотрансферазы), обычно анализируются в сыворотке для оценки повреждения печени.
• Удаление аммиака из организма путем синтеза мочевины.Аммиак очень токсичен, и, если его быстро и эффективно не удалить из кровотока, он приведет к заболеванию центральной нервной системы. Частой причиной такой печеночной энцефалопатии у собак и кошек являются пороки кровоснабжения печени, называемые портосистемными шунтами.
• Синтез незаменимых аминокислот.
• Гепатоциты отвечают за синтез большинства белков плазмы. Альбумин, основной белок плазмы, синтезируется почти исключительно в печени.Также печень синтезирует многие факторы свертывания, необходимые для свертывания крови.

Отправляйте комментарии [email protected]

Метаболизм — Принципы биологии

Метаболизм организма — это сумма всех химических реакций, происходящих в организме. Эти химические реакции делятся на две основные категории:

• Анаболизм: строительные полимеры (большие молекулы, которые нужны клетке).
• Катаболизм: разрушение полимеров с высвобождением энергии.

Это означает, что метаболизм состоит из синтеза (анаболизма) и деградации (катаболизма) ( Рисунок 1 ).

Рис. 1 Катаболические пути — это те пути, которые генерируют энергию за счет разрушения более крупных молекул. Анаболические пути — это те, которые требуют энергии для синтеза более крупных молекул. Оба типа путей необходимы для поддержания энергетического баланса клетки.

Важно знать, что химические реакции метаболических путей не происходят сами по себе.Каждая стадия реакции ускоряется или катализируется белком, называемым ферментом . Ферменты важны для катализирования всех типов биологических реакций — как тех, которые требуют энергии, так и тех, которые выделяют энергию. Вернитесь к главе о ферментах, если вам нужно напоминание по этой теме.

Рассмотрим метаболизм сахара (углевода). Это классический пример одного из многих клеточных процессов, которые используют и производят энергию. Живые существа потребляют сахар в качестве основного источника энергии, потому что молекулы сахара имеют много энергии, хранящейся в их связях.По большей части фотосинтезирующие организмы, такие как растения, производят эти сахара. Во время фотосинтеза растения используют энергию (первоначально солнечного света) для преобразования газообразного диоксида углерода (CO ₂ ) в молекулы сахара (например, глюкозы: C ₆ H ₁₂ O ₆ ). Они потребляют углекислый газ и выделяют кислород в качестве побочного продукта. Эта реакция резюмируется как:

6CO ₂ + 6H ₂ O–> C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

Вспомните из химии, что сокращение «CO ₂ » означает «один атом углерода, ковалентно связанный с двумя атомами кислорода.«Вода», «H ₂ O» — это два атома водорода, ковалентно связанные с одним атомом кислорода. А «C ₆ H ₁₂ O ₆ » имеет 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода, которые ковалентно связаны вместе.

Двуокись углерода (СО2) содержит один атом углерода, ковалентно связанный с двумя атомами кислорода. Предоставлено: wikimedia Глюкоза содержит 6 атомов углерода, 6 атомов кислорода и 12 атомов водорода. Предоставлено: Бен, 2006. Викимедиа. Всеобщее достояние.

Процесс производства глюкозы из углекислого газа и воды требует затрат энергии, потому что глюкоза содержит больше энергии в своих молекулярных связях, чем углекислый газ.

Напротив, молекулы-накопители энергии, такие как глюкоза, расходуются на расщепление для использования своей энергии. Реакцию, которая собирает энергию молекулы сахара в клетках, нуждающихся в кислороде для выживания, можно описать обратной реакцией на фотосинтез. В этой реакции расходуется кислород и выделяется углекислый газ в качестве побочного продукта. Реакция резюмируется как:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ -> 6H ₂ O + 6CO ₂

Обе эти реакции включают много этапов.

Процессы производства и расщепления молекул сахара иллюстрируют два примера метаболических путей. Метаболический путь представляет собой серию химических реакций, в которых исходная молекула модифицируется, шаг за шагом, через ряд промежуточных продуктов метаболизма, в конечном итоге давая конечный продукт. В примере метаболизма сахара первый метаболический путь синтезирует сахар из более мелких молекул, а другой путь расщепляет сахар на более мелкие молекулы.

Если не указано иное, изображения на этой странице находятся под лицензией CC-BY 4.0 от OpenStax.

Текст адаптирован из: OpenStax, Концепции биологии. OpenStax CNX. 18 мая 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]

24,5 Метаболические состояния тела — анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Опишите, что определяет каждое из трех метаболических состояний
• Опишите процессы, происходящие во время абсорбционного состояния метаболизма
• Опишите процессы, происходящие во время постабсорбтивного метаболизма.
• Объясните, как организм перерабатывает глюкозу, когда ему не хватает топлива

Вы едите периодически в течение дня; однако ваши органы, особенно мозг, нуждаются в постоянном поступлении глюкозы.Как организм удовлетворяет эту постоянную потребность в энергии? Ваше тело обрабатывает пищу, которую вы едите, для немедленного использования и, что немаловажно, для сохранения энергии для дальнейшего использования. Если бы не существовало метода хранения избыточной энергии, вам пришлось бы постоянно есть, чтобы удовлетворять потребности в энергии. Существуют особые механизмы, облегчающие накопление энергии и делающие накопленную энергию доступной во время голодания и голодания.

Состояние абсорбции

Состояние всасывания или состояние сытости возникает после еды, когда ваше тело переваривает пищу и поглощает питательные вещества (анаболизм превышает катаболизм).Пищеварение начинается в тот момент, когда вы кладете пищу в рот, так как пища распадается на составные части, которые всасываются через кишечник. Переваривание углеводов начинается во рту, тогда как переваривание белков и жиров начинается в желудке и тонком кишечнике. Составные части этих углеводов, жиров и белков транспортируются через стенку кишечника и попадают в кровоток (сахара и аминокислоты) или в лимфатическую систему (жиры). Из кишечника эти системы транспортируют их в печень, жировую ткань или мышечные клетки, которые будут обрабатывать, использовать или накапливать энергию.

В зависимости от количества и типа потребляемых питательных веществ состояние всасывания может сохраняться до 4 часов. Прием пищи и повышение концентрации глюкозы в кровотоке стимулируют бета-клетки поджелудочной железы выделять инсулин в кровоток, где он инициирует абсорбцию глюкозы в крови гепатоцитами печени, а также жировыми и мышечными клетками. Попав внутрь этих клеток, глюкоза немедленно превращается в глюкозо-6-фосфат. Таким образом устанавливается градиент концентрации там, где уровень глюкозы в крови выше, чем в клетках.Это позволяет глюкозе продолжать перемещаться из крови в клетки, где она необходима. Инсулин также стимулирует хранение глюкозы в виде гликогена в клетках печени и мышц, где ее можно использовать для будущих энергетических потребностей организма. Инсулин также способствует синтезу белка в мышцах. Как вы увидите, мышечный белок может катаболизироваться и использоваться в качестве топлива во время голода.

Если энергия поступает вскоре после еды, пищевые жиры и сахара, которые были только что проглочены, будут переработаны и немедленно использованы для получения энергии.В противном случае избыток глюкозы откладывается в виде гликогена в клетках печени и мышц или в виде жира в жировой ткани; избыток пищевых жиров также сохраняется в виде триглицеридов в жировой ткани.

На рисунке 24.21 представлены метаболические процессы, происходящие в организме в состоянии абсорбции.

Рисунок 24.21 Состояние абсорбции В состоянии абсорбции организм переваривает пищу и поглощает питательные вещества.

Состояние после погружения

Состояние постабсорбции или состояние голодания возникает, когда пища переваривается, всасывается и хранится.Обычно вы голодаете всю ночь, но пропуск приема пищи в течение дня также ставит ваше тело в состояние после абсорбции. В этом состоянии организм изначально должен полагаться на запасенный гликоген. Уровень глюкозы в крови начинает падать, поскольку она всасывается и используется клетками. В ответ на снижение глюкозы падает и уровень инсулина. Запасы гликогена и триглицеридов замедляются. Однако из-за требований тканей и органов уровень глюкозы в крови должен поддерживаться в нормальном диапазоне 80–120 мг / дл.В ответ на падение концентрации глюкозы в крови альфа-клетки поджелудочной железы высвобождают гормон глюкагон. Глюкагон действует на клетки печени, где он подавляет синтез гликогена и стимулирует расщепление накопленного гликогена обратно на глюкозу. Эта глюкоза высвобождается из печени для использования периферическими тканями и мозгом. В результате уровень глюкозы в крови начинает повышаться. Глюконеогенез также начнется в печени, чтобы заменить глюкозу, которая использовалась периферическими тканями.

После приема пищи жиры и белки перерабатываются, как описано ранее; однако обработка глюкозы немного меняется. Периферические ткани преимущественно поглощают глюкозу. Печень, которая обычно поглощает и перерабатывает глюкозу, не будет этого делать после длительного голодания. Глюконеогенез, который продолжается в печени, будет продолжаться после голодания, чтобы восполнить запасы гликогена, которые были истощены в печени. После того, как эти запасы пополнятся, избыток глюкозы, усваиваемой печенью, будет преобразован в триглицериды и жирные кислоты для длительного хранения.На рисунке 24.22 представлены метаболические процессы, происходящие в организме во время постабсорбтивного состояния.

Рис. 24.22 Постабсорбционное состояние В постабсорбционном состоянии тело должно полагаться на запасенный гликоген для получения энергии.

Голод

Когда тело лишено питания в течение длительного периода времени, оно переходит в «режим выживания». Первоочередной задачей выживания является обеспечение мозга достаточным количеством глюкозы или топлива. Второй приоритет — сохранение аминокислот для белков.Таким образом, организм использует кетоны для удовлетворения энергетических потребностей мозга и других зависимых от глюкозы органов, а также для поддержания белков в клетках (см. Рис. 24.2). Поскольку во время голодания уровень глюкозы очень низкий, гликолиз отключится в клетках, которые могут использовать альтернативные виды топлива. Например, мышцы переключатся с использования глюкозы на жирные кислоты в качестве топлива. Как объяснялось ранее, жирные кислоты могут быть преобразованы в ацетил-КоА и переработаны в цикле Кребса с образованием АТФ. Пируват, лактат и аланин из мышечных клеток не превращаются в ацетил-КоА и не используются в цикле Кребса, а экспортируются в печень для использования в синтезе глюкозы.По мере того как голодание продолжается и требуется больше глюкозы, глицерин из жирных кислот может высвобождаться и использоваться в качестве источника глюконеогенеза.

После нескольких дней голодания кетоновые тела становятся основным источником топлива для сердца и других органов. По мере того как голод продолжается, запасы жирных кислот и триглицеридов используются для создания кетонов для организма. Это предотвращает продолжающийся распад белков, которые служат источниками углерода для глюконеогенеза. Когда эти запасы полностью истощаются, белки из мышц высвобождаются и расщепляются для синтеза глюкозы.Общая выживаемость зависит от количества жира и белка, хранящегося в организме.

Искра жизни: метаболизм появляется в лаборатории без клеток

Линда Геддес

Колыбель жизни?

(Изображение: Jeff Vanuga / Corbis)

Метаболические процессы, лежащие в основе жизни на Земле, возникли спонтанно вне клеток. Случайное открытие того, что метаболизм — каскад реакций во всех клетках, обеспечивающий их сырьем, необходимым для выживания, — может происходить в таких простых условиях, позволяет по-новому взглянуть на то, как образовалась первая жизнь.Это также предполагает, что сложные процессы, необходимые для жизни, могут иметь удивительно скромное происхождение.

«Люди говорят, что эти пути выглядят настолько сложными, что не могут образоваться только с помощью химии окружающей среды», — говорит Маркус Ралсер из Кембриджского университета, который руководил исследованием.

Но его открытия предполагают, что многие из этих реакций могли происходить спонтанно в ранних океанах Земли, катализируемые ионами металлов, а не ферментами, которые управляют ими в современных клетках.

Происхождение метаболизма — главный пробел в нашем понимании возникновения жизни. «Если вы посмотрите на множество разных организмов со всего мира, эта сеть реакций всегда выглядит очень похожей, что позволяет предположить, что она, должно быть, возникла на очень раннем этапе эволюции, но никто не знал точно, когда и как», — говорит Ралсер.

Счастливый случай

Одна из теорий состоит в том, что РНК была первым строительным блоком жизни, потому что она помогает производить ферменты, которые могут катализировать сложные последовательности реакций.Другая возможность состоит в том, что метаболизм был на первом месте; возможно, даже генерировали молекулы, необходимые для создания РНК, и эти клетки позже включили эти процессы — но было мало доказательств, подтверждающих это.

«Это первый эксперимент, показывающий, что можно создавать метаболические сети в отсутствие РНК», — говорит Ралсер.

Примечательно, что это открытие было случайностью, на которую наткнулись во время обычного контроля качества среды, используемой для культивирования клеток в лаборатории Ральсера.В качестве кратчайшего пути один из его учеников решил пропустить неиспользованную среду через масс-спектрометр, который обнаружил сигнал для пирувата — конечного продукта метаболического пути, называемого гликолизом.

Чтобы проверить, могли ли те же процессы способствовать возникновению жизни на Земле, они обратились к коллегам из отдела наук о Земле, которые работали над реконструкцией химического состава Архейского океана, который покрыл планету почти 4 миллиарда лет назад. Это был бескислородный мир, еще до фотосинтеза, когда воды были богаты железом, а также другими металлами и фосфатами.Все эти вещества потенциально могут способствовать химическим реакциям, подобным тем, которые наблюдаются в современных клетках.

Основа обмена веществ

Команда Ралсера взяла ранние океанические растворы и добавила вещества, которые, как известно, являются отправными точками для современных метаболических путей, прежде чем нагреть образцы до 50–70 C — таких температур, которые вы могли бы найти возле гидротермального источника, — в течение 5 часов. . Затем Ралсер проанализировал растворы, чтобы увидеть, какие молекулы присутствуют.

«Вначале мы надеялись найти одну или две реакции, но результаты были потрясающими», — говорит Ралсер.«Мы могли почти полностью реконструировать два метаболических пути».

Пути, которые они обнаружили, были гликолизом и пентозофосфатным путем, «реакциями, которые формируют основной метаболический хребет каждой живой клетки», — добавляет Ралсер. Вместе эти пути производят некоторые из наиболее важных материалов в современных клетках, включая АТФ — молекулы, которые клетки используют для управления своими механизмами, сахара, которые образуют ДНК и РНК, и молекулы, необходимые для производства жиров и белков.

Если бы эти метаболические пути происходили в раннем океане, то первые клетки могли бы обволакивать их по мере развития мембран.

Всего было обнаружено 29 химических реакций, подобных метаболизму, по-видимому, катализируемых железом и другими металлами, которые могли быть обнаружены в ранних океанических отложениях. Метаболические пути не идентичны современным; некоторые химические вещества, полученные на промежуточных этапах, не были обнаружены. Однако «если вы сравните их бок о бок, это будет одна и та же структура, и образуется много одинаковых молекул», — говорит Ралсер. Эти пути могли быть уточнены и улучшены после того, как ферменты эволюционировали в клетках.

Обратимая реакция

Особого внимания заслуживает обнаружение метаболита рибозо-5-фосфата, говорит Ралсер. Это потому, что это предшественник РНК, которая кодирует информацию, катализирует химические реакции и, что самое важное, может реплицироваться.

«Я думаю, что в этой статье есть действительно интересные коннотации к истокам жизни», — говорит Мэтью Паунер из Университетского колледжа Лондона. По его словам, это намекает на то, как могли развиться более сложные ферменты, потому что были выбраны вещества, которые сделали эти ранние процессы более эффективными.

Однако есть одна большая проблема. «Что касается происхождения жизни, важно понимать, откуда берутся исходные молекулы», — говорит Паунер. Еще никто не доказал, что такие вещества могли спонтанно образовываться в ранних океанах.

Связанная с этим проблема заключается в том, что наблюдаемые до сих пор реакции идут только в одном направлении; от сложных сахаров до более простых молекул, таких как пируват. «Учитывая данные, можно сделать вывод, что любая органика в океане была бы полностью разложена, а не составляла бы основу современного метаболизма», — говорит Джек Шостак, изучающий происхождение жизни в Гарварде.