Понятие об обмене веществ и энергии: сущность процессов, виды, основные этапы

Обмен веществ и энергии — основное понятие

Определение

Обмен веществ или метаболизм — химические и физиологические процессы в живых организмах, которые обеспечивают их жизнедеятельность.

Обмен веществ в живом организме состоит из трех этапов: 

1. Поступление питательных веществ и энергии из внешней среды, которое достигается путем получения питательных веществ в организм и их ферментативного расщепления. 
2. Преобразование питательных веществ и энергии внутри организма, всасывание питательных веществ в кровь и лимфу, внутриклеточный обмен веществ и энергии.
3. Выделение конечных, ненужных организму продуктов метаболизма.

В обмене веществ участвуют:

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут

• жиры;
• белки;
• углеводы;
• соли;
• витамины;
• вода.

Обмен одного вещества в живом организме всегда связан с обменом других веществ.

Определение

Обмен энергии — процессы превращения различных видов энергии между собой.

Всему живому на Земле жизненно необходима энергия. В организме она присутствует в таких формах:

1. Химическая энергия, высвобождающаяся аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). Нужна для того, чтобы синтезировать новые вещества во всех тканях. 
2. Механическая энергия необходима, чтобы работали мышцы в теле.
3. Электрическая энергия нужна для нормального функционирования нервной ткани. 
4. Тепловая энергия необходима для образования и поддержания тепла в теле.

Определение

Энергетический баланс — это отношение количества энергии, поступившей в организм, и энергии, которая была им потрачена.

Энергетический баланс бывает:

1. Положительный энергетический баланс возникает при избыточном питании, когда организм не успевает потратить весь запас энергии. В таком случае энергетические запасы накапливаются в теле в виде жировой ткани.
2. Отрицательный энергетический баланс бывает в условиях недостаточного питания. В этом случае происходит расход энергетических запасов организма, уменьшение количества жировой ткани.

Какие элементы нужны человеку для разгона метаболизма в домашних условиях

1. Апельсины, лимоны, грейпфруты;
2. Кофеиносодержащие напитки: чай и кофе;
3. Холодный напиток из меда (1ч.л.) и сока лимона;
4. Корень имбиря;
5. Корица;
6. Продукты, которые содержат капсаицин (чили, халапеньо, красный перец);
7. Чеснок;
8. Яблочный уксус и яблоки;
9. Овсяная каша.

Почему замедляется обмен веществ

Прежде чем узнать, как ускорить обменные процессы, давайте разберем причины, по которым нарушается обмен веществ, для того, чтобы не повторять ошибок.

1. Голодание. Именно недостаток пищи приводит к серьезным проблемам обменных процессов. Организм человека воспринимает голодание как стресс и пытается сам себя обезопасить от недостатка энергии. Поэтому переводит все, что вы съели, в запасы – подкожно-жировую клетчатку. Именно поэтому все диеты, основа которых голодание, приводят к одному результату – вес становится выше;
2. Недостаток кофеина. Именно этот алкалоид помогает организму запускать обменные процессы. Кроме кофе, это вещество содержится и в зеленом чае;
3. Клетчатка. Именно этот растительный компонент помогает пищеварительной системе функционировать правильно, а из-за его отсутствия может значительно снизится метаболизм;
4. Потребление алкогольных напитков. При попадании алкоголя в желудок организм в первую очередь перерабатывает именно его, чтобы быстрее избавить организм от вредных алкалоидов. Все остальное будет перевариваться после.
5. Витамин Д. Недостаток этого элемента напрямую влияет на обменные процессы, ведь он непосредственно участвует в них;

Как происходит процесс в организме

Энергетический обмен

У аэробных организмов энергетический обмен происходит в три этапа:

1. Подготовительный. Подготовительная стадия проходит в пищеварительном тракте или пищеварительных вакуолях. Во время этого этапа биополимеры распадаются до мономеров: белки — до аминокислот, углеводы — до глюкозы, липиды — до глицерина и жирных кислот. Энергия, получаемая от этого процесса, рассеивается в виде тепла.
2. Бескислородный или гликолиз. Это вторая стадия энергетического обмена, которая проходит в цитоплазме клеток. В результате процессов окисления без участия кислорода мономеры биополимеров распадаются на более простые соединения. Это молочная кислота, этиловый спирт, ацетон, уксусная кислота и т. п. Энергия, получаемая в результате этого процесса, используются на синтез АТФ.
3. Кислородный. Последняя стадия энергетического обмена проходит в митохондриях и заключается в дальнейшем окислении веществ, уже с участием кислорода, до конечных продуктов: углекислого газа и воды. Энергия также используется на синтез АТФ.

У анаэробных организмов, которые обитают в бескислородной среде и могут обходиться без него, энергетической обмен проходит в два этапа (подготовительный и гликолиз). При двухэтапном процессе запасы энергии гораздо меньше, чем при трехэтапном.

Пластический обмен

Пластический метаболизм состоит из:

1. Фотосинтеза. Этот процесс свойственен растениям и некоторым видам бактерий, которые могут самостоятельно синтезировать органические вещества из неорганических соединений. Главным условием для протекания такого процесса являются солнечная энергия и солнечный свет.
2. Хемосинтеза. Процесс протекает у некоторых видов бактерий (железобактерии, водородные, серные, тионовые, нитрифицирующие), которые также могут самостоятельно преобразовывать неорганические соединения в органические. Для жизнедеятельности этим видам необходим диоксид углерода, а не кислород.
3. Биосинтеза. Этот процесс синтеза природных органических свойственен живым организмам.

Выделяют следующие виды биосинтеза:

1. Синтез белков. Белки — это высокомолекулярные соединения, которые состоят из аминокислот. Значение белков в живом организме очень велико, их функции разнообразны. Они активно участвуют в процессе воспроизводства живой материи, отвечает за опорную функцию, обеспечивают сократительную функцию мышц, участвуют в защитных реакциях. 
2. Синтез нуклеиновых кислот. Нуклеиновые кислоты состоят из нуклеотидов и отвечают за хранение наследственной информации и синтез белка. Они необычайно важны для организма. Животные организмы могут синтезировать нуклеиновые кислоты из простых соединений.
3. Синтез жиров. Жиры входят в состав сложных органических веществ, которые называются липидами. Они выполняют несколько важных функций. Во-первых, окисляются, освобождая энергию. Во-вторых, являются пластическим веществом, которые образовывают тканевые структуры. В-третьих, имеют свойство превращаться в гликоген, который становится для организма источником глюкозы. В-четвертых, они откладываются в виде жировых отложений и являются тем запасом энергии для человека, который можно будет расходовать по мере необходимости. Наконец, в жирах растворяются витамины A, D, Е и K.
4. Синтез углеводов. Углеводы бывают простыми и сложными. С пищей поступают, как правило, сложные углеводы: полисахариды и дисахариды. Когда они расщепляются, в кровь попадают глюкоза, фруктоза и галактоза. Главная функция углеводов заключается в поддержании оптимального значения глюкозы в крови человека.

Катаболизм (энергетический обмен)

Катаболизм (или энергетический обмен, диссимиляция) — это совокупность ферментативных реакций расщепления сложных органических соединений (в том числе пищевых веществ) на более простые вещества, сопровождающихся выделением энергии.

■ При этом часть энергии рассеивается в виде тепла, а часть аккумулируется в макроэргических связях АТФ и используется для обеспечения процессов жизнедеятельности клетки. Основное вещество, используемое клетками для получения энергии, -глюкоза.

❖ Этапы (стадии) катаболизма:
■ подготовительный,
■ бескислородный,
■ кислородный (отсутствует у анаэробных организмов).

❖Подготовительный этап (или пищеварение): биополимеры расщепляются до мономеров, белки — до аминокислот, жиры -до глицерина и жирных кислот, углеводы — до глюкозы, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. Протекает в цитоплазме клеток и пищеварительном тракте животных и человека. Сопровождается наибольшим выделением энергии в виде тепла. Бескислородный и (у аэробных организмов) кислородный этапы катаболизма составляют процесс клеточного дыхания.

Автотрофы

Автотрофы (от греч. аутос – сам и трофе – пища, питание) – это организмы, способные синтезировать органические соединения из неорганических с использованием определенного вида энергии. Различают фототрофы и хемотрофы.

Фототрофы

Фототрофы (от греч. фотос – свет) – организмы, которые для процессов синтеза органических соединений из неорганических используют энергию света. К ним принадлежат некоторые прокариоты (фотосинтезирующие серобактерии и цианобактерии) и зеленые растения.

Хемотрофы

Хемотрофы (от греч. хемиа – химия) для синтеза органических соединений из неорганических используют энергию химических реакций. К ним относятся некоторые прокариоты (железобактерии, серобактерии, азотфиксирующие и т. п.). Автотрофные процессы относятся больше к процессам ассимиляции.

Анаэробное дыхание. Брожение

Анаэробное дыхание не требует потребления кислорода. Анаэробы — организмы, способные обитать в бескислородной среде.

Примеры анаэробов: многие виды бактерий, микроскопические грибы; анаэробное дыхание возможно также у мышечных клеток и клеток растений при недостатке кислорода.

Облигатные анаэробы (бактерия ботулизма и др.) существуют только при полном отсутствии О₂ (кислород для них губителен).

Факультативные анаэробы (дрожжи, черви-паразиты и др.) могут существовать как без О₂, так и в его присутствии.

Брожение — анаэробный окислительно-восстановительный процесс расщепления в лизосомах клетки органических соединений до молочной кислоты и воды, этилового спирта и углекислого газа (или некоторых других простых продуктов), посредством которого организмы получают энергию, необходимую для жизнедеятельности.

■ При брожении происходит перенос водорода, отщепляемого от окисляемых соединений, на органическое вещество (молочную кислоту, этиловый спирт и др.).

❖Виды брожения в зависимости от образующихся продуктов: молочнокислое (молочнокислые бактерии, мышечные клетки при недостатке О₂), маслянокислое, уксуснокислое, спиртовое (дрожжи) и др.

■Молочнокислое брожение: в результате гликолиза из одной молекулы глюкозы образуются две молекулы пировиноград-ной кислоты (которая затем превращается в молочную) и две молекулы АТФ:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ →2С₃Н₆О₃ + 2АТФ + 2Н₂О + Q₁,.

■ Спиртовое брожение: продуктами гликолиза являются этиловый спирт, АТФ, вода и углекислый газ:

С₆Н₁₂О₆ + 2АДФ + 2Н₃РО₄ →2С₂Н₅ОН + 2АТФ + 2СО₂ + Q₂.

бражениедыханиеклеткаокисление

Витамины

Для организма важно поддерживать нормальный уровень витаминов. Они участвуют в биохимических синтезах и оказывают влияние на здоровье человека

Эти вещества организм не способен самостоятельно синтезировать, они попадают внутрь с продуктами питания.

Впервые витамины обнаружил и описал русский врач Лунин Н.И. Он назвал их низкомолекулярными веществами различного характера и природы. Нормальный уровень и баланс витаминов положительно сказывается на мозговой деятельности, состоянии здоровья и работоспособности человека.

При повышении уровня какого-либо витамина развивается гипервитаминоз, при снижении наоборот гиповитаминоз. Эти состояния являются серьезными, имеют запущенные формы, и требуют лечения. 

Витамины подразделяют на жирорастворимые и водорастворимые. К жирорастворимым относят: К, Е, D, A. Все остальные являются водорастворимыми.

Смотри также:

• Размножение и развитие человека. Распознавание (на рисунках) органов и систем органов
• Внутренняя среда организма человека. Группы крови. Переливание крови
• Нервная и эндокринная системы. Нейрогуморальная регуляция процессов жизнедеятельности организма как основа его целостности, связи со средой

Катаболизм

В ходе катаболизма происходит расщепление органических веществ и сбор энергии путем клеточного дыхания. Сюда относят разрушение и окисление молекул пищи. Катаболизм необходим для получения энергии, а также компонентов, которые необходимы для анаболических реакций. Катаболизм делится на три основных этапа. На первом этапе крупные органические молекулы (полисахариды, белки и липиды) перевариваются на более мелкие компоненты вне клеток. На втором этапе эти компоненты поглощаются клетками и превращаются в ещё более мелкие молекулы, чаще в ацетил-кофермент А, высвобождающий определенное количество энергии. На третьем этапе полученные молекулы окисляются до воды и двуокиси углерода в ходе цикла лимонной кислоты и цепи переноса электронов. Крупные молекулы не могу быть поглощены клетками, так как перед этим они должны быть разбиты на более мелкие компоненты. Данные полимеры расщепляются определенными ферментами — протеазами, расщепляющие белки на аминокислоты и гликозид-гидролазы, расщепляющие полисахариды в простые сахара — моносахариды. Углеводный катаболизм расщепляют углеводы на более мелкие вещества и они поглощаются клетками в виде моносахаридов. Далее внутри происходит процесс гликолиза, в ходе которого сахара превращаются в пируват, который является промежуточным продуктом в нескольких метаболических путях, но большая часть поступает в цикл лимонной кислоты. Несмотря на то, что некоторые АТФ генерируются в цикле лимонной кислоты, наиболее важным является NADH, полученный из NAD+ как ацетил-кофермента А, который окисляется. В ходе данного окисления выделяется углекислый газ как побочный продукт. Жировой катаболизм происходит путем гидролиза, высвобождая жирные кислоты и глицерин. Аминокислоты используются для синтеза белков либо они окисляются до мочевины и диоксида углерода как источника энергии. Окисление аминокислот начинается с удаления аминогруппы при помощи трансамиазы.

Анаболизм и катаболизм

Обмен веществ или метаболизм – совокупность сложных химических реакций, происходящих в каждой клетке живого организма. Основное свойство обмена веществ и энергии – обеспечение взаимодействия внешней среды с организмом для поддержания жизни и нормального функционирования тканей и органов. Все жизненно необходимые вещества (вода, кислород, органические соединения) поступают из внешней среды. Без их доступа обмен веществ нарушается или прекращается, что приводит к гибели живого организма.

Метаболизм включает два тесно взаимосвязанных противоположных процесса:

• катаболизм или диссимиляция;
• анаболизм или ассимиляция.

Катаболизм или энергетический обмен – процесс распада сложных веществ (сахаров, жиров) на более простые. В результате образуется энергия в виде молекулы АТФ (аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат), которая является универсальным источником энергии. Часть образованных молекул АТФ участвует в синтезе различных веществ, часть – рассеивается в виде тепла.

Рис. 1. Формула АТФ.

Примеры катаболизма:

• расщепление этанола;
• гликолиз – превращение глюкозы в кислоту, а затем – в воду и углекислый газ;
• внутриклеточное дыхание (окисление).

Анаболизм или пластический обмен включает сложные химические реакции, в результате которых образуются высокомолекулярные вещества, необходимые для постройки и обновления организма (белки, жиры, углеводы).

Анаболизм можно наблюдать в виде:

• роста волос и ногтей;
• образование мышц;
• заживление ран, срастание костей и т.д.

Фотосинтез является анаболизмом, но вместо АТФ используется энергия солнечных лучей.

Рис. 2. Процесс фотосинтеза в клетке.

В результате катаболизма (распада) образуются простые вещества, которые могут соединяться при анаболизме (постройке) и вновь разрушаться при катаболизме с высвобождением АТФ. Хорошим примером являются жиры, которые образуются при ассимиляции, откладываются в тканях и расщепляются для получения энергии. Соотношение образованной и потраченной энергии называется энергетическим балансом. Анаболизм и катаболизм должны происходить параллельно без преобладания одного из процессов.

Энергетический обмен

Энергетический обмен – это совокупность реакций расщепления сложных соединений с выделением энергии. Организмы из окружающей среды в процессе жизнедеятельности в определенных формах поглощают энергию. Потом они возвращают в другой форме ее эквивалентное количество.

Не всегда процессы ассимиляции уравновешены с процессами диссимиляции. Накопление веществ и рост в развивающихся организмах обеспечиваются процессами ассимиляции, поэтому они преобладают. Процессы диссимиляции преобладают при недостатке питательных веществ, интенсивной физической работе, старении.

Процессы ассимиляции и диссимиляции тесно связаны с типами питания организмов. Основным источником энергии для живых организмов Земли является солнечный свет. Он опосредованно или непосредственно удовлетворяет их энергетические потребности.

«Обмен веществ»

Обмен веществ — совокупность реакций пластического и энергетического обменов.

Пластический и энергетический обмен, их взаимосвязь.

Пластический обмен (ассимиляция) — совокупность реакций синтеза сложных органических веществ (белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот) из более простых. Энергетический обмен (диссимиляция) — совокупность реакций, обеспечивающих клетку энергией, в ходе которых происходит расщепление и окисление сложных органических веществ.

 Этапы обмена веществ:

• поступление веществ в организм;
• изменение веществ в ходе ассимиляции и диссимиляции;
• выведение конечных продуктов обмена.

Водно-минеральный обмен в организме.

Суточная потребность организма в воде в среднем составляет 2-2,5 л. Вода поступает в организм при питье (около 1 л), с пищей (около 1 л), небольшое количество (300— 350 мл) ее образуется в результате окисления органических веществ. Вода всасывается в кишечнике (тонком и толстом), ротовой полости и желудке. Из организма вода выводится с мочой (1,2-1,5 л), с потом (500-700 мл), выдыхаемым воздухом (350-800 мл), калом (100-150 мл).

Минеральные соли в организме могут быть в твердом состоянии в виде кристаллов — Са₃(Р0₄)₂ и СаСО₃ в костной ткани; в диссоциированном состоянии в виде катионов и анионов. Анионы создают фосфатную буферную систему, поддерживающую внутри клеток слабокислую среду (pH 6,9), и бикарбонатную буферную систему, поддерживающую слабощелочную реакцию внеклеточной среды (pH 7,4). Общее количество минеральных солей около 4,5%. Потребности организма в них удовлетворяются продуктами питания. Железа много в яблоках, йода — в морской капусте, кальция — в молочных продуктах. Человеку необходимо постоянное поступление натрия и хлора (до 10 г поваренной соли в сутки). Всасывание солей происходит вместе с водой в толстом кишечнике. Попавшие в кровь минеральные соли доставляются клеткам. Излишки минеральных солей выводятся с мочой, потом и калом.

Обмен белков.

Суточная потребность организма в белках составляет 72-92 г. Источником белков являются преимущественно продукты животного происхождения. По содержанию аминокислоты белки делятся на полноценные (белки молока, мяса, рыбы и др.) и неполноценные, которые не содержат ни одной из незаменимых аминокислот. Особенно важны десять незаменимых аминокислот, не синтезируемых в организме (лизин, валин, лейцин, изолейцин, треонин, фенилаланин, триптофан, метионин, аргинин, гистидин).

Протеолитические ферменты расщепляют белки до полипептидов и аминокислот. Аминокислоты всасываются в кровеносные капилляры ворсинок тонкого кишечника и разносятся кровью по организму. В клетках из них образуются белки, свойственные организму. При избытке белки преобразуются в углеводы и жиры. Часть аминокислот, не использованных в синтезе белка, окисляется с освобождением энергии (17,6 кДж на 1 г вещества) и образованием воды, диоксида углерода, аммиака и др. Аммиак в печени превращается в мочевину. Продукты диссимиляции белков выводятся с мочой, потом и частично с выдыхаемым воздухом.

Обмен жиров.

Суточная потребность организма в жирах составляет 81-110 г. Животные жиры поступают в организм в виде сливочного масла, сыра, сметаны, свиного сала; растительные — в виде растительного масла. Липолитические ферменты расщепляют жиры до глицерола и жирных кислот. Жиры всасываются в лимфу, затем поступают в кровь и разносятся по всем клеткам. Часть жира, попавшего в клетки, является строительным материалом. Большая же его часть откладывается в подкожной клетчатке. При окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. Жиры могут синтезироваться из углеводов и белков. Конечные продукты окисления жиров — диоксид углерода и вода, удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом.

Обмен углеводов.

В сутки человек должен получать 358—484 г углеводов. Основной их источник — продукты растительного происхождения (картофель, хлеб). Углеводы в организме могут образовываться из белков и жиров. Амилолитические ферменты расщепляют углеводы до дисахаридов и моносахаридов. Моносахариды всасываются в кровеносные капилляры ворсинок кишечника и разносятся кровью по организму. Избыток глюкозы превращается в печени в гликоген. При чрезмерном поступлении углеводов они превращаются в жиры. В клетках глюкоза окисляется до диоксида углерода и воды, которые удаляются с выдыхаемым воздухом, мочой, потом, при этом выделяется энергия (17,6 кДж на 1 г глюкозы).

Это конспект по биологии в 8 классе по теме «Обмен веществ». Выберите дальнейшие действия:

• Перейти к следующему конспекту: Витамины и их роль в обмене веществ.
• Вернуться к списку конспектов по Биологии.
• Проверить знания по Биологии.

Хемосинтез

Хемосинтез — процесс синтеза органических веществ, происходящий за счет энергии, выделяющейся при окислении ряда неорганических соединений (сероводорода, аммиака, водорода и др.).

■ Хемосинтез характерен для некоторых автотрофных аэробных и анаэробных бактерий-хемосинтетиков.

Роль бактерий-хемосинтетиков: азотфиксирующие бактерии повышают урожайность почвы, серобактерии способствуют постепенному разрушению и выветриванию горных пород, участвуют в очищении от соединений серы промышленных сточных вод, железобактерии вырабатывают Fe(OH)₃, образующий болотную железную руду, водородные бактерии используются для получения пищевого и кормового белка.

Уровень метаболизма в зависимости от пола, возраста, питания

Скорость обмена веществ зависит не только от генетических факторов и образа жизни, но и от пола и возраста. Уровень тестостерона у мужчин гораздо выше. Благодаря этому представители сильного пола склонны к набору мышечной массы. А мускулатура нуждается в энергии. Поэтому базовый обмен веществ у мужчин выше – организм потребляет больше калорий (источник – Научно-исследовательский институт гигиены и экологии человека Самарского государственного медицинского университета, “Корреляция показателей основного обмена при различных способах его определения”).

Женщины, наоборот, более склонны к отложению жировых запасов. Причина кроется в большом количестве женских половых гормонов – эстрогенов. Женщины вынуждены более тщательно следить за своими фигурами, поскольку выход за рамки здорового образа жизни тут же откликается увеличением веса.

У большинства людей базальный обмен веществ меняется с возрастом. Это легко заметить, понаблюдав за изменениями своей формы или формы знакомых. Не пытаясь противостоять времени, после 30-40 лет, а то и раньше, многие люди начинают расплываться. Это присуще и эктоморфам. В молодости им с трудом удаётся поправиться даже на килограмм. С возрастом килограммы приходят сами. Пусть и не в таком количестве, как у мезо- и эндоморфов.

Считайте калории, исходя из индивидуальных потребностей (формулы в помощь), занимайтесь спортом, и метаболизм будет в норме. Если, конечно, нет проблем иного рода.

А как питаться правильно? Уделять большое внимание продуктам, благодаря которым функции метаболизма в организме выполняются корректно. Рацион должен быть богат:

• грубой овощной клетчаткой – морковью, капустой, свеклой и т. п.;
• фруктами;
• зеленью;
• постным мясом;
• морепродуктами.

При выборе любого рациона питания, даже самого полезного, рекомендуется отталкиваться от исходного состояния здоровья.

В таких случаях категорически запрещается из зелени кушать щавель и шпинат. Из фруктов и ягод запрещены малина, клюква, виноград. В других случаях, при повышенном холестерине, исключается часть морепродуктов, например, креветки.

Рекомендуется питаться часто и дробно, не пренебрегать завтраком, учитывать сочетаемость продуктов. Лучше всего или подробно изучить вопрос, или обратиться за помощью к специалисту. Поскольку организм работает с тем, что ему дали, на нормальный метаболизм можно рассчитывать только в том случае, если рацион составлен с учётом индивидуальных потребностей и особенностей организма.

Автор Евгения Снопко

Эксперт проекта.
диагностика, лечение, первичная, вторичная профилактика заболеваний почек, суставов, сердечно-сосудистой системы;
дифференциальная диагностика заболеваний различных органов и систем;
рекомендации по диетическому питанию, физическим нагрузкам, лечебной физкультуре, подбор индивидуальной схемы питания.