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.
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.
В процессе обмена веществ постоянно происходит превращение энергии: потенциальная энергия сложных органических соединений, поступивших с пищей, превращается в тепловую, механическую и электрическую. Энергия расходуется не только на поддержание температуры тела и выполнение работы, но и на воссоздание структурных элементов клеток, обеспечение их жизнедеятельности, роста и развития организма. Тем не менее, только часть получаемой при окислении белков, жиров и углеводов энергии используется для синтеза АТФ, другая, значительно большая, превращается в теплоту. Так, при окислении углеводов 22, 7% энергии химических связей глюкозы в процессе окисления используется на синтез АТФ, а 77, 3% в виде тепла рассеивается в тканях. Аккумулированная в АТФ энергия используемая в дальнейшем для механической работы, химических, транспортных, электрических процессов в конечном счете тоже превращается в теплоту. Следовательно, количество тепла, образовавшегося в организме, становится мерой суммарной энергии химических связей, подвергшихся биологическому окислению. Поэтому вся энергия, образовавшаяся в организме, может быть выражена в единицах тепла — калориях или джоулях.
Общий баланс энергии организма определяют на основании калорийности вводимых пищевых веществ и количества выделенного тепла, которое может быть измерено или рассчитано. При этом надо учитывать, что величина калорийности, получаемая при лабораторной калориметрии, может отличаться от величины физиологической калорической ценности, поскольку некоторые вещества в организме не сгорают полностью, а образуют конечные продукты обмена, способные к дальнейшему окислению. В первую очередь это относится к белкам, азот которых выделяется из организма главным образом в виде мочевины, сохраняющей некоторый потенциальный запас калорий. Очевидно, что калорическая ценность, дыхательный коэффициент и величина теплообразования для разных веществ различны. Физиологическая калорическая ценность (в ккал/г) составляет для углеводов — 4, 1; липидов — 9, 3; белков — 4, 1; величина теплообразования (в ккал на 1 литр потребленного кислорода) для углеводов составляет 5, 05; липидов — 4, 69; белков — 4, 49.
Процесс анаболизма по аналогии с катаболическими процессами также проходит три стадии. При этом исходными веществами для анаболических процессов служат продукты второй стадии и промежуточные соединения третьей стадии катаболизма. Таким образом вторая и третья стадии катаболизма являются в то же время первой, исходной стадией анаболизма и химические реакции, протекающие в данном месте и в данное время, выполняют по сути двойную функцию. С одной стороны, они являются основой завершающего этапа катаболизма, а с другой — служат инициацией для анаболических процессов, поставляя вещества-предшественники для последующих стадий ассимиляции. Подобным образом, например, начинается синтез белка. Исходными реакциями этого процесса можно считать образование некоторых a-кетокислот. На следующей, второй стадии в ходе реакций аминирования или трансаминирования эти кетокислоты превращаются в аминокислоты, которые на третьей стадии анаболизма объединяются в полипептидные цепи. В результате ряда последовательных реакций происходит также синтез нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов. Тем не менее следует подчеркнуть, что пути анаболизма не являются простым обращением процессов катаболизма. Это связано прежде всего с энергетическими особенностями химических реакций. Некоторые реакции катаболизма практически необратимы, поскольку их протеканию в обратном направлении препятствуют непреодолимые энергетические барьеры. Поэтому в ходе эволюции были выработаны другие, специфические для анаболизма реакции, где синтез олиго- и полимерных соединений сопряжен с затратой энергии макроэргических соединений, прежде всего – АТФ.
Статья добавлена 31 мая 2016 г.
Что такое катаболизм в организме
Обмен веществ и энергии лежит в основе всех проявлений жизнедеятельности и представляет собой совокупность процессов превращения веществ и энергии в живом организме и обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.
Для поддержания жизнедеятельности в процессе обмена веществ и энергии обеспечиваются пластические и энергетические потребности организма. Пластические потребности удовлетворяются за счет веществ, используемых для построения биологических структур, а энергетические — путем преобразования химической энергии поступающих в организм питательных веществ в энергию макроэргических (АТФ и другие молекулы) и восстановленных (НАДФ • Н — никотин-амид-адениндинуклеотидфосфат) соединений. Их энергия используется организмом для синтеза белков, нуклеиновых кислот, липидов, а также компонентов клеточных мембран и органелл клетки, для выполнения деятельности клеток, связанной с использованием химической, электрической и механической энергии.
Обмен веществ и энергии (метаболизм) в организме человека — совокупность взаимосвязанных, но разнонаправленных процессов: анаболизма (ассимиляции) и катаболизма (диссимиляции).
Анаболизм — это совокупность процессов биосинтеза органических веществ, компонентов клетки и других структур органов и тканей. Анаболизм обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также непрерывный ресинтез макроэргических соединений и их накопление.
Катаболизм — это совокупность процессов расщепления сложных молекул, компонентов клеток, органов и тканей до простых веществ (с использованием части из них в качестве предшественников биосинтеза) и до конечных продуктов метаболизма (с образованием макроэргических и восстановленных соединений).
Взаимосвязь процессов катаболизма и анаболизма основывается на единстве биохимических превращений, обеспечивающих энергией все процессы жизнедеятельности и постоянное обновление тканей организма. Сопряжение анаболических и катаболических процессов в организме могут осуществлять различные вещества, но главную роль в этом сопряжении играют АТФ, НАДФ • Н. В отличие от других посредников метаболических превращений АТФ циклически рефосфорилируется, а НАДФ • Н — восстанавливается, что обеспечивает непрерывность процессов катаболизма и анаболизма.
Обеспечение энергией процессов жизнедеятельности осуществляется за счет анаэробного (бескислородного) и аэробного (с использованием кислорода) катаболизма поступающих в организм с пищей белков, жиров и углеводов. В ходе анаэробного расщепления глюкозы (гликолиза) или ее резервного субстрата гликогена (гликогенолиза) превращение 1 моля глюкозы в 2 моля лактата приводит к образованию 2 молей АТФ. Лактат — промежуточный продукт обмена. В химических связях его молекулы аккумулировано значительное количество энергии. Энергии, образующейся в ходе анаэробного обмена, недостаточно для осуществления процессов жизнедеятельности животных организмов. За счет анаэробного гликолиза могут удовлетворяться лишь относительно кратковременные энергетические потребности клетки.
В организме животных и человека в процессе аэробного обмена органические вещества, в том числе продукты анаэробного обмена, окисляются до конечных продуктов — С02 и Н20. Общее количество молекул АТФ, образующихся при окислении 1 моля глюкозы до С02 и Н20, составляет 25,5 моля. При окислении молекулы жиров образуется большее количество молей АТФ, чем при окислении молекулы углеводов. Так, при окислении 1 моля пальмитиновой кислоты образуется 91,8 моля АТФ. Количество молей АТФ, образующихся при полном окислении аминокислот и углеводов, примерно одинаково. АТФ играет в организме роль внутренней «энергетической валюты» и аккумулятора химической энергии клеток.
Основным источником энергии восстановления для реакции биосинтеза жирных кислот, холестерина, аминокислот, стероидных гормонов, предшественников синтеза нуклеотидов и нуклеиновых кислот является НАДФ • Н. Образование этого вещества осуществляется в цитоплазме клетки в процессе фосфоглюконатного пути катаболизма глюкозы. При таком расщеплении из 1 моля глюкозы образуется 12 молей НАДФ • Н.
Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия или временного превалирования одного из них. Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а катаболических — к частичному разрушению тканевых структур, выделению энергии. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от возраста. В детском возрасте преобладают процессы анаболизма, а в старческом — катаболизма. У взрослых людей эти процессы находятся в равновесии. Их соотношение зависит также от состояния здоровья, выполняемой человеком физической или психоэмоциональной деятельности.
Как и почему вы теряете мышцы. Катаболизм
Мышцы. Их тяжело набрать и легко потерять. Дайте угадаю, вас сюда привело беспокойство о мышечной массе, набранной усердной работой. Возможно, вы собираетесь сушиться и боитесь сжечь мышцы, а не жир. В любом случае, вы пришли по адресу.
Меня зовут Владимир Павлов, я куратор школы фитнеса BodyLike. В этой статье я расскажу:
Что такое катаболизм
Катаболизм – это 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.
Другими словами, это разрушение веществ на более простые.
Скорость разрушение веществ и вообще преобладание тех или иных катаболических процессов регулируется гормонами.
Например, глюкокортикоиды (подкласс стероидных гормонов, наиболее известный представитель – кортизол) повышают интенсивность катаболизма белков и аминокислот, одновременно тормозя катаболизм глюкозы.
Если залезть немного в дебри, то глюкокортикоиды провоцируют накопление глюкозы в виде гликогена в печени и мышечной ткани, уменьшая тем самым концентрацию глюкозы в крови и лимфе, что может косвенно приводить к гипогликемии.
А инсулин наоборот ускоряет катаболизм глюкозы и тормозит катаболизм белков, да-да, тех самых кирпичиков, из которых состоят ваши мышцы.
Также гормоны регулируют, чем ваш организм будет заниматься чаще анаболизмом или катаболизмом. Адреналин и глюкокортикоиды провоцируют клетки к катаболизму, а инсулин, соматотропин и тестостерон – голосуют за анаболизм.
Если вы хотите узнать больше о гормонах и о том, как они помогают снижать вес и набирать мышечную массу, приходите на наш бесплатный мастер-класс.
3 этапа катаболизма
Первый этап
Он происходит в кишечнике (переваривание пищи) при расщеплении уже ненужных или лишних молекул. При этом освобождается около 1% энергии, заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.
Второй этап
Здесь вещества превращаются в:
Третий этап
Происходит в митохондриях. На внутренней мембране митохондрий в результате процесса под названием «окислительное фосфорилирование» образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ.
А вот понятие АТФ должно быть вам знакомо.
Молекулы АТФ являются хранителями и переносчиками энергии. Почти все биохимические и биологические процессы происходят благодаря энергии, которую доставляет АТФ.
Когда вы немного знакомы с процессом катаболизма, вы понимаете, что это важный и неотъемлемый этап функционирования организма.
В ходе катаболизма происходит распад устарелых тканей и клеточных элементов, дальше продукты этого распада удаляются из организма.
Владимир Павлов, куратор школы BodyLike, на соревнованиях СЗФО по бодибилдингу
Мифы катаболизма
В ночное время мышцы разрушаются из-за катаболизма
Некоторые качки и фитоняшки встают ночью, чтобы поесть и предотвратить ночной катаболизм. На самом деле, в ночное время гормон роста находится на своём пике. А как я говорил раньше, соматотропин, т.е. гормон роста стимулирует анаболизм.
На сушке горят мышцы и теряется сила
Это может быть частично правда, но скорее всего дело вот в чём.
Самый простой и эффективный источник энергии для нашего организма – это глюкоза. Запасы этой энергии хранятся в ваших мышцах и печени.
На сушке в первую очередь урезаются углеводы, а значит и запасы гликогена. Вот вы тренируетесь, гликоген расходуется и исчезает из мышц, а вместе с ним и вода. Мышцы становятся менее объёмные, из-за этого появился миф, что они сгорают таким образом.
На самом деле, белковая структура мышц остается нетронутой и гореть мышцы начнут в самую последнюю очередь, потому что из белка очень сложно извлечь энергию.
Таким образом, чтобы сгорели мышцы, вам надо сесть на жесткую диету, которая будет вредить не только твоим мышцам, но и здоровью в целом. Не делайте так.
Как правильно худеть, мы рассказывали в одном из видео на канале. Смотрите и просвящайтесь.
Катаболизм на тренировке
Есть такое мнение, что тренироваться надо 40-45 минут и срочно бежать домой кушать. Иначе кортизол вызовет чудовищный катаболизм и мышцы рассыпятся прямо во время подхода в зале.
Вы можете, конечно, не бежать домой, а бахнуть порцию чудесных BCAA, организм получит дополнительную энергию и мышцы будут в безопасности. Это придумали маркетологи компаний по производству спортпита.
На канале уже было видео о том, как нас всех обманули с ВСАА.
Справедливости ради отмечу, разрушения мышц во время тренировки действительно возможны. Но здесь нужно говорить о циклических видах спорта – бегуны на длинные дистанции, марафонцы, триатлонисты.
Официальный сайт кроссфита Crossfit.com приводил данные исследований: сразу после соревнований по триатлону брали анализ крови его участников — всего в эксперименте задействовали около 20 спортсменов. Почти у всех в крови обнаружили повышенное содержание калия и миоглобина – белка, который связывает кислород в мышцах. Это говорит о частичном разрушении мышечных волокон. В большинстве случаев организм сам способен урегулировать эти процессы, но иногда они становятся необратимы.
В традиционном силовом тренинге нет риска потерять мышцы, потому что они успевают отдохнуть и восстановиться в паузах между подходами.
В организме здорового мужчины, не занимающегося спортом, за сутки обновляется до 100 г белковых структур.
Но есть и факторы, которые действительно влияют на излишние процессы катаболизма мышц. В отличии от мифов, о которых я говорил раньше, это подтверждено научно. Хотя процесс потери мышечной массы до конца не изучен.
Факторы, влияющие на разрушение мышц
Недосып
В рамках одного исследования шведские специалисты пригласили принять участие в лабораторном эксперименте 15 здоровых людей.
На одном сеансе им разрешалось спать стандартные восемь часов, а во время другого сеанса они не спали всю ночь. После каждой сессии специалисты делали биопсию ткани скелетной мускулатуры (скелетная мускулатура – это тип мышечной ткани, которая отвечает за движение).
К чему пришли авторы исследования? Выяснилось, что из-за одной бессонной ночи в скелетной мускулатуре запускается катаболизм. Он разрушает белки скелетных мышц, фактически ослабляя мускулатуру.
Недостаток калорий
Об этом я уже говорил выше. Если вы создате слишком большой дефицит калорий, организму не будет хватать энергии на регулярные действия: теплообмен или просто подышать. Понятно, из-за стресса он включит энергосберегающий режим, чтобы ограничить вашу активность. Плохое настроение, упадок сил, как минимум. Гормональные сбои в худшем случае.
При таком дефиците, организм начнёт сжигать всё подряд: поступающие калории, потом запасы жира. Дальше он беспощадно начнёт разрушать мышечную ткань ради выживания.
Стрессовые состояния и болезни
Здесь всему виной гормоны, которые выделяются при стрессовых ситуациях: кортизол, адреналин и т.д. В таком состоянии организму срочно нужно много энергии и под раздачу могут попасть мышцы.
Как избежать катаболизма
Питайтесь сбалансированно
Не нужно резко ограничивать калораж, а тем более БЖУ. Как в школе делаем мы: сначала рассчитываем калорийность поддержки ученика, то есть то количество калорий, когда он держит вес на одной отметке. А дальше постепенно увеличиваем дефицит калорий и замеряем результаты.
Высыпайтесь
Нужное количество часов сна для каждого человека индивидуально. Всем известная цифра 8 часов – это только ориентир. Кто-то высыпается за 6, а кто-то за 10 часов.
Соблюдайте разумный тренировочный объём
Хоть я и сказал, что кортизол, вырабатываемый во время тренировок, не разрушает мышцы, длительная перетренированность может сыграть против вас.
Если вывсё же боитесь за свои мышцы на тренировке – съешьте быстрых углеводов перед тренировкой. Так вы получите дополнительную энергию в виде гликогена, ещё и уровень инсулина повысите, который является антикатаболическим гормоном.
Принимайте белок дополнительно
Если вы не уверены в том, что получаете достаточное количество белковой пищи, необходимо ввести в рацион дополнительный белок. Белковосодержащие коктейли следует принимать примерно за час до тренировки и после, спустя 60 минут. Существует целый ряд белковых напитков, эффективность которых доказа именно в борьбе с катаболизмом. Но помните, что спортивное питание — это дополнение к обычной еде, а не её замена.
Мы записывали видео об усвоении белка. Посмотрите, если интересно то, как нас опять обманули производители спортпита.
Принимайте витамин
Он является жизненно важным элементов для укрепления иммунной системы и вносит значительный вклад в поддержание анаболического состояния. Потребляя продукты или напитки, содержащие витамин С (например, апельсиновый сок) перед тренировкой, вы с точностью до 80% снижаете риск развития катаболического состояния.
Надеюсь, что мои советы были вам полезны. Приходите на наши бесплатные мастер-классы, чтобы узнать о фитнесе и правильном питании ещё больше.