Przemiana materii i przemiany energii w organizmie
Przetwarzanie substancji chemicznych w organizmie żywym nosi nazwę przemiany materii lub metabolizmu. Wśród procesów metabolicznych wyróżnia się: procesy anaboliczne, w których z substancji drobnocząsteczkowych (monomerów) wytwarzane są wielocząsteczkowe składniki ciała, oraz procesy kataboliczne, wyniku, których cząsteczki złożonych związków chemicznych ulegają rozpadowi.
Procesom metabolicznym towarzyszą przemiany energii. W organizmach cudzożywnych (heterotroficznych), do których należy organizm człowieka, energia niezbędna do wszelkich form pracy biologicznej, takich jak synteza składników ciała, transport substancji chemicznych przez błony komórkowe, skurcze mięśni itp., uzyskiwana jest w procesach utleniania wysokoenergetycznych związków organicznych, procesy te dostarczają także ciepła, co umożliwia utrzymywanie temperatury ciała na poziomie wyższym niż temperatura otoczenia.
Procesy utleniania, nazywane taż spalaniem, polegają na transporcie elektronów z jednej cząsteczki na inną. O substancji oddającej elektrony mówi się, że podlega utlenianiu, a o substancji przyjmującej je, - że podlega redukcji. W organizmach żywych utleniane są węglowodany, tłuszcze i białka. Proces ten przebiega wraz z rozkładem tych substancji, a elektrony odłączone od produktów rozkładu są transportowane przez łańcuch substancji przenośnikowych na tlen. Ostatecznym akceptorem elektronów mogą być również cząsteczki związków organicznych. Dzieje się tak podczas glikolizy, która jest kilkustopniowym procesem stanowiącym jeden z etapów rozkładu węglowodanów.
Transport elektronów jest połączony z uwalnianiem energii. Podczas spalania zachodzącego poza organizmem cała energia uwalniana zmienia się w ciepło, natomiast w organizmach żywych utlenianie jest sprzężone z procesami wymagającymi dostarczenia energii i znaczna część uwolnionej energii (sięgającej do 60%) zostaje w nich wykorzystana, czyli ulega przekształceniu w różne fermy energii użytecznej.
Podczas spalań biologicznych akceptorem elektronów oprócz tlenu mogą być również związki organiczne. Energia uzyskiwana w procesach beztlenowych pokrywa tylko niewielką część zapotrzebowania energetycznego organizmu, tak więc warunkiem zachowania życia jest stałe dostarczanie komórkom tlenu. Szczególnie wrażliwe na niedotlenienie są komórki nerwowe, charakteryzujące się stałym, większym niż inne tkanki nasileniem metabolizmu. Największe wahania zapotrzebowania energetycznego, w zależności od stanu czynnościowego, występują w komórkach mięśniowych. W mięśniach podczas wysiłku powstają znaczne ilości energii na drodze procesów beztlenowych.
Warunkiem zachowania życia, oprócz stałego dopływu do organizmu tlenu, jest uzupełnianie zasobów wody oraz związków organicznych i nieorganicznych, a także usuwanie zbędnych produktów przemiany materii.
W procesach utleniania część uwalnianej energii zamienia się w ciepło. Powstaje ono również jako wynik przemiany innych form energii, np. energii kinetycznej. Ponieważ prawidłowe funkcjonowanie komórek może odbywać się tylko w określonym przedziale temperatury ciała, niezbędne jest usuwanie z organizmu nadmiaru ciepła lub zwiększanie jego wytwarzania wtedy, gdy organizm znajduje się w otoczeniu o niskiej temperaturze. Mechanizmy warunkujące zachowanie równowagi cieplnej organizmu noszą nazwę termoregulacji.
Mechanizmy kontrolujące przebieg przemiany materii
Tempo przebiegu reakcji chemicznych w organizmie, podobnie jak i poza organizmem, zależy od temperatury, ilości substratów i produktów reakcji oraz od obecności katalizatorów, czyli substancji przyspieszających reakcje. W procesach biologicznych funkcję katalizatorów spełniają enzymy. Są to specjalne białkowe wytwarzane w komórkach. Niektóre z nich wymagają do swego działania obecności związków drobnocząsteczkowych zwanych koenzymami. Funkcję koenzymów pełnią między innymi witaminy. Ponieważ niemal wszystkie reakcje zachodzące w organizmie są katalizowane przez enzymy, zdolność wytwarzania określonych enzymów przez komórki określa rodzaj zachodzących w nich procesów.
Wzrost temperatury powoduje przyspieszenie reakcji chemicznych, a obniżenie temperatury - zwolnienie. Temperatura ciała człowieka podlega niewielkim wahaniom. Znacznie ważniejszy wpływ na przebieg procesów metabolicznych mają mechanizmy kontrolujące proporcje stężeń substratów i produktów w środowisku, w którym zachodzi reakcja, a zwłaszcza mechanizmy kontrolujące ilość wytwarzanych enzymów i ich aktywność. Szybkie zmiany tempa procesów metabolicznych zachodzą poprzez zmiany aktywności enzymów, a wolniejsze przez zmiany ich ilości. Ilość i aktywność enzymów może być modyfikowana przez wiele czynników. Szczególne znaczenie mają wśród nich hormony. Czynnikami tymi mogą być również substraty i produkty reakcji katalizowanej przez dany enzym lub zupełnie inne substancje, np. jony metali. Obecność jonów niektórych metali, np. wapnia, magnezu, sodu, potasu i innych wpływa przede wszystkim na aktywność enzymów. Za pośrednictwem zmian składu jonowego środowiska przebieg procesów przemiany materii może być kontrolowany przez impulsy nerwowe.
W żywym organizmie reakcje wymagające energii mogą przebiegać wówczas, kiedy są sprzężone z procesami, w których energia jest uwalniana. Tempo obu rodzajów procesów musi, więc być wzajemnie dostosowane.
Sprzężenie procesów wymagających energii z procesami jej dostarczającymi zachodzi za pośrednictwem wysokoenergetycznych fosforanów, wśród których najważniejszy jest kwas adenozynotrójfosforowy - ATP. Energia uwalniana podczas utleniania substratów energetycznych jest zużywana do syntezy ATP, a rozkład tego związku dostarcza energii wszelkim innym procesom. Synteza ATP polega na przyłączeniu fosforanu do kwasu adenozynodwufosforowego - ADP, produktami zaś rozkładu ATP jest ADP i fosforan nieorganiczny.
Podstawowe związki organiczne w organizmie i główne szlaki ich przemian
Białka, proteiny. Są to organiczne związki wielocząsteczkowe zbudowane z aminokwasów, zawierających w swej cząsteczce grupę kwasową (COOH) i aminową (NH2). Budowa białek jest bardzo zróżnicowana. O ich właściwościach decyduje zarówno skład aminokwasów jak i wzajemne ułożenie tych łańcuchów w cząsteczce. W organizmie człowieka o masie 70 kg występuje około 10 kg białek. Białka spełniają w nim wielorakie funkcje: są elementami struktury komórek, enzymami, hormonami, receptorami, przeciwciałami wytwarzanymi w procesach odpornościowych itp. Dostarczają też składników do wytwarzania innych substancji, np. glukozy.
Białka są syntetyzowane z aminokwasów w komórkach na podstawie informacji genetycznej zakodowanej w strukturze kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA). Źródłem aminokwasów są białka zwierzęce i roślinne zawarte w pokarmie. W organizmie jedne aminokwasy mogą przekształcać się w inne. Pewnych aminokwasów organizm nie może jednak wytworzyć w dostatecznej ilości. Występują one tylko w białku zwierzęcym i w związku z tym niezbędne jest spożywanie tego białka w formie mięsa i nabiału.
Białka w organizmie są stale wymieniane. Ulegają one rozkładowi, polegającemu na odłączaniu od cząsteczki poszczególnych aminokwasów. Aminokwasy te mogą być ponownie użyte do syntezy białka, ale część z nich podlega dalszej degradacji, której ostatecznym produktem jest dwutlenek węgla i woda. W procesie tym uwalnia się energia.
Azot grup aminowych po przemianie w amoniak lub mocznik jest wydalany a moczem. Porównanie ilości azotu wydalonego z moczem i podanego w białkach pokarmowych nosi nazwę bilansu azotowego. Bilans ten jest ujemny w stanach niedożywienia lub wtedy, gdy rozkład białek przebiega bardzo intensywnie, np. pod wpływem toksyn bakteryjnych, przy zwiększonym wydzielaniu hormonów nasilających rozkład białek np. kortykosteroidów), w chorobach nowotworowych. Dodatni bilans azotowy towarzyszy nasilonej syntezie białek, np. w okresie intensywnego wzrastania, w ciąży, podczas rekonwalescencji po przebyciu różnych chorób. Dobowe zapotrzebowanie na białka dostarczane w pokarmie wynosi ok. 1g/kg masy ciała.
Węglowodany, cukry. Są to organiczne związki chemiczne o ogólnej strukturze (CH2O)*n. Występują w organizmie w postaci cukrów prostych, np. glukoza i złożonych, zbudowanych z wielu cząsteczek cukrów prostych, np. glikogen.
Cukry pełnią w organizmie przede wszystkim rolę substratów energetycznych. Ponadto wchodzą w skład nukleotydów, glikoproteidów oraz innych związków złożonych. Organizm używa również węglowodanów do syntezy innych związków, np. tłuszczów.
Źródłem węglowodanów dla organizmu człowieka jest pokarm roślinny, np. skrobia, sacharoza. Ponadto węglowodany są wytwarzane w organizmie innych substancji niecukrowych, np. aminokwasów. Wytwarzanie glukozy z substancji niewęglowodanowych nosi nazwę glikoneogenezy. Proces ten zachodzi w wątrobie i nerkach.
Glukoza w postaci wolnej występuje w płynie pozakomórkowym i w komórkach wątrobowych. W innych tkankach po przeniknięciu przez błonę komórkową podlega przemianie. Pierwszy etapem przemiany glukozy w komórkach jest fosforyzacja, czyli przyłączenie grupy fosforanowej. Fosforyzowane pochodne glukozy są używane do syntezy glikogenu, który stanowi materiał zapasowy, lub podlegają utlenianiu, czyli rozkładowi w procesie glikolizy do produktu końcowego, jakim jest kwas pirogronowy. Kwas pirogronowy może podlegać dalszemu utlenianiu w mitochondriach lub być przekształcony w kwas mlekowy.
W procesie glikolizy utlenianie przebiega bez udziału tlenu. Utlenianie kwasu pirogronowego w mitochondriach wymaga obecności tlenu, a produktami ostatecznymi jest dwutlenek węgla i woda. Procesy utleniania w mitochondriach stanowią wspólną końcową drogę degradacji produktów rozkładu węglowodanów, tłuszczów i białek. Kwas mlekowy przenika z komórek do krwi i może być w innych tkankach utleniony lub podlega w wątrobie przemianie w glukozę.
Glukoza będąca substratem energetycznym jest zużywana przez wszystkie tkanki organizmu. W komórkach nerwowych utlenianie tego związku pokrywa 90% zapotrzebowania energetycznego. W ciągu doby w warunkach spoczynku organizm zużywa ok. 150 g glukozy. W czasie pracy mięśniowej zużycie to wzrasta. Z pokarmem organizm otrzymuje zwykle dziennie od 100 do 250 g glukozy. Po posiłkach nadmiar glukozy jest magazynowany w postaci glikogenu w wątrobie i w mięśniach szkieletowych, część zaś podlega przemianie w tłuszcze.
W okresie między posiłkami niezbędne ilości glukozy są uwalniane z glikogenu w wątrobie. Dzięki temu stężenie glukozy we krwi utrzymywane jest na stałym poziomie, wynoszącym ok. 0,8-1,0 g/l. Utrzymywanie stałego stężenia glukozy we krwi jest niezbędne do funkcjonowania komórek nerwowych, które wymagają stałego dostarczania glukozy. Zasoby glikogenu w wątrobie nie przekraczają na ogół 100 g. w mięśniach zapasy glikogenu mogą wynosić ok. 600g. z mięśni glukoza nie jest uwalniana do krwi, ponieważ glikogen mięśniowy jest zużywany na potrzeby własne komórek mięśniowych.
Tłuszcze, lipidy. Jest to zróżnicowana grupa związków nierozpuszczalnych w wodzie, obejmująca:
· tłuszcze obojętne - acyloglicerole - będące estrami długołańcuchowych kwasów organicznych (kwasów tłuszczowych) i glicerolu;
· fosfolipidy zawierające kwas fosforowy oraz inne alkohole (oprócz glicerolu);
· sterole - pochodne pierścieniowych węglowodorów, w skład, których wchodzi cholesterol i jego pochodne.
Lipidy i ich pochodne spełniają w organizmie rolę substratów energetycznych, są składnikami strukturalnymi oraz hormonami (hormony steroidowe, prostaglandyny).
Największą grupą lipidów są tłuszcze obojętne zgromadzone w komórkach tłuszczowych. Stanowią one ok. 10-15% masy ciała. Jest to największy magazyn substratów energetycznych w organizmie. Z tłuszczów tkanki tłuszczowej uwalniane są wolne kwasy tłuszczowe, utleniane w większości tkanek. W osoczu lipidy transportowane są w postaci połączeń z białkami, czyli tzw., lipoprotein. Lipoproteiny zawierają w różnej proporcji białka, tłuszcze obojętne, cholesterol i Fosfolipidy.
Źródłem lipidów występujących w organizmie są składniki tłuszczów roślinnych i zwierzęcych zawartych w pokarmie. Lipidy są również syntetyzowane w organizmie ze składników innych związków organicznych.
Bilans energetyczny organizmu i jego ocena
Ilość energii uzyskiwana w procesach utleniania substancji organicznych w organizmie jest w przybliżeniu taka sama, jak ilość ciepła powstająca przy spalaniu ich poza organizmem. Ze spalania 1 g węglowodanów lub białek powstaje ok. 17 kJ energii (ok. 4 kcal), a ze spalania tłuszczu - ok. 39 kJ (ok. 9,3 kcal).
Bilans energetyczny oznacza różnicę ilościową pomiędzy ilością energii dostarczanej do organizmu w pokarmie w postaci węglowodanów, tłuszczów i białek, a ilością energii wydatkowanej przez organizm w postaci pracy i ciepła, w tym samym okresie.
Bilans energetyczny jest wyrównany wtedy, kiedy obie strony bilansu w przybliżeniu są sobie równe, ujemny, - gdy wydatek energii przekracza jej podaż, a dodatni w sytuacji odwrotnej. O stanie wyrównania bilansu energetycznego świadczy utrzymywanie stałej masy ciała w ciągu dłuższego czasu. Wyrównywanie bilansu energetycznego rzadko dokonuje się w ciągu jednej doby. W ciągu jednak tygodnia zwykle łączna ilość energii dostarczonej w pokarmie odpowiada ilości energii wydatkowanej przez organizm. Mechanizm fizjologiczny kontrolujący bilans energetyczny organizmu nie jest w pełni poznany.
Przy dodatnim bilansie energetycznym nadmiar substratów energetycznych odkładany jest w organizmie w postaci tłuszczów w tkance tłuszczowej. Prowadzi to do zwiększenia masy ciała. U człowieka o przeciętnym dobowym wydatku energii stałe przesunięcie bilansu energetycznego w stronę dodatnią zaledwie o 3% prowadzi w ciągu roku do zwiększenia masy ciała o 3-4 kg.
Przy ujemnym bilansie energetycznym zużywane są substraty energetyczne zmagazynowane w tkankach organizmu - masa ciała zmniejsza się. Znaczne przesunięcie bilansu energetycznego w stronę ujemną powoduje nie tylko utratę tłuszczu, ale również innych składników ciała.
Podstawowa przemiana materii
Przemiana materii podstawowa, PPM, to najmniejsza wielkość przemiany materii, jaka zachodzi w organizmie człowieka będącego na czczo przez 12 godzin w całkowitym spokoju psychicznymi i fizycznym, po półgodzinnym odpoczynku w pozycji leżącej, w normalnych warunkach klimatycznych. Podstawowa przemiana materii to ilość energii niezbędna do utrzymania takich procesów życiowych jak: utrzymanie temperatury ciała, aktywności mózgu, wątroby, serca, nerek, mięśni, pracy jelit, krążenia krwi i limfy itp. Wielkość przemiany podstawowej zależy od wieku, płci, wzrostu, wagi i klimatu oraz zmienia swoją wartość w ciągu doby. Podczas snu wielkość jej jest najniższa.
Do pomiarów wielkości podstawowej przemiany materii stosuje się dwie metody. W metodzie kalorymetrii bezpośredniej w specjalnej komorze mierzona jest ilość oddawanego przez organizm ciepła. W praktyce stosuje się łatwiejszą metodę kalorymetrii pośredniej. Wielkość wydatku energetycznego oblicza się na podstawie pomiarów wytworzonego przez organizm tlenku węgla(IV). W przybliżeniu wielkość PPM można obliczyć teoretycznie gdyż organizm człowieka zdrowego, w średnim wieku, zużywa na ten cel około 1 kilokalorii w ciągu godziny na kilogram masy ciała (np. 70 kilogramów x 1 kilokaloria x 24 godziny =1680 kilokalorii).
Ponadpodstawowa przemiana materii
Przemiana materii ponadpodstawowa, to wydatki energetyczne organizmu ludzkiego związane z wykonywaniem niezbędnych, codziennych czynności, rodzajem wykonywanej pracy i indywidualnymi energetycznymi kosztami trawienia pokarmów.
Wydatki energetyczne związane z wykonywaniem codziennych niezawodowych czynności są uzależnione od charakteru tych czynności, czasu ich trwania i intensywności. Przyjmuje się wydatek 220 kilokalorii dla kobiet i 360 kilokalorii dla mężczyzn.
Wydatki energetyczne związane z pracą są najniższe przy pracy umysłowej i znacznie rosną w raz z intensywnością pracy fizycznej. Przy wysiłkach wytrzymałościowo-siłowych (np. w sporcie) wydatek energetyczny może przekroczyć wartość 10 kilokalorii na 1 kilogram masy ciała w ciągu godziny.
Energetyczne koszty trawienia pokarmów określa się mianem swoistego dynamicznego działania pokarmu. Węglowodany podnoszą wielkość podstawowej przemiany materii o 6 %, tłuszcze o 14 % a białka o 40 %. Średnio dolicza się na ten cel 10 % wielkości podstawowej przemiany materii.
Przemiana materii całkowita
Przemiana materii całkowita, to suma wielkości podstawowej przemiany materii i ponadpodstawowej przemiany materii. Jej wielkość określa całkowite, dobowe zapotrzebowanie energetyczne organizmu, które dla osób dorosłych mieści się w granicach 2500 do 3500 kilokalorii. Mężczyźni ciężko pracujący fizycznie lub wykonujący ciężki trening sportowy mogą osiągać zapotrzebowanie energetyczne przekraczające 6000 kilokalorii. Wielkość ta stanowi górną granicę możliwości przemian energetycznych człowieka.
Energetyka pracy mięśniowej
Czynność mięśni szkieletowych powoduje znaczne zwiększenie tempa przemiany materii. Pobieranie tlenu przez organizm w czasie wykonywania pracy mięśniowej może ponad 10-krotnie przekraczać poziom spoczynkowy.
Około 20% ogólnej ilości energii uwalnianej w procesach utleniania podczas wysiłku fizycznego jest przetwarzane na pracę zewnętrzną mięśni. Reszta wydatkowana jest częściowo prace wewnętrzną (utrzymanie pozycji ciała), częściowo ulega rozproszeniu w postaci ciepła. Stosunek pracy zewnętrznej do wydatku energetycznego organizmu w czasie wysiłku nosi nazwę współczynnika pracy użytecznej. Wartość jego jest różna przy różnych wysiłkach. Podczas wysiłków wykonywanych przy użyciu małych grup mięśni wynosi zaledwie kilka procent, podczas jazdy na rowerze z umiarkowaną prędkością wzrasta do 20 - 25%, a podczas biegu i chodu sięga do kilkudziesięciu procent.
Po zakończonej pracy mięśniowej tempo przemiany materii szybko się zmniejsza. Po ciężkich wysiłkach niewielkie zwiększenie tempa przemiany materii może jednak utrzymywać się przez kilka godzin.
Dobowy wydatek energii
Dobowy wydatek energetyczny u ludzi o przeciętnej aktywności ruchowej wynosi 8500 - 12500 kJ/dobę (2000 - 3000 kcal/dobę). U ludzi bardzo ciężko pracujących fizycznie dobowy wydatek energetyczny wynosi ok. 25000 kJ/dobę (6000 kcal/dobę), a najwyższe wartości sięgają 30000 kJ/dobę (8000 kcal/dobę), obliczanie dobowego wydatku energii ma istotne znaczenie dla ustalania zapotrzebowania energetycznego różnych grup ludzi.
Niedobór energetyczny
Niedobór energetyczny powoduje utratę masy ciała. Podczas głodu całkowitego, w pierwszych 10-14 dniach tempo utraty masy ciała sięga ok.700 g/dobę. Później ulega ono zmniejszeniu do 0k.250-300 g/dobę. Zahamowanie ubytku masy ciała jest spowodowane zmniejszeniem się dobowego wydatku energii w wyniku ograniczenia aktywności ruchowej i zmniejszenia tempa podstawowej przemiany materii.
Organizm o przeciętnym stanie odżywienia dysponuje zapasami substratów energetycznych pozwalającymi n pokrycie zapotrzebowania. W warunkach głodu całkowitego śmierć następuje zanim dojdzie do całkowitego wyczerpania tych zapasów. Najdłuższe okresy przeżycia głodu całkowitego sięgają ok. 70 dni. Śmierć spowodowana jest upośledzeniem czynności narządów wewnętrznych i na skutek utraty składników białkowych. Upośledzeniu ulega też układ immunologiczny, co prowadzi do drastycznego obniżenia odporności na infekcje.
Nadmiar energetyczny
Spożywanie pokarmu w nadmiernej ilości w stosunku do zapotrzebowania prowadzi do zwiększonego odkładania się tłuszczu w tkance tłuszczowej. Przyrost masy ciała z tym związany jest najintensywniejszy w pierwszych dwóch tygodniach przekarmiania. Później tempo wzrostu masy ciała maleje na skutek wzrostu tempa przemiany materii.
2
2