ОБЩИЕ АСПЕКТЫ РЕГУЛЯЦИИ

Метаболизм представляет собой совокупность всех химических реакций, происходящих в организме. Под термином  метаболический путь подразумевается последовательность реакций, приводящих к образованию определенного продукта. Соединения, образующиеся в ходе превращений, называются  метаболитами. Изучение отдельных путей выделяют для удобства. В действительности метаболические пути связаны между собой в сети общими промежуточными продуктами и необходимостью обращения коферментов. В клетке коферменты присутствуют в низких фиксированных концентрациях, поэтому для функционирования метаболических путей необходимы все формы коферментов и, следовательно, их постоянная регенерация:

Объединение метаболических путей в метаболическую сеть

Анаболизм и катаболизм

В метаболизме можно выделить: пути анаболизма, которые предназначены для биосинтезов, и пути катаболизма, которые ведут к расщеплению сложных молекул. Хотя катаболические и анаболические пути во многом различаются, они тесно связаны друг с другом. Связь между ними обеспечивает оптимальный уровень метаболизма. Катаболизм и анаболизм - это сопряженные взаимодополняющие процессы.

Энергия и метаболизм

Живые системы требуют постоянного притока энергии для своей жизнедеятельности. В отсутствии энергии клетку можно сравнить с неработающей машиной. Жизнь, рост, целостность клетки зависят от пищи не только как источника углерода, азота, фосфора и других необходимых элементов, но также как источника энергии.

Роль АТР

Процессы, протекающие с потреблением и выделением энергии, связаны между собой. Центральную роль в этой взаимосвязи выполняет АТР - основное высокоэнергетическое соединение клетки. Роль АТР в клеточной энергетике можно определить следующим образом:

Роль АТР в биоэнергетике

АТР часто рассматривается как энергетическая валюта. Важно понимать, что АТР - это не вид энергии, а форма запасания энергии, получаемая при деградации сложных молекул. Пример рециркуляции АТР приведен на рисунке:

Структура и рециркуляция АТР

Регуляция метаболизма. Общие аспекты

Среди многих ферментов, обеспечивающих протекание того или иного метаболического пути со скоростью, необходимой для удовлетворения физиологических потребностей организма, только некоторые играют ключевую роль в регуляции. Это, во-первых, как правило, ферменты одной из начальных стадий цепи превращений, обязательно необратимой. Во-вторых, регуляторной функцией часто наделены ферменты, находящиеся в точках разветвления метаболических путей. Кроме того, регуляторные ферменты часто катализируют самые медленные (лимитирующие) стадии метаболического пути. Активность ферментов в этих ключевых точках определяет скорость метаболизма и может модулироваться в основном тремя способами:

Отрицательная обратная связь. В простейших саморегулирующихся системах увеличение концентрации конечного продукта подавляет на ранних стадиях его синтез:

Положительная и отрицательная обратные связи

Положительная обратная связь наблюдается, когда метаболит-предшественник активирует стадию, контролирующую его дальнейшее превращение. Например, переход в запасные вещества. Вещество запасается только тогда, когда его количество превосходит потребности метаболического пути.

Механизм действия гормонов на метаболизм

Гормоны - это межклеточные химические посредники (мессенджеры). Они секретируются одним типом клеток в ответ на определенные стимулы (сигналы) и оказывают воздействие на метаболизм клеток другого типа. Например, a-клетки островков Лангерганса поджелудочной железы секретируют гормон глюкагон в ответ на снижение концентрации глюкозы в крови. Глюкагон стимулирует распад гликогена в клетках печени и поступление запасенной глюкозы в плазму. Гормоны обладают высокой биологической активностью. Их действие проявляется при очень низких концентрациях (10-6 - 10-10 моль/л).С химической точки зрения гормоны можно разделить на три группы:

  1. гормоны - производные аминокислот
  2. белково-пептидные гормоны
  3. стероидные гормоны.

Гормоны оказывают свое действие, связываясь со специфическими рецепторами, располагающимися либо на поверхности мембраны клетки, либо в цитозоле. Связывание с рецепторами - обязательный этап в действии гормона. Белково-пептидные гормоны и гормоны - производные аминокислот являются гидрофильными веществами и проникновение их через плазматическую мембрану, состоящую из липидного бислоя, затруднено или невозможно. Рецепторы таких гормонов находятся на наружной поверхности плазматической мембраны. Гормоны связываются с рецепторными белками тех участков мембран клеток-мишеней, которые соприкасаются с кровью, что в свою очередь активирует ферментную систему, отвечающую за образование вторичного (внутриклеточного) посредника.

Система вторичных посредников

Появление в клетке вторичного посредника является пусковым моментом для изменения метаболизма, осуществляемого обычно фосфорилированием белков. Роль вторичных посредников могут выполнять cAMP, cGMP, инозитолтрифосфат, диацилглицерин, Ca2+ . Наиболее распространенным и хорошо изученным вторичным посредником является циклический 3’,5’-аденозинмонофосфат (сАМР):

Образование cAMP

Связывание гормона с рецептором активирует аденилатциклазу и, следовательно, ведет к повышению внутриклеточной концентрации cAMP, что приводит к увеличению скорости фосфорилирования белка. Наличие каскада ферментативных реакций между связыванием гормона с рецептором и изменением метаболизма позволяет значительно усилить первичное воздействие гормона.

Механизм действия гормонов, опосредованный сАМР

Стероидные гормоны являются веществами гидрофобного характера. Они легко преодолевают фосфолипидный барьер мембран и попадают в цитозоль клетки, где связываются с растворимыми цитоплазматическими рецепторами. Образующийся комплекс гормон-рецептор перемещается в ядро, взаимодействует с хроматином и стимулирует или репрессирует транскрипцию определенных генов. Таким образом, эти гормоны регулируют метаболические процессы, изменяя скорость биосинтеза ключевых белков:

Механизм действия стероидных гормонов