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

Обмен веществ и энергии — основное понятие

Обмен веществ в живом организме состоит из трех этапов: 

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

В обмене веществ участвуют:

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

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

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

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

Энергетический баланс бывает:

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

Разновидности

Метаболизм бывает двух видов:

1. Пластический обмен характеризуется образованием сложных органических веществ из более простых. Этот процесс энергозатратен для организма, происходит расход энергии.
2. Энергетический обмен характеризуется распадом сложных органических веществ до более простых. В ходе этого процесса происходит выделение энергии.

В детстве, при активном росте у людей преобладает процесс анаболизма.

Во взрослом возрасте два этих процесса уравновешены. В старости в организме преобладает катаболизм.

Пластический и энергетический обмен тесно связаны между собой. Так, пластический обмен обеспечивает клетки организма белками-ферментами, необходимыми для энергетического обмена.

Как происходит процесс в организме

Энергетический обмен

У аэробных организмов энергетический обмен происходит в три этапа:

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

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

Пластический обмен

Пластический метаболизм состоит из:

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

Выделяют следующие виды биосинтеза:

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

Функции обмена веществ

Метаболизм в живых организмах выполняет ряд жизненно важных функций:

1. Получение необходимой энергии для нужд организма.
2. Получение материала для роста и восстановления клеток и тканей.
3. Формирование запаса питательных веществ.
4. Выделение конечных продуктов метаболизма.

Скорость и факторы, влияющие на метаболизм

Обмен веществ в живых организмах происходит постоянно и непрерывно, независимо от того находится тело в движении или состоянии покоя, однако в последнем случае его интенсивность снижается. 

Скорость метаболизма можно оценить по общему расходу энергии: если организм находится под большой физической нагрузкой, соответственно, большим будет и расход энергии. 

Факторами, влияющими на скорость обмена веществ могут быть:

1. Возраст. До пятилетнего возраста у людей происходит интенсивный метаболизм, который после 5 начинает постепенно снижаться и существенно замедляется к старости.
2. Пол. У мужчин обмен веществ немного лучше, чем у женщин.
3. Физическая нагрузка. Усиливает метаболизм.
4. Температура тела. При повышенной температуре тела, обмен веществ увеличивается.
5. Температура окружающей среды. На разные виды действует по-разному. У людей метаболизм при низких температурах увеличивается, так как организму необходимо выделить дополнительную энергию на согревание. У некоторых видов млекопитающих, насекомых и пресмыкающихся происходит обратный процесс — замедление обмена веществ, вследствие которого они впадают в спячку.

Биологические значение метаболизма

Обмен веществ имеет огромное значение для биологии: 

1. Метаболизм — это необходимое условие для роста, развития и размножения всего живого на планете.
2. Он обеспечивает связь живых организмов с окружающей средой. 
3. Обмен веществ поддерживает внутреннюю среду живых организмов в постоянном состоянии. 
4. Он помогает организму самообновляться при неблагоприятных воздействиях внешней среды, а также выполняет функцию саморегулирования при изменениях в окружающей среде.
5. Обмен веществ в растениях создал на Земле условия для появления и жизни других видов. 
6. Он способствует передаче энергии от одного организма к другому, обеспечивая, таким образом, круговорот энергии вещества в природе. 
7. Метаболизм необходим для поддержания экологического равновесия в природе.