Многообразие типов обмена веществ и их эволюция. Химия - Метаболизм - Эволюция 01 марта 2011

Многообразие типов обмена веществ и их эволюция. Химия - Метаболизм - Эволюция 01 марта 2011

Оглавление:1.2.3.4.5.6.7.8.9. Эволюция10.11.

Подробное рассмотрение темы: Филогенетика

Филогенетическое дерево показывает общее происхождение организмов из всех трёх доменов. Бактерии окрашены голубым, эукариоты — красным, и археи — зелёным. Взаимосвязанные позиции некоторых типов показаны вокруг дерева.

Главные пути метаболизма, описанные выше, например, гликолиза и цикла Кребса, присутствуют у всех трёх доменах живых существ и обнаруживаются у последнего универсального общего предка. Этот универсальный предок был прокариотом и, вероятно, метаногеном с аминокислотным, нуклеотидным, углеводным и липидным метаболизмом. Сохранение этих древних метаболических путей в эволюции может быть результатом того, что эти реакции оптимальны для решения конкретных проблем с метаболизмом. Так, конечные продукты гликолиза и цикла Кребса образуются с высокой эффективностью и с минимальным количеством стадий. Первые метаболические пути на основе ферментов могли быть частями пуринового метаболизма нуклеотидов с предыдущим метаболических путей были частью древнего мира РНК.

Многие модели были предложены для описания механизмов, посредством которых новые метаболические пути эволюционировали. К ним относятся последовательное добавление новых ферментов на короткий предковый путь, дупликация, а затем дивергенция всех путей, а также набор уже существующих ферментов и их сборка в новый путь реакций. Относительную важность этих механизмов неясна, однако геномные исследования показали, что ферменты в метаболическом пути, скорее всего, имеют общее происхождение, предполагая, что многие пути эволюционировали шаг за шагом с новыми функциями, созданными из уже существующих этапов пути. Альтернативная модель основана на исследованиях, в которых прослеживается эволюция структуры белков в метаболических связях; предполагают, что ферменты собирались для выполнения схожих функций в различных метаболических путях Эти процессы сборки привели к эволюционированию ферментативной мозаики. Некоторые части обмена веществ возможно существовали в качестве «модулей», которые могли быть повторно использованы в различных путях для выполнения схожих функций.

Функциональное разнообразие организмов по типу обмена веществ. Роль обмена веществ

Стр 1 из 39 Следующая ⇒

Многообразие типов обмена веществ и их эволюция. Автотрофные, гетеротрофные организмы. Фотосинтез и хемосинтез.

Обмен веществ в организме человека

Обмен веществ - это набор химических соединений, обеспечивающий жизнедеятельность и рост клетки. Обмен веществ – это то, что является основой живого организма, это обмен между химическим составом человека и окружающей среды.

В обменных процессах нашего организма участвуют все химические и природные элементы – белки, жиры и углеводы. Выполняя каждый свою роль - белки, создавая строительный материал, а жиры с углеводами, регулируя баланс энергетических затрат – четко и слаженно взаимодействуют друг с другом. К ним в помощь приходят минеральные вещества и витамины, которые улучшают клеточную среду.

Обмен веществ состоит из двух сторон:

1. ассимиляция – синтез, создание и усвоение организмом новых веществ

2. диссимиляция – разложение, распад питательных веществ.

Эти процессы идут параллельно и всю жизнь.

Процессы обмена веществ идут в организме быстро и интенсивно, хотя в организме нет высокого давления и температуры. Эта быстрота обеспечивается участием ферментов и других веществ

Роль обмена веществ

Обмен веществ заслуживает того, чтобы уделить ему самое пристальное внимание. Ведь от его налаженной работы зависит снабжение наших клеток полезными веществами. Основу обмена веществ составляют химические реакции, происходящие в организме человека. Вещества, необходимые для жизнедеятельности организма мы получаем с пищей.
Дополнительно нам нужен еще кислород, который мы вдыхаем вместе с воздухом. В идеале должно наблюдаться равновесие между процессами строительства и распада. Однако это равновесие часто может быть нарушено и причин этому есть масса.

Какие два типа обмена веществ. Типы обмена веществ

Существует два основных вида входящих в понятие, что такое метаболизм – углеводный и белковый. Последний включает переработку этого компонента животного и растительного происхождения. Чтобы организм человека функционировал полноценно, ему необходимы обе группы этих веществ. В теле не происходит отложений белковых соединений в виде жира. Весь полученный человеком протеин претерпевает процесс распада, затем синтезируется новый белок с соотношение 1:1. У детей процесс катаболизма преобладает над анаболизмом из-за быстрого роста тела. Выделяют два типа белка:

• полноценный – включает 20 аминокислот, содержится только в продуктах животного происхождения;
• неполноценный – любой белок, где нет хотя бы 1 из обязательных аминокислот.

Углеводный обмен отвечает за генерирование основного объема энергии. Выделяют сложные и простые углеводы. К первому типу относят овощи, хлеб, фрукты, злаковые и каши. Этот вид еще называют «полезным», потому что расщепление происходит на протяжении длительного времени и обеспечивают телу долгий заряд. Простые или быстрые углеводы – изделия из белой муки, сахар, выпечка газированные напитки, сладости. Человеческое тело может вовсе обходится без них, они очень быстро перерабатываются. Эти два типа имеют следующие особенности:

• сложные углеводы образуют глюкозу, уровень которой всегда примерно одинаковый;
• быстрые заставляют этот показатель колебаться, что влияет на настроение, самочувствие человека.

Типы обмена веществ. ТРИ ТИПА МЕТАБОЛИЗМА

Исследователь Уильям Уолкотт в своей книге «The Metabolic Typing Diet» предлагает простой домашний тест для самостоятельного прохождения, позволяющий определить свой метаболический тип. Чтобы определить тип точнее, необходимо пройти всестороннее медицинское обследование, включающее анализ состава мочи и крови. Уолкотт говорит о трех основных метаболических типах: белковом, углеводном и смешанном.

БЕЛКОВЫЙ ТИП

Белковый тип – это люди с быстрым окислением и доминированием парасимпатической нервной системы. Они часто голодны, любят жирные и соленые продукты, не могут выдержать низкокалорийной диеты, зачастую усталые, встревоженные и нервные. Они часто апатичны или взвинчены и нетерпеливы, внешне энергичны, в то же время внутри измождены.

Белковый тип должен соблюдать диету, богатую белками, жирами и маслами. Людям этого типа необходимо потреблять больше насыщенной пуринами белковой пищи, такой как субпродукты, паштет, говяжья и куриная печень, говядина. Количество углеводов в рационе должно быть низким.

Людям белкового типа подходит высокобелковая высокожирная диета (например, диета Аткинса). Однако у углеводных и смешанных типов такая диета может ускорить процесс сохранения жиров, нарушая клеточное окисление и замедляя обмен веществ в результате дефицита глюкозы, вызванного низким потреблением углеводов. Это также может нарушить работу надпочечников и щитовидной железы.

УГЛЕВОДНЫЙ ТИП

Углеводный тип – это люди с медленным окислением и доминированием симпатической нервной системы. Они, как правило, имеют относительно слабый аппетит, не страдают тягой к сладостям, испытывают проблемы с контролем веса, обладают фигурой типа А (отложения жира преимущественно в верхней части тела) и часто зависят от кофеина.

Углеводному типу подходит высокоуглеводная низкожировая диета. Они должны предпочитать легкие белки с низким содержанием пуринов. Однако у белкового и смешанного типов высокоуглеводная низкожировая диета может ускорить процесс сохранения жиров, повышая уровень инсулина, и замедлить обмен веществ, расщепляя мышечную ткань для потребления недостающих белков, что может нарушить работу надпочечников и щитовидной железы.

СМЕШАННЫЙ ТИП

Смешанные типы – это люди с окислением среднего уровня, у которых ни один из отделов автономной нервной системы не является доминирующим. У них, как правило, средний аппетит, любовь к сладким и крахмалистым блюдам, относительно небольшие проблемы с контролем веса. Люди этого типа часто чувствуют усталость, тревогу или волнение.

Смешанные типы должны питаться продуктами, содержащими смесь жирных, богатых пуринами белков и нежирных белков с низким содержанием пуринов , такими как сыр, яйца, йогурт, тофу, орехи. Этот тип должен потреблять белки, жиры и углеводы в примерно одинаковом соотношении.

Смешанным типам подходит диета с примерным соотношением 40% углеводов, 30% жиров и 30% белков (например, «Зона»). Однако такая диета может ускорить процесс сохранения жиров, нарушив окисление, у других типов людей. Она может замедлить обмен веществ, создавая дефицит глюкозы у углеводных типов и нехватку белков у белковых типов, и то и другое приведет к расщеплению мышечной массы.

Эволюция типов обмена веществ. Метаболизм

Метаболизм (от греческого: μεταβολή metabolē, «изменение») – это ряд химических превращений в клетках живых организмов, необходимых для поддержания жизни. Тремя основными целями метаболизма являются превращение пищи / топлива в энергию для запуска клеточных процессов, превращение пищи / топлива в строительные блоки для белков, липидов, нуклеиновых кислот и некоторых углеводов, а также устранение азотистых шлаков. Эти ферментативные реакции позволяют организму расти и размножаться, сохранять свои структуры и реагировать на окружающую среду. Слово «метаболизм» может также относиться к сумме всех химических реакций, происходящих в живых организмах, включая пищеварение и транспортировку веществ в различные клетки и между ними, в этом случае множество реакций внутри клеток называется промежуточным метаболизмом. Метаболизм обычно делится на две категории: катаболизм, расщепление органического вещества, например, с помощью клеточного дыхания, и анаболизм, создание компонентов клеток, таких как белки и нуклеиновые кислоты. Как правило, при расщеплении энергия высвобождается, а при наращивании потребляется.

Обмен веществ и энергии.

Для различных процессов организма: образование веществ, мышечная работа, поддержание постоянной температуры тела необходима энергия. Основным источником энергии является энергия химических связей молекул органических соединений, получаемых с пищей углеводов, жиров, белков. При распаде органических веществ освобождается химическая энергия, которая преобразуется в другие виды энергии – электрическую (энергия нервного импульса при работе мозга, нервных клеток), тепловую (поддержание постоянной температуры тела), механическую (мышечные сокращения), химическую (биосинтез свойственных данному организму веществ). В нашем организме действует закон сохранения энергии: энергия не возникает и не исчезает, она только преобразуется, видоизменяется из одного вида в другой.

Затраченная организмом энергия восполняется питанием. Интенсивность энергетического обмена зависит от условий, в которых находится организм, пола, времени года, возраста, состояния здоровья и других факторов.

Обмен веществ – сложная цепь превращений веществ в организме, начиная с момента их поступления из внешней среды и кончая удалением продуктов распада. Клетки всех тканей организма образованы, главным образом, из органических веществ (углеводов, жиров, белков). Они являются также единственным источником энергии в организме. По сути дела, жизнь обусловлена свойствами именно этих веществ. В состав белков, помимо углерода, водорода , кислорода, серы и иногда и фосфора, обязательно входит азот, которого нет в углеводах и жирах. Все растительные и животные белки состоят из аминокислот, которых насчитывается около двадцати. Из различных комбинаций этих аминокислот образуются белковые молекулы разного строения. Белки, поступающие с пищей, под влиянием пищеварительных соков расщепляются на отдельные аминокислоты . Аминокислоты всасываются ворсинками тонкой кишки и с кровью доставляются клетками организма. Проникшие через мембрану клеток аминокислоты при участии нуклеиновых кислот используются для образования в рибосомах свойственных этим клеткам белков. Некоторые белки используются как ферменты. Белки организма человека по структуре отличаются от белков животных и растений.

Обмен веществ в клетке. Анаболизм и катаболизм

Обмен веществ или метаболизм – совокупность сложных химических реакций, происходящих в каждой клетке живого организма. Основное свойство обмена веществ и энергии – обеспечение взаимодействия внешней среды с организмом для поддержания жизни и нормального функционирования тканей и органов. Все жизненно необходимые вещества (вода, кислород, органические соединения) поступают из внешней среды. Без их доступа обмен веществ нарушается или прекращается, что приводит к гибели живого организма.

Метаболизм включает два тесно взаимосвязанных противоположных процесса:

• катаболизм или диссимиляция;
• анаболизм или ассимиляция.

Катаболизм или энергетический обмен – процесс распада сложных веществ (сахаров, жиров) на более простые. В результате образуется энергия в виде молекулы АТФ (аденозинтрифосфорная кислота или аденозинтрифосфат), которая является универсальным источником энергии. Часть образованных молекул АТФ участвует в синтезе различных веществ, часть – рассеивается в виде тепла.

Рис. 1. Формула АТФ.

Примеры катаболизма:

• расщепление этанола;
• гликолиз – превращение глюкозы в кислоту, а затем – в воду и углекислый газ;
• внутриклеточное дыхание (окисление).

Анаболизм или пластический обмен включает сложные химические реакции, в результате которых образуются высокомолекулярные вещества, необходимые для постройки и обновления организма (белки, жиры, углеводы). Для проведения таких реакций нужна энергия, т.е. анаболизм происходит с участием АТФ.

Анаболизм можно наблюдать в виде:

• роста волос и ногтей;
• образование мышц;
• заживление ран, срастание костей и т.д.

Фотосинтез является анаболизмом, но вместо АТФ используется энергия солнечных лучей.

Рис. 2. Процесс фотосинтеза в клетке.

В результате катаболизма (распада) образуются простые вещества, которые могут соединяться при анаболизме (постройке) и вновь разрушаться при катаболизме с высвобождением АТФ. Хорошим примером являются жиры, которые образуются при ассимиляции, откладываются в тканях и расщепляются для получения энергии. Соотношение образованной и потраченной энергии называется энергетическим балансом. Анаболизм и катаболизм должны происходить параллельно без преобладания одного из процессов.

Обмен веществ это. Что называют обменом веществ?

В сознании многих он связан только с весом. Замедлился метаболизм — жди набора, ускорился — снижения. Однако этим данное понятие не ограничивается.

Обмен веществ — это процесс непрерывного поступления в организм питательных веществ, их расщепление на составляющие, частичное усвоение и последующее выделение продуктов распада. Его активные участники:

• аминокислоты;
• белки;
• билирубин;
• витамины;
• гликаны;
• гликопротеины;
• глюкозаминогликаны;
• гормоны;
• жиры;
• кофакторы;
• коферменты;
• ксенобиотики;
• липиды;
• липопротеиды;
• минералы;
• нуклеотиды;
• пигменты;
• порфирины;
• пурины;
• пиримидины;
• сфинголипиды;
• углеводы и др.

Конечные продукты, которые выделяются во внешнюю среду, — это железо, углекислый газ, молочная кислота, вода, соли, тяжёлые металлы.

Этапы

Метаболизм — это ступенчатый процесс, в котором выделяются следующие этапы:

Первый. Пищеварение — представляет собой механическую и химическую переработку пищи в ЖКТ. На данном этапе происходит разложение углеводов (превращаются в моносахариды), белковых соединений (синтезируются в аминокислоты), липидов (расщепляются до жирных кислот) с последующим их всасыванием.

Второй. На уровне тканей протекает промежуточный обмен, который предполагает расщепление питательных веществ до конечных продуктов.

Третий. Включает в себя усвоение и выделение образовавшихся конечных продуктов.

Процессы

Обмен веществ человека протекает в виде двух процессов:

1. Ассимиляции (анаболизма), когда происходит усвоение веществ и затраты энергии.
2. Диссимиляции (катаболизма), когда органические соединения расщепляются с выработкой энергии.

Схема

Общая схема выглядит так:

Пища → ЖКТ (переваривание) → всасывание питательных веществ → транспортировка питательных веществ в кровь, лимфу, клетки, тканевую жидкость (расщепление веществ, образование новых органических соединений) → выведение продуктов распада через кожу и почки.

Пластический обмен веществ. Анаболизм

Анаболи́зм (от греч. ἀναβολή , «подъём») или пластический обмен  — совокупность химических процессов , составляющих одну из сторон обмена веществ в организме , направленных на образование высокомолекулярных соединений.

Анаболизм взаимосвязан с противоположным процессом — катаболизмом , так как продукты распада различных соединений могут вновь использоваться при анаболизме, образуя в иных сочетаниях новые вещества . Процессы анаболизма, происходящие в зелёных растениях с поглощением энергии солнечных лучей (см. Фотосинтез ), имеют большое значение для поддержания жизни на планетарном уровне, играя решающую роль в синтезе органических веществ из неорганических . Анаболизм включает процессы синтеза аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, нуклеотидов, полисахаридов, макромолекул белков, нуклеиновых кислот, АТФ .

В результате пластического обмена из питательных веществ, поступающих в клетку, строятся свойственные организму белки , жиры , углеводы , которые, в свою очередь, идут уже на создание новых клеток, их органелл , межклеточного вещества.

Ramsey K. M., Marcheva B., Kohsaka A., Bass J. (2007). “The clockwork of metabolism”. Annu. Rev. Nutr . 27 : 219—40. DOI : 10.1146/annurev.nutr.27.061406.093546 . PMID   17430084 .