Глава 27. Регуляция и взаимосвязь метаболизма

Глава 27. Регуляция и взаимосвязь метаболизма

Для нормального функционирования организма должна осуществляться точная регуляция потока метаболитов по анаболическим и катаболическим путям. Все сопутствующие химические процессы должны протекать со скоростями, отвечающими требованиям организма как единого целого в условиях окружающей среды. Генерация АТФ, синтез макромолекул, транспорт, секреция, реабсорбция и другие процессы должны чутко реагировать на изменения в окружении, в котором находится клетка, орган или весь организм. Клеточный метаболизм основан на принципе максимальной экономии. Клетка потребляет в каждый данный момент как раз такое количество питательных веществ, которое позволяет ей удовлетворять свои энергетические нужды. Такая высокая организация и скоординированность метаболизма достигается с помощью регуляторных механизмов. Эти механизмы достаточно разнообразны.

Различают несколько уровней регуляции метаболизма:

1. Молекулярный.

2. Клеточный.

3. Органный (тканевой).

4. Организменный.

По времени достижения регуляторного эффекта различают быструю регуляцию (действующую в течение секунд и минут) и медленную регуляцию (в течение часов и суток).

Основными регуляторными механизмами являются:

1. Регуляция на уровне мембран.

2. Регуляция с участием циклических нуклеотидов и других вторичных посредников.

3. Регуляция количества ферментов.

4. Регуляция ферментативной активности.

5. Гормональная регуляция.

Регуляция на уровне мембран может осуществляться посредством нескольких механизмов. Во-первых, это избирательная проницаемость мембран для различных метаболитов и ионов. Во-вторых, способность мембран фиксировать гормоны с помощью рецепторов. В-третьих, ферментативная активность мембран. На уровне мембран реализуются, по крайней мере частично, такие регуляторные факторы, как доступность субстратов и коферментов, удаление продуктов реакции.

Циклические нуклеотиды и другие вторичные посредники участвуют в реализации действия целого ряда гормонов.

Регуляция количества ферментов.

Концентрация любого фермента определяется соотношением скоростей его синтеза и распада. Скорость синтеза белков-ферментов регулируется с помощью механизмов, общих для регуляции синтеза других белков. Влияние регуляторных факторов может интегрально проявляться в виде репрессии или индукции синтеза фермента. Данный механизм относится к медленному типу регуляции метаболизма.

Регуляция активности ферментов.

Это один из наиболее разнообразных методов регуляции метаболизма. Он может реализоваться по целому ряду механизмов, которые подробно изложены в главе 4.

Аллостерическая регуляция метаболических путей

Аллостерические регуляторы бывают, как правило, двух типов:

1. Конечные продукты цепей последовательных реакций, регулирующие свой синтез по принципу обратной связи.

2. АТФ, АДФ, АМФ, НАД⁺ и НАДН^•+Н⁺. Эти соединения хотя и не являются конечными продуктами самих метаболических путей, но образуются в результате их протекания и оказывают регуляторное влияние на поточную скорость. АТФ служит активатором ферментов, действующих в направлении синтеза биополимеров и аккумуляции энергии и является ингибитором реакций катаболизма. АДФ, а иногда и АМФ играют обратную роль – они активируют пути катаболизма, обеспечивающие их превращение в АТФ, ингибируют процессы анаболизма, связанные с потреблением АТФ, в котором клетки испытывают недостаток. НАД⁺ в этом смысле ведет себя подобно АМФ, НАДН+Н⁺ выступает в том же качестве, что и АТФ.

Как правило, аллостерические ферменты занимают место в начале мультиферментной последовательности реакций и катализируют ту её стадию, которая лимитирует скорость всего процесса в целом. Обычно роль такой стадии играет практически необратимая реакция. В некоторых случаях аллостерический фермент одного метаболического пути специфическим образом реагирует на промежуточные или конечные продукты другого. Благодаря этому достигается необходимая координация различных метаболических путей, направленная на обеспечение конкретных функций или процессов. Например, при мышечном сокращении возрастает скорость утилизации АТФ, необходимой для его энергообеспечения. При этом компенсаторно увеличивается скорость гликолиза с помощью регуляторных механизмов в соответствии с понижением уровня АТФ. В результате активации гликолиза увеличивается скорость наработки ацетил-КоА, являющегося субстратом цикла трикарбоновых кислот. Активация цикла трикарбоновых кислот приводит к наработке повышенных количеств НАДН+Н⁺, который вовлекается в цепь тканевого дыхания, активность которой при этом также увеличивается. Это приводит к ресинтезу АТФ и пополнению её пула, сниженного в результате мышечного сокращения.

Взаимосвязь метаболизма

Метаболизм в целом не следует понимать как сумму обменов белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов. В результате взаимодействия обменов отдельных классов органических соединений возникает единая система метаболических процессов, представляющая собой качественно новое образование. Обмены важнейших структурных мономеров живых систем – аминокислот, моносахаридов (глюкозы), жирных кислот, мононуклеотидов тесно взаимосвязан. Эта взаимосвязь осуществляется через так называемые ключевые метаболиты, которые служат общим звеном на путях распада или синтеза мономеров. Взаимосвязь обменов отдельных классов органических соединений особенно хорошо выражена в процессах их взаимного превращения, хотя и не сводится только к этому. Примером такого взаимопревращения может являться прирост массы тела за счет отложения подкожного жирового слоя при избыточном потреблении углеводной пищи. К ключевым метаболитам, которые служат узловыми моментами взаимосвязи метаболизма относятся пируват, глицерофосфат, ацетил-КоА, некоторые метаболиты цикла трикарбоновых кислот (Рис. 27.1).

Рис. 27.1. Взаимосвязь метаболизма различных классов органических соединений.

Рис. 27.2. Энергетические взаимосвязи между катаболическими и анаболическими путями.