Обмен веществ и превращение энергии. Биология, Человек (8 класс): уроки, тесты, задания.

1.	Содержание органических веществ в продуктах питания Сложность: лёгкое	1
2.	Витамины Сложность: лёгкое	1
3.	Витамины и ферменты Сложность: среднее	1
4.	Питательные вещества в продуктах питания Сложность: среднее	3
5.	Энергоёмкость и взаимопревращение органических веществ Сложность: среднее	2
6.	Нехватка витаминов Сложность: среднее	2
7.	Содержание азота в продуктах обмена Сложность: среднее	2
8.	Обмен веществ. Расщепление питательных веществ в организме Сложность: среднее	4
9.	Нарушения обмена веществ Сложность: сложное	2
10.	Расщепление органических веществ Сложность: сложное	3

Питание.

Состав пищи. Питательные вещества — урок. Биология, Человек (8 класс).

Для нормальной работы любого организма нужно, чтобы он постоянно получал органические вещества (белки, жиры, углеводы и витамины), а также воду и минеральные соли. Все перечисленные вещества содержатся в растительной и животной пище.

Полноценным является питание, которое полностью восполняет затраты энергии и обеспечивает клетки материалом для обновления органоидов. В сутки взрослому человеку требуется приблизительно \(100\)–\(150\) г белков, \(400\)–\(500\) г углеводов и \(80\)–\(100\) г жиров.

В состав пищи обязательно должны входить белки. Они используются для построения клеток, участвуют во всех биохимических реакциях. Все белки состоят из \(20\) видов аминокислот. Некоторые аминокислоты не образуются в организме человека, их называют незаменимыми. Эти аминокислоты должны поступать с тем, что мы едим. Основными источниками белка служат мясные и молочные продукты, рыба, яйца, орехи, бобовые.

 

Весь набор аминокислот имеется в продуктах животного происхождения, а растительные белки не содержат всех необходимых аминокислот и не являются полноценными. Об этом нужно помнить людям, которые перешли на вегетарианскую пищу. Чтобы в организм попадали все аминокислоты, нужно правильно подбирать продукты. 

 

Жиры наш организм получает как с животными продуктами (мясо, сливочное масло), так и с растительными (разные растительные масла). В клетках жиры служат важным строительным материалом — из них образуются клеточные мембраны. Они также выполняют запасающую и энергетическую функции.

 

Нужно, чтобы пища содержала и животные, и растительные жиры. Только в жидких жирах содержатся полезные ненасыщенные кислоты.

 

Углеводы (глюкозу, фруктозу, крахмал и другие) поступают из растительных продуктов: картофеля, хлеба, круп, ягод и фруктов. Углеводы — главный источник энергии.

 

Рис. \(1\). Содержание питательных веществ в продуктах 

 

Витамины нужны человеку в небольших количества, но при их нехватке нарушаются многие важные процессы. Эти вещества содержатся в разных продуктах.

 

Рис. \(2\). Витамины

 

Минеральные соли тоже необходимы для нормальной работы органов, так как участвуют в обменных процессах. Без некоторых солей невозможно функционирование нервной и мышечной тканей. Соли кальция влияют на свёртываемость крови. Большое количество солей содержится в костях и зубах.

 

Минеральные соли тоже поступают в наш организм с пищей.

 

Рис. \(3\). Минералы

 

Вода входит в состав каждой клетки. Она образует основную часть плазмы крови, лимфы и тканевой жидкости, пищеварительных соков. Наше тело примерно на \(2/3\) состоит из воды. В норме поступление воды должно покрывать её расход. Мы получаем воду с пищей и с питьём.

Источники:

Рис. 1. Содержание питательных веществ в продуктах. © ЯКласс.

Рис. 2. Витамины. https://www.shutterstock.com/ru/image-vector/mineral-vitamin-su.pplement-icons-health-benefit-654510328.

Рис. 3. Минералы. https://www.shutterstock.com/ru/image-vector/mineral-vitamin-supplement-icons-health-benefit-654510328.

Витамины. Роль витаминов в организме человека — урок. Биология, Человек (8 класс).

Витамины — органические вещества, необходимые для протекания биохимических процессов.

Нашему организму требуется очень небольшое количество витаминов, но их недостаток быстро приводит к развитию гиповитаминозов

, а нехватка вызывает тяжёлые нарушения обмена веществ — авитаминозы.

 

Витамины нужны нашему организму для синтеза ферментов. Они обеспечивают эффективность обменных процессов, способствуют повышению иммунитета и устойчивости к болезням, ускоряют обновление тканей.

 

Витамины принято называть буквами латинского алфавита. Их разделяют на \(2\) группы по способности растворяться:

• водорастворимые витамины — B1, B2, B5, B6, B9, B12, PP, C;
• жирорастворимые витамины — A, D, E, K.

Рис. \(1\). Витамины

Водорастворимые витамины

 C (аскорбиновая кислота) — регулирует множество биохимических реакций и защитных процессов. При недостатке этого витамина развивается цинга. Эта болезнь характеризуется появлением язв на коже, кровоточивостью дёсен, выпадением зубов. Длительная нехватка витамина C может привести к гибели человека. Витамином C богаты плоды чёрной смородине, шиповника, облепихи. Много его в сладком перце, капусте, а также в других овощах и фруктах. 

B1 (тиамин) — участвует в обмене органических соединений, в работе нервной системы. Витамин B1 требуется нашему организму для нормального протекания процессов, связанных с работой желёз внутренней секреции, нервной и иммунной систем. При недостатке витамина развивается

полиневрит. У больного нарушается сон, появляются головные боли, слабеют и болят ноги. Тиамин мы получаем из бобовых и из продуктов, содержащих отруби.

 

B2 (рибофлавин) — компонент процессов энергетического обмена. При гиповитаминозе воспаляется слизистая оболочка уголков рта, долго не заживают раны, появляется слезотечение и светобоязнь. Витамин B2 содержится в гречневой крупе, хлебе, рыбе, печени, мясе, яйцах, молочные продукты.

B6 (адермин) — является стимулятором обмена веществ. При его недостатке возникают судороги, малокровие, кожные болезни.

B12 (цианокобаламин) — участвует в формировании клеток крови. Его гиповитаминоз приводит к 

анемии (малокровию).

PP (никотиновая кислота) — обеспечивает нормальное протекание клеточного дыхания, пищеварения. При гиповитаминозе развивается пеллагра — тяжёлое заболевание, поражающее органы пищеварения, нервную систему и кожу. Витамин РР поступает в наш организм с кашами, хлебом, бобовыми, рыбными и мясными продуктами, овощами. Особенно много этого витамина в дрожжах и сушёных грибах.

Жирорастворимые витамины

A (ретинол) — влияет на рост и развитие организма, состояние кожи и зрение. Он содержится в продуктах животного происхождения: в сметане, масле, яйцах, печени рыб. В некоторых растениях имеется бета-каротин — оранжевый пигмент, который в организме человека может превращаться в витамин A. При гиповитаминозе наступает куриная слепота (при плохом освещении человек не различает цвета).

 

D (кальциферол) — нужен для нормального формирования костей. Он обеспечивает поступление соединений кальция и фосфора в костную ткань. При недостатке витамина развивается рахит. Этот витамин попадает в наш организм в основном с продуктами животного происхождения: яйцами, молочными продуктами, печенью рыб. Также витамин D образуется в коже человека на солнце.

 

E — защищает клеточные мембраны от свободных радикалов. Гиповитаминоз приводит к ослаблению функций половой системы и дистрофии мышц. Чтобы обеспечить организм витамином E, нужно использовать растительные масла, печень, хлеб, яйца, фасоль, горох.

 

K (филлохинон) — необходим для образования веществ, участвующих в свёртывании крови. При недостатке этого витамина свёртываемость крови снижается. Он содержатся в цветной капусте, кабачках, а также говяжьей печени. Витамин К образуют также микроорганизмы, населяющие толстую кишку.

Сохранение витаминов в пище

Витамины разрушаются при переработке продуктов и их длительном хранении, поэтому необходимо соблюдать некоторые правила.

 

Известно, что количество витамина A в продуктах значительно уменьшается при их варке и сушке, поэтому продукты, богатые этим витамином (например, морковь), полезнее употреблять в сыром виде. Высокая температура также отрицательно влияет на сохранение витаминов группы B (при варке может теряться более половины витаминов). Неустойчив к нагреванию и легко разрушается на воздухе витамин C. Поэтому чистить и нарезать овощи нужно только перед их приготовлением. Причём их нужно опускать в кипяток, готовить в закрытой посуде и сразу же употреблять в пищу.

Источники:

Рис. 1. Витамины. © ЯКласс.

2. Обмен веществ.

Пластический и энергетический обмен

Живой организм связан с окружающей средой постоянным обменом веществ и энергии.

Обмен веществ (метаболизм) — это все превращения веществ в организме, начинающиеся с их поступления извне и заканчивающиеся выведением образовавшихся ненужных и вредных продуктов.

В организм из окружающей среды поступает вода и пищевые продукты. Сложные органические соединения из продуктов питания расщепляются в органах пищеварения под действием ферментов до простых веществ, которые поступают в кровь и транспортируются ко всем тканям. В клетках вещества участвуют в химических реакциях, обеспечивающих организм энергией и строительным материалом для построения и обновления тканей и органов. Непереваренные остатки пищи и продукты обмена выводятся из организма с мочой, калом, потом и выдыхаемым воздухом.

 

Рис. \(1\). Этапы обмена веществ

Пластический и энергетический обмен

Обмен веществ — это вся совокупность химических процессов, происходящих в организме для поддержания его существования. Все реакции, протекающие в живом организме, можно разделить на две группы и отнести к пластическому обмену или к энергетическому.

 

Рис. \(2\). Две стороны метаболизма

Пластический обмен (ассимиляция, или анаболизм) — реакции образования сложных органических веществ из простых, протекающие с использованием энергии.

Энергетический обмен (диссимиляция, или катаболизм) — процессы расщепления и окисления сложных органических веществ до простых, идущие с высвобождением энергии, запасённой в веществах пищи.

В организме ассимиляция и диссимиляция уравновешены. 

 

Рис. \(3\). Взаимосвязь ассимиляции и диссимиляции

Обмен веществ (метаболизм) — это набор химических реакций, протекающих в живом организме.

Можно отдельно рассматривать водно-солевой обмен, а также обмены белков, углеводов и жиров.

Источники:

Рис. 1. Этапы обмена веществ. © ЯКласс.

Рис. 2. Две стороны метаболизма. © ЯКласс.

Рис. 3. Взаимосвязь ассимиляции и диссимиляции. © ЯКласс.

3. Обмен органических соединений (белков, жиров и углеводов)

Рис. \(1\). Функции органических веществ

Белковый обмен

Белковый обмен — использование и преобразование аминокислот белков в организме человека.

В результате окисления \(1\) г белка происходит выделение \(17,2\) кДж (\(4,1\) ккал) энергии. Но в качестве источника энергии белки обычно не используются, так как они выполняют другие функции: строительную, защитную, каталитическую и т. д.

 

В процессе пищеварения белки пищи расщепляются под действием пищеварительных ферментов до аминокислот. Аминокислоты всасываются ворсинками тонкого кишечника и попадают в кровь, которая доставляет их к клеткам. В клетках из аминокислот синтезируются новые белки, свойственные организму человека.

 

Рис. \(2\). Обмен белков

 

В белковом обмене важную роль играет печень. Она управляет содержанием отдельных аминокислот в крови, осуществляет синтез белков плазмы крови. Одним из продуктов распада аминокислот является ядовитый аммиак. Клетки печени преобразуют аммиак в менее опасную мочевину, которая удаляется из организма с мочой и частично с потом.

 

Рис. \(3\). Расщепление белков

 

Из неиспользованных аминокислот образуется глюкоза, выполняющая в организме энергетическую функцию.

Углеводный обмен

Углеводный обмен — это химические реакции, протекающие с участием углеводов.

Основная функция углеводов в организме — энергетическая. \(1\) г углеводов при окислении даёт \(17,2\) кДж (\(4,1\) ккал) энергии.

 

С пищей в наш организм поступают разные углеводы. Чаще всего это крахмал (из растительных продуктов), гликоген (из животных продуктов), сахароза, лактоза и др. Эти соединения распадаются в органах пищеварения до глюкозы, которая всасывается стенками тонкого кишечника и попадает в кровь.

 

Рис. \(4\). Обмен углеводов

 

Глюкоза — это главное энергетическое вещество организма. Она необходима для работы всех органов. 

 

Основная часть глюкозы окисляется в клетках до углекислого газа и воды, которые удаляются с выдыхаемым воздухом или с мочой. Неиспользованная глюкоза превращается в гликоген (животный крахмал) и накапливается в клетках печени и в мышцах.

 

В крови содержание глюкозы поддерживается на уровне \(0,10\)–\(0,15\) %. В регуляции уровня глюкозы участвуют гормоны поджелудочной железы инсулин и глюкагон. Инсулин ускоряет превращение глюкозы в гликоген, а также затормаживает его распад. Глюкагон обладает противоположным действием. Он, наоборот, способствует расщеплению гликогена и повышению уровня глюкозы в крови.

 

Если поджелудочная железа вырабатывает недостаточное количество инсулина, то содержание глюкозы в крови увеличивается, и это может привести к тяжёлой болезни — сахарному диабету.  

 

Рис. \(5\). Расщепление углеводов

 

Если с пищей в организм поступает слишком много углеводов, они преобразуются в жиры и накапливаются в разных органах.

Обмен жиров

Обмен жиров — это химические реакции превращения жиров (липидов) в организме.

Окисление жиров в два раза эффективнее окисления углеводов или белков. \(1\) г жира даёт \(38,9\) кДж (\(9,3\) ккал) энергии.

 

Жиры — это вещества, образованные жирными кислотами и глицерином. В органах пищеварения жиры расщепляются на составные части под влиянием ферментов поджелудочной железы и тонкого кишечника. Образовавшиеся продукты поступают в лимфатические сосуды ворсинок тонкого кишечника, а затем вместе с лимфой попадают в кровеносную систему и доставляются к клеткам. 

 

Рис. \(6\). Обмен жиров

 

При окислении жиры превращаются в углекислый газ и воду, и продукты обмена удаляются из организма.

 

Рис. \(7\). Расщепление жиров

 

Содержание жиров в организме регулируется гормонами желёз внутренней секреции.

 

Значение жиров

• Окисление жиров обеспечивает энергией работу внутренних органов.
• Липиды образуют все клеточные мембраны, выполняют функции медиаторов и гормонов.
• Откладываются в запас в подкожной жировой клетчатке и сальнике, защищают органы от механических повреждений.
• Жиры плохо проводят тепло и защищают организм от перегревания и переохлаждения, способствуя поддержанию постоянной температуры тела.

 

Ежедневно рекомендуется употреблять \(80\)–\(100\) г разных жиров. Лишний жир запасается под кожей, но может откладываться также в печени и в кровеносных сосудах.

 

 

Рис. \(8\). Ожирение

  

Органические вещества могут взаимно превращаться. Из белков образуются жиры и углеводы. Углеводы превращаются в жиры, и наоборот, источником углеводов могут стать жиры. Но заменить белки другими веществами невозможно.

 

Рис. \(9\). Взаимопревращение веществ

 

Установлено, что взрослому человеку в сутки необходимо получить с пищей не менее \(1500\)–\(1700\) ккал. Причём на обеспечение процессов жизнедеятельности тратится \(15\)–\(35\) % полученной энергии, а остальная энергия тратится на поддержание постоянной температуры тела.

«Обмен веществ. Метаболизм». 9-й класс

Цели урока:

• познакомить учащихся с понятием «обмен веществ в организме», показать, что ассимиляция и диссимиляция — это два взаимосвязанных процесса;
• обеспечить закрепление основных биологических понятий: пластический и энергетический обмен; анаболизм, катаболизм, метаболизм, фотосинтез, ассимиляция, диссимиляция, распад;
• формировать умение выделять сущность процесса в изучаемом материале; обобщать и сравнивать, делать выводы; работать с текстом, схемами, другими источниками;
• реализация творческого потенциала учащихся, развитие самостоятельности;
• понимать влияние обмена веществ на сохранение и укрепление здоровья.

Элементы содержания: ассимиляция, диссимиляция, анаболизм, катаболизм, пластический обмен, энергетический обмен, метаболизм, обмен веществ.

Тип урока: изучение нового материала.

Оборудование: таблицы «Обмен веществ в организме», «Биосинтез белка», «Гликолиз».

Ход урока

I. Организационный момент

II. Проверка домашнего задания

1) Биологический диктант (допишите незаконченное предложение)

Фронтальный опрос

1. По строению органоиды клетки делятся на __________ (мембранные и немембранные).
2. Лизосомы содержат ______ (пищеварительные ферменты).
3. Митохондрии являются _____________ (энергетическим центром клетки).
4. Рибосомы состоят из _______ (белка и РНК).
5. Выросты внутренней мембраны митохондрий называются ________ (кристами).
6. Пластиды характерны только для _______ (растительных клеток).
7. Лизосомы образуются в ________ (комплексе Гольджи).
8. ЭПС участвует во внутриклеточной _________ (транспортировке веществ).
9. Стопки мембран в пластидах, содержащие хлорофилл, называются ______ (гранами).
10. Синтез белка осуществляется при помощи ________ (рибосом).

III. Изучение нового материала

Актуализация знаний

Процесс тот имеет две стороны.
Обе они организму нужны:
За счет одного он рост прибавляет,
Энергию в клетках другой запасает.
(Обмен веществ = метаболизм;
пластический обмен = ассимиляция = анаболизм;
энергетический обмен = диссимиляция = катаболизм)
Реакции синтеза в клетках идут,
… тот вид обмена зовут.
(Пластическим)

Глюкоза спешит в гликоген превращаться,
А в жир — глицерин, ну куда им деваться?
Сцепились аминокислоты в белки.
Ты этот процесс мне назвать помоги.
(Анаболизм = ассимиляция)

Распада реакций — каскад в организме!
Важен этап этот для нашей жизни:
Энергию клеткам он нашим дает,
К развитию, росту он тканей ведет.
(Катаболизм = диссимиляция)

Задание: сравните два определения, найдите, есть ли в них отличие или они сходны. Чем вы это можете объяснить?

Метаболизм — ряд стадий, на каждой из которых молекула под действием ферментов слегка видоизменяется до тех пор, пока не образуется необходимое организму соединение.

Обмен веществ — последовательное потребление, превращение, использование, накопление и потеря веществ и энергии в живых организмах в процессе их жизни.

Объяснение учителя, показ презентации: Обмен веществ складывается из двух взаимосвязанных процессов — анаболизма и катаболизма.

Ассимиляция, или анаболизм (пластический обмен), — совокупность химических процессов, направленных на образование и обновление структурных частей клеток

1. В ходе ассимиляции происходит биосинтез сложных молекул из простых молекул-предшественников или из молекул веществ, поступивших из внешней среды.

2. Важнейшими процессами ассимиляции являются синтез белков и нуклеиновых кислот (свойственный всем организмам) и синтез углеводов (только у растений, некоторых бактерий и Цианобактерий).

3. В процессе ассимиляции при образовании сложных молекул идет накопление энергии, главным образом в виде химических связей.

Диссимиляция, или катаболизм (энергетический обмен), — совокупность реакций, в которых происходит распад органических веществ с высвобождением энергии

1. При разрыве химических связей в молекулах органических соединений энергия высвобождается и запасается в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ).

2. Синтез АТФ у эукариот происходит в митохондриях и хлоропластах, а у прокариот — в цитоплазме, на мембранных структурах.

3. Диссимиляция обеспечивает все биохимические процессы в клетке энергией.

Самостоятельная работа по вариантам с биологическим текстом (работа в парах) Учащиеся каждого варианта работают с текстом, а затем формулируют ответ, дополняют его. Происходит обсуждение, в ходе которого формулируются и записываются ответы на проблемные вопросы.

1 вариант

Прочитайте текст

Пластический обмен.

Пластический обмен (ассимиляция) — это совокупность реакций анаболизма (биосинтеза), или создание сложных молекул из простых. Процессы анаболизма, происходящие в зелѐных растениях с использованием солнечной энергии, имеют планетарное значение, играя решающую роль в синтезе органических веществ из неорганических (фотосинтез). Очень интенсивно анаболизм происходит в периоды роста: у животных — в молодом возрасте, у растений — в течение вегетационного периода. В клетке постоянно синтезируются белки из аминокислот, жиры из глицерина и жирных кислот, углеводы из моносахаридов, нуклеотиды из азотистых оснований и сахаров. Все реакции биосинтеза идут с поглощением энергии, которая освобождается при расщеплении молекулы АТФ, образовавшейся в ходе энергетического обмена.

Ответьте на вопросы.

1. Какие ещё термины употребляются при данном типе обмена.
2. Что происходит с энергией?
3. Что происходит с АТФ?

Подготовьте общий ответ на поставленные вопросы.

2 вариант

Прочитайте текст

Энергетический обмен.

Энергетический обмен или катаболизм — это совокупность реакций распада сложных органических соединений до более простых молекул или окисления какого-либо вещества, обычно протекающего с высвобождением энергии. Катаболические реакции лежат в основе диссимиляции: утраты сложными веществами своей специфичности для данного организма в результате распада до более простых. Расщепление органических веществ осуществляется в цитоплазме и митохондриях с участием кислорода. Ряд процессов диссимиляции ‒ дыхание, брожение и гликолиз ‒ занимает центральное место в обмене веществ. Энергия, освобождающаяся при распаде органических веществ, не сразу используется клеткой, а запасается в форме АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) и других высокоэнергетических соединений. АТФ — универсальный источник энергообеспечения КЛЕТКИ. Синтез АТФ происходит в клетках всех организмов в процессе фосфорилирования — присоединения неорганического фосфата к АДФ.

Ответьте на вопросы.

1. Какие ещё термины употребляются при данном типе обмена.
2. Что происходит с энергией?
3. Что происходит с АТФ?

IV. Рефлексия

Процессы	Ассимиляция	Диссимиляция
1. Что происходит с энергией?
2. Что происходит с веществами?
3. Начальные продукты процесса
4. Конечные продукты процесса
5. В каком виде используется или расходуется энергия?

V. Домашнее задание

§ 2.8, № 70, 71 в рабочей тетради.

Дополнительный материал к уроку

Особенности обмена веществ у различных организмов

• Для каждого живого организма характерен особый, генетически закрепленный тип обмена веществ, зависящий от условий ѐго существования и от отношения площади поверхности тела к его массе. Это отношение тем больше, чем меньше животное. Следовательно, у крупных животных интенсивность обмена веществ ниже, чем у мелких.
• Интенсивность обмена веществ у человека условно принята за единицу.
  • Слон — 0,33
  • Лошадь — 0,52
  • Овца — 1,05
  • Собака — 1,57
  • Землеройка — 35,24
• Если землеройка будет без пищи 7-9 часов, она погибнет!
• В организме человека и животных имеет место гормональная регуляция обмена веществ, координируемая центральной нервной системой.
• В растущем организме процессы ассимиляции преобладают над процессами диссимиляции, благодаря чему обеспечивается накопление веществ и роста организма. Это компенсируется усиленным питанием.
• При интенсивной физической работе и в старости преобладают процессы диссимиляции. При этом происходит постепенное истощение организма и в конечном итоге гибель организма.
• Во время фотосинтеза зеленые растения способны преобразовывать световую энергию Солнца в энергию химических связей органических веществ. В частности, из энергетически бедных веществ СО₂ и Н₂О они синтезируют богатые энергией углеводы и выделяют кислород.

Российские биохимики разработали сверхточный биосенсор для изучения обмена веществ в организме

Перекись водорода H₂О₂ — одна из важнейших молекул в организме живых существ. Она образуется в процессе метаболизма, а также выделяется специализированными ферментными системами. В организме это соединение регулирует работу различных биохимических процессов, но при слишком высоком ее содержании может произойти так называемый окислительный стресс — избыток активных форм кислорода в организме. Он участвует в развитии многих заболеваний, таких как воспалительные, онкологические и нейродегенеративные. Регуляторную функцию молекулы выполняют, находясь в чрезвычайно низких концентрациях, из-за высокой скорости реакции они живут максимум несколько секунд. Эти особенности перекиси водорода сильно затрудняют изучение ее влияния на метаболизм и возникновение патологий.

Разработка российских ученых — плод многолетней работы над биосенсорами, позволяющими наблюдать за пероксидом водорода в клетке с помощью оптики, например микроскопа. Первое поколение отечественных зондов получило мировое признание и расширило знания ученых в области метаболизма, но имело существенный недостаток — они не могли обнаружить сверхнизкие концентрации H₂О₂, с помощью которых реализуется большинство ее функций. Также результаты наблюдения могли быть неточными из-за того, что работа сенсора сильно зависела от кислотности среды.

Обычно биосенсоры — это приборы, которые находят химические соединения с помощью веществ, реагирующих на эти соединения. Например, биосенсоры используются для измерения количества сахара или алкоголя в крови. Но биосенсоры, о которых идет речь в исследовании, являются белковыми молекулами. В основе такого зонда ученые использовали зеленый флуоресцентный белок GFP, способный поглощать свет и через несколько наносекунд испускать его обратно с немного увеличенной длиной волны, то есть «светиться». Такой белок сшивается с другим белком, OxyR, природным сенсором пероксида водорода. В результате «свечение» (флуоресценция) GFP меняет свои свойства при взаимодействии зонда с H₂О₂. OxyR есть почти у всех бактерий. Поскольку исследователи не знали заранее, какой из белков окажется наиболее чувствительным, то выбрали для эксперимента 11 OxyR из разных неродственных друг другу видов микроорганизмов. В итоге сверхчувствительный сенсор получился при сшивании флуоресцентного белка GFP с белком OxyR, содержащимся в бактерии менингококк Neisseria meningitidis, обитающей в носоглотке человека и вызывающей менингит и назофарингит. OxyR этой бактерии реагирует на окисление пероксидом водорода, но при этом нечувствителен к другим активным формам кислорода.

«По-видимому, менингококк в процессе эволюции выработал сверхчувствительный OxyR, строго избирательный к пероксиду водорода. Это нужно для того, чтобы заранее чувствовать активацию нейтрофилов и макрофагов, иммунных клеток организма хозяина, использующих пероксид водорода, чтобы убить бактерию. В ответ менингококк способен усиливать свои антиоксидантные системы, защищающие его от окислительного стресса», — рассказывает Всеволод Белоусов, руководитель проекта по гранту РНФ, доктор биологических наук, заведующий отделом метаболизма и редокс-биологии ИБХ имени М. М. Шемякина и Ю. А. Овчинникова РАН, и.о. директора Федерального центра мозга и нейротехнологий МЗ РФ.

По словам ученого, новый зонд HyPer7 — настоящий прорыв в сфере биосенсоров: «Мы получили уникальный индикатор с высокой яркостью и коротким временем отклика, реагирующий на сверхнизкие концентрации перекиси водорода, при этом не зависящий от кислотной среды. HyPer7 оказался в 30 раз чувствительнее и в 80 раз быстрее предыдущих версий».

С помощью сенсора авторам работы уже удалось изучить детали перемещения молекул H₂О₂ внутри клетки, исследовать роль градиентов пероксида водорода в движении клеток и при повреждении тканей. Разработка биохимиков позволит визуализировать перекись водорода в клетках, тканях и органах, и исследовать роль этой молекулы в нормальных биохимических процессах. Также будет изучена роль перекиси водорода в возникновении и развитии ишемических, нейродегенеративных, воспалительных и онкологических заболеваний, которые тесно связаны с окислительным стрессом. В исследовании российским ученым помогали коллеги из Бельгии, Франции, Германии и США.

Метаболизм – Основы биологии

Метаболизм организма – это сумма всех химических реакций, протекающих в организме. Эти химические реакции делятся на две основные категории:

• Анаболизм: строительные полимеры (крупные молекулы, необходимые клетке).
• Катаболизм: расщепление полимеров с выделением энергии.

Это означает, что метаболизм состоит из синтеза (анаболизма) и деградации (катаболизма) ( Рисунок 1 ).

Рисунок 1 Катаболические пути – это те, которые вырабатывают энергию за счет расщепления более крупных молекул. Анаболические пути — это те, которые требуют энергии для синтеза более крупных молекул. Оба типа путей необходимы для поддержания энергетического баланса клетки.

Важно знать, что химические реакции метаболических путей не происходят сами по себе. Каждый этап реакции облегчается или катализируется белком, называемым ферментом . Ферменты играют важную роль в катализе всех типов биологических реакций — как тех, которые требуют энергии, так и тех, которые высвобождают энергию.Вернитесь к главе о ферментах, если вам нужно напоминание по этой теме.

Рассмотрим метаболизм сахара (углевода). Это классический пример одного из многих клеточных процессов, использующих и производящих энергию. Живые существа потребляют сахара в качестве основного источника энергии, потому что молекулы сахара имеют большое количество энергии, хранящейся в их связях. По большей части фотосинтезирующие организмы, такие как растения, производят эти сахара. Во время фотосинтеза растения используют энергию (первоначально от солнечного света) для преобразования углекислого газа (CO ₂ ) в молекулы сахара (например, глюкозу: C ₆ H ₁₂ O ₆ ). Они потребляют углекислый газ и производят кислород в качестве побочного продукта. Эта реакция резюмируется как:

6CO ₂ + 6H ₂ O–>C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂

Напомним из химии, что аббревиатура «CO ₂ » означает «один атом углерода, ковалентно связанный с двумя атомами кислорода». Вода, «H ₂ O», представляет собой два атома водорода, ковалентно связанные с одним атомом кислорода. А «C ₆ H ₁₂ O ₆ » имеет 6 атомов углерода, 12 атомов водорода и 6 атомов кислорода, которые ковалентно связаны друг с другом.

Углекислый газ (CO2) содержит один атом углерода, ковалентно связанный с двумя атомами кислорода. Предоставлено: wikimediaГлюкоза содержит 6 атомов углерода, 6 атомов кислорода и 12 атомов водорода. Авторы и права: Бен, 2006 г. Викимедиа. Всеобщее достояние.

Процесс получения глюкозы из углекислого газа и воды требует затраты энергии, потому что глюкоза содержит больше энергии в своих молекулярных связях, чем углекислый газ.

Напротив, молекулы-аккумуляторы энергии, такие как глюкоза, потребляются для расщепления, чтобы использовать их энергию.Реакция, которая собирает энергию молекулы сахара в клетках, нуждающихся в кислороде для выживания, может быть обобщена как реакция, обратная фотосинтезу. В этой реакции потребляется кислород, а в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Реакция резюмируется как:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6O ₂ —> 6H ₂ O + 6CO ₂

Обе эти реакции включают много стадий.

Процессы создания и расщепления молекул сахара иллюстрируют два примера метаболических путей. Метаболический путь  – это серия химических реакций, в которых исходная молекула шаг за шагом модифицируется с помощью ряда метаболических промежуточных продуктов, что в конечном итоге приводит к получению конечного продукта. В примере метаболизма сахара первый метаболический путь синтезирует сахар из более мелких молекул, а другой путь расщепляет сахар на более мелкие молекулы.

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.0.

Текст адаптирован из: OpenStax, Concepts of Biology.OpenStax CNX. 18 мая 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]

Метаболизм — Биология муниципального колледжа Маунт-Худ 101

Метаболизм организма – это сумма всех химических реакций, протекающих в организме. Эти химические реакции делятся на две основные категории:

• Анаболизм: строительные полимеры (крупные молекулы, необходимые клетке).
• Катаболизм: расщепление полимеров с выделением энергии.

Это означает, что метаболизм состоит из синтеза (анаболизма) и деградации (катаболизма) ( Рисунок 1 ).

Рисунок 1 Катаболические пути – это те, которые генерируют энергию за счет расщепления более крупных молекул. Анаболические пути — это те, которые требуют энергии для синтеза более крупных молекул. Оба типа путей необходимы для поддержания энергетического баланса клетки.

Важно знать, что химические реакции метаболических путей не происходят сами по себе. Каждый этап реакции облегчается или катализируется белком, называемым ферментом . Ферменты играют важную роль в катализе всех типов биологических реакций — как тех, которые требуют энергии, так и тех, которые высвобождают энергию.

Рассмотрим метаболизм сахара. Это классический пример одного из многих клеточных процессов, использующих и производящих энергию. Живые существа потребляют сахара в качестве основного источника энергии, потому что молекулы сахара имеют большое количество энергии, хранящейся в их связях. По большей части фотосинтезирующие организмы, такие как растения, производят эти сахара. Во время фотосинтеза растения используют энергию (первоначально от солнечного света) для преобразования углекислого газа (CO ₂ ) в молекулы сахара (например, глюкозу: C ₆ H ₁₂ O ₆ ).Они потребляют углекислый газ и производят кислород в качестве побочного продукта. Эта реакция резюмируется как:

6 CO ₂ + 6 H ₂ O -> C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂

Процесс получения глюкозы из углекислого газа и воды требует затраты энергии, потому что глюкоза содержит больше энергии в своих молекулярных связях, чем углекислый газ. Это означает, что этот процесс требует затрат энергии для продолжения. Вы, наверное, уже знаете, что энергия для питания фотосинтеза исходит от солнечного света.

Напротив, молекулы-аккумуляторы энергии, такие как глюкоза, потребляются для расщепления, чтобы использовать их энергию. Реакция, которая собирает энергию молекулы сахара в клетках, нуждающихся в кислороде для выживания, может быть обобщена как реакция, обратная фотосинтезу. В этой реакции потребляется кислород, а в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Реакция резюмируется как:

C ₆ H ₁₂ O ₆ + 6 O ₂  —> 6 CO ₂ + 6 H ₂ O

Обе эти реакции включают много стадий.

Процессы создания и расщепления молекул сахара иллюстрируют два примера метаболических путей. Метаболический путь  – это серия химических реакций, в которых исходная молекула шаг за шагом модифицируется с помощью ряда метаболических промежуточных продуктов, что в конечном итоге приводит к получению конечного продукта. В примере метаболизма сахара первый метаболический путь синтезирует сахар из более мелких молекул, а другой путь расщепляет сахар на более мелкие молекулы.

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы в соответствии с CC-BY 4.0 от OpenStax.

Текст адаптирован из: OpenStax, Concepts of Biology. OpenStax CNX. 18 мая 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]

4.1: Энергия и обмен веществ — Биология LibreTexts

Ученые используют термин биоэнергетика для описания концепции потока энергии (Рисунок \(\PageIndex{1}\)) через живые системы, такие как клетки. Клеточные процессы, такие как построение и разрушение сложных молекул, происходят посредством ступенчатых химических реакций. Некоторые из этих химических реакций протекают самопроизвольно и высвобождают энергию, тогда как для протекания других требуется энергия. Точно так же, как живые существа должны постоянно потреблять пищу, чтобы пополнять свои запасы энергии, клетки должны постоянно производить больше энергии, чтобы пополнить ту, которая используется многими постоянно происходящими химическими реакциями, требующими энергии. В совокупности все химические реакции, протекающие внутри клеток, включая те, которые потребляют или вырабатывают энергию, называются клеточным метаболизмом.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): В конечном счете, большинство форм жизни получают энергию от солнца. Растения используют фотосинтез для захвата солнечного света, а травоядные поедают растения для получения энергии. Плотоядные поедают травоядных, а возможное разложение растительного и животного материала способствует накоплению питательных веществ.

Метаболические пути

Рассмотрим метаболизм сахара. Это классический пример одного из многих клеточных процессов, использующих и производящих энергию. Живые существа потребляют сахара в качестве основного источника энергии, потому что молекулы сахара имеют большое количество энергии, хранящейся в их связях.По большей части фотосинтезирующие организмы, такие как растения, производят эти сахара. Во время фотосинтеза растения используют энергию (первоначально от солнечного света) для преобразования углекислого газа (CO ₂ ) в молекулы сахара (например, глюкозу: C ₆ H ₁₂ O ₆ ). Они потребляют углекислый газ и производят кислород в качестве побочного продукта. Эта реакция резюмируется как:

\[\ce{6CO2 + 6h3O -> C6h22O6 + 6O2}\номер\]

Поскольку этот процесс включает в себя синтез молекулы, запасающей энергию, для его продолжения требуется затрата энергии.Во время световых реакций фотосинтеза энергия обеспечивается молекулой, называемой аденозинтрифосфатом (АТФ), которая является основной энергетической валютой всех клеток. Точно так же, как доллар используется в качестве валюты для покупки товаров, клетки используют молекулы АТФ в качестве энергетической валюты для выполнения непосредственной работы. Напротив, молекулы-аккумуляторы энергии, такие как глюкоза, потребляются только для того, чтобы расщепляться для использования своей энергии. Реакция, которая собирает энергию молекулы сахара в клетках, нуждающихся в кислороде для выживания, может быть обобщена как реакция, обратная фотосинтезу.В этой реакции потребляется кислород, а в качестве побочного продукта выделяется углекислый газ. Реакция резюмируется как:

\[\ce{C6h22O6 + 6O2 -> 6h3O + 6CO2}\номер\]

Обе эти реакции включают много стадий.

Процессы создания и расщепления молекул сахара иллюстрируют два примера метаболических путей. Метаболический путь представляет собой серию химических реакций, в которых исходная молекула шаг за шагом модифицируется через ряд метаболических промежуточных продуктов, в конечном итоге давая конечный продукт. В примере метаболизма сахара первый метаболический путь синтезирует сахар из более мелких молекул, а другой путь расщепляет сахар на более мелкие молекулы. Эти два противоположных процесса — первый, требующий энергии, и второй, производящий энергию, — называются анаболическими путями (строительство полимеров) и катаболическими путями (расщепление полимеров на мономеры) соответственно. Следовательно, метаболизм состоит из синтеза (анаболизма) и деградации (катаболизма) (рис. \(\PageIndex{2}\)).

Важно знать, что химические реакции метаболических путей не происходят сами по себе. Каждый этап реакции облегчается или катализируется белком, называемым ферментом. Ферменты играют важную роль в катализе всех типов биологических реакций — как тех, которые требуют энергии, так и тех, которые высвобождают энергию.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Катаболические пути — это те, которые вырабатывают энергию за счет расщепления более крупных молекул. Анаболические пути — это те, которые требуют энергии для синтеза более крупных молекул. Оба типа путей необходимы для поддержания энергетического баланса клетки.

Энергия

Термодинамика относится к изучению энергии и передачи энергии с участием физической материи. Материя, относящаяся к конкретному случаю передачи энергии, называется системой, а все, что находится вне этой материи, — окружающей средой. Например, при нагревании кастрюли с водой на плите система включает плиту, кастрюлю и воду. Энергия передается внутри системы (между плитой, кастрюлей и водой).Существует два типа систем: открытые и закрытые. В открытой системе возможен обмен энергией с окружающей средой. Система плиты открыта, потому что тепло может отдаваться воздуху. Замкнутая система не может обмениваться энергией с окружающей средой.

Биологические организмы являются открытыми системами. Между ними и их окружением происходит обмен энергией, поскольку они используют энергию солнца для фотосинтеза или потребляют молекулы, хранящие энергию, и выделяют энергию в окружающую среду, выполняя работу и выделяя тепло. Как и все вещи в физическом мире, энергия подчиняется физическим законам. Законы термодинамики управляют передачей энергии во всех системах во Вселенной и между ними.

В целом энергия определяется как способность выполнять работу или создавать какие-либо изменения. Энергия существует в разных формах. Например, электрическая энергия, световая энергия и тепловая энергия — это разные виды энергии. Чтобы понять, как энергия поступает в биологические системы и выходит из них, важно понимать два физических закона, управляющих энергией.

Термодинамика

Первый закон термодинамики гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно и сохраняется. Другими словами, во Вселенной всегда было и всегда будет одинаковое количество энергии. Энергия существует во многих различных формах. Согласно первому закону термодинамики, энергия может передаваться с места на место или преобразовываться в различные формы, но не может создаваться или уничтожаться. Передачи и преобразования энергии происходят вокруг нас все время. Лампочки преобразуют электрическую энергию в световую и тепловую энергию. Газовые плиты преобразуют химическую энергию природного газа в тепловую энергию. Растения выполняют одно из наиболее биологически полезных преобразований энергии на Земле: преобразование энергии солнечного света в химическую энергию, хранящуюся в органических молекулах (рис. \(\PageIndex{1}\)). Некоторые примеры преобразования энергии показаны на рисунке \(\PageIndex{3}\).

Задача всех живых организмов состоит в том, чтобы получать энергию из своего окружения в формах, которые они могут передавать или преобразовывать в полезную энергию для выполнения работы.Живые клетки эволюционировали, чтобы справиться с этой задачей. Химическая энергия, хранящаяся в органических молекулах, таких как сахара и жиры, передается и трансформируется посредством ряда клеточных химических реакций в энергию внутри молекул АТФ. Энергия молекул АТФ легко доступна для выполнения работы. Примеры типов работы, которую должны выполнять клетки, включают построение сложных молекул, транспортировку материалов, обеспечение движения ресничек или жгутиков и сокращение мышечных волокон для создания движения.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Показаны некоторые примеры передачи и преобразования энергии из одной системы в другую и из одной формы в другую.Пища, которую мы потребляем, обеспечивает наши клетки энергией, необходимой для выполнения функций организма, точно так же, как световая энергия дает растениям средства для создания необходимой им химической энергии. (кредит «мороженое»: модификация работы Д. Шэрон Прюитт; кредит «дети»: модификация работы Макса из Провиденса; кредит «лист»: модификация работы Кори Занкера)

Основные задачи живой клетки по получению, преобразование и использование энергии для выполнения работы может показаться простым. Однако второй закон термодинамики объясняет, почему эти задачи сложнее, чем кажутся.Все передачи и преобразования энергии никогда не бывают полностью эффективными. При каждой передаче энергии некоторое количество энергии теряется в непригодной для использования форме. В большинстве случаев такой формой является тепловая энергия. Термодинамически тепловая энергия определяется как энергия, передаваемая от одной системы к другой, которая не является работой. Например, когда включается лампочка, часть энергии, преобразуемой из электрической энергии в световую, теряется в виде тепловой энергии. Точно так же часть энергии теряется в виде тепловой энергии во время клеточных метаболических реакций.

Важным понятием в физических системах является порядок и беспорядок. Чем больше энергии теряет система в своем окружении, тем менее упорядоченной и более случайной является система. Ученые называют мерой случайности или беспорядка в системе энтропию. Высокая энтропия означает высокий беспорядок и низкую энергию. Молекулы и химические реакции также имеют разную энтропию. Например, энтропия увеличивается по мере того, как молекулы с высокой концентрацией в одном месте диффундируют и распространяются. Второй закон термодинамики гласит, что энергия всегда будет теряться в виде тепла при передаче или превращении энергии.

Живые существа высоко упорядочены, им требуется постоянное потребление энергии для поддержания состояния низкой энтропии.

Потенциальная и кинетическая энергия

Когда объект находится в движении, с ним связана энергия. Подумайте о разрушающем шаре. Даже медленно движущийся шар-разрушитель может нанести большой ущерб другим объектам. Энергия, связанная с движущимися объектами, называется кинетической энергией (рис. \(\PageIndex{4}\)). Мчащаяся пуля, идущий человек и быстрое движение молекул в воздухе (выделяющее тепло) — все они обладают кинетической энергией.

А что, если тот самый неподвижный шар-вредитель поднять краном на два этажа над землей? Если подвешенный разрушающий шар неподвижен, связана ли с ним энергия? Ответ положительный. Энергия, необходимая для подъема шара-разрушителя, не исчезла, а теперь запасена в шаре-разрушителе благодаря его положению и действующей на него силе тяжести. Этот вид энергии называется потенциальной энергией (рис. \(\PageIndex{4}\)). Если мяч упадет, потенциальная энергия будет преобразована в кинетическую энергию до тех пор, пока вся потенциальная энергия не будет исчерпана, когда мяч покоится на земле.Разрушительные шары также качаются, как маятник; во время качелей происходит постоянное изменение потенциальной энергии (наибольшей в верхней части качелей) на кинетическую энергию (наибольшей в нижней части качелей). Другие примеры потенциальной энергии включают энергию воды, удерживаемой за плотиной, или энергию человека, собирающегося прыгнуть с парашютом из самолета.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Неподвижная вода обладает потенциальной энергией; движущаяся вода, например, в водопаде или быстро текущей реке, обладает кинетической энергией. (кредит «дамба»: модификация работы «Pascal»/Flickr; кредит «водопад»: модификация работы Frank Gualtieri)

Потенциальная энергия связана не только с расположением материи, но и со структурой материи.Даже пружина на земле обладает потенциальной энергией, если ее сжать; то же самое делает и натянутая резинка. На молекулярном уровне связи, удерживающие атомы молекул вместе, существуют в определенной структуре, обладающей потенциальной энергией. Помните, что анаболические клеточные пути требуют энергии для синтеза сложных молекул из более простых, а катаболические пути высвобождают энергию при расщеплении сложных молекул. Тот факт, что энергия может высвобождаться при разрыве определенных химических связей, подразумевает, что эти связи обладают потенциальной энергией.На самом деле существует потенциальная энергия, хранящаяся в связях всех пищевых молекул, которые мы едим, и которая в конечном итоге используется для использования. Это потому, что эти связи могут высвобождать энергию при разрыве. Тип потенциальной энергии, которая существует внутри химических связей и высвобождается, когда эти связи разрываются, называется химической энергией. Химическая энергия отвечает за обеспечение живых клеток энергией из пищи. Высвобождение энергии происходит при разрыве молекулярных связей внутри молекул пищи.

КОНЦЕПЦИЯ В ДЕЙСТВИИ

Посетите сайт и выберите «Маятник» в меню «Работа и энергия», чтобы увидеть изменение кинетической и потенциальной энергии маятника в движении.

Свободная энергия и энергия активации

Узнав, что химические реакции высвобождают энергию, когда разрушаются энергосберегающие связи, следующий важный вопрос заключается в следующем: как определяется и выражается энергия, связанная с этими химическими реакциями? Как можно сравнить энергию, выделяющуюся в одной реакции, с энергией другой реакции? Измерение свободной энергии используется для количественной оценки этих передач энергии. Вспомним, что согласно второму закону термодинамики все передачи энергии связаны с потерей некоторого количества энергии в непригодной для использования форме, такой как тепло.Свободная энергия конкретно относится к энергии, связанной с химической реакцией, которая доступна после учета потерь. Другими словами, свободная энергия — это полезная энергия, или энергия, доступная для выполнения работы.

Если в ходе химической реакции выделяется энергия, то изменение свободной энергии, обозначаемое как ∆G (дельта G), будет отрицательным числом. Отрицательное изменение свободной энергии также означает, что продукты реакции имеют меньшую свободную энергию, чем реагенты, потому что они выделяют некоторую свободную энергию во время реакции.Реакции, которые вызывают отрицательное изменение свободной энергии и, следовательно, высвобождение свободной энергии, называются экзергоническими реакциями. Подумайте: из эргономика означает, что энергия из поглощает систему. Эти реакции также называют самопроизвольными реакциями, и их продукты имеют меньший запас энергии, чем реагенты. Необходимо провести важное различие между термином «самопроизвольно» и идеей химической реакции, протекающей немедленно. Вопреки повседневному использованию этого термина спонтанная реакция не возникает внезапно или быстро.Ржавление железа является примером спонтанной реакции, которая происходит медленно, мало-помалу, с течением времени.

Если химическая реакция поглощает энергию, а не высвобождает энергию в балансе, то ∆G для этой реакции будет положительным значением. В этом случае продукты имеют больше свободной энергии, чем реагенты. Таким образом, продукты этих реакций можно рассматривать как запасающие энергию молекулы. Эти химические реакции называются эндергоническими реакциями, и они не являются самопроизвольными. Эндергоническая реакция не будет происходить сама по себе без добавления свободной энергии.

ИСКУССТВО СОЕДИНЕНИЕ

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Показаны некоторые примеры эндергонических процессов (тех, которые требуют энергии) и экзергонических процессов (тех, которые высвобождают энергию). (кредит a: модификация работы Натали Мейнор; кредит b: модификация работы USDA; кредит c: модификация работы Кори Занкера; кредит d: модификация работы Гарри Мальша)

Посмотрите на каждый из показанных процессов и решите если он эндергонический или экзергонический.

Существует еще одна важная концепция, которую следует учитывать в отношении эндергонических и экзергонических реакций. Экзергонические реакции требуют небольшого количества энергии для запуска, прежде чем они смогут продолжить свои этапы высвобождения энергии. Эти реакции имеют чистое высвобождение энергии, но все же требуют некоторого подвода энергии в начале. Это небольшое количество энергии, необходимое для протекания всех химических реакций, называется энергией активации.

КОНЦЕПЦИЯ В ДЕЙСТВИИ

Посмотрите анимацию перехода от свободной энергии к переходному состоянию реакции.

Ферменты

Вещество, которое способствует протеканию химической реакции, называется катализатором, а молекулы, катализирующие биохимические реакции, называются ферментами.Большинство ферментов являются белками и выполняют важную задачу по снижению энергии активации химических реакций внутри клетки. Большинство критических для живой клетки реакций протекают слишком медленно при нормальных температурах, чтобы быть полезными для клетки. Без ферментов, ускоряющих эти реакции, жизнь не могла бы существовать. Ферменты делают это, связываясь с молекулами реагентов и удерживая их таким образом, чтобы облегчить процессы разрыва и образования химических связей. Важно помнить, что ферменты не изменяются, является ли реакция экзергонической (спонтанной) или эндергонической.Это потому, что они не изменяют свободную энергию реагентов или продуктов. Они только уменьшают энергию активации, необходимую для протекания реакции (рис. \(\PageIndex{6}\)). Кроме того, сам фермент не изменяется в ходе реакции, которую он катализирует. После катализа одной реакции фермент может участвовать в других реакциях.

Рисунок \(\PageIndex{6}\): Ферменты снижают энергию активации реакции, но не изменяют свободную энергию реакции.

Химические реагенты, с которыми связывается фермент, называются субстратами фермента. В зависимости от конкретной химической реакции может быть один или несколько субстратов. В некоторых реакциях один реагент-субстрат распадается на несколько продуктов. В других случаях два субстрата могут объединяться, образуя одну большую молекулу. Два реагента также могут вступить в реакцию и оба измениться, но они покинут реакцию как два продукта. Место внутри фермента, где связывается субстрат, называется активным центром фермента.Активный сайт — это место, где происходит «действие». Поскольку ферменты представляют собой белки, в активном центре имеется уникальная комбинация боковых цепей аминокислот. Каждая боковая цепь характеризуется различными свойствами. Они могут быть большими или маленькими, слабокислыми или основными, гидрофильными или гидрофобными, положительно или отрицательно заряженными или нейтральными. Уникальная комбинация боковых цепей создает очень специфическую химическую среду в активном центре. Эта конкретная среда подходит для связывания с одним конкретным химическим субстратом (или субстратами).

Активные сайты подвержены влиянию местной среды. Повышение температуры окружающей среды обычно увеличивает скорость реакции, катализируемой ферментами или иным образом. Однако температуры за пределами оптимального диапазона снижают скорость, с которой фермент катализирует реакцию. Горячие температуры в конечном итоге вызовут денатурацию ферментов, необратимое изменение трехмерной формы и, следовательно, функции фермента. Ферменты также подходят для наилучшего функционирования в пределах определенного диапазона pH и концентрации соли, и, как и в случае с температурой, экстремальный pH и концентрация соли могут вызвать денатурацию ферментов.

В течение многих лет ученые считали, что связывание фермента с субстратом происходит простым способом «замок и ключ». Эта модель утверждала, что фермент и субстрат идеально сочетаются друг с другом за один мгновенный шаг. Однако текущее исследование поддерживает модель, называемую индуцированной подгонкой (рис. \(\PageIndex{7}\)). Модель индуцированного соответствия расширяет модель «замок и ключ», описывая более динамичное связывание между ферментом и субстратом. Когда фермент и субстрат объединяются, их взаимодействие вызывает небольшой сдвиг в структуре фермента, который формирует идеальную схему связывания между ферментом и субстратом.

КОНЦЕПЦИЯ В ДЕЙСТВИИ

Просмотр анимации индуцированной посадки.

Когда фермент связывается со своим субстратом, образуется фермент-субстратный комплекс. Этот комплекс снижает энергию активации реакции и способствует ее быстрому протеканию одним из многих возможных путей. На базовом уровне ферменты способствуют химическим реакциям, в которых участвует более одного субстрата, объединяя субстраты в оптимальной для реакции ориентации. Другой способ, с помощью которого ферменты способствуют реакции своих субстратов, заключается в создании оптимальной среды в активном центре для протекания реакции.Химические свойства, возникающие из-за особого расположения аминокислотных групп R в активном центре, создают идеальную среду для реакции специфических субстратов фермента.

Комплекс фермент-субстрат также может снижать энергию активации, нарушая структуру связи, чтобы ее было легче разорвать. Наконец, ферменты также могут снижать энергию активации, участвуя в самой химической реакции. В этих случаях важно помнить, что фермент всегда возвращается в исходное состояние по завершении реакции.Одним из отличительных свойств ферментов является то, что они в конечном счете остаются неизменными в реакциях, которые они катализируют. После того, как фермент катализирует реакцию, он высвобождает свой продукт (продукты) и может катализировать новую реакцию.

Рисунок \(\PageIndex{7}\): Модель индуцированного соответствия представляет собой корректировку модели «замок и ключ» и объясняет, как ферменты и субстраты претерпевают динамические модификации во время переходного состояния, чтобы увеличить сродство субстрата к активный сайт.

Казалось бы идеальным сценарий, при котором все ферменты организма существовали бы в изобилии и функционировали оптимально во всех клеточных условиях, во всех клетках, во все времена.Однако различные механизмы гарантируют, что этого не произойдет. Клеточные потребности и условия постоянно варьируются от клетки к клетке и меняются внутри отдельных клеток с течением времени. Необходимые ферменты клеток желудка отличаются от ферментов клеток хранения жира, клеток кожи, клеток крови и нервных клеток. Кроме того, клетки органов пищеварения работают гораздо усерднее, перерабатывая и расщепляя питательные вещества в течение времени, которое следует за приемом пищи, по сравнению со многими часами после приема пищи. Поскольку эти клеточные потребности и условия различаются, должны различаться количество и функциональность различных ферментов.

Поскольку скорость биохимических реакций контролируется энергией активации, а ферменты снижают и определяют энергию активации химических реакций, относительное количество и функционирование различных ферментов в клетке в конечном итоге определяют, какие реакции будут протекать и с какой скоростью. Это определение строго контролируется в клетках. В определенных клеточных средах активность ферментов частично контролируется такими факторами окружающей среды, как pH, температура, концентрация соли и, в некоторых случаях, кофакторами или коферментами.

Ферменты также можно регулировать таким образом, чтобы стимулировать или снижать активность ферментов. Существует много видов молекул, которые ингибируют или стимулируют функцию фермента, и различные механизмы, с помощью которых они это делают. В некоторых случаях ингибирования фермента молекула ингибитора достаточно похожа на субстрат, поэтому она может связываться с активным центром и просто блокировать связывание субстрата. Когда это происходит, фермент ингибируется за счет конкурентного ингибирования, потому что молекула ингибитора конкурирует с субстратом за связывание с активным центром.

С другой стороны, при неконкурентном ингибировании молекула ингибитора связывается с ферментом в месте, отличном от активного центра, называемого аллостерическим сайтом, но все же может блокировать связывание субстрата с активным центром. Некоторые молекулы-ингибиторы связываются с ферментами в местах, где их связывание вызывает конформационные изменения, снижающие сродство фермента к его субстрату. Этот тип ингибирования называется аллостерическим ингибированием (рис. \(\PageIndex{8}\)). Большинство аллостерически регулируемых ферментов состоят из более чем одного полипептида, а это означает, что они имеют более одной белковой субъединицы.Когда аллостерический ингибитор связывается с участком фермента, все активные центры белковых субъединиц слегка изменяются, так что они связывают свои субстраты с меньшей эффективностью. Существуют аллостерические активаторы, а также ингибиторы. Аллостерические активаторы связываются с участками фермента, удаленными от активного центра, вызывая конформационные изменения, которые увеличивают сродство активного сайта (сайтов) фермента к его субстрату (субстратам) (рис. \(\PageIndex{8}\)).

Рисунок \(\PageIndex{8}\): Аллостерическое ингибирование работает, косвенно вызывая конформационные изменения в активном центре, так что субстрат больше не подходит.Напротив, при аллостерической активации молекула активатора изменяет форму активного центра, чтобы обеспечить лучшее прилегание к субстрату.

КАРЬЕРА В ДЕЙСТВИИ: Разработчик фармацевтических препаратов

Рисунок \(\PageIndex{9}\): Задумывались ли вы, как разрабатываются фармацевтические препараты? (кредит: Дебора Остин)

Ферменты являются ключевыми компонентами метаболических путей. Понимание того, как работают ферменты и как их можно регулировать, является ключевым принципом разработки многих фармацевтических препаратов, представленных сегодня на рынке.Биологи, работающие в этой области, совместно с другими учеными разрабатывают лекарства (рис. \(\PageIndex{9}\)).

Возьмем, к примеру, статины. Статины — это название, данное одному классу препаратов, которые могут снижать уровень холестерина. Эти соединения являются ингибиторами фермента ГМГ-КоА-редуктазы, фермента, который синтезирует холестерин из липидов в организме. Ингибируя этот фермент, можно снизить уровень холестерина, синтезируемого в организме. Точно так же ацетаминофен, широко продаваемый под торговой маркой Тайленол, является ингибитором фермента циклооксигеназы. Хотя он используется для облегчения лихорадки и воспаления (боли), его механизм действия до сих пор полностью не изучен.

Как открывают наркотики? Одной из самых больших проблем при открытии лекарств является определение мишени для лекарства. Лекарственная мишень — это молекула, которая буквально является мишенью лекарства. В случае статинов мишенью является ГМГ-КоА-редуктаза. Мишени для наркотиков идентифицируются путем кропотливых исследований в лаборатории. Одной идентификации цели недостаточно; ученым также необходимо знать, как мишень действует внутри клетки и какие реакции идут наперекосяк в случае болезни.Как только цель и путь определены, начинается фактический процесс разработки лекарства. На этом этапе химики и биологи работают вместе, чтобы разработать и синтезировать молекулы, которые могут блокировать или активировать определенную реакцию. Однако это только начало: если и когда прототип лекарства успешно выполняет свою функцию, он подвергается многочисленным испытаниям, от экспериментов in vitro до клинических испытаний, прежде чем он сможет получить одобрение от Управления по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США. магазин.

Многие ферменты не работают оптимально или вообще не работают, если они не связаны с другими специфическими небелковыми вспомогательными молекулами. Они могут связываться либо временно через ионные или водородные связи, либо постоянно через более сильные ковалентные связи. Связывание с этими молекулами способствует оптимальной форме и функционированию соответствующих ферментов. Двумя примерами этих типов вспомогательных молекул являются кофакторы и коферменты. Кофакторы представляют собой неорганические ионы, такие как ионы железа и магния. Коэнзимы — это органические вспомогательные молекулы, основная атомная структура которых состоит из углерода и водорода.Подобно ферментам, эти молекулы участвуют в реакциях, сами не изменяясь, и в конечном итоге перерабатываются и используются повторно. Витамины являются источником коферментов. Некоторые витамины являются предшественниками коферментов, а другие действуют непосредственно как коферменты. Витамин С является прямым коферментом для множества ферментов, которые принимают участие в построении важной соединительной ткани, коллагена. Следовательно, функция ферментов частично регулируется обилием различных кофакторов и коферментов, которые могут поступать с пищей организма или, в некоторых случаях, вырабатываться организмом.

Ингибирование обратной связи в метаболических путях

Молекулы могут регулировать функцию ферментов разными способами. Однако остается главный вопрос: что это за молекулы и откуда они берутся? Как вы узнали, некоторые из них являются кофакторами и коферментами. Какие другие молекулы в клетке обеспечивают ферментативную регуляцию, такую ​​как аллостерическая модуляция, конкурентное и неконкурентное ингибирование? Возможно, наиболее важными источниками регуляторных молекул в отношении ферментативного клеточного метаболизма являются продукты самих клеточных метаболических реакций.Наиболее эффективным и элегантным способом клетки научились использовать продукты своих собственных реакций для ингибирования активности ферментов по принципу обратной связи. Ингибирование с обратной связью предполагает использование продукта реакции для регуляции его собственного дальнейшего производства (рис. \(\PageIndex{10}\)). Клетка реагирует на обилие продуктов замедлением производства во время анаболических или катаболических реакций. Такие продукты реакции могут ингибировать ферменты, катализирующие их продукцию, посредством механизмов, описанных выше.

Рисунок \(\PageIndex{10}\): Метаболические пути представляют собой серию реакций, катализируемых несколькими ферментами. Ингибирование с обратной связью, когда конечный продукт пути ингибирует восходящий процесс, является важным регуляторным механизмом в клетках.

Производство как аминокислот, так и нуклеотидов контролируется ингибированием по принципу обратной связи. Кроме того, АТФ является аллостерическим регулятором некоторых ферментов, участвующих в катаболическом расщеплении сахара — процессе, который создает АТФ.Таким образом, когда АТФ в изобилии, клетка может предотвратить производство АТФ. С другой стороны, АДФ служит положительным аллостерическим регулятором (аллостерическим активатором) для некоторых из тех же ферментов, которые ингибируются АТФ. Таким образом, когда относительные уровни АДФ высоки по сравнению с АТФ, клетка начинает производить больше АТФ за счет катаболизма сахара.

Резюме раздела

Клетки выполняют функции жизни посредством различных химических реакций. Метаболизм клетки относится к комбинации химических реакций, происходящих в ней.Катаболические реакции расщепляют сложные химические вещества на более простые и связаны с выделением энергии. Анаболические процессы строят сложные молекулы из более простых и требуют энергии.

При изучении энергии термин «система» относится к материи и окружающей среде, участвующим в передаче энергии. Энтропия есть мера беспорядка системы. Физические законы, описывающие передачу энергии, — это законы термодинамики. Первый закон гласит, что общее количество энергии во Вселенной постоянно.Второй закон термодинамики гласит, что каждая передача энергии связана с некоторой потерей энергии в непригодной для использования форме, такой как тепловая энергия. Энергия бывает разных форм: кинетической, потенциальной и свободной. Изменение свободной энергии реакции может быть отрицательным (высвобождение энергии, экзергоническое) или положительным (потребление энергии, эндергоническое). Для протекания всех реакций требуется первоначальный ввод энергии, называемой энергией активации.

Ферменты — это химические катализаторы, ускоряющие химические реакции за счет снижения энергии их активации.Ферменты имеют активный центр с уникальной химической средой, которая подходит для определенных химических реагентов для этого фермента, называемых субстратами. Считается, что ферменты и субстраты связываются в соответствии с моделью индуцированного соответствия. Действие фермента регулируется для сохранения ресурсов и оптимального реагирования на окружающую среду.

Художественные связи

Рисунок \(\PageIndex{5}\): Посмотрите на каждый из показанных процессов и решите, является ли он эндергоническим или экзергоническим.

Ответить

Разложение компостной кучи — экзергонический процесс. Ребенок, развивающийся из оплодотворенной яйцеклетки, представляет собой эндергонический процесс. Растворение чая в воде — экзергонический процесс. Мяч, катящийся вниз по склону, — это экзергонический процесс.

Глоссарий

энергия активации

количество начальной энергии, необходимой для протекания реакции

активный сайт

специфический участок фермента, где субстрат связывается

аллостерическое ингибирование

механизм ингибирования действия фермента, при котором регуляторная молекула связывается со вторым центром (не с активным центром) и инициирует изменение конформации в активном центре, предотвращая связывание с субстратом

анаболический

описывает путь, требующий чистых затрат энергии для синтеза сложных молекул из более простых

биоэнергетика

концепция потока энергии через живые системы

катаболический

описывает путь, по которому сложные молекулы расщепляются на более простые с получением энергии в качестве дополнительного продукта реакции

.

конкурентное ингибирование

общий механизм регуляции активности фермента, при котором молекула, отличная от субстрата фермента, способна связываться с активным центром и препятствовать связыванию самого субстрата, тем самым подавляя общую скорость реакции фермента

эндергоник

описывает химическую реакцию, в результате которой образуются продукты, хранящие больше химической потенциальной энергии, чем реагенты

.

фермент

молекула, катализирующая биохимическую реакцию

экзэргонический

описывает химическую реакцию, в результате которой образуются продукты с меньшей химической потенциальной энергией, чем у реагентов, плюс высвобождение свободной энергии

.

подавление обратной связи

механизм регуляции ферментативной активности, при котором продукт реакции или конечный продукт серии последовательных реакций ингибирует фермент на более ранней стадии в серии реакций

тепловая энергия

энергия, передаваемая от одной системы к другой, не являющаяся работой

кинетическая энергия

тип энергии, связанный с объектами в движении

метаболизм

все химические реакции, протекающие внутри клеток, включая те, которые используют энергию, и те, которые высвобождают энергию

неконкурентное ингибирование

общий механизм регуляции ферментативной активности, при котором регуляторная молекула связывается с сайтом, отличным от активного сайта, и предотвращает связывание активным центром субстрата; таким образом, молекула ингибитора не конкурирует с субстратом за активный центр; аллостерическое ингибирование является формой неконкурентного ингибирования

потенциальная энергия

вид энергии, относящийся к способности выполнять работу

подложка

молекула, на которую действует фермент

термодинамика

наука об отношениях между теплотой, энергией и работой

Авторы и авторство

Что такое метаболический путь? — Определение и пример — Видео и стенограмма урока

Существует два основных типа метаболических путей: катаболический и анаболический. Катаболические пути высвобождают энергию, расщепляя молекулы на более простые молекулы. Клеточное дыхание является одним из примеров катаболического пути. Во время клеточного дыхания сахар поглощается клеткой и расщепляется с высвобождением энергии, которая позволяет нам жить.

Другие типы катаболических путей включают цикл лимонной кислоты или цикл Кребса, где ацетат макронутриентов, таких как белки, жиры и молекулы углеводов, подвергается окислению. Конечным результатом является химическое соединение углекислый газ. Гликолиз — это еще один тип катаболического пути, при котором организмы и растения накапливают и выделяют глюкозу и другую энергию сахара для создания высокоэнергетической молекулы, известной как аденозинтрифосфат (АТФ). Биологи называют АТФ «энергетической валютой жизни», потому что она накапливает энергию, необходимую нам для ежедневного функционирования и работы. Процесс гликолиза используется для выработки энергии катаболическим путем.

В то время как ферменты катаболических путей расщепляют молекулы и высвобождают энергию, ферменты анаболических путей или биосинтетических реакций нуждаются в энергии для изменения или преобразования молекул в более сложные молекулы или макромолекулы. Например, аминокислоты можно использовать для создания белков, углекислый газ можно использовать для производства сахара, а нуклеиновые кислоты можно использовать для создания новых цепей ДНК, которые можно найти почти в каждой вашей клетке.

Возможно, вы слышали, что термин «анаболический» используется в более негативном значении по отношению к спорту или культуристам. Некоторые спортсмены или бодибилдеры принимают анаболические стероиды, чтобы создать большие и сильные мышцы. Несмотря на то, что использование анаболических стероидов связано с риском для здоровья и недобросовестными конкурентными преимуществами, оно служит примером того, как взять что-то меньшее и сделать это больше и сложнее.

Следующий белок был создан анаболическим путем:

Все живые организмы имеют метаболические пути, которые используются для разрушения или создания молекул. Без них мы не были бы живы. Некоторые из этих путей и процессов очень сложны и выходят за рамки целей и задач данного урока. Просто подумайте о них как о повседневных химических процессах и реакциях, происходящих в нашем организме, которые позволяют нам дышать, есть, двигаться и думать.

Резюме урока

Давайте повторим:

• Метаболизм — это совокупность химических реакций, происходящих в нашем организме.
• Метаболические пути — это химические реакции, происходящие для создания и использования энергии.
• Ферменты в химических реакциях способны расщеплять, накапливать или останавливать химическую реакцию.
• Катаболические пути включают расщепление молекул с высвобождением энергии (например,г., через клеточное дыхание).
• Анаболические пути включают создание молекул для создания более сложных молекул (например, путем создания белков).

Катаболический	Анаболик
*Высвобождение энергии путем расщепления молекул на более простые формы *Включает цикл Кребса и гликолиз	*Биосинтетические реакции *Создание молекул для создания более сложных молекул *Примеры: аминокислоты создаются для производства белков, углекислый газ создается для производства сахара

Результаты обучения

Закончив этот урок, вы сможете:

• Объяснить, что такое метаболический путь и его значение для жизни
• Проведите различие между катаболическим и анаболическим метаболическими путями и приведите примеры каждого

Отделение метаболической и системной биологии

Отделение метаболической и системной биологии (MSB) BMBB состоит из преподавателей, чьи исследовательские программы сосредоточены на структуре, функциях и регуляции макромолекул с упором на интеграцию передачи сигналов, метаболизма и экспрессии генов. .Исследования в этой области широки и охватывают такие разнообразные темы, как внеклеточный матрикс и рецепторы клеточной поверхности, транспортеры и ионные каналы, сигнальные системы и действие ферментов, а также гормональный и метаболический контроль экспрессии генов. Факультет также участвует в различных исследованиях, направленных на понимание молекулярных основ метаболических заболеваний. Преподаватели MSB преподают различные темы в учебной программе BMBB, но в основном занимаются теми курсами, которые подчеркивают молекулярные аспекты клеточного метаболизма и его регуляцию.

Методы, используемые в MSB, охватывают спектр современных исследований, от масс-спектрометрии до анализа генных микрочипов. Протеомика дает массу и, если доступна информация из базы данных, последовательность и/или идентичность пептидов. Часто такой анализ может позволить исследователю идентифицировать белки из сложных смесей без очистки или обогащения. Более того, для тех случаев, когда речь идет о ковалентных модификациях (фосфорилирование, ацилирование, окисление, гамма-карбоксилирование и т. ) протеомика может выявить закономерности модификации в ответ на определенный клеточный стимул или генотип. Анализ генных микрочипов позволяет одновременно оценивать тысячи генов с помощью гибридизации с двумя зондами. Микрочипы человека, мыши и дрожжей в настоящее время используются исследователями для обнаружения изменений в экспрессии генов в ответ на гормональные или метаболические сигналы. Расширение протеомики и технологии микрочипов по инициативе факультета MSB открыло новые возможности для изучения передачи сигналов и экспрессии генов.Две технологии в тандеме представляют собой значительный прогресс в наших технологиях и предоставляют исследователям MSB непревзойденные возможности для биологических исследований.

52

Первичные члены
Дэвид А. Бернлор	Механизм действия инсулина; регуляция экспрессии генов липидами; переносчики липидов и белки, связывающие липиды; ожирение и регуляция метаболизма.
Юэ Чэнь	Функциональная протеомика, белок посттрансляционная модификация
Peter Crawford	Мы разрабатываем и развертываем метаболомические технологии для выявления ролей посредника и липидного метаболизма в интегрированном физиологического гомеостаза с использованием как генетически модифицированных мышей, так и людей.
Джеймс М. Эрвасти	Молекулярная основа мышечной дистрофии; Роль актина в клеточной полярности.
Тимоти Дж. Гриффин	Разработка и применение инструментов масс-спектрометрии для изучения белков и протеомов.
Ким До Хён	Биологические сети, координирующие метаболизм и рост.
Дуглас Машек (директор отдела)	Липидный обмен и болезни обмена веществ.
Шарон Э. Мерфи	Метаболизм канцерогенов и воздействие.
Лори Паркер	Посттрансляционные модификации
Potter	Сигнальная трансдукция, натрийуретические пептиды, рецепторы гуанилатциклазы и цГМФ.
Robert J. Roon	Механизм и регуляция нейротрансмиссии аминокислот в мозге млекопитающих. Механизм транспорта аминокислот в головном мозге млекопитающих.
Jeongsik yong	Функция РНК-связывания белков, некодирующих РНК, после транскрипционные механизмы регулирования генов
вторичные элементы
Кеннет .Адольф	Структура и регуляция генов.
Ян М. Армитидж	Методы многоядерного магнитного резонанса; металлопротеины/металлический гомеостаз; Болезнь Альцгеймера.
Дэвид К. ЛаПорт	Экспрессия генов; каскады фосфорилирования белков.
Кевин Х. Мэйо	Клеточная адгезия; белок-белково-углеводные взаимодействия.
Мишель М. Сандерс	Эукариотическая молекулярная биология; гормональное действие; экспрессия генов.
Дэвид Д. Томас	Молекулярная динамика в мышцах.

Преподавание

Преподаватели MSB участвуют в широком спектре возможностей обучения для студентов. Помимо общей учебной программы, в основе которой лежат основные серии для студентов бакалавриата (BioC 4331 и 4332), выпускников (8001 и 8002) или профессиональных студентов (BioC 6100 и 6101), а также участие в курсах, преподаваемых другими подразделениями BMBB, специализированные темы курсы, которые преподают в основном преподаватели MSB, включают:

BioC 5231; Мембранная биохимия
BIOC 5401: Расширенный метаболизм и его регулизм
BIOC 5444: биохимия мышц
BIOC 8007: биохимия внеклеточной матрицы
BIOC 8216: темы в регуляторной биохимии

Метаболические и системы Услуги

объекты

Центр Масс-спектрометрия и протеомика
Директор: Тимоти Дж. Гриффин
Менеджер: Джули Кирихара

Метаболизм человека: факты и общая информация : Disabled World

Дата обновления/пересмотра: 21 марта 2019 г. преобразование в энергию, в которой нуждается тело человека.

Основной документ

Определение метаболизма

Метаболизм определяется как совокупность поддерживающих жизнь химических превращений в клетках живых организмов.Эти реакции, катализируемые ферментами, позволяют организмам расти и размножаться, поддерживать свои структуры и реагировать на окружающую среду. Слово «метаболизм» может также относиться ко всем химическим реакциям, происходящим в живых организмах, включая пищеварение и транспорт веществ в различные клетки и между ними, и в этом случае совокупность реакций внутри клеток называется промежуточным метаболизмом или промежуточным метаболизмом.

Метаболизм состоит как из « Катаболизм », так и из « Анаболизм »; которые представляют собой накопление и расщепление веществ. В области биологии метаболизм относится ко всем химическим процессам в организме, перевариванию пищи и выведению отходов.

Метаболизм клеток

Каждая живая клетка в организме человека имеет метаболизм, называемый клеточным метаболизмом. Многоклеточные организмы, такие как животные и растения, тоже. У людей общий метаболизм отличается от метаболизма отдельных клеток. Существуют метаболические пути, которые образуют процесс, состоящий из двух частей; первая часть называется «Катаболизм», во время которой организм перерабатывает пищу, чтобы использовать ее для получения энергии.Другая часть называется «анаболизм», когда организм человека использует пищу для восстановления или построения клеток. Процесс обмена веществ прекращается только тогда, когда человек умирает.

Катаболизм

Термин «катаболизм» происходит от греческого слова «ката», что означает «вниз». Катаболизм — это процесс, состоящий из всех реакций, в ходе которых более крупные молекулы расщепляются на более мелкие с выделением энергии. Примером этого процесса является переваривание белка, который затем расщепляется на аминокислоты, которые организм человека может поглощать и использовать в процессе обмена веществ, запасая гликоген в печени для получения энергии.Химически этот процесс известен как «реакция окисления».

Анаболизм

Термин «анаболизм» происходит от греческого слова «ана», что означает «вверх». Анаболизм — это процесс, состоящий из всех реакций, во время которых сборка малых молекул превращается в более крупные, а затем накапливается в виде энергии во вновь образованных химических связях. Примером этого является сборка аминокислот в более крупные белки и последующий синтез жира и гликогена для использования человеком в качестве энергии.Химически этот синтетический процесс известен как «реакция восстановления».

Определение скорости метаболизма

Термин «метаболическая скорость» относится к количеству химической энергии, которую человек высвобождает из своего тела в единицу времени. Химическая энергия измеряется в калориях или в количестве энергии, которое нагревает один грамм воды на один градус Цельсия. Легче измерять калории в килокалориях или «ккал». Один ккал – это 1000 калорий; то, что и этикетки продуктов питания, и диетологи называют калорией с большой буквы «C».’. Скорость метаболизма человека обычно выражается в килокалориях в час или день. Один из способов измерить чью-то скорость метаболизма — использовать «спирометр», который представляет собой устройство, измеряющее скорость потребления кислорода. На каждый выдыхаемый литр кислорода человек использует около 4,82 ккал энергии из гликогена или жира.

Скорость метаболизма человека зависит от определенных переменных, таких как голодание, уровень гормонов, физическая активность, психическое состояние и, в частности, уровень гормона щитовидной железы.Общая скорость метаболизма человека (TMR) включает в себя его базовую скорость метаболизма (обсуждается ниже) в дополнение к расходу энергии на другие виды деятельности. Скорость метаболизма человека повышается из-за физической активности, беспокойства, приема пищи, беременности, лихорадки или других факторов. Существуют факторы, которые также могут снизить общую скорость метаболизма человека, такие как апатия, депрессия или длительное голодание.

У детей TMR выше, чем у взрослых. Будучи людьми среднего возраста, они многократно набирают вес, даже если не меняют свои привычки в еде.Люди, придерживающиеся диеты, могут разочароваться отчасти из-за того, что первоначальная потеря веса происходит за счет воды, которая быстро восстанавливается, а также из-за того, что их TMR со временем снижается. По мере продвижения процесса диеты они сжигают меньше калорий и начинают синтезировать больше жира, даже при стабильном потреблении калорий.

Определение метаболических состояний

Существует два метаболических состояния, определяемых как «абсорбционное» и «постабсорбционное», которые определяются временем, прошедшим с момента приема пищи человеком, и изменениями в обработке энергии его телом. Состояние «Поглощение» длится около четырех часов как во время, так и после того, как человек поел. Во время абсорбционного состояния тело человека поглощает потребленные питательные вещества, использует некоторые из них для удовлетворения своих непосредственных потребностей и преобразует избыток питательных веществ в энергию, которая запасается. Состояние всасывания регулируется в основном с помощью гормона под названием «инсулин», который способствует клеточному поглощению глюкозы или сахара в крови, а также аминокислот, окислению глюкозы, синтезу жира и гликогена.Из-за быстрого поглощения глюкозы клетками уровень сахара в крови человека падает из-за инсулина.

Постабсорбционное состояние обычно возникает поздно утром, в дневные часы и ночью, когда человек не ел в течение четырех или более часов. Во время постабсорбционного состояния желудок и тонкий кишечник человека пусты, и их метаболические потребности должны удовлетворяться за счет накопленной энергии.

Определение основного обмена

Базальный уровень метаболизма человека (BMR) (калькулятор основного обмена веществ) — это минимальная потребность в калориях, необходимая человеку для поддержания жизни во время отдыха. BMR человека может отвечать за сжигание до семидесяти процентов от общего количества затрачиваемых им калорий, хотя эта цифра варьируется в зависимости от различных факторов. Такие процессы, как перекачивание крови, дыхание и поддержание температуры тела, сжигают калории. BMR человека является самым большим фактором, определяющим его общую скорость метаболизма, а также количество калорий, которое ему нужно для поддержания, потери или набора веса. BMR человека определяется комбинацией экологических и генетических факторов.К этим факторам относятся:

• Возраст: BMR человека снижается с возрастом; после двадцати лет их BMR падает примерно на два процента каждое десятилетие.
• Процентное содержание телесного жира: люди с более низким процентным содержанием телесного жира имеют более высокий BMR. (Калькулятор процентного содержания жира в организме)
• Площадь поверхности тела: чем больше площадь поверхности тела человека, тем выше его BMR. Высокие и худые люди имеют более высокий BMR.
• Температура тела: при повышении внутренней температуры тела человека на 0,5°С его BMR увеличивается примерно на семь процентов.Химические реакции в организме человека протекают быстрее при более высоких температурах. У человека с лихорадкой увеличивается BMR.
• Диета: Резкое снижение калорийности или голодание может радикально снизить BMR человека до тридцати процентов. Ограничительная низкокалорийная диета может привести к снижению BMR человека на целых двадцать процентов.
• Упражнения: Упражнения помогают повысить BMR человека за счет создания дополнительной мышечной массы и влияют на массу тела за счет сжигания калорий.
• Внешняя температура: температура вне тела человека также может влиять на его BMR. Низкие температуры могут вызвать увеличение BMR человека, хотя кратковременное воздействие повышенной температуры мало влияет на обмен веществ в организме. Длительное воздействие тепла может повысить BMR человека.
• Пол: Мужчины, как правило, имеют большую мышечную массу и более низкий процент жира в организме, чем женщины, и, следовательно, имеют более высокий BMR.
• Генетика: Некоторые люди рождаются с более медленным или более быстрым метаболизмом.
• Железы: «Тироксин» — это регулятор BMR, вырабатываемый щитовидной железой, который ускоряет метаболическую активность человека. Чем больше тироксина вырабатывает щитовидная железа человека, тем выше будет BMR этого человека. Если щитовидная железа человека вырабатывает слишком много тироксина, состояние, называемое «тритоксикозом», его BMR может удвоиться. Слишком низкая выработка тироксина называется «микседемой» и может привести к снижению BMR человека на 30-40 процентов ниже нормы. Адреналин также может увеличить BMR человека, но в меньшей степени.
• Вес: Чем больше человек весит, тем выше его BMR.

Атомная структура аденозинтрифосфата (АТФ), центрального промежуточного звена энергетического обмена.

Интересные факты о метаболизме

• Вопреки распространенному мнению, медленный обмен веществ редко является причиной лишнего веса.
• Анаболизм — это совокупность конструктивных метаболических процессов, при которых энергия, высвобождаемая при катаболизме, используется для синтеза сложных молекул.
• Метаболизм включает широкий спектр химических реакций, но большинство из них подпадает под несколько основных типов реакций, которые включают перенос функциональных групп атомов и их связей внутри молекул.
• Худые люди почти всегда имеют более медленный метаболизм в состоянии покоя; их буквально меньше, чтобы сгореть в состоянии покоя.
• Катаболизм углеводов — это расщепление углеводов на более мелкие единицы.
• Метаболизм относится ко всем физическим и химическим процессам в организме, которые преобразуют или используют энергию.
• Одним из простых способов ускорить метаболизм является наращивание мышечной массы с помощью поднятия тяжестей.
• Метаболизм может сильно различаться. У женщины ростом 5 футов 2 дюйма и весом 130 фунтов обмен веществ может быть совершенно другим, чем у другой женщины того же роста и веса.
• Большинство структур, из которых состоят животные, растения и микробы, состоят из трех основных классов молекул: аминокислот, углеводов и липидов (часто называемых жирами).
• Мужчины, у которых от природы более высокое соотношение мышц и жира, как правило, сжигают то, что они едят, быстрее, хотя у полных мужчин обмен веществ может быть медленнее, чем у стройных женщин с большей мышечной тканью.
• Ваш метаболизм регулируется маленькой железой в форме бабочки, известной как щитовидная железа.

Подтемы и связанные темы

Disabled World — независимое сообщество инвалидов, основанное в 2004 году для предоставления новостей и информации об инвалидности людям с ограниченными возможностями, пожилым людям, их семьям и/или опекунам. Посетите нашу домашнюю страницу с информативными обзорами, эксклюзивными историями и практическими рекомендациями. Вы можете связаться с нами в социальных сетях, таких как Twitter и Facebook, или узнать больше об Disabled World на нашей странице о нас.

---

Disabled World предоставляет только общую информацию. Представленные материалы никоим образом не предназначены для замены профессиональной медицинской помощи квалифицированным практикующим врачом и не должны толковаться как таковые. Любые сторонние предложения или реклама на disabled-world.com не означают одобрения со стороны Disabled World.

---

Процитируйте эту страницу (APA): Disabled World. (2019, 21 марта). Метаболизм человека: факты и общая информация. Мир инвалидов . Получено 22 января 2022 г. с сайта www.disabled-world.com/fitness/metabolism/

Метаболизм клеток — Предметный тест GRE: Биология

Если вы считаете, что контент, доступный с помощью Веб-сайта (как это определено в наших Условиях обслуживания), нарушает одно или более ваших авторских прав, пожалуйста, сообщите нам, предоставив письменное уведомление («Уведомление о нарушении»), содержащее в информацию, описанную ниже, назначенному агенту, указанному ниже. Если университетские наставники примут меры в ответ на ан Уведомление о нарушении, он предпримет добросовестную попытку связаться со стороной, предоставившей такой контент средства самого последнего адреса электронной почты, если таковой имеется, предоставленного такой стороной Varsity Tutors.

Ваше Уведомление о нарушении может быть направлено стороне, предоставившей контент, или третьим лицам, таким как в виде ChillingEffects.org.

Обратите внимание, что вы будете нести ответственность за ущерб (включая расходы и гонорары адвокатов), если вы существенно искажать информацию о том, что продукт или деятельность нарушают ваши авторские права. Таким образом, если вы не уверены, что содержимое находится на Веб-сайте или на который ссылается Веб-сайт, нарушает ваши авторские права, вам следует сначала обратиться к адвокату.

Чтобы подать уведомление, выполните следующие действия:

Вы должны включить следующее:

Физическая или электронная подпись владельца авторских прав или лица, уполномоченного действовать от его имени; Идентификация авторских прав, которые, как утверждается, были нарушены; Описание характера и точного местонахождения контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права, в \ достаточно подробно, чтобы преподаватели университета могли найти и точно идентифицировать этот контент; например, мы требуем а ссылку на конкретный вопрос (а не только название вопроса), который содержит содержание и описание к какой конкретной части вопроса — изображению, ссылке, тексту и т. д. — относится ваша жалоба; Ваше имя, адрес, номер телефона и адрес электронной почты; и Заявление от вас: (а) что вы добросовестно полагаете, что использование контента, который, как вы утверждаете, нарушает ваши авторские права не разрешены законом или владельцем авторских прав или его агентом; б) что все информация, содержащаяся в вашем Уведомлении о нарушении, является точной, и (c) под страхом наказания за лжесвидетельство вы либо владельцем авторских прав, либо лицом, уполномоченным действовать от их имени.

Отправьте жалобу нашему назначенному агенту по адресу:

Чарльз Кон Varsity Tutors LLC
101 S. Hanley Rd, Suite 300
Сент-Луис, Миссури 63105

Или заполните форму ниже:

 

.