Обмін речовин - одне з основних властивостей живих організмів. Надходження поживних речовин і кисню, перетворення їх в організмі і виділення кінцевих продуктів в навколишнє середовище визначається як обмін речовин. або метаболізм. який складається з двох процесів - катаболізму (дисиміляції) і анаболізму (асиміляції).
Під катаболизмом розуміють процеси розпаду поживних речовин, які супроводжуються звільненням енергії, укладеної в хімічних зв'язках цих сполук. Процес дисиміляції можна розділити на три послідовні етапи.
Перший етап підготовчий. На цьому етапі великі молекули вуглеводів, жирів, білків, нуклеїнових кислот розпадаються на дрібні молекули: з крохмалю утворюється глюкоза, з жирів - жирні кислоти і гліцерин, з білків - амінокислоти, з нуклеїнових кислот - нуклеотиди. Розпад речовин на цьому етапі супроводжується незначним енергетичним ефектом. Вся звільнилася енергія розсіюється у вигляді тепла.
Другий етап дисиміляції називається безкисневим або неповним. Речовини, що утворилися в підготовчому етапі, вступають на шлях подальшого розпаду. Це складний, багатоступінчастий процес. Він складається з ряду наступних одна за одною ферментативних реакцій. Ферменти, що обслуговують цей процес, розташовуються на внутрішньоклітинних мембранах правильними рядами. Речовина, потрапивши на перший фермент цього ряду, пересувається, як на конвеєрі, на другий фермент, далі - на третій. Це забезпечує швидке і ефективне перебіг процесу. Розберемо це на прикладі гліколізу. Гліколіз є ряд послідовних ферментативних реакцій. Його обслуговує 13 ферментів, і в ході його утворюється більше десятка проміжних речовин. Сумарне рівняння гліколізу можна записати так:
С6Н12О6 + 2Н3РО4 + 2АДФ = 2С3Н6О3 + 2АТФ + 2Н2О
З наведеного рівняння гліколізу видно, що в цьому процесі не бере участь кисень, тому його називають безкисневим або неповним розщепленням. Нарешті, і це особливо важливо, з рівняння випливає, що при розпаді однієї молекули глюкози в ході гліколізу утворюються дві молекули АТФ.
Так як синтез АТФ являє ендотермічний процес, то, очевидно, енергія для синтезу АТФ черпається за рахунок енергії реакцій безкисневого розщеплення глюкози. Отже, енергія, що звільняється в ході реакцій гліколізу, не вся переходить в тепло. Частина її йде на синтез двох багатих енергією фосфатних зв'язків.
Третій етап енергетичного обміну - стадія кисневого, або повного розщеплення, або дихання. Продукти, що виникли в попередній стадії, окислюються до кінця.
Основна умова здійснення цього процесу - наявність кисню. Стадія кисневого розщеплення, як і попередня стадія, являє собою ряд послідовних ферментативних реакцій. Його обслуговує кілька ферментів.
Весь ферментативний ряд кисневого розщеплення зосереджений в мітохондріях, де ферменти розташовані на мембранах правильними рядами. Всі проміжні реакції кисневого розщеплення йдуть із звільненням енергії. Кількість енергії, що звільняється на кожному ступені при кисневому розщепленні, становить 2600 кДж, в результаті утворюється 36 молекул АТФ.
2С3Н6О3 + 6О2 + 36Н3РО4 + 36АДФ = 6СО2 + 42Н2О + 36АТФ
Анаболізму - пластичний обмін - дисиміляція - одна зі сторін обміну речовин. Включає процеси синтезу амінокислот, моносахаридів, жирних кислот, нуклеотидів, а також макромолекул білків, полісахаридів, жирів, нуклеїнових кислот, АТФ. Процес відбувається в три етапи:
1) синтез проміжних сполук з низькомолекулярних речовин (органічних кислот, альдегідів);
2) синтез «будівельних блоків» з проміжних сполук (амінокислот, жирних кислот, моносахаридів);
3) синтез макромолекул білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, жирів.
Цей процес йде з поглинанням енергії і участю ферментів.
Пластичний і енергетичний обміни знаходяться в нерозривному зв'язку між собою. З одного боку, реакції біосинтезу потребують затрати енергії. З іншого боку, для здійснення реакцій енергетичного обміну необхідний постійний біосинтез обслуговують ці реакції ферментів. Складні системи реакцій асиміляції і дисиміляції пов'язані не тільки між собою, але і зовнішнім середовищем. З зовнішнього середовища в клітку надходять речовини, в зовнішнє середовище виділяються речовини, які клітиною більше не можуть бути використані.
Асиміляція і дисиміляція у здорової людини знаходяться в стані строго збалансованого рівноваги. При голодуванні, недостатньому і неповноцінному харчуванні, при гарячкових станах переважають процеси катаболізму, при яких організм використовує свої запасні речовини, що може привести до виснаження і загибелі. У період одужання, зростання і розвитку організму переважає анаболізм. Патологічно виражене переважання анаболізму може привести до ожиріння, гігантизму.
Інтенсивність обміну речовин залежить від віку людини, характеру виконуваної роботи. Обмін речовин регулюється нервовою системою, гормонами. Так, на білковий обмін впливає гормон щитовидної залози - тироксин, на жировий - гормони підшлункової та щитовидної залоз, надниркових залоз і гіпофіза, на вуглеводний - гормони підшлункової залози (інсулін) і надниркових залоз (адреналін). Крім того, всі процеси протікають за участю ферментів.
Білки є постачальниками будівельного матеріалу - амінокислот - для синтезу видоспецифічності клітинних структур. Білковий обмін починається з надходження по ворітної системі в печінку крові, що несе амінокислоти з кишечника. Необхідні амінокислоти повертаються в кров і надходять в органи і тканини, де вони необхідні для біосинтезу білка, оскільки білки дуже швидко синтезуються і швидко витрачаються і синтезуються заново. Так, білки печінки оновлюються через чотири доби, білки м'язів через 24 дня, шкіри - через 300 днів. Надлишкові амінокислоти піддаються в печінці дезамінуванню, при якому за допомогою ферментів отщепляется аминогруппа. Залишки амінокислот перетворюються або в глюкозу, або в глікоген, або в запасний жир. Білки в запас не відкладаються.
До складу білків входять амінокислоти, їх підрозділяють на замінні і незамінні. Замінні можуть синтезуватися в організмі, незамінні надходять з їжею. Амінокислотний склад харчових білків неоднаковий. Якщо в них немає незамінних амінокислот (лейцин, лізин, Валін і ін.), То в організмі порушується білковий синтез, з'являються розлади життєдіяльності.
Замінні амінокислоти синтезуються в організмі з продуктів розщеплення білка і тому можуть в їжі відсутні. Залежно від амінокислотного складу змінюється і біологічна цінність білка. Найбільш цінні білки тваринного походження. Низькою біологічною цінністю володіють білки пшениці, ячменю, кукурудзи, т. К. В них відсутні багато незамінні амінокислоти.
Велика частина жирів в організмі використовується як джерело енергії. Жир надходить в організм з їжею. У кишечнику жири під впливом ферментів розпадається на гліцерин та жирні кислоти. В епітелії тонкого кишечника починається синтез власних людських жирів. Отримана жирова емульсія надходить в лімфатичну систему, яка приносить її в печінку, де жири різного походження розподіляються на нейтральні (тригліцериди), що йдуть в жирове депо (10-20% маси тіла), половина з них йде в підшкірну жирову клітковину, інші на жировій сальник (на животі) і т. д. і пластичні жири. Це фосфоліпіди. Вони стають компонентами клітинних мембран, ліпопротеїдів і ін. Ці жири містять більше ненасичених жирних кислот і синтезуються в організмі з білків і вуглеводів. До цієї групи речовин належать стероїди тканин мозку, кори надниркових залоз, зокрема холестерин - жироподібна речовина з групи стероїдів, а також є вихідним для синтезу статевих гормонів. Порушення жирового обміну починається з порушення вуглеводного обме, внаслідок чого не тільки накопичується надлишок жиру, але і в крові з'являються проміжні продукти - «ацетонові тіла», їх норма по ацетону 1 - 2 мг, а при її підвищенні, особливо у хворих на цукровий діабет, відбувається отруєння.
Вуглеводний обмін починається з всмоктування глюкози через ворсинки кишечника. За ворітної системі вона з кров'ю переноситься в печінку, де 2-3% надійшла глюкози перетворюється в глікоген і накопичується. Всього в печінці запасається 100-400 г глікогену, що витрачається за 12-24 год, після чого рівень цукру в крові підтримується за рахунок перетворення амінокислот в глюкозу. Рівень цукру в крові - 80-100 мг. При достатньому надходженні білків в організм печінка здатна до 60% амінокислот їжі дезамініровать і перетворити в глюкозу. М'язові тканини також здатні перетворювати глюкозу крові в глікоген. Це відбувається при посиленій м'язовій роботі. У печінці глюкоза перетворюється в жир. Функція печінки регулюється гормонами і вегетативною нервовою системою.
Водно-сольовий обмін починається зі споживання людиною води, кількість якої визначається центром спраги, розташованим в гіпоталамусі. Споживання води, укладеної в харчових продуктах, готових стравах, цим центром не регулюється. Тому треба вміти контролювати той обсяг води, яку ми споживаємо. На добу в різному вигляді в організм надходить 2,5-4 л води, ізніх1,2-1,5 л виводиться через нирки, 0,8 л через шкіру, 0,5 л через легені і 0,1-0,15 л з калом. При збалансованому надходженні і виході води організм працює нормально. Але буває порушення: при нестачі антидіуретичного гормона і вазопресину відбувається рясний вихід сечі і людина мучиться невгамовним жагою. Сильні втрати води (20%) спостерігається при отруєннях, при порушенні всмоктування води в товстому кишечнику. Протилежні явища спостерігаються при накопиченні зайвої води в організмі і освіті набряків кінцівок, обличчя. Причини пов'язані з порушенням функції нирок, серця, місцевими пошкодженнями тканин. Крім того воду в організмі утримує сіль, гострі приправи, смажене.
Водний обмін тісно пов'язаний з мінеральним обміном. Мінеральні речовини необхідні організму для побудови клітин і синтезу білків, ферментів, гормонів. Вони обумовлюють необхідну величину осмотичного тиску в крові і тканинних рідинах, беруть участь в таких фізіологічних процесах, як нервове збудження, м'язове скорочення, згортання крові та ін. Загальна кількість мінеральних солей в організмі людини становить близько 4% його маси. Крім того, організм потребує регулярного надходження електролітів з їжею і водою, т. К. Вони постійно виводяться нирками, шкірою, кишечником і легенями. Недолік мінеральних речовин призводить до різних порушень обміну речовин, а у дітей позначається на їх зростанні і розвитку.
1. Ю. І. Полянський «Загальна біологія 9-10 клас»
2. Т. Л. Богданова, Е. А. Сєдова «Біологія. Довідник для старшокласників та вступників до ВНЗ »
3. З. А. Власова «Біологія. Навчальний посібник для вступників до ВНЗ »