Взаимосвязь между процессами обмена веществ

Лекция 15. Единство процессов обмена веществ и их регуляция

Метаболизм — совокупность биохимических реакций живого организма, предназначенных для обеспечения его жизнедеятельности. В живых организмах метаболизм устроен на основе циклов (например, цикл Кребса или цикл Кальвина), цепей биохимических реакций (например, гликолиз) или биохимических процессов, идущих в форме спирали (в-окисление жирных кислот). Реакции обмена веществ связаны между собой, т.к. продукт одной реакции является субстратом для другой.

1. Взаимосвязь между процессами обмена белков, липидов, углеводов и нуклеотидов

Взаимосвязь между процессами обмена белков, липидов, углеводов и нуклеотидов можно проявляется в различных аспектах. Следует отметить основные позиции, отражающие эту взаимосвязь:

• 1) Взаимозависимость обменных процессов:
  • а) ни одно превращение липидов, углеводов или нуклеотидов невозможно без участия белков-ферментов;
  • б) биохимические процессы немыслимы без участия таких важнейших кофакторов, как АТФ, НАД, ФАД и др.;
  • в) углеводы и липиды являются основным энергетическим ресурсом для протекания процессов биосинтеза, идущих с затратой энергии.
• 2) Сходные этапы катаболизма и анаболизма (рассмотрены ниже).
• 3) Использование общих метаболических путей (прежде всего, это цикл трикарбоновых кислот, или цикл Кребса).
• 4) Способность к взаимопревращениям:
  • а) при избытке углеводов в пищевом рационе человека, часть продуктов их расщепления может превращаться в липиды;
  • б) при высокой потребности организма в глюкозе она может синтезироваться в клетках печени и надпочечников из продуктов распада белков, липидов и других веществ (этот процесс называется глюконеогенез, он имеет место также и у растений);
  • в) при недостатке жиров в рационе они могут синтезироваться из аминокислот;
  • г) белки в животном организме не могут в полной мере синтезироваться из продуктов распада липидов и углеводов (т.к. незаменимые аминокислоты должны поступать с пищей), тогда как растения способны синтезироваться все незаменимые аминокислоты из продуктов фотосинтеза и соединений азота, поступающих из почвы.
• 2. Основные этапы катаболизма и анаболизма

Этапы катаболизма

Катаболизм — расщепление крупных молекул с выделением энергии, заключенной в их структуре и запасание ее в форме АТФ. Полный распад крупных молекул осуществляется в 3 этапа:

1) Подготовительный (распад сложных молекул до их составных компонентов): белки > аминокислоты; сложные углеводы > моносахариды; липиды > спирты и высшие жирные кислоты; полинуклеотиды > мононуклеотиды.

Этот процесс осуществляется без участия кислорода, и АТФ здесь не образуется. Он происходит либо в желудочно-кишечном тракте (если речь идет о расщеплении сложных веществ, поступающих с пищей), либо в клетках организма (при распаде собственных, или тканевых сложных молекул).

Расщепление сложных веществ, поступающих с пищей, всегда происходит путем гидролиза при участии соответствующих гидролитических ферментов желудочно-кишечного тракта. Расщепление собственных белков, липидов и нуклеотидов также осуществляется путем гидролитического распада, а что касается углеводов — их распад в клетках организма может происходить как путем гидролиза, так и путем фосфоролиза.

2) Этап универсализации (высвободившиеся в результате подготовительного этапа низкомолекулярные органические соединения, такие как моносахариды, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты, подвергаются дальнейшей метаболизации с образованием относительно небольшого круга веществ, чаще всего, это ПВК либо другие кетокислоты, ацетилкоэнзим, А или сукцинилкоэнзим А.

Этот этап также осуществляется в клетках организма без участия кислорода (например, гликолиз, в-окисление жирных кислот). АТФ при этом может образовываться, но относительно немного.

3) Этап полного распада (происходит в митохондриях клеток, причем, исключительно в аэробных условиях).

В основе этого процесса лежат такие этапы аэробного дыхания как цикл Кребса и окислительное фосфорилирование, в результате которых промежуточные метаболиты, образовавшиеся на этапе универсализации, полностью окисляются до воды и углекислого газа с высвобождением энергии, которая аккумулируется в форме макроэргических химических связей АТФ.

Этапы анаболизма

Анаболизм — синтез крупных молекул из мелких, идущий с затратой энергии. В клетках животных и растений протекает множество анаболических реакций, в ходе которых из мелких молекул строятся более крупные.

Каждая клетка обычно сама синтезирует для себя необходимые белки, нуклеотиды, липиды, полисахариды и другие сложные вещества, а не получает их готовыми из других клеток (к примеру, гликоген, находящийся в мышцах, синтезируется в мышечных волокнах, а не приносится кровью из печени).

Исходным сырьем для процессов биосинтеза являются сравнительно немногие вещества, в том числе ацетилкоэнзим А, глицин, сукцинилкоэнзим А, рибоза, ПВК и глицерин.

Можно выделить следующие этапы анаболизма:

• 1) Образование промежуточных метаболитов (ПВК, ацетилкоэнзима А, фосфоглицеринового альдегида и др.), необходимых для прохождения дальнейших этапов биосинтеза.
• 2) Образование структурных блоков (аминокислот, моносахаридов, высших жирных кислот и др.), необходимых для синтеза сложных органических молекул.
• 3) Биосинтез сложных (и в том числе высокомолекулярных) соединений: белков и пептидов, сложных углеводов, липидов, полинуклеотидов.

Каждый этап биосинтеза катализируется отдельным ферментом.

Некоторые реакции в биосинтетических процессах не требуют доставки энергии извне, хотя в целом происходящие в клетках процессы синтеза нуждаются в поступлении энергии.

Синтез сложных молекул и их расщепление регулируется при помощи различных, обособленных друг от друга механизмов.

3. Регуляция биохимических процессов

На уровне клетки регуляцию биохимических процессов осуществляют 3 системы:

• 1) система регуляции активности ферментов;
• 2) мембранная регуляция;
• 3) генетическая регуляция.

Регуляция биохимических процессов на уровне целого организма (у человека и животных) осуществляется с помощью следующих систем:

• 1) нервной регуляции;
• 2) гормональной регуляции;
• 3) иммунной системы.

Система регуляции биохимических процессов на уровне клетки координируется организменной системой регуляции, т. е. все процессы регуляции биохимических процессов (и на уровне клетки, и на уровне целостного организма) тесно связаны между собой.

4. Особенности гормональной регуляции

Химическая структура гормонов

По своей химической структуре гормоны можно разделить на 3 группы:

• 1) белки и пептиды (например, гормоны поджелудочной железы — инсулин и глюкагон; гормоны гипофиза и гипоталамуса);
• 2) производные аминокислот (например, гормоны мозгового вещества надпочечников — адреналин и норадреналин);
• 3) стероидные гормоны, т. е. производные липидов (например, большинство половых гормонов, глюкокортикостероиды).

Особенности биологического действия гормонов

• 1) оказывают биологическое действие в ничтожно малых концентрациях;
• 2) гормональный эффект реализуется через белковые рецепторы и внутриклеточные вторичные посредники (мессенджеры);
• 3) не являясь ни ферментами, ни кофакторами, гормоны, тем не менее, оказывают действие на биохимические процессы, причем чаще всего следующим образом:
  • а) путем изменения активности имеющихся ферментов;
  • б) путем изменения скорости синтеза ферментов;
  • в) путем изменения проницаемости мембран.
• 4) дистантность действия (как правило, гормоны вырабатываются в специальных органах секреции и затем с кровотоком переносятся к органам-мишеням);
• 5) специфичность действия (каждый гормон выполняет свои, строго определенные функции);
• 6) действие гормонов в организме в известной степени определяется контролирующим действием центральной нервной системы;
• 7) передача гормональной информации осуществляется в десятки раз медленнее, чем передача нервных импульсов, позволяющая организму немедленно реагировать на изменение окружающей среды или внутренние функциональные изменения.
• 8) железы внутренней секреции и продуцируемые ими гормоны — единая система, тесно увязанная при помощи механизмов прямой и обратной связи.

Таким образом, гормоны влияют на те функции организма, для запуска или регуляции которых требуются минуты или часы.

• 5. Основные принципы регуляции биохимических процессов
• 1) Рецепторно-конформационный принцип (белковая молекула узнает специфический для нее фактор, например, какой-то сигнал в виде гормона, и взаимодействуя с ним, изменяет свою конформацию, что влияет на функциональную активность всего внутриклеточного комплекса).
• 2) Принцип обратной связи (как правило, отрицательной) и прямой связи (как правило, положительной).
• 3) Принцип максимальной экономии составных частей и процессов.
• 4) Компартментализация метаболических процессов (их приуроченность к различным клеточным компартментам).