Процессы катаболизма: — этапы катаболизма — Биохимия

— этапы катаболизма — Биохимия

Метаболизм представляет собой высоко координированную и целенаправленную клеточную активность, обеспеченную участием многих взаимосвязанных ферментативных систем, и включает два неразрывных процесса анаболизм и катаболизм. 

Он выполняет три специализированные функции:

1. Энергетическая – снабжение клетки химической энергией,
2. Пластическая – синтез макромолекул как строительных блоков,
3. Специфическая – синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения специфических клеточных функций.

Анаболизм

Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из малых молекул-предшественников. Поскольку он сопровождается усложнением структуры, то требует затрат энергии. Источником такой энергии является энергия АТФ.

Цикл НАДФ-НАДФН

Также для биосинтеза некоторых веществ (жирные кислоты, холестерол) требуются богатые энергией атомы водорода – их источником является НАДФН. Молекулы НАДФН образуются в реакциях окисления глюкозо-6-фосфата в пентозосфатном пути или декарбоксилирования яблочной кислоты малик-ферментом. В реакциях анаболизма НАДФН передает свои атомы водорода на синтетические реакции и окисляется до НАДФ. Так формируется НАДФ-НАДФН—цикл.

Катаболизм

Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Оно сопровождается высвобождением энергии, заключенной в сложной структуре веществ. Большая часть высвобожденной энергии рассеивается в виде тепла. Меньшая часть этой энергии «перехватывается» коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ.

Атомы водорода, высвобождаемые в реакциях окисления веществ, в основном используются клеткой по двум направлениям:

• на анаболические реакции в составе НАДФН (например, синтез жирных кислот и холестерина),
• на образование АТФ  в митохондриях при окислении НАДН и ФАДН₂.

Необходимо заметить, что молекулы НАДФН могут идти не только на реакции анаболизма. Например, они активно привлекаются к реакциям антиоксидантной защиты для нейтрализации свободных радикалов, а в фагоцитирующих клетках, наоборот, требуются для синтеза супероксид анион-радикала, используются для нейтрализации аммиака в реакции синтеза глутамата в реакции восстановительного аминирования и в ряде других процессов.

Весь катаболизм условно подразделяется на три этапа, включающие реакции общих и специфических

путей.

Первый этап

Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или в лизосомах (самообновление клеток) при расщеплении уже ненужных или лишних молекул. При этом освобождается около 1% энергии, заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.

Второй этап

Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови, на втором этапе обычно превращаются

• в пировиноградную кислоту (моносахариды в гликолизе),
• в ацетил-SKoA, в пируват и другие кетокислоты (в катаболизме аминокислот),
• в ацетил-SКоА (при β-окислении жирных кислот).

Локализация второго этапа – цитозоль и митохондрии. На этом этапе выделяется около 30% энергии, заключенной в молекуле, и при этом запасается около 13% от всей энергии вещества (или примерно 43% от выделенной на этом этапе энергии). 

Схема общих и специфичных путей катаболизма

(более подробная схема представлена здесь)

Под специфичными путями катаболизма понимают реакции, осуществляемые специфичными ферментами в специфичных, для разных классов веществ, реакциях 1 и 2 этапов. После того, как эти процессы закончатся, образуются пируват и ацетил-SКоА (в основном) и начинаются общие пути превращений. Подразумевается, что независимо от источника происхождения пирувата и ацетил-SKoA (из аминокислот, жирных кислот или моносахаридов) они  попадают в общий путь катаболизма – 3 этап биологического окисления.  

Третий этап

Все реакции этого этапа идут в митохондриях. Ацетил-SКоА (и кетокислоты) включается в реакции цикла трикарбоновых кислот, где углероды веществ окисляются до углекислого газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД, восстанавливают их и после этого НАДН и ФАДН₂ переносят водород в цепь ферментов дыхательной цепи, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Сюда же отдают свои атомы водорода молекулы НАДН и ФАДН₂, образованные на втором этапе (гликолиз, окисление жирных кислот и аминокислот). В третьем этапе выделяется до 70% всей энергии вещества. Из этого количества усваивается почти две трети (66%), что составляет около 46% от общей. Таким образом, из 100% энергии окисляемой молекулы клетка запасает больше половины – 59%.

Соотношение выделенной и запасенной энергии

при биологическом окислении

На внутренней мембране митохондрий в результате процесса под названием «окислительное фосфорилирование» образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ.

 

Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде связей, называемых макроэргическими. Основной и универсальной молекулой, которая запасает энергию и при необходимости отдает ее, является АТФ.

Все молекулы АТФ в клетке непрерывно участвуют в каких-либо реакциях, постоянно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют.

Существует три основных способа использования АТФ:

• биосинтез веществ,
• транспорт веществ через мембраны,
• изменение формы клетки и ее движение.

Эти процессы вкупе с процессом образования АТФ получили название АТФ-цикл:

Кругооборот АТФ в жизни клетки

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.

Биологические науки 06.

06.01

БИОХИМИЯ 03.01.04

1.      Активный и неактивный хроматин.

2.      Биологические объекты как стационарные системы.

3.      Биохимия в системе биологических дисциплин.

4.      Взаимосвязь между обменами белков, углеводов, жиров и липидов. Ключевые ферменты.

5.      Вода и ее роль в живых организмах. Основные понятия электрохимии водных растворов.

6.      Единство основных метаболических путей во всех живых системах.

7.      Единство процессов обмена веществ.

8.      Закон действующих масс, константы диссоциации кислот и оснований, водородный показатель (рН), буферные растворы.

9.      Катаболические и анаболические процессы.

10. Клеточный цикл.

11. Круговорот веществ в биосфере.

12. Место биохимии в системе наук, связанных с физико-химической биологией. Основные этапы развития биохимии.

13. Метаболические цепи, сети и циклы.

14. Методы аналитической бионеорганической химии.

15. Минеральный состав клеток. Микроэлементы.

16. Молекулярная биология и генетика и их связь с биохимией.

17. Направления и перспективы развития биохимии.

18. Наследственные болезни.

19. Обратимость биохимических процессов.

20. Общие и специфические реакции функциональных групп аминокислот. Ионизация аминокислот. Методы разделения аминокислот и пептидов. Природные олигопептиды. Глютатион и его значение в обмене веществ. Витамины, коферменты и другие биологически активные соединения.

21. Основные физико-химические методы, применяемые в биохимии.

22. Понятия ген и оперон.

23. Практические приложения биохимии; биохимия как фундаментальная основа биотехнологии.

24. Принципы выделения, очистки и количественного определения белков. Пептидная связь, ее свойства и влияние на конформацию полипептидов. Теория строения белковой молекулы.

25. Природные аминокислоты. Различные способы классификации аминокислот.

26. Регулирование экспрессии генов.

27. Роль витаминов в питании животных и человека.

28. Роль нуклеиновых кислот в биосинтезе белков. Биосинтез нуклеиновых кислот и ДНК-полимеразы.

29. Связь биологической химии с сопредельными дисциплинами — биофизикой, биоорганической химией, цитологией, микробиологией, генетикой, физиологией.

30. Связь процессов катаболизма и анаболизма, энергетических и конструктивных процессов.

31. Сопряжение биохимических реакций.

32. Специфическая роль белковых веществ в явлениях жизни.

33. Способы регулирования метаболизма.

34. Структура хромосом.

35. Физико-химическая характеристика воды как универсального растворителя в биологических системах.

36. Энергетика обмена веществ.

МИКРОБИОЛОГИЯ 03.02.03

1.        Антигены: определение, основные свойства.

Антигены бактериальной клетки.

2.        Арбовирусы.

3.        Вакцины. Современная классификация вакцин. Требования, предъявляемые к вакцинным препаратам. Вакцинотерапия. Осложнения.

4.        Вирус кори.

5.        Возбудители гепатитов А и Е.

6.        Возбудители гепатитов В, С, D, G. ВИЧ-инфекция.

7.        Возбудители кишечного иерсиниоза.

8.        Возбудители коклюша и паракоклюша.

9.        Возбудители лейшманиозов.

10.    Возбудители малярии. Возбудитель токсоплазмоза.

11.    Возбудители оппортунистических инфекций.

12.    Возбудители ОРВИ. Возбудитель гриппа.

13.    Возбудители туберкулеза.

14.    Возбудители холеры.

15.    Возбудители шигеллеза. Возбудители сальмонеллезов.

16.    Возбудители эшерихиозов.

17.    Возбудитель амебиаза.

18.    Возбудитель бешенства.

19.    Возбудитель боррелиозов. Микоплазмы.

20.    Возбудитель ботулизма.

21.    Возбудитель бруцеллеза.

22.    Возбудитель дифтерии.

23.    Возбудитель клещевого энцефалита.

24.    Возбудитель краснухи.

25.    Возбудитель легионеллезов.

26.    Возбудитель лихорадки Ку. Возбудитель хламидиозов.

27.    Возбудитель натуральной оспы.

28.    Возбудитель полиомиелита.

29.    Возбудитель проказы. Актиномицеты.

30.    Возбудитель сибирской язвы.

31.    Возбудитель сифилиса.

32.    Возбудитель столбняка.

33.    Возбудитель сыпного тифа.

34.    Возбудитель чумы.

35.    Возбудительлептоспирозов.

36.    Геном бактерий. Понятие о генотипе и фенотипе. Виды изменчивости. Подвижные генетические элемента, их роль в эволюции бактерий. Механизмы передачи генетического материала у бактерий.

37.    Герпес-инфекция: таксономия, характеристика возбудителей.

38.    Действие физических и химических факторов на микроорганизмы.

39.    Дисбиозы. Дисбактериозы.

40.    Иммунные сыворотки. Антитоксические сыворотки и препараты иммуноглобулинов.

41.    Иммунный статус человека и факторы, влияющие на него. Оценка иммунного статуса: основные показатели и методы их определения.

42.    Иммуноглобулины, структура и функции.

43.    Классификация гиперчувствительности по Джелу и Кумбсу. Механизм. Анафилактический шок и сывороточная болезнь. Причины возникновения. Механизм. Их предупреждение.

44.    Классификация грибов.

45.    Классификация и характеристика онкогенных вирусов.

46.    Классификация иммуномодуляторов. Иммунотерапия и иммунопрофилактика инфекционных болезней.

47.    Клиническая микробиология, ее задачи.

48.    Комплемент, его структура, функции, пути активации, роль в иммунитете. Интерфероны, природа.

49.    Лабораторная диагностика.

50.    Медленные вирусные инфекции и прионные болезни.

51.    Методы микробиологической диагностики инфекционных болезней. Возбудители брюшного тифа и паратифов.

52.    Механизмы лекарственной устойчивости возбудителей инфекционных болезней. Принципы рациональной антибиотикотерапии.

53.    Мир микробов, номенклатура, классификация.

54.    Неспорообразующие анаэробы.

55.    Нормальная микрофлора организма человека и ее функции.

56.    Осложнения антибиотикотерапии, их предупреждение.

57.    Основные принципы культивирования бактерий.

58.    Особенности микробиологического диагноза при карантинных инфекциях. Возбудители анаэробной газовой инфекции.

59.    Особенности противовирусного, противобактериального, противогрибкового, противоопухолевого, противогельминтного, трансплантационного иммунитета.

60.    Патогенность и вирулентность бактерий. Факторы патогенности.

61.     Плазмиды бактерий, их функции и свойства. Использование плазмид в генной инженерии.

62.    Понятие о стерилизации, дезинфекции, асептике и антисептике.

63.    Природные и синтетические антибиотики. История открытия природных антибиотиков.

64.    Рост и размножение бактерий.

65.    Синегнойная палочка.

66.    Специфическая профилактика и лечение.

67.    Структура и функции бактериальной клетки.

68.    Таксономия. Стафилококки. Таксономия. Стрептококки. Менингококки. Возбудитель туляремии.

69.    Типы взаимодействия вируса с клеткой. Стадии репродукции вирусов. Бактериофаги.

70.    Токсины бактерий, их природа, свойства, получение.

71.    Факторы врожденного иммунитета.

Катаболизм – определение и примеры

Катаболизм Определение

Катаболизм – это часть метаболизма , отвечающая за расщепление сложных молекул на более мелкие молекулы. Другая часть метаболизма, анаболизм , превращает простые молекулы в более сложные. В ходе катаболизма энергия высвобождается из связей расщепляющихся больших молекул. Обычно эта энергия запасается в связях аденозинтрифосфата 9.0006 (АТФ). Катаболизм увеличивает концентрацию АТФ в клетке, поскольку он расщепляет питательные вещества и пищу. АТФ в таких высоких концентрациях с гораздо большей вероятностью отдает свою энергию при высвобождении фосфата. Затем анаболизм использует эту энергию для объединения простых предшественников в сложные молекулы, которые добавляются к клетке и накапливают энергию для клеточного деления.

Многие пути катаболизма имеют аналогичные варианты анаболизма. Например, большие молекулы жира в пище организма должны быть расщеплены на маленькие жирные кислоты, из которых она состоит. Затем, чтобы организм запасал энергию на зиму, должны создаваться и запасаться большие молекулы жира. Катаболические реакции расщепляют жиры, а анаболические пути восстанавливают их. Эти метаболические пути часто используют одни и те же ферменты. Чтобы уменьшить вероятность того, что пути отменят прогресс друг друга, пути часто подавляют друг друга и разделены на разные органеллы у эукариот.

Примеры катаболизма

Катаболизм углеводов и липидов

Почти все организмы используют сахар глюкозу в качестве источника энергии и углеродных цепей. Глюкоза запасается организмами в более крупных молекулах, называемых полисахаридами . Эти полисахариды могут быть крахмалами, гликогеном или другими простыми сахарами, такими как сахароза. Когда клеткам животного нужна энергия, оно посылает сигналы частям тела, которые хранят глюкозу, или потребляет пищу. Глюкоза высвобождается из углеводов специальными ферментами на первом этапе катаболизма. Затем глюкоза распределяется по телу, чтобы другие клетки могли использовать ее в качестве энергии. Катаболический путь гликолиз затем еще больше расщепляет глюкозу, высвобождая энергию, запасенную в АТФ. Из глюкозы образуются молекулы пирувата. Дальнейшие катаболические пути создают ацетат , который является ключевой метаболической промежуточной молекулой. Ацетат может превращаться в самые разные молекулы, от фосфолипидов до молекул пигментов, гормонов и витаминов.

Жиры, представляющие собой крупные липидные молекулы, также расщепляются в процессе метаболизма с образованием энергии и других молекул. Подобно углеводам, липиды хранятся в больших молекулах, но могут быть расщеплены на отдельные жирные кислоты. Затем эти жирные кислоты превращаются через бета-окисление в ацетат. Опять же, ацетат может использоваться в процессе анаболизма, для производства более крупных молекул или как часть цикла лимонной кислоты , который стимулирует дыхание и выработку АТФ. Животные используют жиры для хранения большого количества энергии для будущего использования. В отличие от крахмалов и углеводов, липиды гидрофобны и исключают воду. Таким образом, много энергии может быть сохранено без того, чтобы тяжелый вес воды замедлял работу организма.

Большинство катаболических путей конвергентны в том, что они заканчиваются одной и той же молекулой. Это позволяет организмам потреблять и накапливать энергию в самых разных формах, но при этом иметь возможность производить все необходимые молекулы в анаболических путях. Другие катаболические пути, такие как катаболизм белка, обсуждаемый ниже, создают различные промежуточные молекулы-предшественники, известные как аминокислот , для создания новых белков.

Катаболизм белков

Все белки в известном мире состоят из одних и тех же 20 аминокислот. Это означает, что белки в растениях, животных и бактериях представляют собой просто разные комбинации 20 аминокислот. Когда организм потребляет меньший организм, весь белок в этом организме должен быть переварен в процессе катаболизма. Ферменты, известные как протеиназ разрывают связи между аминокислотами в каждом белке до полного разделения кислот. После разделения аминокислоты могут быть распределены по клеткам организма. Согласно ДНК организма, аминокислоты будут рекомбинироваться в новые белки.

Если нет источника глюкозы или слишком много аминокислот, молекулы вступят в дальнейшие катаболические пути, чтобы расщепиться на углеродные скелеты. Эти небольшие молекулы могут быть объединены в глюконеогенез для создания новой глюкозы, которую клетки могут использовать в качестве энергии или запасать в больших молекулах. Во время голодания клеточные белки могут подвергаться катаболизму, что позволяет организму выживать за счет собственных тканей, пока не будет найдено больше пищи. Таким образом, организмы могут жить с небольшим количеством воды в течение очень долгого времени. Это делает их гораздо более устойчивыми к изменяющимся условиям окружающей среды.

• Анаболизм – Часть метаболизма, которая строит большие молекулы из меньших.
• Метаболизм – Сочетание анаболизма и катаболизма или всех ферментативных реакций в клетке.
• Метаболический путь – Последовательные химические реакции, организованные внутри клеток.
• Катаболический путь — Единственная серия реакций, разрушающая определенную молекулу.

Викторина

1. Дрожжи – это одноклеточные организмы, используемые для производства спирта. В среде практически без кислорода дрожжи создают алкоголь как побочный продукт высвобождения энергии из глюкозы. Является ли производство алкоголя частью анаболического пути, катаболического пути или ни того, ни другого?
A. Анаболический путь
B. Катаболический путь
C. Ни

Ответ на вопрос №1

B верно. Хотя алкоголь является побочным продуктом, он возникает при катаболизме глюкозы. Как и все клетки, дрожжи должны использовать глюкозу для получения энергии. Без кислорода дрожжи развили катаболический путь, известный как ферментация , при котором энергия все еще может быть собрана, но без кислорода. Вместо этого спирты создаются и выбрасываются в окружающую среду. Пивоварни, виноградники и винокурни используют этот хитрый трюк с глюкозой для создания спирта из сахаров. Различные источники сахара производят напитки с разными вкусами. В вине используется сахар из винограда, в пиве используется крахмал из ячменя, а в других спиртных напитках используется множество различных сахаров, таких как картофель в водке и рис в сакэ.

2. Плотоядные животные могут производить всю необходимую им глюкозу из животного белка. Травоядные получают всю необходимую им глюкозу из растений. Почему облигатные плотоядные не могут есть растения, а облигатные травоядные не могут есть мясо, чтобы получать энергию?
А. Не умеют.
B. Не производят необходимые ферменты.
К. Могут! Всеядное животное — это всего лишь хищник, который научился питаться растениями.

Ответ на вопрос №2

B правильно. Облигатные хищники могут есть только мясо, потому что у них нет необходимых катаболических путей, которые разрушают растения. Эволюция, отбирая неиспользуемые и неэффективные пути, отбирает организмы, которые заполняют определенные ниши. Если эта ниша предлагает очень мало растительного материала, катаболизм меняется, и некоторые пути теряются. Таким образом, даже если бы вы научили хищника есть и собирать растения, его тело не могло бы перерабатывать питательные вещества. Точно так же травоядные могут получать питательные вещества только из растительных материалов. Всеядные эволюционировали в нише, которая требует использования энергии из обоих источников. У этих животных катаболизм способен переваривать оба вида пищи.

3. Бактерии, не имеющие специализированных компартментов в своих клетках, должны регулировать анаболизм и катаболизм, чтобы работать вместе. Ученый добавляет к бактериям химическое вещество, которое отключает анаболизм, постоянно активируя только катаболизм. Что будет с клеткой?
А. Он умрет.
Б. Будет расти.
C. Производит много энергии.

Ответ на вопрос №3

является правильным. В то время как катаболизм будет производить много энергии, в конечном итоге у него закончатся молекулы для расщепления, и энергия прекратится. Клетка не смогла бы расти без анаболизма, создающего новые молекулы. Таким образом, даже если клетка может давать энергию, без процесса, который восстанавливает и добавляет к клетке, она в конечном итоге развалится. И анаболизм, и катаболизм необходимы для создания функционирующего метаболизма в организме.

Обзор метаболических реакций | Анатомия и физиология II

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• Описывать процесс распада полимеров на мономеры
• Опишите процесс объединения мономеров в полимеры
• Обсудите роль АТФ в метаболизме
• Объясните окислительно-восстановительные реакции
• Опишите гормоны, регулирующие анаболические и катаболические реакции

В организме постоянно происходят обменные процессы. Метаболизм представляет собой сумму всех химических реакций, участвующих в катаболизме и анаболизме. Реакции, управляющие расщеплением пищи с целью получения энергии, называются катаболическими реакциями. И наоборот, анаболические реакции используют энергию, вырабатываемую катаболическими реакциями, для синтеза более крупных молекул из более мелких, например, когда организм образует белки путем связывания аминокислот. Оба набора реакций имеют решающее значение для поддержания жизни.

Поскольку катаболические реакции производят энергию, а анаболические реакции используют энергию, в идеале использование энергии должно уравновешивать произведенную энергию. Если чистое изменение энергии положительное (катаболические реакции высвобождают больше энергии, чем используют анаболические реакции), то тело сохраняет избыточную энергию, создавая молекулы жира для долгосрочного хранения. С другой стороны, если чистое изменение энергии отрицательно (катаболические реакции выделяют меньше энергии, чем тратят анаболические реакции), организм использует накопленную энергию для компенсации дефицита энергии, высвобождаемой в результате катаболизма.

Катаболические реакции

Катаболические реакции расщепляют большие органические молекулы на более мелкие, высвобождая энергию, содержащуюся в химических связях. Эти высвобождения энергии (преобразования) не на 100 процентов эффективны. Количество выделяемой энергии меньше, чем общее количество, содержащееся в молекуле. Приблизительно 40 процентов энергии, полученной в результате катаболических реакций, непосредственно передаются высокоэнергетической молекуле аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ, энергетическая валюта клеток, может быть немедленно использована для питания молекулярных машин, поддерживающих функции клеток, тканей и органов. Это включает в себя создание новой ткани и восстановление поврежденной ткани. АТФ также может храниться для удовлетворения будущих потребностей в энергии. Остальные 60 процентов энергии, выделяемой в результате катаболических реакций, выделяются в виде тепла, которое поглощают ткани и жидкости организма.

Молекулы АТФ структурно состоят из аденина, рибозы и трех фосфатных групп. Химическая связь между второй и третьей фосфатными группами, называемая высокоэнергетической связью, представляет собой наибольший источник энергии в клетке. Это первая связь, которую катаболические ферменты разрывают, когда клеткам требуется энергия для выполнения работы. Продуктами этой реакции являются молекула аденозиндифосфата (АДФ) и одинокая фосфатная группа (P _i ). АТФ, АДФ и P _i постоянно проходят через реакции, которые создают АТФ и накапливают энергию, и реакции, которые расщепляют АТФ и высвобождают энергию.

Рисунок 1. Аденозинтрифосфат (АТФ) является энергетической молекулой клетки. Во время катаболических реакций создается АТФ, и энергия сохраняется до тех пор, пока она не понадобится во время анаболических реакций.

Энергия АТФ управляет всеми функциями организма, такими как сокращение мышц, поддержание электрического потенциала нервных клеток и всасывание пищи в желудочно-кишечном тракте. Метаболические реакции, в результате которых образуется АТФ, происходят из разных источников.

Рисунок 2. В ходе катаболических реакций белки расщепляются до аминокислот, липиды – до жирных кислот, полисахариды – до моносахаридов. Эти строительные блоки затем используются для синтеза молекул в анаболических реакциях.

Из четырех основных макромолекулярных групп (углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты), которые перерабатываются при пищеварении, углеводы считаются наиболее распространенным источником энергии для питания организма. Они принимают форму либо сложных углеводов, полисахаридов, таких как крахмал и гликоген, либо простых сахаров (моносахаридов), таких как глюкоза и фруктоза. Катаболизм сахаров расщепляет полисахариды на их отдельные моносахариды. Среди моносахаридов глюкоза является наиболее распространенным топливом для производства АТФ в клетках, и поэтому существует ряд механизмов эндокринного контроля для регулирования концентрации глюкозы в кровотоке. Избыток глюкозы либо хранится в качестве энергетического резерва в печени и скелетных мышцах в виде сложного полимерного гликогена, либо превращается в жир (триглицерид) в жировых клетках (адипоцитах).

Среди липидов (жиров) триглицериды чаще всего используются для получения энергии посредством метаболического процесса, называемого β-окислением. Около половины избыточного жира откладывается в адипоцитах, которые накапливаются в подкожной клетчатке под кожей, тогда как остальная часть откладывается в адипоцитах других тканей и органов.

Белки, которые являются полимерами, могут быть расщеплены на их мономеры, отдельные аминокислоты. Аминокислоты можно использовать в качестве строительных блоков новых белков или расщеплять для производства АТФ. Когда человек хронически голодает, такое использование аминокислот для производства энергии может привести к истощению организма, поскольку расщепляется все больше и больше белков.

Нуклеиновые кислоты присутствуют в большинстве продуктов, которые вы едите. Во время пищеварения нуклеиновые кислоты, включая ДНК и различные РНК, расщепляются на составляющие их нуклеотиды. Эти нуклеотиды легко всасываются и транспортируются по всему телу для использования отдельными клетками в процессе метаболизма нуклеиновых кислот.

Анаболические реакции

В отличие от катаболических реакций, анаболические реакции включают объединение более мелких молекул в более крупные. Анаболические реакции объединяют моносахариды в полисахариды, жирные кислоты в триглицериды, аминокислоты в белки и нуклеотиды в нуклеиновые кислоты. Эти процессы требуют энергии в виде молекул АТФ, образующихся в результате катаболических реакций. Анаболические реакции, также называемые реакции биосинтеза , создают новые молекулы, формирующие новые клетки и ткани, и оживляют органы.

Гормональная регуляция обмена веществ

Катаболические и анаболические гормоны в организме помогают регулировать обменные процессы. Катаболические гормоны стимулируют расщепление молекул и выработку энергии. К ним относятся кортизол, глюкагон, адреналин/эпинефрин и цитокины. Все эти гормоны мобилизуются в определенное время для удовлетворения потребностей организма. Анаболические гормоны необходимы для синтеза молекул и включают гормон роста, инсулиноподобный фактор роста, инсулин, тестостерон и эстроген. анаболические гормоны.

Таблица 1. Катаболические гормоны
Гормон	Функция
Кортизол	Выделяется надпочечниками в ответ на стресс; его основная роль заключается в повышении уровня глюкозы в крови путем глюконеогенеза (расщепления жиров и белков)
Глюкагон	Высвобождается из альфа-клеток поджелудочной железы либо при голодании, либо когда организму необходимо вырабатывать дополнительную энергию; стимулирует расщепление гликогена в печени для повышения уровня глюкозы в крови; его действие противоположно действию инсулина; глюкагон и инсулин являются частью системы отрицательной обратной связи, которая стабилизирует уровень глюкозы в крови
Адреналин/эпинефрин	Высвобождается в ответ на активацию симпатической нервной системы; увеличивает частоту сердечных сокращений и сократительную способность сердца, сужает сосуды, является бронхолитическим средством, которое открывает (расширяет) бронхи легких для увеличения объема воздуха в легких, стимулирует глюконеогенез

Таблица 2. Анаболические гормоны
Гормон	Функция
Гормон роста (ГР)	Синтезируется и высвобождается из гипофиза; стимулирует рост клеток, тканей и костей
Инсулиноподобный фактор роста (IGF)	Стимулирует рост мышц и костей, а также ингибирует гибель клеток (апоптоз)
Инсулин	Вырабатывается бета-клетками поджелудочной железы; играет важную роль в углеводном и жировом обмене, регулирует уровень глюкозы в крови и способствует усвоению глюкозы клетками организма; заставляет клетки мышц, жировой ткани и печени поглощать глюкозу из крови и сохранять ее в печени и мышцах в виде глюкагона; его действие противоположно действию гликогена; глюкагон и инсулин являются частью системы отрицательной обратной связи, которая стабилизирует уровень глюкозы в крови
Тестостерон	Вырабатывается яичками самцов и яичниками самок; стимулирует увеличение мышечной массы и силы, а также рост и укрепление костей
Эстроген	Вырабатывается главным образом яичниками, а также печенью и надпочечниками; его анаболические функции включают усиление метаболизма и отложение жира

Нарушения обменных процессов: синдром Кушинга и болезнь Аддисона

Как и следовало ожидать для фундаментального физиологического процесса, такого как обмен веществ, ошибки или сбои в метаболических процессах приводят к патофизиологии или, если их не исправить, к болезненному состоянию. Метаболические заболевания чаще всего являются результатом неправильной работы белков или ферментов, которые имеют решающее значение для одного или нескольких метаболических путей. Нарушение работы белков или ферментов может быть следствием генетического изменения или мутации. Однако нормально функционирующие белки и ферменты также могут оказывать вредное воздействие, если их доступность не соответствует потребностям метаболизма. Например, чрезмерная выработка гормона кортизола вызывает синдром Кушинга. Клинически синдром Кушинга характеризуется быстрым увеличением массы тела, особенно в области туловища и лица, депрессией и беспокойством. Стоит отметить, что опухоли гипофиза, которые продуцируют адренокортикотропный гормон (АКТГ), который впоследствии стимулирует кору надпочечников к высвобождению избыточного кортизола, вызывают аналогичные эффекты. Этот непрямой механизм перепроизводства кортизола называется болезнью Кушинга.

У пациентов с синдромом Кушинга может наблюдаться высокий уровень глюкозы в крови и повышенный риск ожирения. У них также наблюдается медленный рост, накопление жира между плечами, слабые мышцы, боли в костях (поскольку кортизол вызывает расщепление белков с образованием глюкозы посредством глюконеогенеза) и утомляемость. Другие симптомы включают чрезмерное потоотделение (гипергидроз), расширение капилляров и истончение кожи, что может привести к легкому образованию синяков. Все методы лечения синдрома Кушинга направлены на снижение чрезмерного уровня кортизола. В зависимости от причины избытка, лечение может быть таким же простым, как прекращение использования кортизоловых мазей. В случае опухолей хирургическое вмешательство часто используется для удаления опухоли. Если хирургическое вмешательство нецелесообразно, можно использовать лучевую терапию для уменьшения размера опухоли или удаления участков коры надпочечников. Наконец, доступны лекарства, которые могут помочь регулировать количество кортизола.

Недостаточное производство кортизола также опасно. Надпочечниковая недостаточность, или болезнь Аддисона, характеризуется снижением выработки кортизола надпочечниками. Это может быть результатом нарушения работы надпочечников — они не производят достаточного количества кортизола — или это может быть следствием снижения доступности АКТГ из гипофиза. Пациенты с болезнью Аддисона могут иметь низкое кровяное давление, бледность, крайнюю слабость, утомляемость, медленные или вялые движения, головокружение и тягу к соли из-за потери натрия и высокого уровня калия в крови (гиперкалиемия). Жертвы также могут страдать от потери аппетита, хронической диареи, рвоты, поражений во рту и пятнистого цвета кожи. Диагностика обычно включает анализы крови и визуализирующие исследования надпочечников и гипофиза. Лечение включает заместительную терапию кортизолом, которую обычно необходимо продолжать всю жизнь.

Окислительно-восстановительные реакции

Химические реакции, лежащие в основе метаболизма, включают перенос электронов от одного соединения к другому посредством процессов, катализируемых ферментами. Электроны в этих реакциях обычно исходят от атомов водорода, которые состоят из электрона и протона. Молекула отдает атом водорода в виде иона водорода (H ⁺ ) и электрона, разбивая молекулу на более мелкие части. Потеря электрона, или окисление , высвобождает небольшое количество энергии; и электрон, и энергия затем передаются другой молекуле в процессе восстановление или получение электрона. Эти две реакции всегда происходят вместе в окислительно-восстановительной реакции (также называемой окислительно-восстановительной реакцией) — когда электрон передается между молекулами, донор окисляется, а реципиент восстанавливается. Окислительно-восстановительные реакции часто происходят последовательно, так что восстанавливаемая молекула впоследствии окисляется, передавая не только только что полученный электрон, но и полученную энергию. По мере протекания ряда реакций накапливается энергия, которая расходуется на соединение P _i и АДФ для образования АТФ, высокоэнергетической молекулы, которую организм использует в качестве топлива.

Окислительно-восстановительные реакции катализируются ферментами, запускающими удаление атомов водорода. Коферменты работают с ферментами и принимают атомы водорода. Двумя наиболее распространенными коферментами окислительно-восстановительных реакций являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и флавинадениндинуклеотид (ФАД) . Их соответствующие восстановленные коферменты: NADH и FADH 9.0163 2 , которые представляют собой энергосодержащие молекулы, используемые для передачи энергии при создании АТФ.

Обзор главы

Метаболизм представляет собой сумму всех катаболических (расщепление) и анаболических (синтез) реакций в организме. Скорость метаболизма измеряет количество энергии, используемой для поддержания жизни. Организм должен потреблять достаточное количество пищи для поддержания скорости метаболизма, если он хочет оставаться в живых очень долго.

Катаболические реакции расщепляют более крупные молекулы, такие как углеводы, липиды и белки из проглоченной пищи, на составляющие их более мелкие части. К ним также относится расщепление АТФ, при котором высвобождается энергия, необходимая для метаболических процессов во всех клетках организма.

Анаболические реакции, или реакции биосинтеза, синтезируют более крупные молекулы из более мелких составных частей, используя АТФ в качестве источника энергии для этих реакций. Анаболические реакции строят кости, мышечную массу и новые белки, жиры и нуклеиновые кислоты. Окислительно-восстановительные реакции переносят электроны между молекулами, окисляя одну молекулу и восстанавливая другую, и собирая высвобожденную энергию для преобразования P _i и АДФ в АТФ. Нарушения в обмене веществ изменяют переработку углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот и могут привести к ряду болезненных состояний.

Самопроверка

Ответьте на вопросы ниже, чтобы узнать, насколько хорошо вы понимаете темы, затронутые в предыдущем разделе.

Вопросы для критического мышления

1. Опишите, как можно изменить обмен веществ.
2. Опишите, как можно лечить болезнь Аддисона.

Показать ответы

Глоссарий

анаболические гормоны: гормоны, стимулирующие синтез новых, более крупных молекул

анаболические реакции: реакции, которые превращают более мелкие молекулы в более крупные

реакции биосинтеза: реакции, создающие новые молекулы, также называемые анаболическими реакциями

катаболические гормоны: гормоны, стимулирующие расщепление более крупных молекул расщеплять более крупные молекулы на составные части

FADH ₂ :  высокоэнергетическая молекула, необходимая для гликолиза

флавинадениндинуклеотид (ФАД): кофермент, используемый для производства ФАДГ ₂

метаболизм: сумма всех катаболических и анаболических реакций, происходящих в организме гликолиз

никотинамидадениндинуклеотид (НАД): кофермент, используемый для получения НАДН

окисление: потеря электрона

окислительно-восстановительная реакция: (также окислительно-восстановительная реакция) пара реакций, в которых электрон передается от одной молекулы к другой, окисляя одну и восстанавливая другую и катаболические процессы

Анаболические процессы используют простые молекулы в организме для создания более сложных и специализированных соединений. Этот синтез, создание продукта из ряда компонентов, поэтому анаболизм также называют «биосинтезом». Процесс использует энергию для создания конечных продуктов, которые организм может использовать для поддержания себя, роста, исцеления, воспроизводства или приспособления к изменениям в окружающей среде. Рост в высоту и мышечная масса — два основных анаболических процесса. На клеточном уровне анаболические процессы могут использовать небольшие молекулы, называемые мономерами, для создания полимеров, что часто приводит к очень сложным молекулам. Например, аминокислоты (мономеры) могут быть синтезированы в белки (полимеры) подобно тому, как строитель может использовать кирпичи для создания самых разных зданий.

Катаболические процессы расщепляют сложные соединения и молекулы с высвобождением энергии. Это создает метаболический цикл, в котором анаболизм затем создает другие молекулы, которые расщепляются катаболизмом, многие из которых остаются в организме для повторного использования.

Основным катаболическим процессом является пищеварение, при котором питательные вещества попадают в организм и расщепляются на более простые компоненты для использования организмом. В клетках катаболические процессы расщепляют полисахариды, такие как крахмал, гликоген и целлюлоза, на моносахариды (например, глюкозу, рибозу и фруктозу) для получения энергии. Белки расщепляются на аминокислоты для использования в анаболическом синтезе новых соединений или для переработки. А нуклеиновые кислоты, обнаруженные в РНК и ДНК, катаболизируются в нуклеотиды как часть потребности организма в энергии или с целью заживления.

Гормоны

Многие метаболические процессы в организме регулируются химическими соединениями, называемыми гормонами. В целом гормоны можно классифицировать как анаболические или катаболические в зависимости от их действия на организм.

Анаболические гормоны включают:

• Эстроген: Присутствует как у мужчин, так и у женщин, эстроген вырабатывается в основном в яичниках. Он регулирует некоторые женские половые признаки (рост груди и бедер), регулирует менструальный цикл и играет роль в укреплении костной массы.

• Тестостерон: Присутствует как у женщин, так и у мужчин, тестостерон вырабатывается в основном в яичках. Он регулирует некоторые мужские половые признаки (волосы на лице, голос), укрепляет кости и помогает наращивать и поддерживать мышечную массу.

• Инсулин: Вырабатывается бета-клетками поджелудочной железы, регулирует уровень глюкозы в крови и использование глюкозы. Организм не может использовать глюкозу, основной источник энергии, без инсулина. Когда поджелудочная железа не может вырабатывать инсулин или когда организм изо всех сил пытается переработать вырабатываемый им инсулин, это приводит к диабету.

• Гормон роста: Вырабатываемый гипофизом гормон роста стимулирует и регулирует рост на ранних этапах жизни. После созревания помогает регулировать восстановление кости.

Катаболические гормоны включают:

• Адреналин: Также называемый «адреналином», адреналин вырабатывается надпочечниками. Это ключевой компонент реакции «бей или беги», который ускоряет сердечный ритм, открывает бронхиолы в легких для лучшего поглощения кислорода и наполняет организм глюкозой для быстрой энергии.

• Кортизол: Кортизол, также вырабатываемый надпочечниками, известен как «гормон стресса». Он высвобождается во время беспокойства, нервозности или когда организм испытывает длительный дискомфорт. Он повышает артериальное давление, уровень сахара в крови и подавляет иммунные процессы организма.

• Глюкагон: Вырабатываемый альфа-клетками поджелудочной железы, глюкагон стимулирует распад гликогена в глюкозу. Гликоген хранится в печени, и когда организму требуется больше энергии (упражнения, боевые действия, высокий уровень стресса), глюкагон стимулирует печень к катаболизму гликогена, который поступает в кровь в виде глюкозы.

• Цитокины: Этот гормон представляет собой небольшой белок, который регулирует связь и взаимодействие между клетками. Цитокины постоянно производятся и расщепляются в организме, где их аминокислоты либо повторно используются, либо перерабатываются для других процессов. Двумя примерами цитокинов являются интерлейкин и лимфокины, которые чаще всего высвобождаются во время иммунного ответа организма на инвазию (бактерии, вирусы, грибки, опухоли) или повреждения.

Как обмен веществ влияет на массу тела

Бег трусцой — распространенное аэробное и катаболическое упражнение.

Масса тела человека будет конечным результатом катаболизма минус анаболизм: по сути, сколько энергии высвобождается в организме минус сколько энергии используется телом. Избыток энергии, поступающий в организм, откладывается в виде жира или гликогена в печени и мышцах. Если цель человека состоит в том, чтобы похудеть, основным методом является увеличение потребления энергии при одновременном снижении ее потребления, желательно под наблюдением врача.

Большинство людей указывают на метаболизм как на причину избыточного или недостаточного веса, но метаболические процессы у разных людей мало различаются. Убеждение, что одни люди наслаждаются «высоким» или «быстрым» метаболизмом, в то время как другие страдают от «медленного» или «низкого» метаболизма, не подтверждается наукой. ^[1] Что действительно отличается в значительной степени, так это объем физической активности и качество/количество пищи, потребляемой людьми с так называемым «быстрым» и «медленным» метаболизмом. Люди с избыточным весом просто имеют метаболический (энергетический) дисбаланс, при котором их тело потребляет больше энергии, чем использует на регулярной основе, а излишки откладываются в виде жира.

Существуют нарушения обмена веществ, которые могут повлиять на массу тела, такие как гипотиреоз или гипертиреоз. Гипотиреоз — это состояние, при котором щитовидная железа снижает выработку гормонов, снижая уровень использования энергии организмом. Люди с гипотиреозом, как правило, набирают вес, если не соблюдают очень строгий режим диеты и физических упражнений. Противоположное происходит при гипертиреозе, расстройстве, при котором резко увеличивается выработка гормонов щитовидной железы и потребление энергии организмом становится чрезмерным.

Поскольку изменить базовый уровень метаболизма практически невозможно для людей с нарушением обмена веществ, лучший способ достичь идеальной массы тела — долгосрочное изменение диеты и уровня физических упражнений. Анаболический процесс наращивания мышечной массы с помощью упражнений, танцев, йоги, садоводства или другой физической активности в конечном итоге приводит к уменьшению массы тела (меньшему количеству жира) и более высокой потребности в энергии (катаболизм) для питания мышечных клеток. Питательное качество пищи также является ключевым фактором, избегая «пустых» калорий, в основном избыточных жиров и сахаров, которые организм не может использовать и в конечном итоге накапливает. Катаболизм разрушает все, независимо от его питательной ценности. Чтобы анаболические процессы работали на оптимальном уровне, в организме должны быть надлежащие питательные вещества. Употребление здоровой пищи помогает организму строить себя более здоровыми способами.

Анаболические и катаболические упражнения

Анаболические упражнения — это, как правило, те упражнения, которые наращивают мышечную массу, такие как поднятие тяжестей и изометрия (сопротивление). Тем не менее, любые анаэробные (не использующие кислород) упражнения в основном являются анаболическими. К анаэробным упражнениям относятся бег на короткие дистанции, прыжки со скакалкой, интервальные тренировки или любая деятельность с высокой интенсивностью в течение коротких промежутков времени. При этих действиях тело вынуждено использовать свои непосредственные резервы энергии, а затем удалять накопление молочной кислоты в мышцах. Чтобы подготовиться к следующему усилию, тело увеличивает мышечную массу, укрепляет кости и использует аминокислоты для увеличения запасов белка. Некоторые из аминокислот будут поступать из жира, хранящегося в организме.

Катаболические упражнения в значительной степени являются аэробными, то есть они потребляют кислород и помогают сжигать калории и жир. Использование кислорода является ключевым фактором катаболизма, поскольку кислород является восстановителем во многих химических процессах. Типичными катаболическими/аэробными упражнениями являются бег трусцой, езда на велосипеде, плавание, танцы или любая другая физическая активность в течение не менее 20 минут с умеренной интенсивностью. Время является основным фактором в получении результатов, потому что примерно через 15-20 минут организм переключается с использования глюкозы и гликогена на использование жира для поддержания энергетических потребностей организма. Для этого катаболического процесса требуется кислород. Комбинируя аэробные и анаэробные упражнения на постоянной основе, человек может использовать анаболические и катаболические процессы для достижения или поддержания идеальной массы тела, а также для улучшения и поддержания общего состояния здоровья.

Катаболические продукты

Идея о том, что некоторые продукты могут способствовать катаболизму и, таким образом, вызывать потерю веса, не подтверждается наукой. С биологической точки зрения пищеварение предназначено для извлечения питательных веществ и энергии из пищи; если бы процесс вызывал катаболизм, живой организм понес бы ущерб от приобретения меньшего количества ресурсов, чем он вложил для их получения. С точки зрения физики, катаболическая пища требует больше энергии для переработки, чем та, которую она дает организму, что приводит к потере энергии, которая заканчивается смертью. Никакой пищеварительный процесс не может иметь чистых потерь энергии и поддерживать жизнь организма.

Однако существуют некоторые продукты, расход калорий на переработку которых немного превышает количество калорий, которые они обеспечивают организму. Ярким примером является вода, особенно ледяная вода. Тело должно разогреть его, прежде чем поглощать, что приводит к небольшому калорийному долгу.