Обмен веществ и энергии

1. Понятие метаболизма Метаболизм — совокупность химических реакций и сопутствующих им химических процессов в организме, в результате которых происходит поступление веществ, их усвоение, использование в процессах жизнедеятельности и выделение ненужных соединений в окружающую среду. Питательные вещества, поступающие с пищей, являются, с одной стороны, источником энергии, необходимой для осуществления всех процессов, а с другой стороны, пластическим материалом, из которого строится тело организма. Помимо трех основных классов питательных веществ — белков, жиров, углеводов, пища содержит ряд соединений — соли, витамины, не имеющие большой энергетической ценности и не выполняющие функции строительных блоков, однако играющие важнейшую роль в протекании различных биохимических реакций и участвующие в регуляции обмена веществ.

2. Биологическое окисление При биологическом окислени от органической молекулы под действием соответствующего фермента отщепляются два атома водорода. В ряде случаев при этом между ферментами и окисленной молекулой образуется неустойчивая, богатая энергией (макроэнергетическая) связь. Она используется для образования АТФ — «конечной цели» большинства процессов биологического окисления. А два отнятых атома водорода оказываются в результате реакции связанными с коферментом НАД (никотинамидадениндинуелеотидом) или с НАДФ (никотинамидадениндинуелеотидфосфатом).

Дальнейшая судьба водорода может быть различной. При анаэробном окислении он переносится на некоторые органические молекулы. При аэробном окислениии водород передаётся на кислород с образованием воды. Основная часть цепи переноса водорода расположена в мембранах митохондрий. При этом из АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ.

Надо отметить, что аэробное окисление намного эффективнее анаэробного. В первом случае из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ, а во втором — 36, где глюкоза «сжигается» до CO2 и воды. Это и объясняет широкое распространение и бурную эволюцию аэробных организмов.

3. АТФ (аденозинтрифосфорная кислота) Так как АТФ является универсальным аккумулятором энергии в организме человека и животных, я счел нужным рассказать и про нее.

АТФ — нуклеозидтрифосфат, состоит из гетероциклического основания — аденина, углеводного компонента — рибозы и трех остатков фосфорной кислоты, соединенных последовательно друг с другом. В молекуле АТФ имеются три макроэнергетические связи.

АТФ содержится в каждой клетке животных и растений — в растворимой фракции цитоплазмы клетки — митохондриях, и ядрах. Она служит главным переносчиком химической энергии в клетки и играет важную роль в ее энергетике.

АТФ образуется из АДФ (аденозиндифосфорной) кислоты и неорганического фосфата (Фн) за счет энергии окисления в специфических реакциях фосфорилирования, происходящих в процессах гликолиза, внутримышечного дыхания и фотосинтеза. Эти реации протекают в мембранах фторопластов и митохондрий, а также в мембранах фотосинтезирующих бактерий.

При химическиих реакциях в клетке потенциальная химическая энергия, запасенная в макроэнергетических связях АТФ, может переходить во вновь образующиеся фосфорилированные соединения:

АТФ + D-глюкоза= АДФ + D — глюкозо-6-фосфат.

При гидролизе АТФ (АТФ + H2О АДФ + Фн.).

Она преобразуется в энергию тепловую, лучистую, электрическую, механическую и т. п., то есть служит в организме для теплообразования, свечения, накопления электричества, выполнения механической работы, биосинтеза белков, нуклеиновых кислот, сложных углеводов, липидов.

АТФ — единый универсальный источник энергии для функциональной деятельностии клетки.

4. Особенности обмена веществ у детей Основные этапы обмена веществ у детей с момента рождения до формирования взрослого организма имеет ряд своих особенностей. При этом меняются количественные характеристики, приосходит качественная перестройка обменных процессов. У детей, в отличие отвзрослых, значительная часть энергии расходуется на рост и пластические процесссы, которые наиболее велики у новорожденных и детей раннего возраста.

Основной обмен веществ у детей меняется в зависимости от возраста ребенка и типа питания. По сравнению с первыми днями жизни, к полутора годам обмен веществ увеличивается более чем вдвое. Однако к периоду полового созревания расход энергии на основной обмен уменьшается на 300 ккал/куб.м. При этом у мальчиков энергетические затраты на основной обмен в пересчете на один килограмм веса выше, чем у девочек. С ростом увеличиваются расходы энергии на мышечную деятельность.

Незавершенность развития гуморальных и нервных механизмов регуляции является главной причиной во многом, определяющей особенности обмена веществ у детей. Выражением незрелости регуляторных механизмов является, например, значительное колебание осмотического давления плазмы крови, тенденция к гиперкалиемии и др.

Со второй недели жизни ребенка белковый обмен характеризуется положительным азотистым балансом и повышенной потребностью в белке. Ребенку требуется в 4−7 раз больше аминокислот, чем взрослому. У ребенка также имеется большая потребность в углеводах. За их счет главным образом покрываются калорийные потребности. Углеводный обмен тесным образом связан с белковым. Энергия реакций углеводного обмена требуется для полного использования жира. Жир составляет 1/8 части тела ребенка и является носителем энергии, способствует усвоению жирорастворимых витаминов, защищает организм от охлаждения, является структурной частью многих тканей. Отдельные ненасыщенные жирные кислоты необходимы для роста и нормальных функций кожи.

У детей имеется физиологическая тенденция к кетозу, в возниконовении которого могут играть роль незначительные запасы гликогена. Содержание воды в тканях ребенка высокое и составляет у гружных детецй ¾ веса и с возрастом уменьшается.

5. Нарушения обмена веществ Нарушения обмена вешеств лежат в основе всех функциональных и органических повреждений тканей и органов, ведущих к возникновению болезней. Происходящие изменения в протекании химических реакций сопровождаются большими или меньшими сдвигами в энергетических процессах. Различают четыре уровня, в которых происходят нарушения обмена веществ: 1) молекулярный; 2) клеточный; 3) органный и тканевый; 4) целостного организма.

Причинами нарушения обмена веществ на молекулярном уровне являются генетические дефекты, действия ингибиторных ферментов, а также недостаточное поступление в организм эссенциальных веществ метаболизма. Причинами обмена веществ могут служить также нарушения метаболизма на других уровнях. На этом уровне наблюдается изменение концентрации участков метаболической реакции; изменения активности ферментов или количество ферментов в результате нарушения скорости их синтеза, а также изменения в содержании кофакторов ферментарных реакций.

При нарушении обмена веществ на клеточном уровне повреждены мембраны митохондрий, лизосом, эндоплазматической сети, ядра и др. Причинами нарушения обмена веществ на клеточном уровне являются: нарушения биоэнергетических и анаболических процессов, прежде всего биосинтеза нуклеиновых кислот и белков, а также липидов, нарушения постоянства внутренней среды, нарушения нервной и гуморальной регуляции и др.

При нарушениях обмена веществ на органном и тканевом уровне изменяются специфические функции отдельных органов тканей. Его причины: органная гипоксия, регионарные нарушения гомеостаза, повреждения специальных метаболических процессов, обеспечивающих особые функции данного органа или ткани.

Наиболее опасным является нарушение обмена веществ на уровне целого организма. Его причинами чаще всего бывают заболевания центральной нервной системы и желез внутренней секреции, нарушения иннерваций тканей, гормональный дисбаланс, повреждения органов, обеспечивающих постоянство внутренней среды организма. При этом наблюдаются нарушения регуляторной функции нервной системы, а также гормональной системы; сдвиги в метаболическом гомеостазе организма.