Обмен веществ и энергии — одно из главных проявлений жизнедеятельности. Благодаря ему обеспечиваются рост и развитие организма человека, поддерживаются стабильность морфологических структур, способность их к самообновлению и самовосстановлению, а также высокая степень упорядоченности обменных процессов и функциональной организации биологических систем. Поступление пищевых веществ и их обмен — расщепление и синтез, транспортировка и использование для нужд организма — сопровождаются потреблением энергии или ее освобождением и использованием в той или иной форме. Превращение энергии в живых системах происходит по общим законам природы. К этим системам в полной мере применимы как законы термодинамики, так и всеобщий закон сохранения вещества и энергии. С точки зрения термодинамики живые организмы относятся к открытым системам, так как главное условие их существования — непрерывный обмен веществ и энергии.
Согласно первому закону термодинамики, энергия не исчезает и не возникает вновь, а лишь переходит из одной формы в другую. Второй закон термодинамики утверждает, что вся энергия в конце концов переходит в тепловую энергию и организация материи становится полностью неупорядоченной. В более строгой форме этот закон формулируется так: энтропия замкнутой системы может только возрастать, а количество полезной энергии (то есть той, с помощью которой может быть совершена работа) внутри системы может лишь убывать. Неизбежная тенденция к возрастанию энтропии, сопровождаемая столь же неизбежным превращением полезной химической энергии в бесполезную тепловую, заставляет живые системы захватывать все новые порции пищи, содержащей энергию, чтобы поддерживать свое структурное и функциональное состояние на оптимальном уровне.
Способность извлекать полезную энергию из окружающей среды — одно из основных свойств, которые отличают живые системы от неживых, то есть непрерывно идущий обмен веществ и энергии является одной из основных характерных особенностей живых существ. Чтобы противостоять увеличению энтропии, поддерживать свою структуру и функции, живые существа должны получать энергию в доступной для них форме из окружающей среды и возвращать в среду эквивалентное количество энергии в форме, менее пригодной для дальнейшего использования.
Обмен веществ и энергии — это совокупность физических, химических и физиологических процессов превращения веществ и энергии в живых организмах, а также обмен веществами и энергией между организмом и окружающей средой.
Обмен веществ у живых организмов заключается в поступлении из внешней среды различных веществ, в превращении и использовании их в процессах жизнедеятельности и выделении образующихся продуктов распада в окружающую среду. Все происходящие в организме преобразования вещества и энергии объединены общим названием — метаболизм.
На клеточном уровне эти преобразования осуществляются через сложные последовательные реакции, называемые путями метаболизма, могут включать тысячи разнообразных реакций и регулируются множеством генетических и химических механизмов.
Метаболизм можно разделить на два взаимосвязанных, но разнонаправленных процесса: анаболизм (ассимиляция) и катаболизм (диссимиляция).
Анаболизм — это совокупность процессов биосинтеза специфических для организма органических веществ (компонентов клетки и других структур органов и тканей) из поглощенных пищевых продуктов. Анаболизм обеспечивает рост, развитие, обновление биологических структур, а также накопление энергии [синтез макроэргов аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и креатинфосфата (КФ)].
Катаболизм — это совокупность процессов расщепления сложных молекул до более простых веществ с использованием части из них в качестве субстратов для биосинтеза и расщеплением другой части до конечных продуктов метаболизма с образованием энергии.
К конечным продуктам метаболизма относят воду (у человека примерно 350 мл в сутки), двуокись углерода (около 230 мл в минуту), окись углерода (0,007 мл в минуту), мочевину (около 30 г в сутки), а также другие вещества, содержащие азот (примерно 6 г в день).
Процессы анаболизма и катаболизма находятся в организме в состоянии динамического равновесия.
Преобладание анаболических процессов над катаболическими приводит к росту, накоплению массы тканей, а преобладание катаболических процессов ведет к частичному разрушению тканевых структур, снижению массы тела. Состояние равновесного или неравновесного соотношения анаболизма и катаболизма зависит от следующих факторов:
- возраста (в детском возрасте преобладают анаболические процессы, у взрослых обычно наблюдают равновесие процессов анаболизма и катаболизма, в старческом возрасте преобладает катаболизм);
- состояния здоровья;
- выполняемой организмом физической или психоэмоциональной работы.
1-й этап обмена веществ — ферментативные процессы расщепления белков, жиров и углеводов, входящих в состав пищевых веществ, до растворимых в воде аминокислот, моно- и дисахаридов, глицерина, жирных кислот и других соединений, происходящие в различных отделах желудочно-кишечного тракта (ЖКТ), а также всасывание их в кровь и лимфу. Этот этап энергозатратен для организма и требует определенных ресурсов для утилизации поступающих в организм питательных
веществ.
2-й этап обмена — транспорт питательных веществ и кислорода кровью к тканям и те сложные химические превращения веществ, которые происходят в клетках. В них одновременно происходят расщепление питательных веществ до конечных продуктов метаболизма, синтез ферментов, гормонов, составных частей цитоплазмы. Расщепление веществ сопровождается выделением энергии, которая используется для процессов синтеза и обеспечения работы каждого органа и организма в целом.
3-й этап — удаление конечных продуктов распада из клеток, их транспорт и выделение почками, легкими, потовыми железами и кишечником (системой выделения).
Роль питательных веществ в организме неодинакова. Обмен жиров и углеводов служит главным образом для энергетического обеспечения физиологических функций (функциональный метаболизм), тогда как белковый обмен в первую очередь поддерживает и реконструирует структуры организма (структурный метаболизм).
Превращение белков, жиров, углеводов, минеральных веществ и воды происходит в тесном взаимодействии друг с другом. Вместе с тем в метаболизме каждого из них есть свои особенности, а физиологическое значение их различно. Именно поэтому обмен каждого вида питательных веществ принято рассматривать отдельно.