Metabolizm człowieka (przemiana materii)

Choć samo pojęcie „metabolizm” kojarzy się wielu osobom głównie z redukcją masy ciała lub spalaniem kalorii, w rzeczywistości obejmuje ono znacznie szersze spektrum zjawisk biochemicznych. W tym artykule przyjrzymy się szczegółowo temu, czym jest metabolizm, jakie reakcje wchodzą w jego skład, jakie znaczenie mają poszczególne związki energetyczne i budulcowe, a także jak układy ludzkiego ciała współpracują, aby przemiana materii przebiegała prawidłowo. Omówimy także wpływ diety, hormonów, wieku i stylu życia na tempo przemian metabolicznych oraz przyjrzymy się wybranym zaburzeniom metabolicznym.

Spis treści

• Czym jest metabolizm człowieka?
• Podstawowe procesy metaboliczne
• Katabolizm – rozkład i uwalnianie energii
• Anabolizm – synteza i magazynowanie
• Dlaczego metabolizm jest ważny dla funkcjonowania organizmu?
• Rola metabolizmu w organizmie człowieka
• Rola ATP jako uniwersalnego nośnika energii
• Metabolizm węglowodanów
• Glikoliza – rozkład glukozy w cytoplazmie
• Reakcja pomostowa i cykl Krebsa
• Fosforylacja oksydacyjna i synteza ATP
• Glikogen i jego znaczenie
• Proces glukoneogenezy
• Metabolizm lipidów
• Lipoliza i β-oksydacja
• Synteza kwasów tłuszczowych i trójglicerydów
• Ketogeneza i ciała ketonowe
• Metabolizm białek
• Rozkład białek i deaminacja aminokwasów
• Cykl mocznikowy (ornitynowy)
• Synteza białek
• Rola układów organizmu w przemianach metabolicznych
• Układ pokarmowy
• Układ oddechowy
• Układ krążenia
• Układ wydalniczy
• Układ hormonalny
• Regulacja metabolizmu i tempo przemiany materii
• Czym jest podstawowa przemiana materii (PPM)?
• Czy sam proces odżywiania zużywa energię?
• Czynniki wpływające na tempo metabolizmu
• Choroby i zaburzenia metaboliczne
• Fenyloketonuria
• Cukrzyca typu 2
• Zespół metaboliczny i otyłość
• Niedoczynność tarczycy
• FAQ – najczęstsze pytania maturzystów

Metabolizm człowieka - co to jest?

Zacznijmy od definicji metabolizmu i określenia, jakie ma on znaczenie dla organizmu. Metabolizm (inaczej: przemiana materii) to całokształt reakcji chemicznych zachodzących w organizmach żywych, prowadzący do pozyskiwania, przekształcania i wykorzystywania energii oraz do syntezy i rozkładu związków chemicznych. W kontekście organizmu człowieka oznacza to nieustanne przemiany biochemiczne, które umożliwiają funkcjonowanie każdej komórki – od syntezy białek po uwalnianie energii potrzebnej do oddychania, poruszania się czy myślenia.

Metabolizm człowieka jest zatem siecią połączonych ze sobą szlaków i cykli metabolicznych, które przebiegają nieustannie we wszystkich komórkach, narządach i układach ciała. Dzięki nim organizm człowieka może nie tylko funkcjonować w spoczynku, ale też podejmować aktywność fizyczną, reagować na bodźce, rozwijać się i utrzymywać zdrowie.

Podstawowe procesy metaboliczne

Procesy metaboliczne dzielą się na dwie główne grupy: anaboliczne (anabolizm) i kataboliczne (katabolizm). Obie te grupy procesów pozostają ze sobą w ścisłej równowadze, a ich zaburzenie może prowadzić do poważnych konsekwencji zdrowotnych.

Katabolizm – rozkład związków organicznych i uwalnianie energii

Czym jest katabolizm? Jest to zespół reakcji chemicznych polegających na rozkładzie złożonych cząsteczek organicznych (np. polisacharydów, tłuszczów, białek) do prostszych związków, takich jak dwutlenek węgla, woda, amoniak czy jony nieorganiczne. Podczas tego rozkładu uwalniana jest energia, która zostaje zmagazynowana w cząsteczkach ATP – nośniku energii chemicznej w komórkach.

Najważniejsze procesy kataboliczne to:

• glikoliza (rozkład glukozy do pirogronianu),
• reakcja pomostowa i cykl kwasu cytrynowego (cykl Krebsa),
• fosforylacja oksydacyjna w mitochondriach,
• β-oksydacja kwasów tłuszczowych,
• deaminacja i rozkład aminokwasów.

Katabolizm dostarcza nie tylko energii, ale również substratów do syntezy innych związków, np. acetylo-CoA (stanowiąca produkt reakcji pomostowej) może służyć zarówno jako źródło energii, jak i materiał wyjściowy do syntezy lipidów (w procesie lipogenezy).

Anabolizm – synteza związków organicznych oraz ich magazynowanie

Co to jest anabolizm? Zgodnie z definicją jest to zespół reakcji biosyntezy, w których z prostych związków chemicznych powstają bardziej złożone struktury: białka z aminokwasów, DNA z nukleotydów, czy też trójglicerydy z kwasów tłuszczowych i glicerolu. Procesy anaboliczne wymagają dostarczenia energii, którą organizm pozyskuje właśnie dzięki wcześniejszym reakcjom katabolicznym.

Zapamiętaj główne przykłady anabolizmu:

• glikogenogeneza – synteza glikogenu,
• lipogeneza – tworzenie tłuszczów zapasowych,
• synteza białek i enzymów,
• replikacja DNA i transkrypcja RNA,
• synteza hormonów, neuroprzekaźników, błon komórkowych.

Utrzymanie odpowiedniego stosunku procesów anabolizmu do katabolizmu jest podstawą homeostazy metabolicznej. U młodych organizmów przewagę ma anabolizm (wzrost, rozwój), u dorosłych procesy anaboliczne i kataboliczne są w stanie równowagi, a u osób starszych często dominuje katabolizm (utrata masy mięśniowej, spowolnienie regeneracji).

Dlaczego metabolizm jest ważny dla funkcjonowania organizmu?

Choć metabolizm odbywa się na poziomie molekularnym, jego skutki są odczuwalne w całym organizmie. Dzięki niemu możemy przyswajać składniki odżywcze z pożywienia, wytwarzać ciepło, usuwać toksyny, magazynować energię w postaci tłuszczu lub glikogenu, a także regenerować uszkodzone komórki. Każda zmiana w tempie przemiany materii – czy to przyspieszenie, czy spowolnienie – może wpływać na samopoczucie, masę ciała, stan zdrowia i funkcjonowanie narządów.

Rola metabolizmu w organizmie człowieka

W ludzkim organizmie metabolizm pełni kilka kluczowych funkcji:

• umożliwia dostarczanie energii niezbędnej do podstawowych procesów życiowych (oddychania, krążenia krwi, aktywności mięśni),
• umożliwia wzrost i regenerację tkanek poprzez syntezę złożonych związków organicznych,
• pozwala na przekształcanie substancji odżywczych w formy możliwe do wykorzystania lub magazynowania,
• umożliwia usuwanie z organizmu szkodliwych produktów przemiany materii, np. amoniaku, CO₂ czy mocznika,
• wspiera działanie układów regulacyjnych – hormonalnego i nerwowego – poprzez dostarczanie substratów dla neuroprzekaźników i hormonów.

Rola ATP jako uniwersalnego nośnika energii

Adenozynotrifosforan (ATP) to podstawowa jednostka energii użytecznej biologicznie. Jego cząsteczka zawiera trzy reszty fosforanowe połączone wiązaniami wysokoenergetycznymi. W momencie rozerwania wiązań wysokoenergetycznych (hydrolizy) uwalniana jest energia niezbędna do przebiegu wielu procesów komórkowych: transportu przez błony, syntezy białek, skurczu mięśni, a także przewodzenia impulsów nerwowych.

ATP jest stale odnawiane w komórkach. Średnio każda cząsteczka ATP w organizmie jest zużywana i syntetyzowana ponownie nawet setki lub ponad tysiąc razy dziennie. Za syntezę ATP odpowiadają m.in. procesy glikolizy, cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego, natomiast wszystkie procesy zużywające energię komórkową wymagają obecności ATP.

Metabolizm węglowodanów

Jaką rolę w ludzkim organizmie odgrywają węglowodany? Stanowią główne źródło energii dla komórek ciała, dotyczy to zwłaszcz mózgu i mięśni. Przemiany metaboliczne węglowodanów w organizmie człowieka rozpoczynają się już w jamie ustnej (pod wpływem działania enzymu trawiennego znajdującego się w ślinie, czyli amylazy ślinowej), a kończą w mitochondriach komórek, gdzie w wyniku rozkładu glukozy finalnie produkowane jest ATP. Metabolizm glukozy i innych cukrów prostych to jeden z najlepiej poznanych szlaków biochemicznych w biologii człowieka.

Glikoliza – rozkład glukozy w cytoplazmie

Jaka jest definicja glikolizy? Glikoliza to beztlenowy proces rozkładu jednej cząsteczki glukozy (o wzorze chemicznym C₆H₁₂O₆) do dwóch cząsteczek pirogronianu. Zachodzi w cytozolu wszystkich komórek i nie wymaga obecności tlenu.

Najważniejszymi produktami glikolizy są:

• 2 cząsteczki ATP (bilans netto),
• 2 cząsteczki NADH,
• 2 cząsteczki pirogronianu.

Choć ilość energii uzyskanej dzięki glikolizie jest stosunkowo niewielka, proces ten ma fundamentalne znaczenie dla komórek, które nie mają mitochondriów (np. erytrocytów), a także dla komórek funkcjonujących chwilowo w warunkach beztlenowych.

Glikoliza - schemat
[Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik]

Reakcja pomostowa i cykl Krebsa

Jak przebiega reakcja pomostowa? Gdy w komórce obecny jest tlen, pirogronian powstały w glikolizie trafia do mitochondrium. Tam ulega przekształceniu - najpierw ulega dekarboksylacji, a do powstałej w ten sposób cząsteczki przyłącza się koenzym A. W wyniku reakcji pomostowej powstaje acetylo-CoA.

Reakcja pomostowa - schemat
[Kliknij tutaj, by pobrać ten plik]

Następnie acetylo-CoA wchodzi w cykl Krebsa, zwany też cyklem kwasu cytrynowego. Cykl Krebsa przebiega w macierzy mitochondrialnej (u organizmów eukariotycznch, czyli posiadających jądra komórkowe). W wyniku jednego przebiegu cyklu (to znaczy dla jednej cząsteczki acetylo-CoA) powstają:

• 3 cząsteczki NADH,
• 1 cząsteczka FADH₂,
• 1 cząsteczka GTP (równoważna ATP),
• 2 cząsteczki CO₂.

Warto pamiętać, że jednej cząsteczki glukozy powstają dwie cząsteczki acetylo-CoA, co oznacza, że produkty cyklu Krebsa ulegają podwojeniu.

Cykl Krebsa - schemat
[Kliknij tutaj, by pobrać ten plik]

Fosforylacja oksydacyjna i synteza ATP

Kolejnym procesem w przemianie metabolicznej węglowodanów jest fosforylacja oksydacyjna. Podczas fosforylacji oksydacyjnej uwolniona wcześniej energia wykorzystywana jest do wytworzenia cząsteczek ATP.

Zredukowane koenzymy (NADH, FADH₂) przekazują elektrony do łańcucha oddechowego w wewnętrznej błonie mitochondrium. Podczas wędrówki elektronów uwalniana jest energia, wykorzystywana następnie do aktywnego transportu protonów do przestrzeni międzybłonowej. 

Fosforylacja oksydacyjna - schemat
[Kliknij tutaj, by pobrać ten plik]

Nagromadzenie protonów napędza produkcję ATP. Przyjrzyjmy się temu zjawisku dokładniej: powstający gradient elektrochemiczny wykorzystywany jest przez syntazę ATP do wytwarzania cząsteczek ATP. Ten proces ten nazywamy chemiosmozą. Zapamiętaj, że w obecności tlenu powstają maksymalnie:

• 30–32 cząsteczki ATP z jednej cząsteczki glukozy.

Właśnie w ten sposób przebiega oddychanie komórkowe tlenowe. To zjawisko stanowi główny sposób pozyskiwania energii w organizmie człowieka.

Glikogen i jego znaczenie

Organizm człowieka nie przechowuje glukozy w postaci wolnej, bo jej wysokie stężenie we krwi mogłoby zaburzać równowagę osmotyczną. Dlatego nadmiar glukozy przekształcany jest w zapasowy glikogen – wielocukier magazynowany głównie w:

• wątrobie (zapewniające regulację poziomu glukozy we krwi),
• mięśniach szkieletowych (jako źródło energii lokalnej podczas wysiłku fizycznego).

Proces magazynowania glukozy (czyli przekształcania glukozy w glikogen) to glikogenogeneza, natomiast jej uwalnianie w razie potrzeby –to glikogenoliza. Za regulację tych procesów odpowiadają odpowiednie hormony: insulina (sprzyja glikogenezie) i glukagon (pobudza glikogenolizę).

Glukoneogeneza, czyli wytwarzanie glukozy

Gdy we krwi brakuje glukozy (np. podczas głodu lub wysiłku), organizm potrafi wytworzyć ją z innych substancji, w tym z mleczanu, glicerolu czy niektórych aminokwasów. Proces ten zachodzi głównie w wątrobie i nerkach i nosi nazwę glukoneogenezy.

Glukoneogeneza pozwala utrzymać stały poziom glukozy we krwi i jest absolutnie niezbędna do prawidłowego funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego, w tym przede wszystkim do pracy mózgu.

Metabolizm lipidów (tłuszczów)

Lipidy – w tym przede wszystkim kwasy tłuszczowe i trójglicerydy – stanowią najbardziej skoncentrowane źródło energii. Z 1 g tłuszczu można uzyskać około 9 kcal, co przewyższa energetyczność węglowodanów (4 kcal/g). Jak przebiega metabolizm tłuszczów? Obejmuje on zarówno ich rozkład, jak i syntezę zapasowych form energii.

Lipoliza i β-oksydacja (beta-oksydacja)

W sytuacji niedoboru glukozy lub zwiększonego zapotrzebowania na energię, organizm uruchamia lipolizę – proces rozkładu trójglicerydów (tłuszczów właściwych) do wolnych kwasów tłuszczowych i glicerolu. Kwasy tłuszczowe są następnie transportowane z krwią do mitochondriów, a tam przechodzą przez proces β-oksydacji. Szczególnie długie łańcuchy kwasów tłuszczowych najpierw rozkładane są w specjalnych strukturach – peroksysomach.

Jaki jest przebieg β-oksydacji? Kwas tłuszczowy jest stopniowo skracany (można powiedzieć, że "rozcinany na kawałki") po dwa atomy węgla. Z tych fragmentów powstaje acetylo-CoA. W czasie każdego cyklu β-oksydacji powstają również NADH i FADH₂, które trafiają do łańcucha oddechowego w mitochondriach i umożliwiają produkcję ATP. Proces ten jest przebiega intensywniej podczas nocnego głodu i długotrwałego wysiłku.

Synteza kwasów tłuszczowych i trójglicerydów

Jeśli u człowieka występuje nadmiar glukozy i energii, organizm może przekształcać acetylo-CoA w kwasy tłuszczowe. Ten proces zachodzi w cytoplazmie hepatocytów (komórek wątroby) i adipocytów (komórek tłuszczowych). Synteza tłuszczów zapasowych nosi nazwę lipogenezy i przebiega dzięki specjalnemu enzymowi oraz koenzymowi NADPH.

Nowe kwasy tłuszczowe łączą się z glicerolem, tworząc tłuszcze (trójglicerydy), które są odkładane w tkance tłuszczowej. Proces ten jest ważnym mechanizmem, ponieważ umożliwia długoterminowe gromadzenie energii, aby mogła zostać wykorzystana dopiero wtedy, gdy organizm będzie jej potrzebował.

Ketogeneza i ciała ketonowe

W warunkach bardzo niskiego poziomu glukozy (np. podczas diety ketogenicznej lub głodówki), wątroba zaczyna przekształcać acetylo-CoA w tzw. ciała ketonowe. Są one alternatywnym źródłem energii dla mózgu i innych tkanek. Najważniejsze ciała ketonowe to:

• acetooctan,
• β-hydroksymaślan (stanowi ponad 70 % ciał ketonowych we krwi),
• aceton (wydychany z powietrzem).

Jaka jest rola ketogenezy w organizmie człowieka? Dzięki niej można przetrwać okresy głodu, dodatkowo zmniejsza ona ryzyko rozkładania białek mięśniowych, które w przeciwnym razie musiałyby być rozkładane na potrzeby glukoneogenezy. Mówiąc bardzo obrazowo: dzięki ketogenezie organizm zabezpiecza się przed "zjadaniem" własnych mięśni, ponieważ to prowadziłoby do osłabienia siły mięśniowej.

Metabolizm białek

Aby lepiej zrozumieć rolę tych procesów metabolicznych, przypomnijmy, jakie funkcje pełnią białka w organizmie? Budują one różne struktury (np. mięśnie), działają jako enzymy, biorą udział w transporcie i przekazywaniu sygnałów. Gdy brakuje energii z cukrów i tłuszczów, organizm może wykorzystywać aminokwasy jako źródło energii. Wymaga to jednak usunięcia szkodliwego amoniaku!

Rozkład białek i deaminacja aminokwasów

Pierwszym etapem metabolizmu białek jest trawienie białek do aminokwasów – odbywa się ono w układzie pokarmowym przy udziale enzymów (pepsyny, trypsyny czy chymotrypsyny).

Następnie aminokwasy mogą zostać:

• wykorzystane do syntezy własnych białek w organizmie,
• przekształcone w inne związki (np. neuroprzekaźniki),
• rozłożone jako źródło energii.

W ostatnim przypadku (czyli jeśli białka zostają rozłożone) dochodzi do deaminacji, czyli usunięcia grupy aminowej (-NH₂). Jednym z produktów tego procesu jest amoniak – związek toksyczny dla komórek.

Cykl mocznikowy (ornitynowy)

Amoniak powstały w wyniku deaminacji jest niebezpieczny i nie może krążyć swobodnie w krwiobiegu, dlatego w wątrobie zostaje przekształcony w mocznik. Mocznik to nietoksyczny związek wydalany z moczem. Cały opisany proces zachodzi w tak zwanym cyklu ornitynowym (cyklu mocznikowym), który przebiega głównie w hepatocytach (komórkach wątroby) i wymaga dostarczenia ATP.

Zaburzenia cyklu mocznikowego prowadzą do hiperamonemii. Jest to groźny dla zdrowia stan, w którym amoniak gromadzi się w organizmie, powodując objawy ze strony układu nerwowego.

Synteza białek

Białka tworzone są przez rybosomy na podstawie informacji genetycznej zawartej w mRNA. Proces ten ma trzy etapy: start, etap budowania białka i zakończenie.

Do prawidłowego przebiegu syntezy białek niezbędne są substraty:

• aminokwasy,
• czynniki białkowe,
• energia w postaci GTP,
• obecność witamin i mikroelementów (np. witamina B₆, cynk, magnez).

Synteza białek to proces anaboliczny. Zachodzi ona najintensywniej podczas wzrostu, regeneracji tkanek i po wysiłku fizycznym.

Rola układów organizmu w przemianach metabolicznych

Do tej pory omówiliśmy najważniejsze szlaki metaboliczne. Metabolizm człowieka to jednak również wynik złożonej współpracy wielu układów narządów: pokarmowego, oddechowego, krążenia i wydalniczego. Każdy z nich pełni określoną funkcję w dostarczaniu substratów (składników niezbędnych dla przebiegu danego procesu), transporcie, eliminacji produktów ubocznych i regulacji. Prawidłowa praca wszystkich układów w ciele człowieka jest absolutnie niezbędna, aby proces przemiany materii przebiegał sprawnie.

Układ pokarmowy – dostarcza substraty energetyczne

Pierwszym ogniwem metabolizmu jest trawienie, czyli rozkład złożonych związków chemicznych dostarczonych w pożywieniu do postaci możliwej do przyswojenia przez organizm.

Układ pokarmowy odpowiada za:

• rozkład węglowodanów do monosacharydów (np. glukozy),
• rozkład białek do aminokwasów,
• rozkład lipidów do kwasów tłuszczowych i glicerolu.

Te związki są następnie wchłaniane w jelicie cienkim i transportowane do wątroby przez układ krwionośny. Wątroba pełni funkcję metabolicznego centrum organizmu: reguluje poziom glukozy we krwi, przekształca nadmiar substancji odżywczych i neutralizuje toksyny. Natomiast wchłanianie substancji odżywczych oraz ich pierwsze przekształcenia są punktem wyjścia dla pozostałych szlaków metabolicznych.

Układ oddechowy – dostarcza tlen, odbiera CO₂

Jak już wiesz, oddychanie komórkowe, w którym powstaje ATP, potrzebuje obecności tlenu, ponieważ to właśnie on odbiera elektrony na końcu łańcucha oddechowego.

Jaką rolę odgrywa w tym procesie układ oddechowy? Jego funkcje to:

• wymiana gazowa – pobieranie tlenu z otoczenia i usuwanie dwutlenku węgla,
• utrzymanie odpowiedniego pH krwi poprzez regulację stężenia CO₂,
• wspomaganie termoregulacji (część ciepła wydalana jest z organizmu wraz z wydychanym z powietrzem).

Niedotlenienie (hipoksja) prowadzi do upośledzenia zachodzenia oddychania tlenowego, spadku produkcji ATP i uruchomienia fermentacji mleczanowej (mniej wydajnego procesu, który jednak pozwala przetrwać komórkom w warunkach niedoboru tlenu).

Układ krążenia – transportuje substraty i produkty procesów metabolicznych

Układ sercowo-naczyniowy u człowieka jest główną drogą transportu substratów metabolicznych oraz produktów ubocznych przemiany materii.

W procesach metabolicznych układ krążenia pełni funkcję transportu:

• glukozy, aminokwasów, kwasów tłuszczowych -> do komórek,
• tlenu -> do wszystkich tkanek organizmu,
• hormonów regulujących metabolizm (insuliny, adrenaliny, kortyzolu),
• produktów ubocznych, toksyn -> do nerek i wątroby.

Efektywność krążenia krwi jest niezwykle ważna zwłaszcza podczas wysiłku fizycznego. Rośnie wtedy zapotrzebowanie na substraty energetyczne, a serce musi pracować intensywniej, by nieustannie dostarczać je do komórek, w których będą metabolizowane.

Układ wydalniczy – odpowiada za detoksykację i utrzymanie homeostazy

Czy pamiętasz, jakie są produkty przemian metabolicznych? To mocznik, amoniak, nadmiar jonów, kreatynina, woda i kwas moczowy. Są one usuwane przez nerki. Układ wydalniczy odpowiada za:

• filtrację krwi w nerkach i wydalanie zbędnych produktów przemiany materii,
• regulację gospodarki wodno-elektrolitowej,
• utrzymanie stałego pH płynów ustrojowych.

Wydolność nerek ma ogromny wpływ na równowagę metaboliczną (homeostazę). Zaburzenia ich pracy mogą prowadzić do kumulacji toksyn i zakłócić przemiany chemiczne w komórkach.

Układ hormonalny – reguluje pracę innych układów organizmu i przebieg procesów

Hormony pełnią – mówiąc obrazowo – funkcję „dyrygentów” procesów metabolicznych. Oddziałują na komórki docelowe poprzez receptory. Uruchamiają w tym celu tak zwane kaskady enzymatyczne, a nawet potrafią zmieniać ekspresję genów (czyli sterują procesem, w którym informacja genetyczna jest używana do wytworzenia np. mRNA albo do syntezy białek).

Zapamiętaj nazwy najważniejszych hormonów metabolicznych:

• Insulina – pobudza syntezę glikogenu i lipidów, hamuje glikogenolizę i lipolizę oraz ogranicza rozpad białek. Steruje intensywnością glikolizy i glukoneogenezy.
• Glukagon – działa antagonistycznie do insuliny, pobudza glikogenolizę i glukoneogenezę.
• Adrenalina – przyspiesza metabolizm w sytuacjach stresowych, zwiększa dostępność glukozy.
• Kortyzol – nasila rozpad białek i stymuluje glukoneogenezę, działa przeciwzapalnie.
• Hormony tarczycy (T₃, T₄) – ogólnie przyspieszają tempo przemiany materii, stymulują oddychanie komórkowe.

Zaburzenia w układzie hormonalnym (np. niedoczynność tarczycy, insulinooporność, zespół Cushinga) często prowadzą do spadku lub wzrostu tempa metabolizmu i wymagają leczenia farmakologicznego, a także zmiany stylu życia pacjenta.

Regulacja metabolizmu. Od czego zależy tempo przemiany materii?

Metabolizm nie przebiega w sposób przypadkowy ani identyczny u wszystkich ludzi. Każdy organizm cechuje się indywidualnym tempem przemiany materii, które zależy od wielu różnych czynników i dynamicznie się zmienia. Zrozumienie tych mechanizmów jest dla Ciebie ważne nie tylko podczas rozwiązywania arkusza maturalnego z biologii, ale także w codziennym życiu. Jeśli lepiej rozumiesz metabolizm, jesteś w stanie również lepiej zrozumieć swój organizm: dlaczego niektóre osoby tyją szybciej, mimo pozornie podobnej diety, a inne spalają kalorie w ekspresowym tempie?

Czym jest podstawowa przemiana materii (PPM)?

Podstawowa przemiana materii oznacza ilość energii zużywanej przez organizm w stanie spoczynku, przy braku wysiłku fizycznego, na czczo i w warunkach komfortu termicznego (czyli ani nie zbyt wysokich, ani zbyt niskich temperatur). Tak naprawdę owa ilość energii to po prostu minimalna liczba kalorii potrzebna do podtrzymania podstawowych funkcji życiowych:

• pracy serca,
• oddychania,
• funkcji mózgu,
• utrzymania temperatury ciała,
• przemian chemicznych w komórkach.

PPM stanowi około 60–75% dziennego zapotrzebowania energetycznego człowieka. Można je obliczyć na podstawie wzorów. W praktyce PPM jest często niedoszacowane – szczególnie u osób z wysoką masą mięśniową, u których przemiana materii jest szybsza. Dla przeciętnego człowieka PPM może wynosić od 1200 do 2000 kcal dziennie, w zależności od płci, wieku, masy ciała i składu ciała.

Czy sam proces odżywiania zużywa energię?

Warto wiedzieć, że poza PPM istnieje jeszcze kilka innych pojęć związanych z wydatkiem energetycznym. Jednym z najciekawszych jest efekt termiczny pożywienia (TEF). Jest to energia zużywana na... samo trawienie i wchłanianie pokarmu. TEF jest wyższy wyższy dla białek niż dla tłuszczów i węglowodanów. Dla każdego makroskładnika możemy określić, jaka część zawartej w nim energii zużywana jest na jego trawienie, np. w przypadku białka jest to 20-30%, węglowodanów 5-10%, a tłuszczów 0-5%.

Jakie czynniki wpływają na tempo metabolizmu?

Na szybkość przemiany materii wpływa wiele zmiennych, ale najważniejsze z nich to:

1. Wiek – wraz z wiekiem metabolizm spowalnia. Jest to związane ze spadkiem masy mięśniowej i aktywności hormonalnej.
2. Płeć – mężczyźni mają zwykle wyższą PPM ze względu na większą masę mięśniową.
3. Masa ciała i skład ciała – osoby z większą ilością mięśni spalają więcej kalorii w spoczynku niż osoby o takiej samej wadze, ale z przewagą tkanki tłuszczowej.
4. Aktywność fizyczna – regularne ćwiczenia, zwłaszcza siłowe i interwałowe, zwiększają tempo metabolizmu nie tylko w trakcie, ale i po zakończeniu treningu.
5. Stan hormonalny – hormony tarczycy, insulina, kortyzol, testosteron i estrogeny wpływają na tempo spalania kalorii.
6. Temperatura ciała i otoczenia – zimno pobudza termogenezę, czyli zwiększa wytwarzanie ciepła, które z kolei wymaga zużycia energii.
7. Sen i regeneracja – brak snu zaburza gospodarkę hormonalną, sprzyja gromadzeniu tłuszczu i spowalnia metabolizm.

Choroby i zaburzenia metaboliczne

Metabolizm człowieka, choć stanowi naprawdę genialny i precyzyjny mechanizm, może ulegać różnorodnym zaburzeniom. Część z nich wynika z wad genetycznych (są to np. choroby wrodzone), inne pojawiają się w ciągu życia wskutek nieprawidłowej diety, braku aktywności fizycznej, czy zaburzeń hormonalnych. Choroby metaboliczne mogą mieć charakter łagodny, ale mogą też0 zagrażać życiu. W każdym przypadku natomiast zaburzają równowagę przemiany materii i prowadzą do nieprawidłowej syntezy, rozkładu lub magazynowania związków chemicznych w organizmie.

Choroby wrodzone wpływające na metabolizm

Wrodzone choroby metaboliczne są najczęściej uwarunkowane mutacjami w genach kodujących enzymy odpowiedzialne za określone szlaki przemian biochemicznych. Nieleczone mogą prowadzić do trwałego uszkodzenia układu nerwowego, wątroby, serca czy nerek. Ich diagnostyka opiera się na badaniach przesiewowych (np. testy noworodkowe) oraz analizie stężeń produktów przemiany materii we krwi i moczu.

Najczęstsze choroby metaboliczne to:

Fenyloketonuria

Wrodzony brak enzymu hydroksylazy fenyloalaniny powoduje gromadzenie się tej substancji we krwi i tkankach. Nieleczona fenyloketonuria prowadzi do nieodwracalnego upośledzenia rozwoju umysłowego. Leczenie polega na diecie eliminacyjnej, pozbawionej fenyloalaniny (bez białek zwierzęcych i roślin wysokobiałkowych).

Cukrzyca typu 2

Jest wynikiem insulinooporności. Komórki organizmu przestają reagować na insulinę, a to z czasem prowadzi do przewlekłej hiperglikemii. Cukrzyca zaburza wszystkie szlaki metaboliczne, sprzyja powstawaniu miażdżycy, chorób serca, nerek i oczu. Leczenie obejmuje dietę o niskim indeksie glikemicznym, aktywność fizyczną oraz leki przeciwcukrzycowe.

Zespół metaboliczny i otyłość

Na zespół metaboliczny składają się: otyłość brzuszna, nadciśnienie, zaburzenia lipidowe i podwyższony poziom glukozy. Współistnienie tych czynników zwiększa ryzyko zawału, udaru i cukrzycy. Leczenie wymaga zmiany stylu życia: trwałej redukcji masy ciała, aktywności fizycznej i ewentualnego leczenia farmakologicznego.

Niedoczynność tarczycy

Zaburzenie wydzielania hormonów T₃ i T₄ prowadzi do spowolnienia tempa przemiany materii. Objawy niedoczynności tarczycy to najczęściej senność, nietolerancja zimna, przyrost masy ciała, zaparcia, depresja. Leczenie polega na podawaniu lewotyroksyny i regularnej kontroli poziomu TSH.

FAQ – najczęstsze pytania maturzystów

Temat szlaków metabolicznych i procesów przemiany materii na maturze pojawia się często, a nie są to zagadnienia łatwe. Dlatego w tej części zebraliśmy dla Ciebie najważniejsze definicje dotyczące procesów metabolicznych i inne informacje na temat przemiany materii "w pigułce". Skorzystaj z nich np. podczas powtórek:

Co to jest metabolizm i jakie pełni funkcje?

Metabolizm to ogół reakcji chemicznych zachodzących w organizmie. Dzięki niemu możliwe jest pozyskiwanie energii, budowa tkanek, eliminacja toksyn i regulacja funkcji życiowych. Dzieli się na katabolizm (rozkład) i anabolizm (synteza).

Czym różni się anabolizm od katabolizmu?

Anabolizm to procesy syntezy związków z prostych substratów, wymagające nakładu energii. Katabolizm to rozkład związków złożonych i uwalnianie energii. Oba typy reakcji są ze sobą ściśle powiązane, ponieważ produkty jednych są substratami drugich.

Które układy w organizmie biorą udział w przemianach metabolicznych?

W metabolizmie uczestniczą: układ pokarmowy (trawienie), oddechowy (wymiana gazowa), krążenia (transport substratów i hormonów), wydalniczy (eliminacja toksyn) i hormonalny (regulacja enzymatyczna).

Dlaczego tempo przemiany materii spada z wiekiem?

Z wiekiem maleje masa mięśniowa, a wzrasta udział tkanki tłuszczowej, która ma niższą aktywność metaboliczną. Dodatkowo spada wydzielanie hormonów, np. testosteronu i T₃/T₄, a to dodatkowo wpływa na spowolnienie procesów biochemicznych.

Czy zaburzenia hormonalne wpływają na metabolizm?

Tak. Hormony odgrywają podstawową rolę w regulacji szlaków metabolicznych. Niedobór hormonów tarczycy, zaburzenia pracy trzustki czy nadmiar kortyzolu mogą znacznie spowolnić lub zaburzyć metabolizm.

Jaką rolę pełni ATP w metabolizmie?

ATP to główny nośnik energii w komórce. Umożliwia zachodzenie reakcji anabolicznych i aktywność enzymów, bierze udział w skurczu mięśni, transporcie przez błony komórkowe i sygnalizacji wewnątrzkomórkowej.