Вторник, 24 декабря

Метаболизм анаболизм и катаболизм: Как улучшить обмен веществ в организме — что делать, чтобы наладить метаболизм, продукты нормализующие пищеварение

Анаболизм, катаболизм и метаболизм — kurier.lt

МЕТАБОЛИЗМ

Известный факт, что спортсмен забросивший на продолжительное время тренировки, постепенно уменьшает в мышечной массе — это прямой результат работы рычагов катаболизма. Для поддержания жизни твоему организму требуются питательные вещества в качестве топлива и строительного материала, каждая клетка нашего организма живая и просит своевременной подпитки. Если организм недополучает достаточно пищи, для поддержания корректной работы внутренних органов и мозга, питательные вещества в первую очередь берутся из мышечной массы с помощью процесса катаболизма (разрушения).

Чтобы понять процесс катаболизма следует понять что такое жизнь в одном из пониманий. Жизнь — это обмен питательных веществ внутри клетки, жизнь вне клетки невозможна, все что лишено клеток — не имеет жизни, оно мертво. Миллионы клеток из которых мы состоим представляют из себя миллионы живых организмов, которые в совокупности и образуют нас. Наши руки, глаза, сознание. Выполняя свои функции клетка, не имеет значения какая — мозговая или мышечная, требует питательные вещества для продолжения функционирования, но жизнь такова, что питательных веществ никогда не бывает слишком много и всем клеткам не «угодить». Борьба за выживание — основной и первейший инстинкт (чтобы не говорили пошлые американские фильмы) и чтобы прожить как можно дольше организм научился контролировать смерть клеток, распределять их по ступеням приоритезации, и мышечная масса стоит на одной из последних ступенек этой лестницы.

КАТАБОЛИЗМ

При получении физических повреждений (к примеру микроразрывы мышечных волокон во время тренировки), организм постарается восстановить их используя белки поступающие с пищей, повреждения будут устранены и целостности организма больше ничего не будет угрожать. Но что если возникнет нередкая ситуация, при которое человек получает неполноценное количество питательных веществ, как быть в данном случае?

Для этого и создан процесс катаболизма.

При недостатке питательных веществ тело попытается получить питательные вещества посредством деликатного разрушения уже имеющихся структур, к примеру, расщепляя наименее используемые части мышечного скелета. Мышечные волокна наименее используемой части тела будут расщеплены на аминокислоты и отправлены в ту часть тела, где они наиболее востребованы.

Таких ситуаций, когда питательных веществ недостаточно крайне много (забыл позавтракать, отстоял очередь в банке и не успел на обед), поэтому потеря мышечной массы в период пассивности все равно будет происходить, но ее можно существенно замедлить потребляя достаточно белковой пищи. Т.е. тот кто плотнее ест — меньше теряет в массе во время бездействия. Но катаболизм будет запускаться все равно, это закон — мышечная масса гибнет первой сразу после жировой. На примере тяжело больных людей можно увидеть как их организм борится с болезнью буквально переваривая себя — больных людей можно сразу узнать по дистрофическому телосложению, их мышцы уничтожаются и передаются в пораженные болезнью части тела.

АНАБОЛИЗМ

Противоположный катаболизму процесс, который включается сразу же после выключения последнего. Так уж вышло, что анаболизм и катаболизм — это неразрывная парочка, выключение катаболизма включает катаболизм, и наоборот. Никакого промежуточного состояния между ними нет, всегда работает один из них. Вещества полученные из разрушенных клеток в результате работы катаболизма используют при анаболизме.

При анаболизме простые вещества превращаются в более сложные, к примеру аминокислоты становятся полноценными мышечными волокнами. Описывать этот процесс — значит пудрить тебе мозги, разбирая биохимические реакции, которые никому не нужны. Рассмотрим иное.

КАК ЗАСТАВИТЬ ПРЕВАЛИРОВАТЬ АНАБОЛИЗМ НАД КАТАБОЛИЗМОМ

Требуется крепкий сон, в совокупности не менее 7 часов в сутки. Доказано, что фиксированный ритм жизни (без походов по клубам и просиживанием по ночам за партией в доту), улучшает качество сна, а значит и эффект от него. При этом чем раньше спортсмен ложится спать, тем большую отдачу ото сна он может получить. Во время сна процессы катаболизма практически не работают, тот же кто хронически не досыпает — заставляет организм испытывать стресс и постоянно использовать катаболизм как средство борьбы с ним.

Правильно поставленный тренировочный процесс также является необходимым атрибутом роста. Занятие на «массу» требуют небольшого количества повторений, без задрачиваний и «забивания» мышц, это неверный путь. Для роста общей мышечной массы требуется использовать небольшое число повторений с серьезными весами, в таком стрессовом режиме и включается процесс анаболизма.

Поддержка гормонального фона. При достаточно высоком уровне тестостерона процессы анаболизма работают дольше и эффективней.

Слежение за иммунитетом, т.к. чем слабее иммунитет тем больше питательных веществ требуется организму для борьбы с инфекциями. В периоды эпидемий различных болезней и в сырое время года следует принимать иммуностимуляторы (например иммунал). Организм занятый безуспешной борьбой с болезнью не растит мышечную массу.

И самое важное — питание, без крепкой подкормки белком и качественными (медленными) углеводами роста не будет.

«ЖИР В МЫШЦЫ» — УТВЕРЖДЕНИЕ КРЕТИНОВ

Анаболизмом называется не только рост мышечной массы, но и жировой, набирая мышечную массу организм неизбежно запасается жиром, это закон. Набор мышечной массы с одновременным сжиганием жира — миф, который не реализуем без применения грамотно составленных курсов анаболических стероидов и гормона роста, и даже с ними не всегда получается набирать качественную массу. Плюс ко всему жировая прослойка не несет в себе профиля аминокислот, поэтому из нее невозможно сделать мышечную клетку.

Инф. Блог http://whey.kz

В чём разница между метаболизмом, катаболизмом и анаболизмом? | Научпоп. Наука для всех

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, какие процессы происходят внутри вашего организма? Большинство людей редко задается таким вопросом. Это и понятно, ведь многие из процессов, которые происходят в теле не требуют каких-то осознанных действий и контроля с нашей стороны, за исключением того, что мы сознательно можем есть пищу, пить воду, спать и избегать опасных или экстремальных ситуаций.

Итак, что же это такая таинственная сила, которая сопровождает нас от рождения и до смерти, делая все, чтобы мы жили и хорошо себя чувствовали? Все просто наш обмен веществ.

Про обмен веществ особенно часто можно слышать, когда речь заходит о вопросах связанных с потерей или набором веса и сжиганием жира. Некоторые люди жалуются на то, что не могут набрать вес в независимости от того, сколько они едят. Это они объясняют своим «супербыстрым метаболизмом».

Что такое метаболизм?

Метаболизм — это собирательное понятие, связанное с тысячами химических реакций, которые постоянно происходят в нашем организме. В первую очередь с теми, в результате которых происходит преобразование энергии, необходимой для нашего выживания и поддержания функций организма. Большинство из этих процессов направлены на достижение трех основных целей:

  • расщепление пищи, которую мы потребляем и получение полезной энергии для клеточных функций;
  • превращение расщепленной пищи в полезные молекулы, такие как липиды, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты,
  • удаление из организма отходов.

На своем базовом уровне метаболизм можно разделить на два основных направления — катаболизм и анаболизм, которые мы объясним более подробно ниже.

Что такое катаболизм?

Проще говоря, катаболизм, также известный как деструктивный метаболизм, представляет собой процессов, в результате которых расщепляются молекулы пищи и жидкости, которые мы потребляем, в полезные формы энергии. Пища, которую мы едим, как правило состоит из овощей, фруктов, злаков, животных белков и т. д.

Но наш организм не может использовать пищу в такой форме. Поэтому катаболические процессы расщепляют биомолекулы на более мелкие составляющие, которые затем могут окисляться или использоваться в анаболических процессах (конструктивный метаболизм) для образования новых более крупных молекул. Самый главный катаболический процесс в организме — пищеварение! В процессе пищеварения большие молекулы распадаются на более мелкие, при этом выделяется энергия, которая может использоваться организмом.

Некоторые из основных катаболических процессов в организме это расщепление полисахаридов (гликоген, крахмал и т. д.) на моносахариды (фруктоза, глюкоза и т. д.), расщепление белков на нуклеиновые кислоты и расщепление нуклеиновых кислот на нуклеотиды.

Как и все, что происходит в организме, катаболические процессы должны регулироваться и контролироваться, поэтому катаболизм зависит от определенных гормонов, таких как адреналин, глюкагон, цитокины и кортизол. Эти гормоны так важны, поскольку они будут влиять на все — от вашего сердечного ритма и уровня поглощения кислорода до концентрации глюкозы в крови и эффективности взаимодействия между вашими клетками.

Когда гормоны активируются, то стимулируют распад доступных питательных веществ для производства энергии необходимой для функционирования организма. Например, когда вы сталкиваетесь с опасной ситуацией, то организм переключается в режим «сражайся или беги», после чего высвобождается адреналин, который ускоряет частоту сердечных сокращений, увеличивает способность легких поглощать кислород и стимулирует расщепление гликогена, который превращается в глюкозу — основную энергетическую единицу, которую организм сможет использовать для борьбы или бегства.

Что такое анаболизм?

Тогда как катаболические процессы считаются деструктивными формами метаболизма, то анаболические являются конструктивными формами. По другому анаболизм можно назвать биосинтезом, так как эти процессы синтезируют маленькие молекулы в более крупные и более сложные соединения, которые требуются организму. В больших масштабах результаты анаболизма можно наблюдать в процессе роста детей, в заживлении раны или увеличении мышц. На микроскопическом уровне анаболические процессы в клетках включают аминокислоты (мономеры), встраивающиеся в белки (полимеры).

Как и в случае с катаболизмом, анаболизм также контролируется или регулируется гормонами — прежде всего, гормоном роста, инсулином, тестостероном и эстрогеном и пр. Анаболические процессы в значительной степени стимулируются катаболическими процессами, так как организму требуются энергия и «материал» для работы и создания более сложных молекул.

Теперь, когда мы разобрались с некоторыми механизмами метаболизма, а именно: расщепление и образование различных молекул, необходимых для жизни, мы должны обратиться к одному из наиболее распространенных вопросов, связанных с метаболизмом — «скорости», с которой он работает.

Взаимосвязь анаболизма и катаболизма.

Взаимосвязь анаболизма и катаболизма.

Метаболизм и управление весом

Вы, наверное, слышали, что многие люди утверждают, что у них медленный или быстрый метаболизм, который, следовательно, влияет на размер их тела. Тем не менее, эти типы утверждений не подкреплены наукой, которая показала, что уровень метаболизма большинства людей на самом деле очень похож. Есть некоторые состояния, такие как заболевания щитовидной железы, которые замедляют или ускоряют обмен веществ и влияют на размер тела, но они встречаются относительно редко.

Факторы, которые влияют на ваш метаболизм, включают в себя комплекцию вашего тела, возраст и пол. Те люди, у которых больше мышечная масса, естественно, будут сжигать больше калорий, даже если они не тренируются. Как правило, у мужчин мышечная масса больше, чем у женщин, благодаря этому им легче сжигать калории и сбрасывать вес. Наконец, с возрастом уровень физической активности людей часто падает, как и мышечная масса, это затрудняет потерю веса.

Когда вы получаете энергию через употребление пищи, и организму не нужно использовать ее полностью, то она будет накапливаться в виде жира. Когда организму потребуется дополнительная энергия, то эти запасы будут использованы (катаболизм), что приводит к потере веса. Баланс того, что вы едите и насколько физически активны будет определять то, как вы сможете управлять своим весом.

При этом типы упражнений, которые вы выполняете, могут влиять на ваш вес:

Катаболические упражнения — это те, которые расщепляют жиры и сжигание калорий, такие как бег, аэробика, плавание, езда на велосипеде и т.д.

Анаболические упражнения — это упражнения, направленные на увеличение мышечной массы, например, поднятие тяжестей или тренировка с отягощениями.

What is Metabolism? | Protocol (Translated to Russian)

7.1: Что такое метаболизм?

Обзор

Метаболизм представляет всю химическую активность в клетке, включая реакции, которые строят молекулы (анаболизм) и те, которые разбивают молекулы вниз (катаболизм). Анаболические реакции требуют энергии, в то время как катаболические реакции обеспечивают его. Таким образом, метаболизм описывает, как клетки преобразуют энергию через различные химические реакции, которые часто становятся более эффективными с помощью ферментов.

Метаболизм – это сумма всех химических реакций, которые происходят в организме

Метаболизм является управление энергией в клетках и обеспечивает три ключевые функции:

  1. преобразование пищи в энергию для запуска различных клеточных процессов,
  2. производство энергии для создания клеточных компонентов, и
  3. удаление отходов.

Для получения энергии макромолекулы из пищи должны быть разбиты на более мелкие молекулы – через катаболический путь. Это, в свою очередь, дает энергию для построения больших молекул из небольших строительных блоков через анаболический путь. Другими словами, потенциальная энергия в пище, состоящая из химической энергии, хранящейся в связях между атомами, может быть преобразована в кинетическую энергию, которая может быть использована для клеточных реакций. Ферменты являются важными молекулярными инструментами в метаболических путей, так как они значительно ускорить многие химические реакции за счет сокращения количества необходимой энергии.

Катаболические пути разбиваются молекулы и высвобождают энергию

Катаболизм является распад макромолекул для любых целей. Это включает в себя деградацию молекул пищи в меньшие молекулы, которые могут быть использованы в качестве строительных блоков, процесс, который высвобождает энергию, которая передается в АТФ. Переваривание белка является примером катаболизма. Для того, чтобы организм использует белок, который мы едим, он должен быть разбит из больших белковых молекул на более мелкие полипептиды, а затем на отдельные аминокислоты.

Избыток аминокислот, которые разбиты для удаления релиз, азотсодержащих аммиака. Этот аммиак является токсичным на высоких уровнях, и, таким образом, должны быть преобразованы в более безопасную форму, что организмы могут обрабатывать и распоряжаться. У людей аммиак сочетается с углекислым газом и преобразуется в мочевину, прежде чем быть выведенным из организма в виде мочи. Другие организмы используют различные виды азотных отходов, таких как мочевая кислота у птиц и рептилий. По сравнению с мочевиной, мочевая кислота требует гораздо меньше воды, чтобы быть освобождены из организма и, следовательно, имеет адаптивное значение определенных условий.

Анаболические пути синтезируют сложные молекулы

Анаболические пути строят большие молекулы из небольших молекул строительного блока, используя энергию (в виде АТФ). Например, белковая анаболия включает в себя нанизывания аминокислот для формирования полипептидов. Синтезированные полипептиды затем складываются в трехмерные белковые структуры. Избыток аминокислот может быть использован для того чтобы сделать триглицериды и хранить как сало, или преобразован в глюкозу и использован для того чтобы сделать ATP. Таким образом, как анаболические, так и катаболические пути необходимы для поддержания энергетического баланса.

Другим, менее известным примером анаболизма является производство конденсированных танинов в семенах. Семена, которые едят животные могут быть защищены от пищеварения, если их семена пальто содержат темного цвета, сгущенные дубильные вещества. Растения производят танины, связывая молекулы антоциана, используя те же реакции обезвоживания, используемые для создания полипептидов.

Литература для дополнительного чтения

Heindel, Jerrold J., Bruce Blumberg, Mathew Cave, Ronit Machtinger, Alberto Mantovani, Michelle A. Mendez, Angel Nadal, et al. “Metabolism Disrupting Chemicals and Metabolic Disorders.” Reproductive Toxicology (Elmsford, N.Y.) 68 (2017): 3–33. [Source]

Lam, Yan Y., and Eric Ravussin. “Analysis of Energy Metabolism in Humans: A Review of Methodologies.” Molecular Metabolism 5, no. 11 (September 20, 2016): 1057–71. [Source]

Конспект урока по биологии в 9 классе «Метаболизм.Ассимиляция.Диссимиляция»

МКОУ ВЫКОПАНСКАЯ СОШ

КОНСПЕКТ

ОТКРЫТОГО УРОКА В 9 КЛАССЕ

ПО БИОЛОГИИ

/с применением ИКТ/

ТЕМА «МЕТАБОЛИЗМ.

АССИМИЛЯЦИЯ.

ДИССИМИЛЯЦИЯ»

Выполнила

учитель биологии и химии

МКОУ Выкопанская СОШ

Лакеева О.В.

2012 год

Тема урока: Метаболизм .Ассимиляция и диссимиляция

Слайд № 1

Цели урока:

  1. Формирование общих представлений о клеточном метаболизме и его биологическом значении.

  2. Закрепить знания учащихся о строении прокариотической и эукариотической клеток

Задачи урока:

  1. Изучить, что такое метаболизм и выяснить является ли он жизненно важным процессом.

  2. Сравнить анаболизм и катаболизм.

  3. Определить биологическое значение метаболизма.

Оборудование: компьютеры с подключением к Интернет, проектор, экран или интерактивная доска, презентация; дополнительная литература, электронные информационно-справочные ресурс .

Основные термины и понятия:

  • Обмен веществ, метаболизм;

  • анаболизм, ассимиляция;

  • биосинтез;

  • катаболизм, диссимиляция.

I Проверка домашнего задания

Сравним строение прокариотической и эукариотической клеток

1.Какие живые организмы относят к прокариотам? (бактерии и сине-зелёные водоросли)

2. Приведите примеры эукариотических организмов? (простейшие,растения,животные и грибы)

Демонстрация презентации «Метаболизм»

Перед учащимися демонстрируются схемы прокариотической и эукариотической клеток

Учитель: Вспомним строение прокариотической клетки

Слайд №3

Ученик по слайду рассказывает строение прокариотической клетки

Учитель: Вспомним строение эукариотической клетки

Слайд № 4

Ученик по слайду рассказывает строение эукариотической клетки

Остальные учащиеся заполняют таблицу

Таблица 1

признаки

прокариоты

эукариоты

Ядро

Рибосомы Митохондрии

Комплекс Гольдж

ЭПС Центриоль Лизосомы Клеточная оболочка

Вакуоли

Мезосомы Органоиды движения

Учитель собирает листочки с ответами

Ассистент демонстрирует Слайд№_5_где дан ответ к табл №1

Учитель Теперь более подробно сравним строение прокариотической и эукариотической клеток

Я задаю вопрос а вы отвечаете(ответ подтверждается презентацией)

Слайд №__7___

1)Каков размер А)прокариотической клетки (0,5-10 мкм)

Б)эукариотической клетки (40-100 мкм)

Слайд №__8___

2)Имеет ядро А) прокариотическая клетка (нет)

Б) вэукариотическая клетка (да)

Слайд №___9__

3)Способ хранения генетического материала

А)в прокариотической клетке (в виде кольцевой молекулы Д НК)

Б) в эукариотической клетке (в виде линейных молекул ДНК, организованных в хромосомы)

Слайд №__10___

4) Какой набор хромосом и способы деления

А)в прокариотической клетке(одинарный,конъюгация)

Б) в эукариотической клетке(одинарный,двойной и т.д.,Мейоз,Митоз,Амитоз)

Слайд №___11__

5.Где происходит синтез белка

А)в прокариотической клетке(в рибосомах 70S-типа)

Б)в эукариотической клетке(в рибосомах 80S-типа)

Слайд №__12___

6. В какой клетке имеются мембранные органоиды и цитоскелет

Б)в эукариотической клетке (да да)

Слайд №_13____

7.Где находиться цитоплазматическая ДНК

А)в прокариотической клетке( в цитоплазме в мезосомах)

Б)в эукариотической клетке(митохондриях и хлоропластах)

Слайд №__14___

8. Есть ли клеточная стенка и каков её состав

А)в прокариотической клетке(есть,толстая муреиновая или пектиновая оболочка)

Б)в эукариотической клетке(у растений- из целлюлозы, у грибов -из хитина ,у животных-НЕТ)

Слайд №__15___

9.Имеются ли жгутики и реснички

А)в прокариотической клетке(да,простые из 1 или нескольких фибрилл)

Б)в эукариотической клетке(да,сложные из 20 и более фибрилл)

Слайд №___16__

10. Где происходит процесс дыхания какие клетки способны к азотфиксации

А)в прокариотической клетке( в мезосомах или цитоплазматических мембранах,способны к азотфиксации

Б)в эукариотической клетке(аэробное дыхание в митохондриях, не способны к азотфиксации

Слайд №_17____

Тип питания

А)в прокариотической клетке(фото,гетеро и хемотрофный)

Б)в эукариотической клетке(фото,гетеротрофный)

II Изучение нового материала

Что такое метаболизм?

«Обмен веществ или метаболизм — совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий».

«Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия».

Сущность метаболизма:

Сущность метаболизма заключается в преобразовании веществ и энергии.

Демонстрация слайда 18 «Энергия необходима для того, чтобы:

  • осуществлялся синтез веществ, необходимых для роста организма;

  • сокращались мышцы и передавались нервные импульсы;

  • вещества могли транспортироваться из клетки в клетку;

— температура тела поддерживалась постоянной.»

Демонстрация видеоурока с 00:00:38

Основу метаболизма составляют взаимосвязанные процессы анаболизма и катаболизма, направленные на непрерывное обновление живого материала и обеспечение его необходимой энергией.

Слайд №_19____

Метаболизм

Анаболизм катаболизм

Пластический энергетический обмен

Обмен

Ассимиляция диссимиляция

Слайд №_20____

Метаболизм

(от греч. «превращение, изменение»), обмен веществ — полный процесс превращения химических веществ в организме, обеспечивающих его рост, развитие, деятельность и жизнь в целом.

Обмен веществ представляет собой комплекс биохимических и энергетических процессов, обеспечивающих использование пищевых веществ для нужд организма и удовлетворения его потребностей в пластических и энергетических веществах

Слайд №_22

Что такое анаболизм?

Анаболизм (от греч. anabole — подъем) или ассимиляция – совокупность химических процессов в живом организме, направленных на образование и обновление структурных частей клеток и тканей, заключается в синтезе сложных молекул из более простых с накоплением энергии.

Задача анаболизма: Обеспечение клетки стройматериалами и энергоносителями

Наиболее важный процесс анаболизма, имеющий планетарное значение, — фотосинтез.

Биосинтез – реакции образования органических веществ в живой клетке.

Совокупность реакций биосинтеза называется пластическим обменом.

«Пластикос» по-гречески означает скульптурный. Так же как скульптор из глины создает изваяние, так и клетка строит свое тело из веществ, полученных в процессе биосинтеза.

Слайд №_23____

Что такое катаболизм?

Катаболизм (от греч. katabole — разрушение) или диссимиляция – совокупность протекающих в живом организме ферментативных реакций расщепления сложных органических веществ (в т. ч. пищевых).

Задача: В процессе катаболизма происходит освобождение энергии, заключенной в химических связях крупных органических молекул, и запасание ее в форме богатых энергией фосфатных связей аденозинтрифосфата (АТФ).

Катаболические процессы — дыхание, гликолиз или брожение. Основные конечные продукты катаболизма — вода, углекислый газ, аммиак, мочевина, молочная кислота.

Совокупность реакций расщепления называется энергетическим обменом клетки.

Слайд № 24

П Р Е В Р А Щ Е Н И Я В Е Щ Е С Т В

белки←аминокислоты→CO2 , H2O , NH3

липиды←глицерин+жирные кислоты→ CO2 , H2O

углеводы←глюкоза→ CO2 , H2O

Учитель задаёт вопрос

Назовите процесс превращения аминокислот в белки,

глицерина и жирных кислот в липиды,

глюкозы до углеводов (АНАБОЛИЗМ)

Учащиеся отвечают АНАБОЛИЗМ

Прокрутить колёсико на мышке

Назовите процесс превращения белков в аминокислоты ,

липидов до глицерина и жирных кислот в,

углеводов до глюкозы (КАТАБОЛИЗМ)

Учащиеся отвечают КАТАБОЛИЗМ

Слайд № 25 Взаимосвязь процессов анаболизма и катаболизма

  1. Анаболические и катаболические процессы осуществляются путем последовательных химических реакций с участием ферментов.

  2. Анаболизм и катаболизм – противоположные процессы.

  3. Анаболизм и катаболизм – взаимосвязанные процессы. Связь эта состоит в том, что с одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез ферментов и веществ-энергоносителей.

  4. Совокупность пластического и энергетического обменов, взаимосвязанных между собой и окружающей средой, называют обменом веществ.

  5. Обмен веществ или метаболизм – важнейшее условие и необходимый признак жизни. С прекращением обмена веществ прекращается и сама жизнь!

Функции обмена веществ:

  1. Наиважнейшей функцией процесса обмена веществ является поддержание постоянства внутренней среды клеток и организма (гомеостаз) в непрерывно меняющихся условиях существования.

  2. Обеспечение развития, жизнедеятельности и самовоспроизведения организмов, их связь с окружающей средой и адаптации к изменениям внешних условий.

Слайд№26 Демонстрация таблицы «Сравнение катаболизма и анаболизма»

Учитель предлагает ученикам заполнить таблицу «Сравнение катаболизма и анаболизма»

Учащиеся заполняют таблицу «Сравнение катаболизма и анаболизма»

Слайд № 27 Демонстрация таблицы с ответами

ПРИЗНАКИ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ

АНАБОЛИЗМ

КАТАБОЛИЗМ

ЗАДАЧА

ПРОЦЕССА

Обеспечение клетки строительным материалом и энергоносителями

Обеспечение клетки энергией

ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Из простых синтезируются более сложные

Сложные распадаются до простых

ЭНЕРГИЯ

затрачивается

Освобождается

АТФ

Расходуется

Образуется, накапливается

Так как анаболизм и катаболизм являются противоположными и одновременно взаимосвязанными процессами, то их совокупность, то есть метаболизм можно считать примером всеобщего закона единства и борьбы противоположностей.

Слайд № 28

Укажите пункт, в котором правильно записан процесс расщепления органических веществ в организме животного: Ответ б

III Закрепление знаний

Опрос учащихся в кабинете информатики. Учащиеся ответ выбирают с помощью пульта.

  1. Метаболизм складывается из 2 процессов:

А) жизни и смерти

Б) синтеза и распада

В)возбуждения и торможения

2. Что является конечными продуктами окисления органических веществ?

А) АТФ

Б) кислород и углекислый газ

В)вода и углекислый газ

3. Назовите начальные продукты метаболизма

А) простые вещества

Б) сложные вещества

В)верно А и В

4.Аккумуляторы энергии

А) АТФ

Б)ДНК

В)РНК

5. В ходе какого процесса образуется много АТФ

А) биосинтез

Б) анаболизм

В) дыхание

3) Кроссворд Обмен вешеств

4)Фронтальная беседа по вопросам:

А)Что такое ассимиляция и диссимиляция? (приведите примеры реакций синтеза в клетке).

Б) Докажите, что ассимиляция и диссимиляция – две стороны единого процесса обмена веществ и энергии – метаболизма.

IV Выводы урока

Слайд № 28

  1. Метаболизм — совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий.

  2. Метаболизм складывается из двух противоположных и взаимосвязанных процессов – анаболизма и катаболизма.

  3. Так как анаболизм и катаболизм являются противоположными и одновременно взаимосвязанными процессами, то их совокупность, то есть метаболизм можно считать примером всеобщего закона единства и борьбы противоположностей.

  4. Метаболизм – важнейший биологический процесс и необходимый признак жизни.

МЕТАБОЛИЗМ — это обмен веществ, химические превращения, протекающие от момента поступления питательных веществ в живой организм до момента, когда конечные продукты этих превращений выделяются во внешнюю среду. К метаболизму относятся все реакции, в результате которых строятся структурные элементы клеток и тканей, и процессы, в которых из содержащихся в клетках веществ извлекается энергия. Иногда для удобства рассматривают по отдельности

две стороны метаболизма – анаболизм и катаболизм,

т.е. процессы созидания органических веществ и процессы их разрушения.

Анаболические процессы обычно связаны с затратой энергии и приводят к образованию сложных молекул из более простых,

катаболические же сопровождаются высвобождением энергии и заканчиваются образованием таких конечных продуктов (отходов) метаболизма, как мочевина, диоксид углерода, аммиак и вода.

V Домашнее задание &2.8,повт &1,7

[PDF] Что такое катаболизм? — Free Download PDF

Download Что такое катаболизм?…

Метаболизм – основа существования живых организмов

Основополагающий вопрос: Почему обмен веществ (метаболизм) считают необходимым и достаточным условием и признаком жизни?

2

Что такое метаболизм? «ОБМЕН ВЕЩЕСТВ или метаболизм — совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий». «Большая энциклопедия Кирилла и Мефодия». 3

Сущность метаболизма: Сущность метаболизма заключается в преобразовании веществ и энергии. Основу метаболизма составляют взаимосвязанные процессы анаболизма и катаболизма, направленные на непрерывное обновление живого материала и обеспечение его необходимой энергией. Метаболизм Анаболизм

Катаболизм

4

Функции обмена веществ: 1.

Наиважнейшей функцией процесса обмена веществ является поддержание постоянства внутренней среды клеток и организма (гомеостаз) в непрерывно меняющихся условиях существования.

2.

Обеспечение развития, жизнедеятельности и самовоспроизведения организмов, их связь с окружающей средой и адаптации к изменениям внешних условий.

5

Что такое анаболизм? АНАБОЛИЗМ (от греч. anabole — подъем) или ассимиляция – совокупность химических процессов в живом организме, направленных на образование и обновление структурных частей клеток и тканей, заключается в синтезе сложных молекул из более простых с накоплением энергии. Наиболее важный процесс анаболизма, имеющий планетарное значение, — фотосинтез. Биосинтез – реакции образования органических веществ в живой клетке. Совокупность реакций биосинтеза называется пластическим обменом. «Пластикос» по гречески означает скульптурный. Так же как скульптор из глины создает изваяние, так и клетка строит свое тело из веществ, полученных в процессе биосинтеза. 6

Что такое катаболизм? КАТАБОЛИЗМ (от греч. katabole — разрушение) или диссимиляция – совокупность протекающих в живом организме ферментативных реакций расщепления сложных органических веществ (в т. ч. пищевых). В процессе катаболизма происходит освобождение энергии, заключенной в химических связях крупных органических молекул, и запасание ее в форме богатых энергией фосфатных связей аденозинтрифосфата (АТФ). Катаболические процессы — дыхание, гликолиз, брожение. Основные конечные продукты катаболизма — вода, углекислый газ, аммиак, мочевина, молочная кислота. Совокупность реакций

расщепления называется энергетическим обменом клетки. 7

Самостоятельная работа.

Сравнение анаболизма и катаболизма ПРИЗНАКИ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ

АНАБОЛИЗМ

КАТАБОЛИЗМ

ЗАДАЧА ПРОЦЕССА ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ ЭНЕРГИЯ

АТФ

8

Сравним анаболизм и катаболизм ПРИЗНАКИ ДЛЯ СРАВНЕНИЯ

АНАБОЛИЗМ

КАТАБОЛИЗМ

ЗАДАЧА ПРОЦЕССА

Обеспечение клетки строительным материалом и энергоносителями

Обеспечение клетки энергией

ХИМИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Из простых синтезируются более сложные

Сложные распадаются до простых

ЭНЕРГИЯ

затрачивается

Освобождается

АТФ

Расходуется

Образуется, накапливается 9

Особенности обмена веществ у различных организмов Для каждого живого организма характерен особый, генетически закрепленный тип обмена веществ, зависящий от условий ёго существования и от отношения площади поверхности тела к его массе. Это отношение тем больше, чем меньше животное. Следовательно, у крупных животных интенсивность обмена веществ ниже, чем у мелких. Интенсивность обмена веществ у человека условно принята за единицу. 10

Различие в интенсивности обмена веществ у разных организмов. Слон – 0,33 Лошадь – 0,52 Овца – 1,05 Собака – 1,57 Землеройка – 35,24 Если землеройка будет без пищи 7 – 9 часов, она погибнет!

11

Биологическое обеспечение обмена веществ: • Для каждого вида организмов характерен особый, генетически закрепленный тип обмена веществ, зависящий от условий его существования. • Интенсивность и направленность обмена веществ в клетке обеспечивается путем сложной регуляции синтеза и активности ферментов, а также в результате изменения проницаемости биологических мембран. • В организме человека и животных имеет место гормональная регуляция обмена веществ, координируемая центральной нервной системой. • Любое заболевание сопровождается нарушениями обмена веществ; генетически обусловленные нарушения обмена веществ служат причиной многих наследственных болезней. 12

Выводы: 1.

Анаболические и катаболические процессы осуществляются путем последовательных химических реакций с участием ферментов.

2.

Анаболизм и катаболизм – противоположные процессы.

3.

Анаболизм и катаболизм – взаимосвязанные процессы. Связь эта состоит в том, что с одной стороны, реакции биосинтеза нуждаются в затрате энергии, которая черпается из реакций расщепления. С другой стороны, для осуществления реакций энергетического обмена необходим постоянный биосинтез ферментов и веществ-энергоносителей.

4.

Совокупность пластического и энергетического обменов, взаимосвязанных между собой и окружающей средой, называют обменом веществ.

5.

Обмен веществ или метаболизм – важнейшее условие и необходимый признак жизни. С прекращением обмена веществ прекращается и сама жизнь! 13

Выводы 1.

Метаболизм — совокупность всех химических изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах, обеспечивающих развитие, жизнедеятельность и самовоспроизведение организмов, их связь с окружающей средой и адаптацию к изменениям внешних условий.

2.

Метаболизм складывается из двух противоположных и взаимосвязанных процессов – анаболизма и катаболизма. Так как анаболизм и катаболизм являются противоположными и одновременно взаимосвязанными процессами, то их совокупность, то есть метаболизм можно считать примером всеобщего закона единства и борьбы противоположностей. Метаболизм – важнейший биологический процесс и необходимый признак жизни.

3.

4.

14

Самопроверка:

Вопросы: 1. Почему анаболизм называют пластическим обменом? 2. Какие процессы могут быть примером анаболизма? 3. Почему катаболизм называют энергетическим обменом? 4. Какие процессы могут быть примером катаболизма? 5. Что такое метаболизм?

15

Разница между метаболизмом, катаболизмом и анаболизмом

Ключевое отличие: метаболизм относится к биохимическим реакциям, которые происходят в организме. Эти реакции важны для поддержания жизни. Он состоит из двух процессов — катаболизма и анаболизма. Катаболизм имеет дело с расщеплением больших молекул на более мелкие. Обычно это процессы высвобождения энергии. С другой стороны, анаболизм связан с синтезом сложных молекул из более простых. Это процессы использования энергии.

Клетки являются важными составляющими любого организма. Многочисленные химические реакции происходят в этих клетках, чтобы выполнить различные действия. Все реакции вместе называют метаболизмом. Химические вещества, которые участвуют в обмене веществ, известны как метаболиты. Метаболизм, как биохимические процессы, важен во многих контекстах. Они важны для поддержания жизни. Эти процессы обеспечивают необходимые механизмы для роста, размножения, восстановления повреждений и многое другое.

Реакция метаболизма организована в метаболические пути, как в метаболическом пути, известном как гликолиз, глюкоза превращается в пируват и производит АТФ. Во время химических реакций задействована энергия. Это или взято или выпущено. Метаболизм отвечает за управление материальными и энергетическими ресурсами клетки. При катаболизме более сложные органические молекулы распадаются на более простые вещества. Эти реакции обычно приводят к выделению энергии, которая затем используется для запуска химических реакций.

Пример катаболизма

Топливо (углеводы, жиры, белки) -> CO2 + h3O + полезная энергия

Организмы классифицируются на основе типа катаболизма —

  • Органотрофы — организмы, которые используют органические источники в качестве источника энергии
  • Литотрофы — организмы, которые используют неорганические субстраты
  • Фототрофы — организмы, которые используют солнечный свет в качестве химической энергии

С другой стороны, в реакциях анаболизма более простые вещества объединяются, образуя сложные молекулы. Эти реакции обычно требуют энергии, чтобы иметь место. В этом контексте анаболизм и катаболизм могут рассматриваться как противоположность друг другу. Таким образом, анаболизм можно назвать «наращиванием», тогда как катаболизм можно назвать «разрушением». Энергия, выделяемая катаболическими реакциями, используется для проведения анаболических реакций.

Пример анаболизма

Полезная энергия + маленькие молекулы -> сложные молекулы

Метаболизм включает в себя как катаболизм, так и обмен веществ. Таким образом, он уравновешивает обе операции, которые происходят одновременно. Катаболизм также известен как разрушительный метаболизм. С другой стороны, анаболизм также известен как конструктивный метаболизм.

Сравнение между метаболизмом, катаболизмом и анаболизмом:

метаболизм

катаболизм

Анаболизм

Определение

Метаболизм относится к биохимическим реакциям, которые происходят в организме. Он состоит из двух процессов — катаболизма и анаболизма

Катаболизм имеет дело с процессами высвобождения энергии.

Анаболизм связан с процессами использования энергии.

Происхождение слова

От греческого: μεταβολή метабол, «изменение» или греческий: μεταβολισμός метаболизм, «выброс»

От греческого ката = вниз + баллин = бросить

С греческого: ανά «вверх» и βάλλειν «бросить»

Тип

Включает в себя катаболизм и анаболизм

Это ломает вещи и высвобождает энергию

Он строит вещи и потребляет энергию

значение
  • Рост и деление
  • Поддержание клеточных структур
  • Чувствовать / реагировать на окружающую среду

Высвобождаемая энергия обеспечивает топливо для анаболизма, нагревает тело и позволяет мышцам сокращаться, а тело — двигаться.
  • Поддерживает рост новых клеток
  • Помогает в поддержании тканей организма
  • Это поддерживает хранение энергии для будущего использования

Форма энергии

Включает в себя клинику формы катаболизма и обмена веществ

Энергия высвобождается как кинетическая энергия

Энергия используется и хранится как потенциальная энергия

пример

Включает примеры катаболизма и анаболизма

Клеточное дыхание, пищеварение, выведение

Фотосинтез у растений, ассимиляция у животных

Что такое метаболизм. Разбираемся вместе с Чайкой и Печалькой

Рисунок Ольги Фишер

В прошлый раз мы разобрались, что питание — это, в первую очередь, энергия. А как она преобразуется и какие реакции происходят в нашем организме? Что влияет на скорость этих реакций? Давайте поговорим об этом.

Что такое метаболизм

Для работы автомобиля нужен бензин, который преобразуется в энергию, благодаря которой машина едет. Нечто подобное происходит и с организмом человека. Питательные вещества — белки, жиры, углеводы, а также витамины, минералы и вода попадают в организм с пищей и вступают в обмен веществ или метаболизм.

Метаболизм переводится как «превращение» и объединяет все химические реакции в организме. Это реакции преобразования веществ, которые происходят во всех живых клетках и обеспечивают организм пластическими (строительными) материалами и энергией. 

Основной обмен веществ = Базальный метаболизм (БМ)

Базальный метаболизм (БМ) происходит непрерывно и динамично. Даже во сне. Это реакции в организме, которые требуют минимального количества энергии для поддержания основных жизненных функций — мышечного тонуса, регулирования температуры тела, образования клеток, сердцебиения, циркуляции крови, дыхания, работы мозга, а также —  работы почек и печени.

БМ — относительно постоянная величина для каждого человека, зависящая от:

  • возраста: чем моложе человек — тем быстрее у него метаболизм и каждые десять лет БМ замедляется в среднем на 2%;
  • пола: у мужчин БМ на 10% быстрее, чем у женщин;
  • роста и веса: только веса не за счёт жировой ткани — она расходует гораздо меньше энергии, чем мышцы;
  • мышечной массы: мышцам нужно больше энергии, чем жировым тканям, каждые десять лет организм теряет ~ 3 кг мышц;
  • климатических условий: в холодном климате, чтобы согреться, организм тратит больше энергии;
  • воды в организме: недостаток воды значительно замедляет метаболизм, так как главной задачей организма становится восстановление запасов жидкости, а не преобразования жиров в энергию;
  • режима сна: гормон роста соматотропин, ответственный за обновление клеток головного мозга и ускорения обмена веществ, вырабатывается в организме во время глубокого сна ночью;
  • функционального состояния организма, то есть, правильной работы наших органов. 

Дополнительный метаболизм 

Это обмен веществ, связанный с любой деятельностью, кроме отдыха. Наши физические нагрузки увеличивают работу мышц, учащается наше сердцебиение, дыхание. После интенсивных физических нагрузок метаболизм увеличивается на 25-30% в течение трёх часов, а в течение следующих суток после тренировки — на 5-7%. Наша Чайка, например, летает каждый день, и помногу! 

Рисунок Ольги Фишер

В отличие от плохих веществ и жира в организме, движением нельзя запастись впрок, поэтому так важно поддерживать активный образ жизни. Ежедневно здоровый человек должен проходить 10 000 шагов или 40 минут активно двигаться. И обязательно внимательно относиться к тому, что он ест. Наша Печалька, пока что, предпочитает чипсы и диван, иногда — компьютер. Вам знакомо?

Конечно, процесс пищеварения тоже создаёт дополнительную нагрузку. Организм использует на переваривание еды 5-10% процентов от общего количества энергии, которую мы получаем с питанием.

А ещё — дополнительную нагрузку создаёт активная умственная деятельность. Когда мы решаем какую-то задачу, читаем книгу — наш мозг тоже питается! 

Катаболизм и анаболизм

Мы уже знаем, что метаболизм — это химические реакции в организме. А что они из себя представляют, какие они бывают? Анаболизм и катаболизм — это две неразрывно связанные фазы метаболизма. Для протекания анаболизма необходима энергия, которая высвобождается в процессе катаболизма. А для катаболического процесса нужны вещества, которые вырабатываются при анаболизме.

Катаболизм (энергетический обмен) — это преобразование питательных веществ из еды (белков, жиров и углеводов) в их в энергию и «строительные материалы», которые организм сможет использовать для роста и развития. Основным катаболическим процессом является пищеварение, при котором питательные вещества попадают в организм и распадаются на более простые компоненты для использования организмом.

Анаболизм (пластический метаболизм) — это химические реакции создания клеток. Анаболические процессы используют энергию, полученную в результате катаболических.Этот процесс приводит к росту тканей, мышечной массы, синтезу гормонов и ферментов. Для нормального протекания анаболизма организму необходимы белки, витамины, минералы и аминокислоты. Анаболизмом называется не только рост мышц, но и жировой ткани. Наша Печалька частенько переедает, и у неё виден животик.

Если в организме процессы анаболизма преобладают, то растёт масса тела. Если же преобладает катаболизм – структуры тканей разрушаются и высвобождается большое количество энергии. Поэтому, для поддержания здорового веса и формы, количество употребляемой пищи должно соответствовать нашим энергозатратам. Чайка не переедает и не голодает, поэтому ей легко летать, пузико не тянет её на землю, и крылья выдерживают долгие перелёты.

Метаболизм в разном возрасте

С рождения и до подросткового возраста (13-15 лет) обмен веществ очень активный сам по себе. Все жизненные процессы ориентированы на формирование и развитие организма — развиваются мышечные и костные ткани, организм расходует энергию для функционирования органов и их систем, физической активности. 

У молодежи (13-20 лет) наблюдается гормональный бум. В основном за счёт интенсивной секреции (выработки) половых гормонов и активированной деятельности щитовидной железы. К 20-25 годам гормональный фон стабилизируется. 

После 25 лет количество выделяемого соматотропина снижается. В 30-40 лет изменяется баланс мужских и женских половых гормонов в организме. Пищеварительная система начинает работать медленнее. Меняется и образ жизни — он становится малоподвижным. Снижается активность мышц, и, как следствие, замедляется скорость метаболизма. Похудеть становится всё труднее, и при потере мышечной массы в организме накапливается жир.

В 40-50 лет из-за нехватки гормона щитовидной железы — тироксина — скорость метаболизма снижается на ~ 30-40%. Ухудшается состояние мышц, волос и кожи, возникают проблемы с весом. Мышечная ткань заменяется жировой тканью. В этом возрасте необходимо укреплять тело и скелет тонизирующими упражнениями, снижающими риск развития остеопороза (хрупкости костей). 

После 50 вес нормализуется, но замедляется пищеварение. Чаще возникают проблемы с холестерином (он негативно влияет на здоровье сердца). Уменьшение количества пищевых жиров и физическая активность может помочь снизить уровень плохого холестерина. 

Как ускорить метаболизм?

  • Регулярно питаться. Лучше есть часто и понемногу (три основных приёма + два перекуса), а не один — два раза в день и переедать.
  • Не наедаться на ночь — обменные процессы в ночное время замедляются. 
  • Отказаться от вредностей. Это не только такие крайности, как алкоголь и сигареты, но и чипсы, батончики, сладкие лимонады. В общем, всё слишком жирное, сладкое и солёное.
  • Пить достаточно воды. Наш организм на 70% состоит из воды. Она участвует во всех химических реакциях, и её недостаток значительно замедляет метаболизм.
  • Не злоупотреблять диетами — они истощают наш организм и замедляют обмен веществ.
  • Высыпаться. Люди, спящие в среднем около шести часов в сутки, чаще страдают от проблем с метаболизмом, чем те, кто спит больше. Оптимальное количество сна индивидуально для каждого, но для большинства людей это 7-9 часов.
  • Двигаться и быть активными. Больше прогулок на свежем воздухе, активных игр с друзьями или домашними, зарядка по утрам.
  • Не сидеть подолгу возле экранов и мониторов. Меньше просмотра сериалов, компьютерных игр и соцсетей! Давайте прямо сейчас встанем и подвигаемся!

    В следующие выходные мы начнём говорить о макронутриентах — питательных веществах, необходимых нашему организму в больших количествах.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Нас можно найти также:

Что такое метаболизм, катаболизм и анаболизм?

Подавляющее большинство людей считают невероятное функционирование собственного тела само собой разумеющимся. Однако это немного понятно, поскольку большинство процессов, которые поддерживают нас в живых, в значительной степени находятся вне нашего контроля. Большинство систем, поведения и реакций, которые происходят в организме, происходят без нашего сознательного мышления или контроля, за исключением того, что мы не забываем есть пищу, пить воду, регулярно спать и избегать опасных или экстремальных условий.

Итак, что это за таинственная безмолвная сила, которая ведет нас с утра до ночи и от рождения к смерти, делая все возможное, чтобы мы выжили и процветали? Все очень просто — наш метаболизм .

Это слово широко распространено, особенно в отношении проблем потери веса, сжигания жира и нашего надоедливого друга, который жалуется: «Независимо от того, сколько я ем, я не могу набрать вес. Мой метаболизм просто супер-быстрый! » Однако слово «метаболизм» имеет гораздо большее значение, и это то, что каждый должен понимать немного лучше?

Метаболизм — это собирательное слово для тысяч химических реакций, которые происходят в нашем теле каждый божий день нашей жизни, в первую очередь тех, которые связаны с преобразованием энергии, что важно для выживания и функций организма.Этот набор процессов служит трем основным целям в организме — расщеплять пищу, которую мы потребляем, в полезную энергию для функционирования клеток, преобразовывать расщепленную пищу в пригодные для использования молекулы, такие как липиды, углеводы, белки и нуклеиновые кислоты, и устранять определенные продукты жизнедеятельности организма.

Хотя эти цели могут показаться относительно простыми для достижения, жизненно важные процессы метаболизма — это то, что поддерживает нашу жизнь; без полезной энергии, преобразованной из пищи, которую мы едим, наши тела отключились бы.Другими словами, метаболизм — это руководство пользователя для двигателя нашего тела, что делает его действительно очень важным.

На самом базовом уровне метаболизм можно разделить на два основных подразделения: катаболизм и анаболизм, которые мы объясним более подробно ниже.

Что такое катаболизм?

Проще говоря, катаболизм, также известный как деструктивный метаболизм, — это совокупность процессов, которые расщепляют пищу и молекулы жидкости, которые мы потребляем, в пригодные для использования формы энергии.Пища, которую мы едим, находится в форме овощей, фруктов, злаков, животных белков и т. Д., Но наш организм не может использовать пищу в этой форме.

Катаболические процессы расщепляют биомолекулы на более мелкие единицы, которые затем могут быть окислены, или они могут использоваться в анаболических процессах (творческий метаболизм) для создания новых более крупных молекул. Вы, наверное, уже знаете главный катаболический процесс в организме — пищеварение! Когда более крупные молекулы разбиваются на более мелкие, высвобождается энергия, которую может использовать организм.

Некоторые из основных катаболических процессов в организме — это распад полисахаридов (гликогена, крахмала и т. Д.) На моносахариды (фруктоза, глюкоза и т. Д.), Расщепление белков на нуклеиновые кислоты и расщепление нуклеиновых кислот на нуклеотиды.

Катаболические процессы часто связаны с определенными запускающими гормонами, включая адреналин, глюкагон, цитокины и кортизол. Как и все, что происходит в организме, катаболические процессы необходимо регулировать и контролировать, поэтому эти гормоны так важны.Эти гормоны будут влиять на все, от вашей частоты сердечных сокращений и уровней поглощения кислорода до концентрации глюкозы в крови и эффективности связи между вашими клетками.

Когда эти гормоны активируются, высвобождаются или запускаются, они стимулируют необходимое расщепление доступных питательных веществ для производства энергии для функционирования организма. Например, когда вы сталкиваетесь с опасной ситуацией, организм переходит в режим борьбы или бегства, в этот момент высвобождается адреналин, который ускоряет ваш сердечный ритм, увеличивает способность ваших легких потреблять кислород и стимулирует распад гликоген в глюкозу, основную энергетическую единицу, которую организм может использовать для борьбы или бегства.

Что такое анаболизм?

Как и многое другое в природе, метаболизм находится в естественном равновесии. Катаболические пути считаются деструктивными формами метаболизма, а анаболические пути — конструктивными. Другое название анаболизма — биосинтез, потому что эти процессы синтезируют небольшие молекулы в более крупные и сложные соединения, которые требуются организму. В больших масштабах вы можете увидеть результаты анаболизма у растущего ребенка, заживающие раны или опухшие мышцы.В микроскопическом масштабе анаболические процессы в клетках включают превращение аминокислот (мономеров) в белки (полимеры).

Как и в случае катаболизма, анаболизм также контролируется или регулируется гормонами, в первую очередь гормоном роста человека, инсулином, тестостероном и эстрогеном. Анаболические процессы в значительной степени подпитываются катаболическими процессами, поскольку организму требуется энергия и сырье, прежде чем оно сможет работать и создавать более сложные молекулы.

Теперь, когда вы понимаете некоторые тонкости метаболизма, а именно расщепление и образование различных молекул, необходимых для жизни, мы должны обратиться к одному из наиболее распространенных вопросов, связанных с метаболизмом, «скоростью», с которой он работает.

Метаболизм и управление весом

Когда люди изо всех сил пытаются сохранить свой размер или теряют определенное количество веса, виной всему часто называют метаболизм. Вы, наверное, слышали, как многие люди утверждают, что у них либо медленный, либо быстрый метаболизм, что, следовательно, влияет на размер их тела. Однако такие утверждения не подтверждаются наукой, которая показала, что скорость метаболизма у большинства людей на самом деле довольно схожа. Есть некоторые состояния, такие как заболевания щитовидной железы, которые замедляют или ускоряют метаболизм и влияют на размер тела, но они относительно редки.

Факторы, которые действительно влияют на ваш метаболизм, включают ваше телосложение, ваш возраст и ваш пол. Те, у кого больше мышечной массы, естественным образом сжигают больше калорий, даже когда они не тренируются. Мужчины, как правило, имеют большую мышечную массу, чем женщины, что облегчает сокращение калорий и веса. Наконец, с возрастом уровень физической активности часто падает, как и мышечная масса, что затрудняет похудение.

Когда вы добавляете энергию в тело (употребляя пищу), если организму не нужно использовать ее всю, она будет откладываться в виде жира.Когда организму требуется эта энергия, эти запасы могут расщепляться и использоваться (катаболизм), что приводит к потере веса. Баланс того, что вы потребляете, и физической активности, которую вы выполняете, будет определять ваш успех или неудачу, когда дело доходит до контроля веса.

При этом типы упражнений, которые вы выполняете, могут повлиять на ваш вес. Катаболические упражнения — это упражнения, которые расщепляют жир и сжигают калории, такие как бег, аэробика, плавание, езда на велосипеде и т. Д. Анаболические упражнения — это упражнения, направленные на увеличение мышечной массы, такие как поднятие тяжестей, тренировки с отягощениями или любые другие интенсивные, концентрированные форма разработки.

Заключительное слово

Статьи по теме

Статьи по теме

Метаболизм человека может показаться сложным, но понимание анаболических и катаболических аспектов поможет вам принять правильные решения в отношении образа жизни. Когда вы выбираете, какие продукты есть в своем организме, учитывайте их пищевую ценность и не переедайте, если вы пытаетесь похудеть! Кроме того, при выполнении упражнений разумно выбирайте между катаболическими и анаболическими упражнениями, в зависимости от ваших индивидуальных целей в отношении здоровья!

Резюме — Биохимия — Книжная полка NCBI

Все клетки преобразуют энергию.Они извлекают энергию из окружающей среды и используют эту энергию для преобразования простых молекул в клеточные компоненты.

Метаболизм состоит из множества связанных, взаимосвязанных реакций

Процесс преобразования энергии происходит через высоко интегрированную сеть химических реакций, называемых метаболизмом. Метаболизм можно подразделить на катаболизм (реакции, используемые для извлечения энергии из топлива) и анаболизм (реакции, которые используют эту энергию для биосинтеза). Самая ценная термодинамическая концепция для понимания биоэнергетики — это свободная энергия.Реакция может происходить самопроизвольно, только если изменение свободной энергии (Δ G ) отрицательное. Термодинамически неблагоприятная реакция может быть вызвана термодинамически благоприятной реакцией, которой во многих случаях является гидролиз АТФ. Гидролиз АТФ сдвигает равновесие сопряженной реакции примерно в 10 8 раз. АТФ, универсальная валюта энергии в биологических системах, представляет собой богатую энергией молекулу, поскольку она содержит две фосфоангидридные связи.

Окисление углеродного топлива — важный источник энергии клеток

Образование АТФ связано с окислением углеродного топлива либо напрямую, либо через образование ионных градиентов.Фотосинтезирующие организмы могут использовать свет для создания таких градиентов. АТФ расходуется при сокращении мышц и других движениях клеток, в активном транспорте, в процессах передачи сигналов и в биосинтезе. Есть три стадии извлечения энергии из пищевых продуктов аэробными организмами. На первом этапе большие молекулы разбиваются на более мелкие, такие как аминокислоты, сахара и жирные кислоты. На втором этапе эти небольшие молекулы распадаются на несколько простых единиц, которые играют важную роль в метаболизме.Одним из них является ацетильное звено ацетил-КоА, носителя активированных ацильных групп. Третья стадия метаболизма — цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование, в котором АТФ генерируется в виде потока электронов к O 2 , конечному акцептору электронов, а топливо полностью окисляется до CO 2 .

Метаболические пути содержат много повторяющихся мотивов

Метаболизм характеризуется общими мотивами. Небольшое количество активированных носителей, таких как АТФ, НАДН и ацетил-КоА, используется во многих метаболических путях.НАДФН, который несет два электрона с высоким потенциалом, обеспечивает снижение мощности при биосинтезе компонентов клетки из более окисленных предшественников. АТФ и НАДФН постоянно генерируются и потребляются. Большинство передач активированных групп в метаболизме опосредуются повторяющимся набором носителей. Более того, ключевые типы реакций многократно используются в метаболических путях.

Метаболизм регулируется множеством способов. Количество некоторых критических ферментов контролируется регулированием скорости синтеза и распада белка.Кроме того, каталитическая активность многих ферментов регулируется аллостерическими взаимодействиями (например, ингибирование обратной связью) и ковалентной модификацией. Также контролируется перемещение многих субстратов в клетки и субклеточные компартменты. Определенные пути биосинтеза и деградации способствуют регуляции метаболизма. Энергетический заряд, который зависит от относительных количеств АТФ, АДФ и АМФ, играет роль в регуляции метаболизма. Высокоэнергетический заряд подавляет АТФ-генерирующие (катаболические) пути, в то время как он стимулирует АТФ-утилизирующие (анаболические) пути.

Ключевые термины

фототроф

хемотроф

метаболизм или промежуточный метаболизм

катаболизм

анаболизм

амфиболический путь

сопряженная реакция

реакция восстановления фосфорила

000

000 окислительный перенос

000

000 окислительный перенос

000

реакция лигирования

реакция изомеризации

реакция переноса группы

гидролитическая реакция

присоединение или образование реакции двойной связи

энергетический заряд

потенциал фосфорилирования

Анаболические и катаболические пути — Пересмотр биологических путей человека — Высшие биологические пути

Ферменты контролируют метаболические пути.Ферменты изменяют субстрат на каждом этапе метаболического пути, чтобы в конце получить конечный продукт.

Существуют различные типы метаболических путей:

  • анаболические — этот тип пути требует энергии и используется для создания больших молекул из более мелких (биосинтез).
  • катаболический — этот тип пути высвобождает энергию и используется для расщепления больших молекул на более мелкие (разложение).

Пример анаболической реакции — синтез гликогена из глюкозы.

Примером катаболической реакции является процесс переваривания пищи, когда различные ферменты расщепляют частицы пищи, чтобы они могли всасываться в тонком кишечнике.

Метаболические пути могут быть обратимыми или необратимыми . Почти все пути обратимы.

Если конкретный фермент или субстрат недоступен в пути, то иногда конечный продукт все же может быть получен с использованием альтернативного маршрута (другой путь метаболизма).Это может занять больше времени, но все же приведет к необходимому конечному продукту.

Разница между метаболизмом, катаболизмом и анаболизмом

Ключевое отличие: Метаболизм — это биохимические реакции, происходящие в организме. Эти реакции важны для поддержания жизни. Он состоит из двух процессов — катаболизма и анаболизма. Катаболизм имеет дело с расщеплением более крупных молекул на более мелкие. Обычно это процессы высвобождения энергии. С другой стороны, анаболизм связан с синтезом сложных молекул из более простых.Это энергоемкие процессы.

Клетки — важные составляющие любого организма. В этих клетках происходят многочисленные химические реакции, выполняющие различные действия. Все реакции вместе называются метаболизмом. Химические вещества, участвующие в метаболизме, известны как метаболиты. Метаболизм как биохимический процесс важен во многих контекстах. Они важны для поддержания жизни. Эти процессы обеспечивают необходимые механизмы для роста, воспроизводства, восстановления повреждений и многого другого.

Реакция метаболизма организована в метаболические пути, такие как метаболический путь, известный как гликолиз, глюкоза превращается в пируват и производит АТФ. В химических реакциях участвует энергия. Его либо принимают, либо отпускают. Метаболизм отвечает за управление материальными и энергетическими ресурсами клетки. При катаболизме более сложные органические молекулы распадаются на более простые вещества. Эти реакции обычно приводят к высвобождению энергии, которая в дальнейшем используется для запуска химических реакций.

Пример катаболизма

Топливо (углеводы, жиры, белки) -> CO2 + h3O + полезная энергия

Организмы классифицируются по типу катаболизма —

  • Органотрофы — организмы, использующие органические источники в качестве источника энергии
  • Литотрофы — организмы, использующие неорганические субстраты
  • Фототрофы — Организмы, использующие солнечный свет в качестве химической энергии

С другой стороны, в реакциях анаболизма более простые вещества объединяются, образуя сложные молекулы.Эти реакции обычно требуют энергии. В этом контексте анаболизм и катаболизм можно рассматривать как противоположные друг другу. Таким образом, анаболизм можно назвать «наращиванием», а катаболизм — «разрушением». Энергия, выделяемая при катаболических реакциях, используется для проведения анаболических реакций.

Пример анаболизма

Полезная энергия + малые молекулы -> сложные молекулы

Метаболизм включает катаболизм и метаболизм.Таким образом, он уравновешивает оба действия, которые происходят одновременно. Катаболизм также известен как деструктивный метаболизм. С другой стороны, анаболизм также известен как конструктивный метаболизм.

Сравнение метаболизма, катаболизма и анаболизма:

Метаболизм

Катаболизм

Анаболизм

Определение

Метаболизм — это биохимические реакции, происходящие в организме.Он состоит из двух процессов — катаболизма и анаболизма

.

Катаболизм имеет дело с процессами высвобождения энергии.

Анаболизм связан с процессами потребления энергии.

Происхождение слова

С греческого: μεταβολή метаболе, «изменение» или греческого: μεταβολισμός метаболизм, «выброс»

От греческого ката = вниз + баллейн = бросить

От греческого: ανά «вверх» и βάλλειν «бросать»

Тип

Включает катаболизм и анаболизм

Он ломает вещи и высвобождает энергию

Строит вещи и потребляет энергию

Важность

  • Рост и разделение
  • Поддержание клеточных структур
  • Чувствовать / реагировать на окружающую среду

Высвобождаемая энергия обеспечивает топливо для анаболизма, нагревает тело и позволяет мышцам сокращаться, а тело двигаться.
  • Поддерживает рост новых клеток
  • Помогает в поддержании тканей организма
  • Поддерживает хранение энергии для будущего использования

Энергетическая форма

Включает энергетические формы катаболизма и метаболизма

Энергия выделяется в виде кинетической энергии

Энергия используется и сохраняется как потенциальная энергия

Пример

Включает примеры катаболизма и анаболизма

Дыхание, пищеварение, выделение клеток

Фотосинтез в растениях, ассимиляция у животных

Разница между анаболизмом и катаболизмом

Главное отличие — анаболизм против катаболизма

Анаболизм и катаболизм — это совокупность метаболических процессов, которые вместе идентифицируются как метаболизм.Анаболизм — это набор реакций, участвующих в синтезе сложных молекул, начиная с небольших молекул внутри тела. Катаболизм — это набор реакций, участвующих в расщеплении сложных молекул, таких как белки, гликоген и триглицериды, на простые молекулы или мономеры, такие как аминокислоты, глюкоза и жирные кислоты соответственно. Основное различие между анаболизмом и катаболизмом состоит в том, что анаболизм — это конструктивный процесс, а катаболизм — это деструктивный процесс .

В этой статье объясняется,

1. Что такое анаболизм
— Определение, процессы, стадии, функция
2. Что такое катаболизм
— Определение, процессы, стадии, функция
3. В чем разница между анаболизмом и катаболизмом

Что такое анаболизм

Набор реакций, при которых синтезируются сложные молекулы, начиная с небольших молекул, известен как анаболизм.Таким образом, анаболизм — это конструктивный процесс. Анаболические реакции требуют энергии в виде АТФ. Их считают эндергоническими процессами. При синтезе сложных молекул ткани и органы строятся поэтапно. Эти сложные молекулы необходимы для роста, развития и дифференциации клеток. Они увеличивают мышечную массу и минерализуют кости. Многие гормоны, такие как инсулин, гормон роста и стероиды, участвуют в процессе анаболизма.

В анаболизме участвуют три стадии.На первом этапе производятся такие предшественники, как моносахариды, нуклеотиды, аминокислоты и изопреноиды. Во-вторых, эти предшественники активируются с помощью АТФ в активную форму. В-третьих, эти реактивные формы собраны в сложные молекулы, такие как полисахариды, нуклеиновые кислоты, полипептиды и липиды.

Организмы можно разделить на две группы в зависимости от их способности синтезировать сложные молекулы из простых предшественников. Некоторые организмы, такие как растения, могут синтезировать сложные молекулы в клетке, начиная с одного предшественника углерода, такого как диоксид углерода.Их называют автотрофами. Гетеротрофы используют промежуточно сложные молекулы, такие как моносахариды и аминокислоты, для синтеза полисахаридов и полипептидов соответственно. С другой стороны, в зависимости от источника энергии организмы можно разделить на две группы: фототрофы и хемотрофы. Фототрофы получают энергию от солнечного света, а хемотрофы получают энергию от окисления неорганических соединений.

Фиксация углерода из углекислого газа достигается либо фотосинтезом, либо хемосинтезом.У растений фотосинтез происходит через световую реакцию и цикл Кальвина. Во время фотосинтеза образуется глицерат-3-фосфат, гидролизующий АТФ. Глицерат-3-фосфат позже превращается в глюкозу в результате глюконеогенеза. Фермент гликозилтрансфераза полимеризует моносахариды с образованием моносахаридов и гликанов. Обзор фотосинтеза показан на рис. 1 .

Рисунок 1: Фотосинтез

В процессе синтеза жирных кислот ацетил-КоА полимеризуется с образованием жирных кислот.Изопреноиды и терпены — это большие липиды, синтезируемые полимеризацией изопреновых звеньев во время мевалонатного пути. Во время синтеза аминокислот некоторые организмы способны синтезировать незаменимые аминокислоты. Аминокислоты полимеризуются в полипептиды во время биосинтеза белка. Пути de novo и пути восстановления участвуют в синтезе нуклеотидов, которые затем могут быть полимеризованы с образованием полинуклеотидов во время синтеза ДНК.

Что такое катаболизм

Набор реакций, при которых сложные молекулы расщепляются на мелкие части, известен как катаболизм.Таким образом, катаболизм — это деструктивный процесс. Катаболические реакции высвобождают энергию в форме АТФ, а также тепло. Их считают экзэргоническими процессами. Небольшие единицы молекул, образующиеся при катаболизме, могут использоваться в качестве предшественников в других анаболических реакциях или для высвобождения энергии путем окисления. Таким образом, считается, что катаболические реакции производят химическую энергию, необходимую для анаболических реакций. Некоторые клеточные отходы, такие как мочевина, аммиак, молочная кислота, уксусная кислота и диоксид углерода, также образуются во время катаболизма.Многие гормоны, такие как глюкагон, адреналин и кортизол, участвуют в катаболизме.

В зависимости от использования органических соединений в качестве источника углерода или донора электронов организмы классифицируются как гетеротрофы и органотрофы соответственно. Гетеротрофы расщепляют моносахариды, такие как промежуточные сложные органические молекулы, чтобы генерировать энергию для клеточных процессов. Органотрофы разрушают органические молекулы, чтобы произвести электроны, которые могут быть использованы в их цепи переноса электронов, генерируя энергию АТФ.

Макромолекулы, такие как крахмал, жиры и белки из пищи, поглощаются и расщепляются на небольшие единицы, такие как моносахариды, жирные кислоты и аминокислоты, соответственно, во время пищеварения пищеварительными ферментами. Затем моносахариды используются в гликолизе для получения ацетил-КоА. Этот ацетил-КоА используется в цикле лимонной кислоты. АТФ производится путем окислительного фосфорилирования. Жирные кислоты используются для производства ацетил-КоА путем бета-окисления. Аминокислоты либо повторно используются в синтезе белков, либо окисляются до мочевины в цикле мочевины.Процесс клеточного дыхания, включающий гликолиз, цикл лимонной кислоты и окислительное фосфорилирование, показан на рисунке 2.

Рисунок 2: Клеточное дыхание

Разница между анаболизмом и катаболизмом

Определение

Анаболизм: Анаболизм — это метаболический процесс, при котором простые вещества синтезируются в сложные молекулы.

Катаболизм: Катаболизм — это метаболический процесс, при котором большие молекулы расщепляются на более мелкие.

Роль в метаболизме

Анаболизм: Анаболизм — это конструктивная фаза метаболизма.

Катаболизм: Катаболизм — разрушительная фаза метаболизма.

Требования к энергии

Анаболизм: Анаболизм требует энергии АТФ.

Катаболизм: Катаболизм высвобождает энергию АТФ.

Тепло

Анаболизм: Анаболизм — это эндергоническая реакция.

Катаболизм: Катаболизм — это экзэргоническая реакция.

Гормоны

Анаболизм: Эстроген, тестостерон, гормон роста, инсулин и т. Д. Участвуют в анаболизме.

Катаболизм: Адреналин, кортизол, глюкагон, цитокины и т. Д. Участвуют в катаболизме.

Использование кислорода

Анаболизм: Анаболизм анаэробный; он не использует кислород.

Катаболизм: Катаболизм аэробный; он использует кислород.

Влияние на кузов

Анаболизм: Анаболизм увеличивает мышечную массу.Формирует, ремонтирует и украшает ткани.

Катаболизм: Катаболизм сжигает жир и калории. Он использует хранящуюся пищу для выработки энергии.

Функциональность

Анаболизм: Анаболизм действует в состоянии покоя или во сне.

Катаболизм: Катаболизм является функциональным при активности тела.

Преобразование энергии

Анаболизм: Кинетическая энергия преобразуется в потенциальную во время анаболизма.

Катаболизм: Потенциальная энергия преобразуется в кинетическую энергию во время катаболизма.

Процессы

Анаболизм: Анаболизм возникает во время фотосинтеза у растений, синтеза белка, синтеза и ассимиляции гликогена у животных.

Катаболизм: Катаболизм происходит во время клеточного дыхания, пищеварения и выделения.

Примеры

Анаболизм: Синтез полипептидов из аминокислот, гликогена из глюкозы и триглицеридов из жирных кислот являются примерами анаболических процессов.

Катаболизм: Распад белков на аминокислоты, гликогена на глюкозу и триглицеридов на жирные кислоты являются примерами катаболических процессов.

Заключение

Анаболизм и катаболизм вместе можно назвать метаболизмом. Анаболизм — это конструктивный процесс, в котором используется энергия в форме АТФ. Это происходит во время таких процессов, как фотосинтез, синтез белка, синтез гликогена. Анаболизм сохраняет в организме потенциальную энергию, увеличивая массу тела.Катаболизм — это деструктивный процесс, который высвобождает АТФ, который может использоваться во время анаболизма. Он сжигает накопленные сложные молекулы, уменьшая массу тела. Основное различие между анаболизмом и катаболизмом — это тип реакций, участвующих в этих двух процессах.

Ссылки:
1. «Метаболизм». Википедия . Фонд Викимедиа, 12 марта 2017 г. Web. 16 марта 2017 г.

Изображение предоставлено:
1. «Простой обзор фотосинтеза» Дэниел Майер (mav) — исходное изображение Векторная версия Ерпо — собственная работа (GFDL) через Commons Wikimedia
2.«2503 Cellular Respiration» Колледж OpenStax — анатомия и физиология, веб-сайт Connexions. 19 июня 2013 г. (CC BY 3.0) через Commons Wikimedia

.

Метаболическая сигнатура кожи, подвергшейся воздействию солнца, предполагает, что катаболический путь перевешивает анаболический путь

Abstract

Кожа, постоянно подвергающаяся воздействию солнца, приводит к фенотипическим изменениям, называемым фотостарением. Этот аспект старения широко изучался с помощью геномных и протеомных инструментов. Метаболиты, конечный продукт, образующийся в результате биохимических реакций, часто изучается как кульминация сложного взаимодействия экспрессии генов и белков.В этом исследовании мы сосредоточились исключительно на метаболоме, чтобы изучить эффекты воздействия солнечных лучей и защищенных от солнца участков кожи 25 человек. Мы создали высокоточную метаболомную подпись для кожи, подвергающейся воздействию солнца. Анализ биохимических путей на основе этого набора данных показал, что кожа, подвергающаяся воздействию солнца, находится в условиях высокого окислительного стресса, а цепочки реакций, производящих эти метаболиты, имеют тенденцию к катаболизму, а не анаболизму. Эти катаболические активности побуждают клетки кожи вырабатывать метаболиты по пути восстановления вместо de novo путей синтеза.Метаболомный профиль предполагает, что катаболические пути и активные формы кислорода работают по прямому каналу, изменяя биологию кожи, подвергшейся воздействию солнца.

Образец цитирования: Randhawa M, Sangar V, Tucker-Samaras S, Southall M (2014) Метаболическая сигнатура кожи, подвергшейся воздействию солнца, предполагает, что катаболический путь перевешивает анаболический путь. PLoS ONE 9 (3):
e

.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.00

Редактор: Анджей Т. Сломинский, Университет Теннесси, Соединенные Штаты Америки

Поступила: 6 декабря 2013 г .; Одобрена: 31 января 2014 г .; Опубликован: 6 марта 2014 г.

Авторские права: © 2014 Randhawa et al.Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Финансирование: Это исследование было поддержано и профинансировано Johnson & Johnson Consumer Companies Inc. Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы статьи MR, ST & MS — сотрудники Johnson and Johnson Consumer Companies Inc.Это исследование было поддержано и профинансировано Johnson & Johnson Consumer Companies Inc. Это не меняет приверженности авторов политике PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Кожа — самый крупный и один из самых сложных органов человеческого тела, на долю которого приходится почти 15% общей массы тела. Он служит важным связующим звеном с окружающей средой и, таким образом, действует как первая линия защиты от различных экологических оскорблений. Это высоко метаболически активный орган, который пытается поддерживать внутренний гомеостаз, передавая внешние сигналы внутренним биологическим процессам [1].Кожа, когда она постоянно подвергается воздействию солнца, не только приводит к заболеваниям, таким как меланома, но также влияет на ее фенотипический вид, обычно называемый фотостарением [2], [3]. Различные физические и химические факторы окружающей среды, вызываемые воздействием солнца или загрязнением, могут вызывать изменения в коже на генетическом уровне, уровне белков, а также на уровне метаболитов. Фенотипические изменения часто проявляются в коже в виде аномалий пигментации, утолщения эпидермиса, эритемы и других.Эти изменения происходят из-за изменений в различных биологических реакциях, включая повреждение ДНК [4], воспаление, подавление иммунитета [5], окислительный стресс, гиперпластические реакции кожи [6], а также нарушение гормонального баланса [7].

Фотостарение считается большой косметической проблемой и очень тщательно изучено с точки зрения фенотипических изменений и соответствующих изменений клеточных механизмов в коже. Последствия пребывания на солнце были ранее задокументированы как на генетическом, так и на протеомном уровне; однако исследования влияния солнечного излучения на биохимические изменения, приводящие к изменениям в метаболоме кожи, по существу ограничивались несколькими биомолекулами, такими как глутатион и катехоламин [8].Глутатион в окисленной или восстановленной форме часто обсуждается с точки зрения его антиоксидантной способности, тогда как метаболизм катехоламинов подробно обсуждается в контексте путей пигментации [9]. Исследования этих отдельных классов метаболитов часто обсуждаются в связи с их биологическим путем и описываются как результат определенного генетического пути, однако целостный подход к пониманию эффекта биохимически связанной группы метаболитов отсутствует. Например, биомолекулы, такие как катехоламины и ацетилхолин, класс нейромедиаторов, вырабатываемых в результате внешних раздражителей; может служить предшественником биогенных аминов [1], [10].Эти нейротрансмиттеры могут действовать паракринным или аутокринным образом, таким образом оказывая системное действие, тогда как биогенные амины также могут инициировать множество эффектов [11]. Подобные биомолекулы подчеркивают важность кожи как нейроэндокринного органа и центра разнонаправленных коммуникаций между различными частями тела [11], [12]. Следовательно, существует потребность в целостном изучении изменений в метаболомном профиле многофункционального органа, такого как кожа, поскольку эти изменения учитывают как отрицательные эффекты, такие как окислительный стресс или фазы гиперпролиферации [6], так и модулируют такие положительные эффекты, как ускорение восстановительных механизмов в коже.

Метаболиты, как мы знаем, рассматриваются как конечный продукт сложного взаимодействия между изменениями и взаимодействиями на геномном и белковом уровнях. Однако исследования нескольких метаболитов, часто исследуемых на подвергнутых воздействию солнечных лучей клетках кожи, не дают полной картины метаболомических характеристик кожи, подвергающейся воздействию солнечных лучей. Широкий спектр метаболических изменений, происходящих во время фотостарения, можно изучить с помощью метаболомики; что является относительно молодой ветвью «омиков». Эта отрасль науки фокусируется на изучении (качественно, количественно или того и другого) метаболома (суммы всех метаболитов в матрице), который клетки или организмы генерируют при заданных конкретных биологических условиях.Эти метаболиты могут генерироваться или расщепляться клетками, находящимися в клетках, секретироваться клетками или поглощаться из ECM (внеклеточная матрица). Исследование метаболомики дает нам возможность оценить изменения в изобилии большого количества метаболитов, представляющих несколько классов соединений, и эти изменения отражают глобальные сдвиги, такие как катаболический или анаболический метаболизм, и могут представлять общий физиологический статус, такой как стресс или гиперактивность биологических система.Метаболомный профиль является последующим продуктом многочисленных взаимодействий в масштабе генома или протеома, поэтому он может быть очень близким снимком фенотипа организма. Изучение этих изменений в контексте биохимических сетей и путей показало большие перспективы в качестве средства идентификации биомаркеров болезни [13].

Здесь мы представляем результаты исследования in vivo , посвященного влиянию солнечного света на метаболомный профиль кожи. В этом исследовании мы сравнили биохимические профили биоптатов, взятых из кожи, подвергшейся воздействию солнца (нижняя часть наружной руки), с биопсиями, взятыми из защищенной от солнца кожи (верхняя часть внутренней руки).Метаболомное сравнение этого исследования показало, что УФ-облучение i ) индуцирует катаболизм биомолекул ii ) проявляет повышенный окислительный стресс; iii ) катаболизм и окислительный стресс действуют по принципу прямой связи. Это исследование позволило лучше понять биологические реакции на солнечное воздействие на уровне метаболитов. В дополнение к повторению некоторых из ранее опубликованных наблюдений, мы выявили другие метаболические изменения в коже, связанные с пребыванием на солнце, которые ранее были неизвестны.

Материалы и методы

Дизайн исследования

Двадцать пять здоровых женщин в возрасте 40–50 лет с типами кожи I и II по Фитцпатрику были отобраны для этого исследования в одном центре исследования. Мы взяли биопсию кожи человека из области, подвергшейся воздействию солнца (ладонная рука) и области, не подвергавшейся воздействию (верхняя часть внутренней руки). Экспертный совет организации Allendale утвердил протокол исследования, и все участники исследования подписали форму информированного согласия до включения в исследование. В исследование были включены пациенты с кожными повреждениями от умеренного до тяжелого, и дерматолог определил повреждения.Были взяты две четырехметровые кожные пункционные биопсии на всю толщину кожи на ладонной руке, подвергнутой воздействию солнца, и на внутренней части верхней части руки, не подвергавшейся воздействию. После немедленного удаления подкожного жира биопсию осторожно замораживали в жидком азоте и хранили при -80 ° C, а затем образцы анализировали на предмет глобального нецелевого метаболического профиля компанией Metabolon Inc. (Дарем, Северная Каролина).

Пробоподготовка

Автоматическая система MicroLab STAR от компании Hamilton использовалась для подготовки образцов на основе метаболомического анализа.Перед первым этапом процесса экстракции для целей контроля качества были добавлены стандарты извлечения. Образцы гомогенизировали путем вымачивания в 80% -ном МеОН для извлечения малых молекул в соотношении объем / масса 4–1 [14]. После гомогенизации образцов была проведена серия органических и водных экстракций для удаления белковой фракции при максимальном извлечении малых молекул. Затем полученный экстракт разделяли на две фракции; один для анализа с помощью жидкостной хроматографии (ЖХ) и один для анализа с помощью газовой хроматографии (ГХ), и органический образец удаляли, помещая образец на короткое время в TurboVap (Zymark), а затем образцы замораживали и сушили в вакууме.Затем были подготовлены образцы для соответствующего прибора, либо ЖХ / МС, либо ГХ / МС. Образец «клиентской матрицы» (CMTRX) был создан путем объединения аликвот различных образцов для оценки изменчивости процесса в наборе данных на всех аналитических платформах. Периодические инъекции этих образцов CMTRX служили техническими репликами. Это позволило отслеживать и оценивать изменчивость количественного определения всех последовательно обнаруживаемых метаболитов, а также общую изменчивость процесса и производительность платформы.

Анализ проб

Экстракты всех экспериментальных образцов и образцов CMTRX были разделены для анализа на платформах ГХ / МС и ЖХ / МС / МС. Мы использовали среднее относительное стандартное отклонение (RSD) для биохимических веществ, последовательно измеряемых в CMTRX, чтобы представить общую вариабельность процесса для реальных экспериментальных образцов и вариабельность количественного определения эндогенных метаболитов в этих образцах. Значения RSD для различных метаболитов составляли от 2,5 до 24.9.

Образцы для ЖХ / МС анализировали на Waters ACQUITY UPLC (Waters, Millford, MA, USA) с использованием метода, описанного Evans et al [14]. Вкратце, экстракты восстанавливали в муравьиной кислоте и элюировали при скорости потока 350 мкл мин -1 , используя (1) градиент с 0,1% муравьиной кислоты в воде и (2) 0,1% муравьиной кислоты в метаноле (от 0 до 70% B за 4 мин, от 70 до 98% B за 0,5 мин, 98% B за 0,9 мин), в то время как экстракты, восстановленные в бикарбонате аммония, элюировали градиентно при 350 мкл мин -1 с использованием (1) 6.5 мМ бикарбоната аммония в воде, pH 8, и (2) 6,5 мМ бикарбоната аммония в смеси 95 ± 5 метанол: вода (тот же профиль градиента, что и выше). Аликвоту образца объемом 5 мкл вводили с использованием 2-кратного переполнения и анализировали с помощью масс-спектрометра LTQ (Thermo Fisher Corp., Уолтем, Массачусетс, США) с ESI. Прибор сканировал 99–1000 м / z и чередовал сканирование МС и МС / МС с использованием динамического исключения с временем исключения 3 с. Кислые экстракты контролировались на наличие положительных ионов, а основные экстракты контролировались на отрицательные ионы в независимых инъекциях с использованием отдельных кислот / оснований, выделенных 2.Колонки Waters BEH C18 размером 1,7 мкм 1 × 100 мм, нагретые до 40 ° C.

Образцы для анализа ГХ / МС повторно сушили в вакууме в течение минимум 24 часов, а затем дериватизировали с использованием бистриметилсилилтрифтороацетамида (BSTFA) в атмосфере сухого азота. Дериватизированные образцы для ГХ / МС анализировали на одноквадрупольном МС с быстрым сканированием Thermo-Finnigan Trace DSQ (Thermo Finnegan, Сан-Хосе, Калифорния, США), работающем при разрешающей способности единицы массы. Колонка для ГХ имела размер 20 м × 0,18 мм с пленочной фазой 0,18 мкм, состоящей из 5% фенилдиметилсиликона, начальная температура печи составляла от 60 ° C до 340 ° C за 16-минутный период, а гелий был газом-носителем.ГХ / МС использовали ионизацию электронным ударом с диапазоном сканирования от 50 до 750 а.е.м. и ежедневно настраивали и калибровали для разрешения по массе и точности по массе.

Обработка данных

Для каждой хроматограммы необработанные данные прибора обрабатывали путем преобразования времен удерживания (RT) в индексы удерживания и выравнивания всех образцов на основе маркеров RT для всего цикла ЖХ. После обнаружения свойств ионов, МС-сигнал интегрировали с использованием порогового значения отношения сигнал-шум, порогового значения необработанной площади МС и критериев формы пика.Для оценки качества, а также различий в метаболитах, индивидуальные характеристики ионов были сгруппированы на основе пикового времени удерживания на вершине и аналогичных характеристик удерживаемых ионов. Чтобы гарантировать качество данных, компания Metabolon придерживалась установленных процедур контроля качества, которые включали характеристики прибора, хроматографию, калибровку массы и эффективность экстракции. Коэффициенты вариации для всех обработанных стандартов проверялись для каждого рабочего дня. Время удерживания внутреннего стандарта и выравнивание также были проверены и подтверждены в качестве шага в контроле качества.Соединения были идентифицированы путем автоматического сравнения со ссылочными записями химической библиотеки с использованием программного обеспечения, разработанного для создания библиотечных записей на основе известных химических соединений, а затем автоматического подбора этих спектров к экспериментально полученным спектрам. Пики, которые элюируются методом ЖХ или ГХ, сравнивали с библиотекой при определенном времени удерживания и соответствующими спектрами для этого соединения.

Внутренние стандарты в основном использовались как в методах ЖХ, так и в методах ГХ для калибровки времени удерживания соединений во всех образцах в исследовании и для контроля качества каждого запуска прибора.Идентификация известных химических соединений была основана на сравнении с записями в библиотеке метаболонов очищенных внешних стандартов.

Нормализация : Необработанные подсчеты площадей для каждого соединения в каждом образце были нормализованы для корректировки вариаций, возникающих в результате различий в настройках прибора в течение дня и характеристик масс-спектрометрии в течение дня. Необработанные подсчеты площадей для соединения были разделены на среднее значение, установив, что медианы равны для каждого дня пробежки. Предполагалось, что недостающие значения являются результатом того, что области находятся ниже пределов обнаружения.Недостающие значения для данного соединения приписывались наблюдаемому минимуму после стадии нормализации. Количественные значения были получены из интегрированных исходных данных детектора масс-спектрометров. Важно отметить, что хотя сравнение площадей пиков между образцами представляет относительные количества каждого обнаруженного иона, разные соединения и ионы имеют разные потенциалы ионизации. Чтобы сохранить все вариации, но при этом позволить соединения с сильно различающимися площадями необработанных пиков, которые можно было бы сравнивать непосредственно в аналогичной графической шкале, нормализованные интенсивности были масштабированы по их медианным значениям для каждого соединения.

Статистика

Используя нормализованные данные, были выполнены два t-теста для согласованной пары и Уэлча с последующим тестированием нескольких гипотез для выявления существенно разных (p <0,05, FDR <0,01) метаболитов между метаболомами из образцов кожи, подвергнутых воздействию солнца и защищенных солнцем. . Анализ главных компонентов был выполнен с использованием пакета «метаболомика» (версия 0.1.3) (Livera & Bowne, 2013) в R, среде статистических вычислений (www.r-project.org) [основная группа разработчиков R].

Анализ случайных лесов : Открытые и необлученные леса были классифицированы с использованием анализа случайных лесов. Эти анализы позволяют оценить, насколько точно мы можем классифицировать новые образцы кожи в новом наборе данных на подвергнутые и неэкспонированные группы. Вкратце, этот алгоритм объединяет классификаторы с низкой точностью для создания классификатора с высокой точностью. Алгоритмически случайные леса создают набор деревьев классификации, основанных на непрерывной выборке экспериментальных единиц и соединений.Впоследствии каждое наблюдение классифицируется на основе большинства голосов всех деревьев классификации. Этот анализ дает список приоритетных метаболитов с очень высокой точностью классификации [15].

Результаты и обсуждение

Глобальный метаболомический профиль

Изучая метаболом 50 парных образцов кожи, полученных с участков, подвергающихся воздействию солнца и защищенных от солнца, с помощью масс-спектрометрии, мы количественно определили в общей сложности 241 метаболит. Мы выполнили условный расчет с минимальными наблюдаемыми значениями для каждого соединения с пропущенными значениями.Парный t-тест был проведен для выявления метаболитов, которые значительно различались между биопсиями, взятыми из подвергнутой солнечному воздействию и защищенной от солнца кожи соответственно. Подмножество из 122 метаболитов значительно различались (p-значение <0,05) с порогом ложного обнаружения менее или равным 5% между двумя наборами образцов. Из 122 метаболитов 46 были ниже, а 76 были выше в биоптатах, взятых из участков, подверженных воздействию солнца, по сравнению с биопсиями из защищенных от солнца регионов. Идентифицированные метаболиты принадлежали в общей сложности 52 биологическим путям, и подмножество 42 путей имело один или несколько метаболитов, значительно отличающихся при сравнении биопсий, полученных из областей, подвергшихся воздействию солнца, с биопсиями, полученными из областей, защищенных от солнца.Эти пути охватывают аминокислоты, нуклеотиды, сахара, пептиды, кофакторы, метаболизм липидов и другие (рис. 1).

Сравнение общей картины метаболитов в биоптатах, полученных как из подвергнутых воздействию солнца, так и из защищенных от солнца участков, посредством анализа основных компонентов; ясно продемонстрировали, что воздействие солнца изменило метаболический профиль в биоптатах кожи, подвергшихся воздействию солнца (рис. 2).

В этом исследовании наблюдались значительные изменения в нескольких классах метаболитов, указывающие на полное изменение метаболического профиля кожи, подвергшейся воздействию солнца (Таблица 1).Чтобы разработать метаболомную сигнатуру, которую можно использовать для определения состояния фотоэкспозиции кожи. Классификация случайного леса была проведена для всего набора данных (включая значимые и незначимые метаболиты). В результате этого анализа был составлен список из 30 метаболитов, ранжированных в порядке их важности для точной классификации подвергнутых и не подвергавшихся воздействию образцов кожи (таблица 2). Приоритетный список метаболитов представлен на рисунке 3, обозначенный как график биохимической важности. Этот приоритетный список представляет собой метаболомику, с помощью которой можно с очень высокой точностью классифицировать образцы кожи, подвергнутые воздействию солнца и защищенные от солнца.Как и ожидалось, в этой подписи цис-уроканат; валидированный биомаркер УФ-повреждения [16], [17] имел третье место по сокращению ошибок классификации. Кроме того, в списке приоритетных метаболитов представлена ​​тема метаболического катаболизма и окислительного стресса в результате пребывания на солнце между двумя классами, что было дополнительно подтверждено, когда мы проанализировали три основные сети. Большинство из этих путей предполагают повышенное производство активных форм кислорода (АФК), что привело к усилению окислительного стресса, который можно считать ответственным за изменения фенотипического внешнего вида кожи, подвергшейся воздействию солнца.

Рисунок 3. Классификация случайных лесов.

Случайная классификация лесов, представляющая приоритетный список из 30 метаболитов. Метаболиты с префиксом X- неизвестны и нуждаются в идентификации. Ось Y — это список с приоритетами, в котором мы движемся вниз, и точность классификации двух выборок снижается (ось X).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.00

.g003

Катаболизм аденозина, приводящий к производству высшей мочевой кислоты.

Мы наблюдали значительно более высокие уровни инозина, инозинмонофосфата, ксантина, гипоксантина, мочевой кислоты без каких-либо изменений уровня аденозина. Эти метаболиты принадлежат к пути деградации аденозина, в котором аденозин дезаминируется с образованием инозина, который превращается в гипоксантин, ксантин и далее превращается в мочевую кислоту. Однако деградация другого пурина, гуанозина, также может производить ксантин; не было значительной разницы в уровнях промежуточного метаболита деградации гуанозина; гуанин, когда сравнивались два набора метаболомов (рис. 4).Эти данные предполагают, что деградация пуринов ограничивается аденозином и что нет вклада в продукты катаболизма пуринов через ветвь пути деградации гуанина. Роль продуктов катаболизма гуанозина в производстве мочевой кислоты требует дальнейшего изучения.

Рисунок 4. Метаболизм аденина.

На этой схеме представлены этапы пути аденозина и гуанозина, ведущего к производству мочевой кислоты. АТФ — аденозинтрифосфат, GMP — гуанозинмонофосфат, IMP — инозинмонофосфат.Красные стрелки — большее накопление, зеленая стрелка — меньшее накопление.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.00

.g004

Пути деградации пуринов был предложен в качестве одного из основных биохимических источников продукции ROS [18] и в этом случае может быть выдвинут как один из основные пути, вызывающие высокий окислительный стресс в коже, подвергающейся воздействию солнечных лучей. Ксантиноксидаза, главный фермент в этом пути, расщепляет ксантин до гипоксантина и далее до перекиси водорода, и ранее сообщалось, что она продуцирует АФК [19].Предыдущие результаты показали повышенную активность этого фермента в эпидермисе после воздействия УФ-В [20], [21]. В частности, окислительный стресс, опосредованный УФ-излучением, активирует ксантиноксидазу, что приводит к образованию ионов супероксида. Кроме того, активность ксантиноксидазы считается основным фактором в потреблении и истощении антиоксидантов, вызванных УФ-В [21], и было показано, что ингибирование этого конкретного фермента такими ингибиторами, как оксипуринол, снижает образование АФК. В этом исследовании повышенное соотношение гипоксантина и мочевой кислоты свидетельствует об увеличении активности ксантиноксидазы, что можно предположить как один из основных факторов, влияющих на фенотипический внешний вид кожи, подвергшейся воздействию солнца.

Интересно, что мы также измерили значительно более высокие уровни фруктозы в открытых образцах кожи. Брош и др. . [22] сообщили, что более высокое потребление фруктозы может привести к более высокой деградации аденозина в печени. Однако источник простого сахара, такого как фруктоза, в этом исследовании не ясен. Накопление фруктозы может быть результатом разложения углеводов под воздействием ультрафиолета или также может быть вызвано диетой. Точный механизм, посредством которого более высокий уровень фруктозы играет роль в катаболизме аденозина в катаболическом пути, требует дальнейшего изучения.

Взятые вместе, наши результаты показывают, что УФ-облучение приводит к деградации аденозина и потенциально способствует более окисленному состоянию кожи. Было бы интересно исследовать причинно-следственную связь между диетой с высоким содержанием сахара и катаболизмом аденозина, а затем и фотостарением.

Измененный путь гомоцистеина, приводящий к изменению соотношения глутатиона.

Пути метионина и глутатиона связаны путем транссульфурации, в котором цикл метионина обеспечивает серу для образования цистатиона через гомоцистеин [23] (Рисунок 5).В метиониновом пути мы не измерили значительного изменения уровней метионина, S-аденозилметионина и гомоцистеина. Только S-аденозилгомоцистеин имел значительно более высокое накопление в образцах кожи, подвергнутых воздействию солнца, по сравнению с образцами кожи, защищенными от солнца. Однако метаболиты, выходящие за пределы пути транссульфурации, такие как цистеин, GSH, GSSG, были измерены значительно различающимися между подвергнутыми солнечному облучению и защищенными от солнца образцами кожи. Отношение глутатиона (GSH) к окисленному глутатиону (GSSG) было ниже в защищенных от солнца образцах, что свидетельствует об усилении окислительного стресса.Высокие уровни дисульфида цистеин-глутатиона и низкое отношение GSH к GSSG отражают преобладание окислительных условий в образцах кожи, подвергшихся воздействию солнца. Кроме того, также были обнаружены высокие уровни цистеина, глицина (статистически недостоверно) и глутамата, гамма-метилового эфира. Эти метаболиты являются частью пути биосинтеза глутатиона. Оба этих сценария приведут к снижению уровня глутатиона в коже и будут отражать распространенность окислительного стресса на коже, подвергшейся воздействию фото.

Рис. 5. Метионин-глутатионовый метаболизм.

Эти цифры показывают уровни различных метаболитов, которые были обнаружены в организме. Красная стрелка указывает на более высокие уровни, зеленая стрелка указывает на более низкие уровни, а черная стрелка указывает на отсутствие изменений в уровнях метаболита.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.00

.g005

Биологическая система также может использовать альтернативный путь для выработки глутатиона. По этому пути биосинтез глутатиона достигается за счет γ-глутамиламиновой кислоты, 5-оксопролина и глутамата.Мы обнаружили, что уровни различных γ-глутамиламинокислот (γ-глутамилаланин, γ-глутамиллейцин, γ-глутамилизолейцин, γ-глутамилфенилаланин и другие) были обнаружены на значительно более низких уровнях в образцах кожи, подвергшихся воздействию солнца, по сравнению с кожей, защищенной от солнца. образцы. Эти данные показывают, что альтернативный путь с участием γ-глутамиламиновой кислоты работает на более низком уровне по сравнению с путем с участием цистеина и глицина.

В совокупности GSH / GSSG определенно указывает на повышенный уровень АФК и окислительного стресса и был зарегистрирован на фото экспонированной коже [24].Согласно свободнорадикальной теории старения, ROS увеличивается с возрастом из-за снижения активности ферментов антиоксидантной защиты [25] — [27], аналогично в этом случае можно предположить, что ферментативный механизм может модулироваться, что приводит к высокому окислительному стрессу. . Дальнейшее исследование активности ферментов, таких как транспептидаза или дипептидаза, участвующих в метаболических путях метионин-глутатион, после воздействия ультрафиолета и окислительного стресса может прояснить роль этих ферментов в фотостарении.

Никотинамидный путь предполагает, что кожа использует спасательный путь по сравнению с производством de novo для потребления поврежденных никотинамидов.

При изучении кожи, подвергшейся воздействию солнечных лучей, мы идентифицировали три метаболита НАД +; никотинамид-адениндинуклеотид (NAD), никотинамид-рибонуклеотид (NMN) и никотин-рибозид (NR), которые были значительно увеличены по сравнению с защищенной от солнца кожей (Рисунок 6). NR имел наибольшее кратное изменение (2,69) в экспонированных образцах по сравнению с неэкспонированными. Все эти метаболиты принадлежат к пути спасения, и их более высокое накопление указывает на гиперактивность пути спасения НАД в образцах кожи, подвергшихся воздействию солнца.Биосинтез НАД + происходит путями восстановления и / или de novo . В пути de novo НАД синтезируется из триптофана, а в пути спасения НАД + синтезируется путем восстановления продуктов деградации метаболитов, содержащих НАД никотинамидного кольца [28]. Мы не обнаружили ни хинолиновой кислоты, ни мононуклеотидов никотиновой кислоты, которые являются критическими промежуточными продуктами в синтезе НАД de novo, и их отсутствие может указывать на гипоактивность или отсутствие активности производства НАД посредством синтеза de novo .

Рисунок 6. Путь метаболизма никотина.

На этой схеме представлены de novo и спасательные пути, с помощью которых может генерироваться НАД. Красная стрелка указывает на более высокий уровень накопления, а черная стрелка указывает на отсутствие изменений.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.00

.g006

Путь никотинамида был тщательно изучен, и было показано, что его соответствующие метаболиты влияют на клеточные процессы, включая восстановление ДНК, стабильность генома, иммунную систему, стрессовые реакции и т. д. передача сигналов, транскрипция, апоптоз, метаболизм, дифференцировка, структура хроматина и продолжительность жизни [29].Помимо хорошо известных окислительно-восстановительных функций в энергетическом метаболизме, НАД и НАДФ также необходимы для синтеза циклической АДФ-рибозы и НАДФ, которые являются двумя основными медиаторами внутриклеточных сигнальных путей кальция [29]. Эти процессы указывают на то, что в клетке происходит деградация, потому что путь спасения рециркулирует продукты разложения никотинамидсодержащих метаболитов. Несмотря на более высокий биосинтез НАД +, мы не наблюдали значительного изменения уровней НАД + между двумя наборами образцов.Эти данные свидетельствуют о том, что весь НАД +, образующийся в результате спасательного пути, перекачивается для производства сырья для ДНК, белков и других клеточных процессов. Более того, вызванная УФ-излучением кожная пролиферация действительно оправдывает необходимость увеличения количества генетического материала для новых размножающихся клеток [30]; однако в то же время нельзя игнорировать повышенный спрос на энергию со стороны биологической системы, следовательно, путь спасения более энергоэффективен и отвечает текущим потребностям биологической системы.Кроме того, эти результаты полностью согласуются с ранее опубликованными исследованиями, в которых сообщалось об усилении гликолитического пути производства энергии вместо цикла TCA в коже, подвергшейся воздействию солнца [24].

Выводы

Хроническое воздействие солнца на кожу приводит к фенотипическим изменениям, которые называют фотостарением. Фотостарение было связано с воспалением, которое могло быть вызвано или привести к высокому окислительному стрессу в коже, который ускоряет механизм старения. Эффект воздействия солнца на кожу широко изучался как с геномной, так и с протеомной точки зрения и очень хорошо коррелировал с фенотипическим внешним видом кожи, подвергшейся воздействию солнца; однако метаболиты, конечные продукты, образующиеся в результате этих путей, рассматриваются как часть или конечный результат определенного состояния или путей.Эти конкретные метаболиты, обсуждаемые в научной литературе, могут предоставить ограниченную информацию об этом конкретном пути или состоянии, тогда как весь процесс трансформации кожи, подвергшейся воздействию солнечных лучей, с точки зрения метаболитов невозможно оценить. Здесь мы представляем первое исследование, которое профилировало широкий спектр метаболитов и идентифицировало высокоточные метаболомные признаки кожи, подвергшейся воздействию солнца. Мы также подробно описали влияние солнечного света на биологические процессы, используя данные метаболомики, полученные с помощью масс-спектрометрии.

Из данного набора метаболитов мы обнаружили, что кожа находится под высоким окислительным стрессом, и цепи реакций, производящих эти метаболиты, склонны к катаболизму, а не анаболизму. Эти катаболические активности предполагают, что клетки кожи вырабатывают метаболиты по пути восстановления вместо de novo путей синтеза. Кроме того, метаболический катаболизм, индуцированный ультрафиолетом, вызывает более высокий окислительный стресс, который, в свою очередь, приводит к рекурсивному катаболизму и более высокому окислительному стрессу.Наблюдения показывают, что кожная ткань пытается справиться со стрессовыми состояниями, используя более простые и менее энергоемкие реакции. Это согласуется с нашими ранее опубликованными результатами [24]. Полученные данные поднимают новые вопросы об энергетическом обмене в фотостареющей коже и определенно требуют дальнейших исследований в этой конкретной области интересов.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: MR ST MS. Проведены эксперименты: MR ST MS.Проанализированы данные: MR VS MS. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: MR MS. Написал статью: MR VS MS.

Ссылки

  1. 1.
    Slominski A, Pawelek J (1998) Животные под солнцем: воздействие ультрафиолетового излучения на кожу млекопитающих. Clin Dermatol 16: 503–515.
  2. 2.
    Застров Л., Грот Н., Кляйн Ф., Кокотт Д., Ладеманн Дж. И др. (2009) [УФ, видимый и инфракрасный свет. Какие длины волн вызывают окислительный стресс в коже человека?]. Hautarzt 60: 310–317.
  3. 3.
    Застров Л., Грот Н., Кляйн Ф., Кокотт Д., Ладеманн Дж. И др. (2009) Отсутствующее звено — индуцированное светом (280–1600 нм) образование свободных радикалов в коже человека. Кожа Pharmacol Physiol 22: 31–44.
  4. 4.
    de Gruijl FR, van Kranen HJ, Mullenders LH (2001) УФ-индуцированное повреждение ДНК, репарация, мутации и онкогенные пути при раке кожи. J Photochem Photobiol B 63: 19–27.
  5. 5.
    Беннетт М.Ф., Робинсон М.К., Барон Э.Д., Купер К.Д. (2008) Иммунная система кожи и воспаление: защитник кожи или стимул старения? J Investigate Dermatol Symp Proc 13: 15–19.
  6. 6.
    El-Abaseri TB, Putta S, Hansen LA (2006) Ультрафиолетовое облучение индуцирует пролиферацию кератиноцитов и эпидермальную гиперплазию через активацию рецептора эпидермального фактора роста. Канцерогенез 27: 225–231.
  7. 7.
    Slominski A, Tobin DJ, Shibahara S, Wortsman J (2004) Пигментация меланина в коже млекопитающих и ее гормональная регуляция. Physiol Rev 84: 1155–1228.
  8. 8.
    Zhu M, Zhang Y, Bowden GT (2006) Участие митоген-активированных протеинкиназ и протеинкиназы C в регуляции активности элементов антиоксидантного ответа в кератиноцитах человека.Cancer Lett 244: 220–228.
  9. 9.
    Сломинский А.Т., Змиевский М.А., Скобовят С., Збайтек Б., Сломинский Р.М. и др. (2012) Восприятие окружающей среды: регулирование локального и глобального гомеостаза нейроэндокринной системой кожи. Adv Anat Embryol Cell Biol 212: v, vii, 1–115.
  10. 10.
    Schallreuter KU, Lemke KR, Pittelkow MR, Wood JM, Korner C, et al. (1995) Катехоламины в дифференцировке кератиноцитов человека. J Invest Dermatol 104: 953–957.
  11. 11.
    Сломинский А., Вортсман Дж. (2000) Нейроэндокринология кожи.Endocr Rev 21: 457–487.
  12. 12.
    Беседовский ХО, дель Рей А (1996) Иммунно-нейроэндокринные взаимодействия: факты и гипотезы. Endocr Rev 17: 64–102.
  13. 13.
    Wang-Sattler R, Yu Z, Herder C, Messias AC, Floegel A, et al. (2012) Новые биомаркеры предиабета, идентифицированные метаболомикой. Мол Сист Биол 8: 615.
  14. 14.
    Evans AM, DeHaven CD, Barrett T, Mitchell M, Milgram E (2009) Интегрированная, нецеленаправленная сверхвысокопроизводительная жидкостная хроматография / платформа для тандемной масс-спектрометрии с электрораспылением для идентификации и относительной количественной оценки низкомолекулярного набора биологических систем.Anal Chem 81: 6656–6667.
  15. 15.
    L B (2001) Случайные леса. Машинное обучение 45: 5–32.
  16. 16.
    Moodycliffe AM, Kimber I, Norval M (1992) Влияние ультрафиолетового облучения B и изомеров урокановой кислоты на миграцию дендритных клеток. Иммунология 77: 394–399.
  17. 17.
    Hanson KM, Simon JD (1998) Эпидермальная трансурокановая кислота и фотостарение кожи, вызванное УФ-А. Proc Natl Acad Sci U S A 95: 10576–10578.
  18. 18.
    Барнс В.М., Телес Р., Триведи Н.М., Девизио В., Сюй Т. и др.(2009) Ускорение деградации пуринов при заболеваниях пародонта. J Dent Res 88: 851–855.
  19. 19.
    Ландмессер Ю., Шпикерманн С., Прейс С., Соррентино С., Фишер Д. и др. (2007) Ангиотензин II индуцирует активацию эндотелиальной ксантиноксидазы: роль в эндотелиальной дисфункции у пациентов с ишемической болезнью сердца. Артериосклер Thromb Vasc Biol 27: 943–948.
  20. 20.
    Deliconstantinos G, Villiotou V, Stavrides JC (1996) Увеличение активности синтазы оксида азота и синтеза пероксинитрита в мембранах кератиноцитов, облученных УФ-В излучением.Biochem J 320 (Pt 3): 997–1003.
  21. 21.
    Deliconstantinos G, Villiotou V, Stavrides JC (1996) Оксид азота и пероксинитрит, выделяемые ультрафиолетовыми B-облученными эндотелиальными клетками человека, возможно, участвуют в эритеме и воспалении кожи. Exp Physiol 81: 1021–1033.
  22. 22.
    Brosh S, Boer P, Sperling O (1984) Влияние фруктозы на метаболизм пуриновых нуклеотидов в изолированных гепатоцитах крысы. Adv Exp Med Biol 165 Pt A: 481–485.
  23. 23.
    Ратнам С., Маклин К.Н., Джейкобс Р.Л., Броснан М.Э., Краус Дж. П. и др.(2002) Гормональная регуляция экспрессии цистатионин-бета-синтазы в печени. J Biol Chem 277: 42912–42918.
  24. 24.
    Randhawa M, Southall M, Samaras ST (2013) Метаболомический анализ кожи, подвергшейся воздействию солнца. Мол Биосист 9: 2045–2050.
  25. 25.
    Харман Д. (1956) Старение: теория, основанная на свободнорадикальной и радиационной химии. Дж. Геронтол 11: 298–300.
  26. 26.
    Харман Д. (1968) Теория свободных радикалов старения: влияние ингибиторов свободнорадикальных реакций на уровень смертности самцов мышей LAF.Дж. Геронтол 23: 476–482.
  27. 27.
    Харман Д. (1981) Процесс старения. Proc Natl Acad Sci U S A 78: 7124–7128.
  28. 28.
    Lin SJ, Guarente L (2003) Никотинамидадениндинуклеотид, метаболический регулятор транскрипции, долголетия и болезней. Curr Opin Cell Biol 15: 241–246.
  29. 29.
    Khan JA, Forouhar F, Tao X, Tong L (2007) Метаболизм никотинамидадениндинуклеотида как привлекательная цель для открытия лекарств. Мнение экспертов Ther Targets 11: 695–705.
  30. 30.
    Эль-Абасери Т. Б., Фурман Дж., Тремпус С., Шендрик И., Теннант Р. В. и др. (2005) Химиопрофилактика индуцированного УФ-светом туморогенеза кожи путем ингибирования рецептора эпидермального фактора роста. Cancer Res 65: 3958–3965.

24.1 Обзор метаболических реакций — анатомия и физиология

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Опишите процесс расщепления полимеров на мономеры
  • Опишите процесс, с помощью которого мономеры объединяются в полимеры
  • Обсудить роль АТФ в метаболизме
  • Объяснение окислительно-восстановительных реакций
  • Опишите гормоны, регулирующие анаболические и катаболические реакции

В организме постоянно происходят обменные процессы.Метаболизм — это сумма всех химических реакций, которые участвуют в катаболизме и анаболизме. Реакции, управляющие расщеплением пищи для получения энергии, называются катаболическими реакциями. И наоборот, анаболические реакции используют энергию, производимую катаболическими реакциями, для синтеза более крупных молекул из более мелких, например, когда организм формирует белки, связывая вместе аминокислоты. Оба набора реакций имеют решающее значение для поддержания жизни.

Поскольку катаболические реакции производят энергию, а анаболические реакции используют энергию, в идеале использование энергии должно уравновешивать производимую энергию.Если чистое изменение энергии положительное (катаболические реакции выделяют больше энергии, чем используют анаболические реакции), то организм накапливает избыточную энергию, создавая молекулы жира для длительного хранения. С другой стороны, если чистое изменение энергии отрицательное (катаболические реакции выделяют меньше энергии, чем используют анаболические реакции), организм использует накопленную энергию, чтобы компенсировать дефицит энергии, высвобождаемой катаболизмом.

Катаболические реакции

Катаболические реакции расщепляют большие органические молекулы на более мелкие, высвобождая энергию, содержащуюся в химических связях.Эти высвобождения энергии (преобразования) не эффективны на 100 процентов. Количество выделяемой энергии меньше общего количества, содержащегося в молекуле. Примерно 40 процентов энергии, выделяемой в результате катаболических реакций, напрямую передается высокоэнергетической молекуле аденозинтрифосфата (АТФ). АТФ, энергетическая валюта клеток, можно немедленно использовать для питания молекулярных машин, которые поддерживают функции клеток, тканей и органов. Это включает создание новой ткани и восстановление поврежденной ткани.АТФ также можно хранить для удовлетворения будущих потребностей в энергии. Остальные 60 процентов энергии, высвобождаемой в результате катаболических реакций, выделяется в виде тепла, которое поглощают ткани и жидкости организма.

Структурно молекулы АТФ состоят из аденина, рибозы и трех фосфатных групп (рис. 24.2). Химическая связь между второй и третьей фосфатными группами, называемая высокоэнергетической связью, представляет собой самый большой источник энергии в клетке. Это первая связь, которую разрушают катаболические ферменты, когда клеткам требуется энергия для работы.Продуктами этой реакции являются молекула аденозиндифосфата (АДФ) и одиночная фосфатная группа (P i ). АТФ, АДФ и P и постоянно проходят через реакции, которые создают АТФ и накапливают энергию, и реакции, которые разрушают АТФ и высвобождают энергию.

Рис. 24.2. Структура молекулы АТФ Аденозинтрифосфат (АТФ) — это энергетическая молекула клетки. Во время катаболических реакций создается АТФ, и энергия сохраняется до тех пор, пока она не понадобится во время анаболических реакций.

Энергия АТФ управляет всеми функциями организма, такими как сокращение мышц, поддержание электрического потенциала нервных клеток и поглощение пищи в желудочно-кишечном тракте. Метаболические реакции, производящие АТФ, происходят из различных источников (рис. 24.3).

Рис. 24.3 Источники АТФ Во время катаболических реакций белки расщепляются на аминокислоты, липиды — на жирные кислоты, а полисахариды — на моносахариды. Эти строительные блоки затем используются для синтеза молекул в анаболических реакциях.

Из четырех основных макромолекулярных групп (углеводов, липидов, белков и нуклеиновых кислот), которые перерабатываются в процессе пищеварения, углеводы считаются наиболее распространенным источником энергии для питания организма. Они принимают форму сложных углеводов, полисахаридов, таких как крахмал и гликоген, или простых сахаров (моносахаридов), таких как глюкоза и фруктоза. Катаболизм сахара расщепляет полисахариды на отдельные моносахариды. Среди моносахаридов глюкоза является наиболее распространенным топливом для производства АТФ в клетках, и поэтому существует ряд механизмов эндокринного контроля, регулирующих концентрацию глюкозы в кровотоке.Избыточная глюкоза либо хранится в качестве запаса энергии в печени и скелетных мышцах в виде сложного полимерного гликогена, либо превращается в жир (триглицерид) в жировых клетках (адипоцитах).

Среди липидов (жиров) триглицериды чаще всего используются для получения энергии посредством метаболического процесса, называемого β-окислением. Около половины лишнего жира хранится в адипоцитах, которые накапливаются в подкожной клетчатке под кожей, тогда как остальная часть хранится в адипоцитах в других тканях и органах.

Белки, которые представляют собой полимеры, можно разделить на их мономеры, отдельные аминокислоты. Аминокислоты можно использовать в качестве строительных блоков новых белков или далее расщеплять для производства АТФ. Когда человек хронически голодает, такое использование аминокислот для производства энергии может привести к истощению организма, поскольку расщепляется все больше и больше белков.

Нуклеиновые кислоты присутствуют в большинстве продуктов, которые вы едите. Во время пищеварения нуклеиновые кислоты, включая ДНК и различные РНК, распадаются на составляющие их нуклеотиды.Эти нуклеотиды легко абсорбируются и транспортируются по всему телу для использования отдельными клетками во время метаболизма нуклеиновых кислот.

Анаболические реакции

В отличие от катаболических реакций, анаболические реакции включают соединение более мелких молекул в более крупные. Анаболические реакции объединяют моносахариды с образованием полисахаридов, жирные кислоты с образованием триглицеридов, аминокислоты с образованием белков и нуклеотиды с образованием нуклеиновых кислот. Эти процессы требуют энергии в виде молекул АТФ, генерируемых катаболическими реакциями.Анаболические реакции, также называемые реакциями биосинтеза, создают новые молекулы, которые образуют новые клетки и ткани, и оживляют органы.

Гормональная регуляция метаболизма

Катаболические и анаболические гормоны в организме помогают регулировать метаболические процессы. Катаболические гормоны стимулируют расщепление молекул и выработку энергии. К ним относятся кортизол, глюкагон, адреналин / адреналин и цитокины. Все эти гормоны мобилизуются в определенное время для удовлетворения потребностей организма.Анаболические гормоны необходимы для синтеза молекул и включают гормон роста, инсулиноподобный фактор роста, инсулин, тестостерон и эстроген. Таблица 24.1 суммирует функции каждого из катаболических гормонов, а таблица 24.2 суммирует функции анаболических гормонов.

Катаболические гормоны

Гормон Функция
Кортизол Высвобождается из надпочечников в ответ на стресс; его основная роль заключается в повышении уровня глюкозы в крови путем глюконеогенеза (расщепления жиров и белков)
Глюкагон Высвобождается из альфа-клеток поджелудочной железы при голодании или когда организму требуется дополнительная энергия; стимулирует расщепление гликогена в печени, повышая уровень глюкозы в крови; его действие противоположно инсулину; глюкагон и инсулин являются частью системы отрицательной обратной связи, которая стабилизирует уровень глюкозы в крови
Адреналин / адреналин Высвобождается в ответ на активацию симпатической нервной системы; увеличивает частоту сердечных сокращений и сократимость сердца, сужает кровеносные сосуды, является бронходилататором, который открывает (расширяет) бронхи легких для увеличения объема воздуха в легких и стимулирует глюконеогенез

Таблица 24.1

Анаболические гормоны

Гормон Функция
Гормон роста (GH) Синтезируется и выделяется гипофизом; стимулирует рост клеток, тканей и костей
Инсулиноподобный фактор роста (IGF) Стимулирует рост мышц и костей, одновременно подавляя гибель клеток (апоптоз)
Инсулин Производится бета-клетками поджелудочной железы; играет важную роль в метаболизме углеводов и жиров, контролирует уровень глюкозы в крови и способствует усвоению глюкозы клетками организма; заставляет клетки мышц, жировой ткани и печени поглощать глюкозу из крови и хранить ее в печени и мышцах в виде гликогена; его действие противоположно глюкагону; глюкагон и инсулин являются частью системы отрицательной обратной связи, которая стабилизирует уровень глюкозы в крови
Тестостерон Производится семенниками у мужчин и яичниками у женщин; стимулирует увеличение мышечной массы и силы, а также рост и укрепление костей
Эстроген Производится в основном яичниками, а также печенью и надпочечниками; его анаболические функции включают ускорение метаболизма и отложение жира

Таблица 24.2

Нарушения …

Метаболические процессы: синдром Кушинга и болезнь Аддисона

Как и следовало ожидать для фундаментального физиологического процесса, такого как метаболизм, ошибки или сбои в метаболической обработке приводят к патофизиологии или, если их не исправить, к болезненному состоянию. Метаболические заболевания чаще всего являются результатом неправильной работы белков или ферментов, которые имеют решающее значение для одного или нескольких метаболических путей. Нарушение функции белка или фермента может быть следствием генетического изменения или мутации.Однако нормально функционирующие белки и ферменты также могут иметь вредные эффекты, если их доступность не соответствует метаболическим потребностям. Например, чрезмерное производство гормона кортизола (см. Таблицу 24.1) вызывает синдром Кушинга. Клинически синдром Кушинга характеризуется быстрым увеличением веса, особенно в области туловища и лица, депрессией и тревогой. Стоит упомянуть, что опухоли гипофиза, вырабатывающие адренокортикотропный гормон (АКТГ), который впоследствии стимулирует кору надпочечников высвобождать избыточное количество кортизола, имеют аналогичные эффекты.Этот косвенный механизм гиперпродукции кортизола называется болезнью Кушинга.

Пациенты с синдромом Кушинга могут иметь повышенный уровень глюкозы в крови и имеют повышенный риск ожирения. Они также показывают медленный рост, накопление жира между плечами, слабые мышцы, боли в костях (потому что кортизол заставляет белки расщепляться с образованием глюкозы посредством глюконеогенеза) и утомляемость. Другие симптомы включают чрезмерное потоотделение (гипергидроз), расширение капилляров и истончение кожи, что может привести к легким синякам.Все методы лечения синдрома Кушинга направлены на снижение чрезмерного уровня кортизола. В зависимости от причины избытка, лечение может быть таким простым, как прекращение использования мазей с кортизолом. В случае опухолей часто используется хирургическое вмешательство для удаления опухоли, вызывающей нарушение. Если операция нецелесообразна, лучевая терапия может использоваться для уменьшения размера опухоли или удаления частей коры надпочечников. Наконец, доступны лекарства, которые могут помочь регулировать количество кортизола.

Недостаточное производство кортизола также проблематично.Надпочечниковая недостаточность, или болезнь Аддисона, характеризуется снижением выработки кортизола надпочечниками. Это может быть результатом неправильной работы надпочечников — они не вырабатывают достаточного количества кортизола — или может быть следствием снижения доступности АКТГ из гипофиза. Пациенты с болезнью Аддисона могут иметь низкое кровяное давление, бледность, крайнюю слабость, утомляемость, медленные или вялые движения, головокружение и тягу к соли из-за потери натрия и высокого уровня калия в крови (гиперкалиемия).Жертвы также могут страдать от потери аппетита, хронической диареи, рвоты, поражений во рту и неоднородного цвета кожи. Диагностика обычно включает анализы крови и визуализацию надпочечников и гипофиза. Лечение включает заместительную терапию кортизолом, которую, как правило, следует продолжать всю жизнь.

Реакции окисления-восстановления

Химические реакции, лежащие в основе метаболизма, включают перенос электронов от одного соединения к другому посредством процессов, катализируемых ферментами.Электроны в этих реакциях обычно исходят от атомов водорода, которые состоят из электрона и протона. Молекула отдает атом водорода в виде иона водорода (H + ) и электрона, разбивая молекулу на более мелкие части. Потеря электрона или окисление высвобождает небольшое количество энергии; и электрон, и энергия затем передаются другой молекуле в процессе восстановления или получения электрона. Эти две реакции всегда происходят вместе в реакции окисления-восстановления (также называемой окислительно-восстановительной реакцией) — когда электрон проходит между молекулами, донор окисляется, а реципиент восстанавливается.Реакции окисления-восстановления часто протекают последовательно, так что восстановленная молекула впоследствии окисляется, передавая не только только что полученный электрон, но и полученную энергию. По мере развития серии реакций накапливается энергия, которая используется для объединения P и и АДФ с образованием АТФ, высокоэнергетической молекулы, которую организм использует в качестве топлива.

Реакции окисления и восстановления катализируются ферментами, запускающими удаление атомов водорода. Коферменты работают с ферментами и принимают атомы водорода.Двумя наиболее распространенными коферментами окислительно-восстановительных реакций являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). Их соответствующие восстановленные коферменты — это НАДН и FADH 2 , которые являются энергосодержащими молекулами, используемыми для передачи энергии во время создания АТФ.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *