Обмяна на веществата

Нашето тяло функционира като една невероятно ефективна фабрика. То приема сурови материали (храна) и ги преработва, за да произведе енергия. Това се осъществява в една поредица от химични и енергийни промени. Енергията е необходима за функционирането на всички машини. Така например колите използват гориво, електрическите машини – електричество. Същото се отнася и за огромния брой клетки, които изграждат нашето тяло – те също се нуждаят от енергия, за да се поддържат живи. Дори докато спим тялото изразходва енергия за дишане, поддържане на кръвообращението, на телесната температура, за изхвърляне на вредните продукти от обмяната. В будно състояние ние също се нуждаем от енергия за извършване на ежедневните ни дейности като ходене, говорене, работа. Освен за тези процеси, енергията е необходима и за храносмилането и абсорбцията на храните. Всички химични и енергийни промени в човешкия организъм се означават като метаболизъм. Обмяната на веществата може да се дефинира като съвкупност от всички химични реакции, които поддържат основните жизнени процеси в организма.

Основните процеси на обмяна на веществата са две групи. Те са напълно противоположни, но между тях съществува равновесие.

1. Катаболизъм – той включва процесите на разграждане, при които се получава енергията, необходима за основните жизнени функции. Тази енергия се съхранява в клетките под формата на високоенергийни фосфатни връзки в съединенията аденозинтрифосфат и креатинфосфат. Тя по-нататък се използва в процесите на синтез в клетката. Енергията е необходима и за трансмембранен транспорт срещу електрохимичния градиент, за вътреклетъчен транспорт, за секреция чрез екзоцитоза. При пълното разграждане на основните хранителни вещества се получават вода, въглероден диоксид и азотсъдържащи крайни продукти.
2. Анаболизъм – процеси на синтез. Те протичат с разход на енергия. При тях от по-прости елементи се образуват сложни високомолекулни съединения, които са необходими за растежа и подновяването на клетките.

Важна особеност на обмяната на веществата е способността за взаимно превръщане на нискомолекулните съединения, които изграждат основните хранителни вещества. Това са монозахарите, аминокиселините, мастните киселини и глицеролът. Голяма част от тези съединения могат да се синтезират в организма, но има и такива, които задължително трябва да се приемат отвън с храната. Към тях спадат деветте незаменими аминокиселини и полиненаситените мастни киселини. Едновременното постъпване на цялата гама есенциални вещества стои в основата на нормалното протичане на обмяната на веществата. Метаболизмът е зависим от приема на витамини, защото част от тях играят ролята на кофактори на ензимите, участващи в биохимичните процеси. Адекватният прием на макро- и микроелементи също е необходимо условие за нормалното протичане на метаболитните процеси.

В организма непрекъснато се изразходва енергия с различна скорост, а хранителните вещества се приемат периодично. Следователно, за да работи правилно, тялото трябва да притежава ефективни механизми за съхраняване на енергия. Около 75% от тези резерви се намират под формата на триацилглицероли в мастната тъкан. При необходимост те могат да осигурят енергия в продължение на два месеца. Белтъците представляват около 25% от запасите на енергия в организма. Освен като енергиен резерв те изпълняват и структурна и регулаторна функция. Те се използват като източник на енергия само след изчерпване на другите резерви и при продължително гладуване. 1% от общите резерви на организма е представен от гликогена, които се намира в черния дроб и в мускулите.

Финното регулиране на обменните процеси е от ключово значение за благополучието на организма. Регулацията се осъществява от три групи механизми:

1. Субстратно регулиране – при него посоката и скоростта на биохимичната реакция зависи от съотношението на субстрата и крайния продукт.
2. Промяна на ензимната активност – този механизъм на регулация се осъществява чрез биохимичните механизми на алостерично инхибиране или активиране.
3. Регулация на метаболизма от хормони, паракринни регулатори и вегетативни нерви – те във всеки един момент модулират обменните процеси в посока на поддържане на постоянството на вътрешната среда на организма.

Наблюдават се нормални вариации в обмяната на веществата, които са свързани с адаптивни промени по време на гладуване, физическа активност, бременност и кърмене. Патологични промени настъпват при неадекватен прием на хранителни вещества, който не съответства на нуждите на организма, при ензимни дефекти или дефицити, при нарушения в секрецията на хормоните, които участват в обмяната на веществата.

Обмяна на въглехидратите

Въглехидратите са най-важният енергиен източник на организма. Основните групи въглехидрати, които се приемат с храната са полизахариди, дизахариди, монозахариди. При тяхното разграждане се получават монозахаридите – глюкоза, фруктоза и галактоза. Органите, които имат отношение към обмяната им, са черния дроб, мускулната и мастната тъкан. При прием на въглехидрати и стимулирана инсулинова секреция глюкозата се насочва или към разграждане и производство на енергия, или към синтез на резерви от гликоген в черния дроб и мастната тъкан и триацилглицероли в мускулите. Използването на глюкозата е по-ефективно при аеробни условия в цикъла на Кребс (цикъл на трикарбоновите киселини) в сравнение с използването и при анаеробни условия чрез гликолиза.

Концентрацията на кръвната захар е изключително прецизно регулиран показател в организма. Нейните нормални стойности се движат в диапазона от 3,9-6,1 mmol/L. Механизмите, благодарение на които тя се поддържа в оптимални граници, включват чернодробният глюкостатичен механизъм и поддържане на равновесието между инсулина, който е единствения хормон понижаващ кръвната захар, и контраинсуларните хормони – глюкагон, адреналин, глюкокортикоиди, растежен хормон и щитовидни хормони. Чернодробният глюкостатичен механизъм се обуславя от наличието на ензима глюкозо-6-фосфатаза в черния дроб. Благодарение на него този орган може да осигури постъпването на необходимото количество глюкоза в кръвта.

Обмяна на белтъците

Белтъците са важни структурни елементи за организма, които притежават и регулаторни функции. Те са изградени от аминокиселини свързани чрез пептидни връзки. В някои белтъци са свързани допълнително въглехидрати или липидни остатъци. Аминокиселините, изграждащи белтъците, са 20 на брой. Част от тях могат да се синтезират в организма, а други е задължително да се приемат с храната. По тази причина те се означават като незамени аминикокиселини. Незаменимите аминокиселини са девет на брой – валин, левцин, изолевцин, треонин, метионин, фенилаланин, аргинин, лизин, хистидин. Белтъците за важен структурен компонент за организма, като всички клетъчни органели притежават белтъчни компоненти. Ежедневно малка част от клетъчните белтъци се подлага на разграждане. В зависимост от възрастта необходимият дневен прием на белтъци е различен. По време на метаболизма белтъците се разграждат на аминокиселини, които могат да бъдат насочени към синтез на глюкоза или кетонови тела.

Обмяна на липидите

Липидите също са основен източник на енергия за организма. Те имат защитна, структурна и термоизолаторна функция. Обмяната им е тясно свързана с транспорта им в плазмата под формата на липопротеинови комплекси. Хиломикроните и хиломикронните остатъци са основните форми на транспорт на екзогенните липиди. Останалите групи липопротеини обменят холестерол, между черния дроб и органите, като липопротеините с ниска плътност (LDL) са основната форма на транспорт на холестерол към тъканите, докато липопротеините с висока плътност (HDL) пренасят холестерола обратно към черния дроб.

Концентрацията на свободните мастни киселини в кръвта зависи от активността на два ензима – липопротеинлипаза и хормон чувствителната липаза. Липопротеинлипазата се намира в съдовия ендотел. Тя се стимулира от инсулина, което води до постъпване на мастни киселини в клетките и до метаболизирането им. Хормон чуствителната липаза се намира в мастните клетки. Тя се стимулира от адреналин, при което се повишава концентрацията на свободните мастни киселини в кръвта. Холестеролът, който се намира в кръвта, има ендогенен и екзогенен произход. Ключов ензим за синтезата на холестерол в организма е хидроксиметилглутарил-КоА-редуктазата. Неговата активност се потиска от концентрацията на холестерола в плазмата. Това означава, че между ендогенното производство и приемът на холестерол съществува обратна връзка. Концентрацията на холестерола в плазмата зависи от постъпването му в клетки или с други думи от експресията на мембранни рецептори за липопротеини с ниска плътност.

Регулация на обмяната на веществата в организма

Как ще се регулира обмяната на веществата в организма, зависи от функционалното състояние на организма. Централна роля в регулацията на метаболизма заемат хормоните произвеждани от ендокринната част на панкреаса, а именно инсулин и глюкагон. След нахранване доминират ефектите на инсулина – стимулират се анаболните процеси. В гладно състояние енергоразходът се осъществява за сметка на собствените резерви, като доминиращ хормон е глюкагонът.