وذمة في منطقة الساق

طرق تنظيم نشاط التمثيل الغذائي في الخلية. إنزيمات السرير والهرمونات. المفاهيم والمصطلحات الأساسية

الكيمياء الحيوية الديناميكية

الفصلرابعا.8.

التمثيل الغذائي والطاقة

التمثيل الغذائي أو التمثيل الغذائي - مجموعة من التفاعلات الكيميائية في الجسم تزوده بالمواد والطاقة اللازمة للحياة. في عملية التمثيل الغذائي ، يمكن التمييز بين مرحلتين رئيسيتين: التحضيري - عندما تخضع المادة التي يتم تلقيها عن طريق الغذاء لتحولات كيميائية ، ونتيجة لذلك يمكن أن تدخل مجرى الدم ثم تخترق الخلايا ، والتمثيل الغذائي الفعلي ، أي التحولات الكيميائية للمركبات التي اخترقت الخلايا.

مسار التمثيل الغذائي - هذه هي طبيعة وتسلسل التحولات الكيميائية لمادة معينة في الجسم. تسمى المنتجات الوسيطة التي تتشكل أثناء عملية التمثيل الغذائي بالمستقلبات ، والمركب الأخير في المسار الأيضي هو المنتج النهائي.

تسمى عملية تحطيم المواد المعقدة إلى مواد أبسط الهدم. لذا ، فإن البروتينات والدهون والكربوهيدرات التي تدخل الطعام ، تحت تأثير إنزيمات الجهاز الهضمي ، تنقسم إلى مكونات أبسط (الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والسكريات الأحادية). هذا يطلق الطاقة. تسمى العملية العكسية ، أي توليف المركبات المعقدة من المركبات الأبسط بناء . يأتي مع الطاقة. من الأحماض الأمينية والأحماض الدهنية والسكريات الأحادية المتكونة نتيجة للهضم ، يتم تصنيع بروتينات خلوية جديدة وغشاء فوسفوليبيد وعديد السكاريد في الخلايا.

هناك مفهوم البرمائية عندما يتم تدمير مركب واحد ، ولكن يتم تصنيع مركب آخر.

دورة التمثيل الغذائي هو مسار أيضي ، أحد منتجاته النهائية مطابق لأحد المركبات المشاركة في هذه العملية.

المسار الأيضي الخاص عبارة عن مجموعة من التحولات لمركب معين (كربوهيدرات أو بروتينات). المسار الأيضي الشائع هو عندما يشترك نوعان أو أكثر من المركبات (تشارك الكربوهيدرات والدهون والبروتينات جزئيًا في استقلاب الطاقة).

ركائز التمثيل الغذائي - المركبات القادمة من الطعام. من بينها العناصر الغذائية الرئيسية (البروتينات والكربوهيدرات والدهون) والثانوية ، والتي تأتي بكميات صغيرة (الفيتامينات والمعادن).

يتم تحديد شدة التمثيل الغذائي من خلال حاجة الخلية إلى مواد أو طاقة معينة ، ويتم التنظيم بأربع طرق:

1) يتم تحديد المعدل الإجمالي لتفاعلات مسار استقلابي معين من خلال تركيز كل من إنزيمات هذا المسار ، وقيمة الأس الهيدروجيني للوسط ، والتركيز داخل الخلايا لكل من المنتجات الوسيطة ، وتركيز العوامل المساعدة والأنزيمات المساعدة.

2) نشاط الإنزيمات التنظيمية (الخيفية) ، والتي تحفز عادة المراحل الأولية من المسارات الأيضية. يتم تثبيط معظمها بواسطة المنتج النهائي لهذا المسار وهذا النوع من التثبيط يسمى "التغذية المرتدة".

3) التحكم الجيني الذي يحدد معدل تخليق إنزيم معين. مثال حي هو ظهور الإنزيمات المحفزة في الخلية استجابةً لتناول الركيزة المقابلة.

4) التنظيم الهرموني. هناك عدد من الهرمونات قادرة على تنشيط أو تثبيط العديد من إنزيمات المسارات الأيضية.

الكائنات الحية هي أنظمة غير مستقرة من الناحية الديناميكية الحرارية. من أجل تكوينها وعملها ، من الضروري توفير إمدادات مستمرة من الطاقة بشكل مناسب للاستخدام متعدد الأوجه. للحصول على الطاقة ، تكيفت جميع الكائنات الحية تقريبًا على هذا الكوكب لتحلل إحدى روابط بيروفوسفات ATP. في هذا الصدد ، تتمثل إحدى المهام الرئيسية للطاقة الحيوية للكائنات الحية في تجديد ATP المستخدم من ADP و AMP.

المصدر الرئيسي للطاقة في الخلية هو أكسدة الركائز مع الأكسجين الجوي. تتم هذه العملية بثلاث طرق: إضافة الأكسجين إلى ذرة الكربون ، أو التخلص من الهيدروجين ، أو فقدان الإلكترون. في الخلايا ، تستمر الأكسدة في شكل نقل متتابع للهيدروجين والإلكترونات من الركيزة إلى الأكسجين. في هذه الحالة ، يلعب الأكسجين دور مركب مختزل (عامل مؤكسد). تستمر التفاعلات التأكسدية مع إطلاق الطاقة ، والتغيرات الصغيرة نسبيًا في الطاقة هي سمة من سمات التفاعلات البيولوجية. يتم تحقيق ذلك عن طريق تقسيم عملية الأكسدة إلى عدد من المراحل الوسيطة ، مما يسمح بتخزينها في أجزاء صغيرة في شكل مركبات كبيرة (ATP). يؤدي اختزال ذرة الأكسجين عند التفاعل مع زوج من البروتونات والإلكترونات إلى تكوين جزيء الماء.

تنفس الأنسجة

هذه هي عملية استهلاك الأكسجين من قبل خلايا أنسجة الجسم ، والتي تشارك في الأكسدة البيولوجية. يسمى هذا النوع من الأكسدة أكسدة هوائية . إذا لم يكن المستقبل النهائي في سلسلة نقل الهيدروجين هو الأكسجين ، ولكن المواد الأخرى (على سبيل المثال ، حمض البيروفيك) ، فإن هذا النوع من الأكسدة يسمى اللاهوائية.

الذي - التي. الأكسدة البيولوجية هي إزالة الهيدروجين من الركيزة بمساعدة ناقلات الهيدروجين الوسيطة ومستقبلها النهائي.

السلسلة التنفسية (إنزيمات تنفس الأنسجة) هي ناقلات للبروتونات والإلكترونات من الركيزة المؤكسدة إلى الأكسجين. العامل المؤكسد مركب قادر على قبول الإلكترونات. هذه القدرة محددة كميا الأكسدة المحتملة فيما يتعلق بإلكترود الهيدروجين القياسي ، فإن الرقم الهيدروجيني له يساوي 7.0. كلما انخفضت إمكانات المركب ، زادت خصائصه المختزلة والعكس صحيح.

الذي - التي. يمكن لأي مركب أن يتبرع بالإلكترونات فقط لمركب ذي إمكانات أكسدة أعلى. في سلسلة الجهاز التنفسي ، كل رابط لاحق لديه إمكانات أعلى من سابقتها.

تتكون السلسلة التنفسية من:

1. NAD - نازعة هيدروجين المعتمد ؛

2. نازعة الهيدروجين المعتمد على FAD ؛

3 - يوبيكوينون (Ko Q) ؛

4. السيتوكروم ب ، ج ، أ + أ 3.

نازعات الهيدروجين المعتمدة على NAD . يحتوي على أنزيم في الاعلىو NADP. حلقة بيريدين النيكوتيناميد قادرة على ربط الإلكترونات وبروتونات الهيدروجين.

نازعات الهيدروجين المعتمدة على FAD و FMN تحتوي على أنزيم فوسفوريك استر لفيتامين ب 2 ( موضة عابرة).

يوبيكوينون (كو س ) يأخذ الهيدروجين من البروتينات الفلافية ويتحول إلى هيدروكينون.

السيتوكرومات - بروتينات البروتين الصبغية القادرة على ربط الإلكترونات بسبب وجود بورفيرينات الحديد كمجموعات اصطناعية في تركيبها. يقبلون إلكترونًا من عامل اختزال أقوى قليلاً ويتبرعون به إلى عامل مؤكسد أقوى. ترتبط ذرة الحديد بذرة النيتروجين في حلقة الإيميدازول للحمض الأميني الهيستيدين على جانب واحد من مستوى حلقة البورفيرين ، وعلى الجانب الآخر بذرة الكبريت في الميثيونين. لذلك ، يتم قمع القدرة المحتملة لذرة الحديد في السيتوكرومات على ربط الأكسجين.

في السيتوكروم ج يرتبط مستوى البورفيرين تساهميًا بالبروتين من خلال اثنين من بقايا السيستين ، وفي السيتوكروم ب و ، فهي غير ملزمة تساهميًا بالبروتين.

في السيتوكروم أ + أ 3 (أوكسيديز السيتوكروم) بدلاً من البروتوبرفيرين يحتوي على البورفيرين أ ، والذي يختلف في عدد من السمات الهيكلية. يشغل موقع التنسيق الخامس للحديد مجموعة أمينية تنتمي إلى بقايا سكر أميني تشكل جزءًا من البروتين نفسه.

على عكس الهيمولجوبين ، يمكن أن تتغير ذرة الحديد في السيتوكرومات بشكل عكسي من اثنين إلى حالة ثلاثية التكافؤ ؛ وهذا يضمن نقل الإلكترونات (انظر الملحق 1 "التركيب الذري والإلكتروني للبروتينات الدموية" لمزيد من التفاصيل).

آلية عمل سلسلة نقل الإلكترون

يكون الغشاء الخارجي للميتوكوندريا (الشكل 4.8.1) منفذًا لمعظم الجزيئات والأيونات الصغيرة ، بينما يكون الغشاء الداخلي منفذًا لجميع الأيونات تقريبًا (باستثناء بروتونات H) ومعظم الجزيئات غير المشحونة.

جميع المكونات المذكورة أعلاه من سلسلة الجهاز التنفسي مدمجة في الغشاء الداخلي. يتم توفير نقل البروتونات والإلكترونات على طول السلسلة التنفسية من خلال فرق الجهد بين مكوناتها. علاوة على ذلك ، فإن كل زيادة في الجهد بمقدار 0.16 فولت تطلق طاقة كافية لتخليق جزيء ATP واحد من ADP و H 3 RO 4. عندما يتم استهلاك جزيء واحد من O 2 ، 3 ATP.

عمليات أكسدة وتشكيل ATP من ADP وحمض الفوسفوريك أي تحدث الفسفرة في الميتوكوندريا. يشكل الغشاء الداخلي عدة طيات - كرستيات. المساحة محدودة بالغشاء الداخلي - المصفوفة. المسافة بين الأغشية الداخلية والخارجية تسمى الغشاء الداخلي.

يحتوي هذا الجزيء على ثلاث روابط كبيرة. ماكرويرجيك أو غنية بالطاقة هي رابطة كيميائية ، عند كسرها يتم تحرير أكثر من 4 كيلو كالوري / مول. أثناء التحلل المائي لـ ATP إلى ADP وحمض الفوسفوريك ، يتم تحرير 7.3 كيلو كالوري / مول. بالضبط نفس الكمية تنفق على تكوين ATP من ADP وبقية حمض الفوسفوريك ، وهذه واحدة من الطرق الرئيسية لتخزين الطاقة في الجسم.

في عملية نقل الإلكترون على طول السلسلة التنفسية ، يتم إطلاق الطاقة ، والتي يتم إنفاقها على إضافة بقايا حمض الفوسفوريك إلى ADP لتشكيل جزيء ATP واحد وجزيء ماء واحد. في عملية نقل زوج واحد من الإلكترونات على طول السلسلة التنفسية ، يتم تحرير 21.3 كيلو كالوري / مول وتخزينه في شكل ثلاثة جزيئات ATP. هذا هو حوالي 40٪ من الطاقة المنبعثة أثناء النقل الإلكتروني.

تسمى هذه الطريقة لتخزين الطاقة في الخلية الفسفرة التأكسدية أو الفسفرة المقترنة.

تم شرح الآليات الجزيئية لهذه العملية بشكل كامل من خلال نظرية ميتشل الكيميائية التناضحية ، التي تم طرحها في عام 1961.

آلية الفسفرة المؤكسدة (الشكل 4.8.2.):

1) يقع نازعة الهيدروجين المعتمد على NAD على سطح مصفوفة من الغشاء الداخلي للميتوكوندريا ويتبرع بزوج من إلكترونات الهيدروجين لنزع الهيدروجين المعتمد على FMN. في هذه الحالة ، يمر زوج من البروتونات أيضًا من المصفوفة إلى FMN ، ونتيجة لذلك ، يتم تكوين FMN H2. في هذا الوقت ، يتم دفع زوج من البروتونات التي تنتمي إلى NAD إلى الفضاء بين الغشاء.

2) يتبرع نازعة الهيدروجين المعتمد على FAD بزوج من الإلكترونات لشركة Coس ويدفع اثنين من البروتونات في الفضاء بين الغشاء. تلقي الإلكتروناتس يقبل بضعة بروتونات من المصفوفة ويتحول إلى Coس ح 2.

3) Co Q يدفع H 2 زوجًا من البروتونات إلى الفضاء بين الغشاء ، ويتم نقل زوج من الإلكترونات إلى السيتوكرومات ثم إلى الأكسجين لتكوين جزيء ماء.

نتيجة لذلك ، عندما يتم نقل زوج من الإلكترونات على طول السلسلة من المصفوفة إلى الفضاء بين الغشاء ، يتم ضخ 6 بروتونات (3 أزواج) ، مما يؤدي إلى تكوين فرق الجهد وفرق الأس الهيدروجيني بين الأسطح الداخلية غشاء.

4) يضمن فرق الجهد وفرق الأس الهيدروجيني حركة البروتونات عبر قناة البروتون إلى المصفوفة.

5) تؤدي هذه الحركة العكسية للبروتونات إلى تنشيط سينسيز ATP وتخليق ATP من ADP وحمض الفوسفوريك. مع نقل زوج واحد من الإلكترونات (أي ثلاثة أزواج من البروتونات) ، يتم تصنيع 3 جزيئات ATP (الشكل 4.7.3).

فك الارتباط بين عمليات التنفس والفسفرة المؤكسدة يحدث عندما تبدأ البروتونات في اختراق الغشاء الداخلي للميتوكوندريا. في هذه الحالة ، تتوقف مستويات تدرج الأس الهيدروجيني وتختفي القوة الدافعة للفسفرة. المواد الكيميائية - تسمى المفصلات بالبروتونات ، وهي قادرة على حمل البروتونات عبر الغشاء. وتشمل هذه 2،4-دينيتروفينول، هرمونات الغدة الدرقية ، إلخ (الشكل 4.8.3).

يتم نقل ATP الناتج من المصفوفة إلى السيتوبلازم بواسطة إنزيمات ترانسلوكاز ، بينما يتم نقل جزيء ADP وجزيء حمض الفوسفوريك إلى المصفوفة في الاتجاه المعاكس. من الواضح أن انتهاك نقل ADP والفوسفات يثبط تخليق ATP.

يعتمد معدل الفسفرة المؤكسدة في المقام الأول على محتوى ATP ، فكلما زادت سرعة استهلاكه ، كلما زاد تراكم ADP ، زادت الحاجة إلى الطاقة ، وبالتالي ، زادت فعالية عملية الفسفرة المؤكسدة. يسمى تنظيم معدل الفسفرة المؤكسدة بواسطة تركيز ADP في الخلية بالتحكم في الجهاز التنفسي.

الأدب حتى الفصل IV.8.

1. Byshevsky A. Sh. ، Tersenov O. A. Biochemistry for a doctor // Ekaterinburg: Ural worker، 1994، 384 p .؛

2. Knorre D. G. ، Myzina S. D. الكيمياء البيولوجية. - م: العالي. المدرسة 1998 ، 479 صفحة ؛

3. Lehninger أ. الكيمياء الحيوية. القواعد الجزيئية لبنية الخلية ووظائفها // M: Mir، 1974، 956 p .؛

4. Pustovalova L.M. ورشة عمل حول الكيمياء الحيوية // روستوف أون دون: فينيكس ، 1999 ، 540 ص ؛

5. ستيبانوف ف. م. البيولوجيا الجزيئية. هيكل ووظائف البروتينات // M: Vysshaya shkola، 1996، 335 p .؛

يمكن تقسيم المجموعة الكاملة من الكائنات الحية التي تعيش على الأرض إلى مجموعتين رئيسيتين ، والتي تختلف في استخدام مصادر الطاقة المختلفة - كائنات ذاتية التغذية وغيرية التغذية.

الأول (autotrophs) عبارة عن نباتات خضراء بشكل أساسي قادرة على استخدام الطاقة المشعة للشمس بشكل مباشر في عملية التمثيل الضوئي ، وإنشاء مركبات عضوية (الكربوهيدرات والأحماض الأمينية والأحماض الدهنية ، وما إلى ذلك) من غير العضوية. تمتص بقية الكائنات الحية المواد العضوية الجاهزة ، وتستخدمها كمصدر للطاقة أو مادة بلاستيكية لبناء أجسامها.

وتجدر الإشارة إلى أن معظم الكائنات الحية الدقيقة هي أيضًا كائنات غيرية التغذية. ومع ذلك ، فهي غير قادرة على امتصاص جزيئات الطعام الكاملة. تفرز في بيئتها إنزيمات هضمية خاصة تعمل على تكسير المواد الغذائية وتحويلها إلى جزيئات صغيرة قابلة للذوبان ، وتخترق هذه الجزيئات الخلايا.

نتيجة لعملية التمثيل الغذائي ، يتم تحويل المواد المستهلكة مع الطعام إلى مواد خاصة بها وهياكل الخلية ، وبالإضافة إلى ذلك ، يتم تزويد الجسم بالطاقة للعمل الخارجي.

التكاثر الذاتي ، أي التجديد المستمر لهياكل الجسم والتكاثر ، هو أكثر السمات المميزة لعملية التمثيل الغذائي في الكائنات الحية ، والتي تميزه عن التمثيل الغذائي في الطبيعة غير الحية.

الأيض ، الذي يرتبط ارتباطًا وثيقًا بتبادل الطاقة ، هو نظام طبيعي لتحول المادة والطاقة في الأنظمة الحية ، بهدف الحفاظ عليها والتكاثر الذاتي. لاحظ ف. إنجلز أن التمثيل الغذائي هو أهم خاصية للحياة ، والتي تنتهي الحياة نفسها بإنهائها. وشدد على الطبيعة الديالكتيكية لهذه العملية وأشار إلى ذلك

اعتبر I.M. Sechenov ، مؤسس علم وظائف الأعضاء الروسي ، دور التمثيل الغذائي في حياة الكائنات الحية من موقف مادي ثابت. تابع K. A. Timiryazev باستمرار فكرة أن الخاصية الرئيسية التي تميز الكائنات الحية هي التبادل النشط المستمر بين المادة التي يتكون منها الجسم وجوهر البيئة ، والتي يدركها الجسم باستمرار ، ويستوعبها ، ويحولها إلى مادة مماثلة ، مرة أخرى التغييرات ويبرز في عملية التبديد. اعتبر IP Pavlov التمثيل الغذائي كأساس لمظهر النشاط الحيوي ، كأساس للوظائف الفسيولوجية للجسم. تم تقديم مساهمة كبيرة في معرفة كيمياء العمليات الحياتية بواسطة AI Oparin ، الذي درس الأنماط الأساسية لتطور التمثيل الغذائي في سياق ظهور الحياة على الأرض وتطورها.

المفاهيم والشروط الأساسية

أو التمثيل الغذائي هو مجموعة من التفاعلات الكيميائية في الجسم تزوده بالمواد والطاقة اللازمة للحياة: الحفاظ على الذات والتكاثر الذاتي. يُفهم التكاثر الذاتي على أنه تحول مادة قادمة من الخارج إلى مواد وهياكل الكائن الحي نفسه ، ونتيجة لذلك يحدث تجديد مستمر للأنسجة ونمو وتكاثر.

في عملية التمثيل الغذائي تفرز:

التبادل الخارجي- يشمل التحول خارج الخلوي للمواد عند دخولها إلى الجسم وإفراز منتجات التمثيل الغذائي منه [تبين] .
يشكل تناول المواد في الجسم وإطلاق المنتجات الأيضية معًا تبادل المواد بين البيئة والجسم ، ويُعرَّف بأنه التبادل الخارجي.
يتم إجراء التبادل الخارجي للمواد (والطاقة) باستمرار.
يدخل الأكسجين والماء والأملاح المعدنية والمغذيات والفيتامينات اللازمة لبناء وتحديث العناصر الهيكلية للخلايا والأنسجة وتوليد الطاقة إلى جسم الإنسان من البيئة الخارجية. يمكن تسمية كل هذه المواد بمنتجات غذائية ، بعضها من أصل بيولوجي (منتجات نباتية وحيوانية) وجزء أصغر من غير بيولوجي (الماء والأملاح المعدنية المذابة فيه).
تتحلل المغذيات الموردة مع الطعام بتكوين الأحماض الأمينية والسكريات الأحادية والأحماض الدهنية والنيوكليوتيدات والمواد الأخرى ، والتي تختلط مع نفس المواد المتكونة في عملية التحلل المستمر للمكونات الهيكلية والوظيفية للخلية ، وتشكل عام صندوق مستقلبات الجسم. يتم إنفاق هذا الصندوق في اتجاهين: يستخدم الجزء لتجديد المكونات الهيكلية والوظيفية الفاسدة للخلية ؛ يتم تحويل الجزء الآخر إلى منتجات نهائية لعملية التمثيل الغذائي ، والتي تفرز من الجسم.
أثناء تحلل المواد إلى النواتج النهائية لعملية التمثيل الغذائي ، يتم إطلاق الطاقة ، في الشخص البالغ 8000-12000 كيلو جول (2000-3000 كيلو كالوري) يوميًا. تستخدم خلايا الجسم هذه الطاقة لأداء أنواع مختلفة من العمل ، وكذلك للحفاظ على درجة حرارة الجسم عند مستوى ثابت.
وسيط الصرف- يشمل تحويل المواد داخل الخلايا البيولوجية من لحظة دخولها إلى تكوين المنتجات النهائية (على سبيل المثال ، استقلاب الأحماض الأمينية ، استقلاب الكربوهيدرات ، إلخ.)

مراحل التمثيل الغذائي. هناك ثلاث مراحل متتالية.

المزيد عن

المدخول (التغذية جزء لا يتجزأ من عملية التمثيل الغذائي (تناول المواد من البيئة إلى الجسم))
الهضم (الكيمياء الحيوية للهضم (هضم العناصر الغذائية))
الامتصاص (الكيمياء الحيوية للهضم (امتصاص العناصر الغذائية))

ثانيًا. حركة وتحول المواد في الجسم (التمثيل الغذائي الوسيط)

التمثيل الغذائي الوسيط (أو التمثيل الغذائي) - تحول المواد في الجسم من لحظة دخولها الخلايا إلى تكوين المنتجات النهائية لعملية التمثيل الغذائي ، أي مجموع التفاعلات الكيميائية التي تحدث في الخلايا الحية وتزود الجسم بالمواد والطاقة اللازمة نشاطها الحيوي والنمو والتكاثر. هذا هو أصعب جزء من عملية التمثيل الغذائي.

بمجرد دخولها الخلية ، يتم استقلاب المغذيات - تخضع لسلسلة من التغييرات الكيميائية التي تحفزها الإنزيمات. يُطلق على تسلسل معين من هذه التغييرات الكيميائية اسم المسار الأيضي ، وتسمى المنتجات الوسيطة الناتجة بالمستقلبات. يمكن تمثيل مسارات التمثيل الغذائي في شكل خريطة التمثيل الغذائي.

التمثيل الغذائي للمغذيات
الكربوهيدرات	الدهون	بيلكوف
المسارات التقويضية للكربوهيدرات تحلل السكر تحلل الجليكوجين هذه مسارات مساعدة لتكوين الطاقة من الجلوكوز (أو السكريات الأحادية الأخرى) والجليكوجين عندما تتحلل إلى اللاكتات (في ظل الظروف اللاهوائية) أو إلى ثاني أكسيد الكربون و H 2 O (في ظل الظروف الهوائية). مسار فوسفات البنتوز (تحويلة أحادي الفوسفات أو تحويلة فوسفوجلوكونات). بعد العلماء الذين لعبوا دورًا رئيسيًا في وصفها ، تسمى دورة فوسفات البنتوز دورة Warburg-Dickens-Horecker-Engelhard. هذه الدورة هي فرع (أو تحويلة) من تحلل السكر في مرحلة الجلوكوز 6 فوسفات. مسارات الكربوهيدرات الابتنائية استحداث السكر (تكوين جديد للجلوكوز). من الممكن في جميع أنسجة الجسم ، المكان الرئيسي هو الكبد. تكوين الجليكوجين (التخليق الحيوي للجليكوجين). يحدث في جميع أنسجة الجسم (ربما يكون الاستثناء هو كريات الدم الحمراء) ، وتنشط بشكل خاص في عضلات الهيكل العظمي والكبد.	مسار تقويضي للدهون التحلل المائي داخل الخلايا للدهون (تحلل الدهون في الأنسجة) مع تكوين الجلسرين والأحماض الدهنية الحرة أكسدة الجلسرين أكسدة الأحماض الدهنية في دورة Knoop-Linen مسار الدهون الابتنائية تخليق الأحماض الدهنية (المشبعة وغير المشبعة). في أنسجة الثدييات ، يمكن فقط تكوين الأحماض الدهنية الأحادية (من دهني - أوليك ، من النخلة - بالميتوليك). يحدث هذا التركيب في الشبكة الإندوبلازمية لخلايا الكبد عبر سلسلة أكسدة أحادية الأكسجين. لا تتشكل الأحماض الدهنية غير المشبعة المتبقية في جسم الإنسان ويجب تزويدها بالأغذية النباتية (تتشكل الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة في النباتات). الأحماض الدهنية المتعددة غير المشبعة هي عوامل غذائية لا غنى عنها للثدييات. تخليق ثلاثي الجلسرين. يحدث عندما تترسب الدهون في الأنسجة الدهنية أو أنسجة الجسم الأخرى. تتم ترجمة العملية في هيالوبلازم الخلايا. يتراكم ثلاثي الجلسرين المركب في شكل شوائب دهنية في سيتوبلازم الخلايا.	مسار البروتين تقويضي التحلل المائي داخل الخلايا للبروتينات أكسدة المنتجات النهائية (يوريا ، ماء ، ثاني أكسيد الكربون). يعمل المسار على استخلاص الطاقة من انهيار الأحماض الأمينية. مسار الأحماض الأمينية البنائية تخليق البروتينات والببتيدات - الطريق الرئيسي لاستهلاك الأحماض الأمينية تخليق المركبات غير البروتينية المحتوية على النيتروجين - البيورينات ، البيريميدينات ، البورفيرينات ، الكولين ، الكرياتين ، الميلانين ، بعض الفيتامينات ، الإنزيمات المساعدة (نيكوتيناميد ، حمض الفوليك ، الإنزيم المساعد أ) ، منظمات الأنسجة (الهستامين ، السيروتونين) ، الوسطاء (الأدرينالين ، النوربينفرين ، أستيل كولين) تخليق الكربوهيدرات (استحداث السكر) باستخدام الهياكل الكربونية للأحماض الأمينية تخليق الدهون باستخدام بقايا الأسيتيل للهياكل الكربونية للأحماض الأمينية
تخليق الفسفوليبيدات. يستمر في الهيالوبلازم للأنسجة ، ويرتبط بتجديد الأغشية. يتم نقل الدهون الفوسفورية المركبة بمساعدة بروتينات نقل الدهون من السيتوبلازم إلى أغشية (خلوية ، داخل الخلايا) ويتم دمجها في مكان الجزيئات القديمة. نظرًا للمنافسة بين مسارات تخليق الفسفوليبيد وثلاثي الجلسرينات للركائز الشائعة ، فإن جميع المواد التي تعزز تخليق الدهون الفوسفورية تمنع ترسب ثلاثي الجلسرين في الأنسجة. تسمى هذه المواد عوامل شحم. وتشمل هذه المكونات الهيكلية للفوسفوليبيدات: الكولين ، إينوزيتول ، سيرين ؛ مادة تسهل نزع الكربوكسيل من فوسفاتيدات السيرين - فوسفات بيريدوكسال ؛ مانح مجموعة الميثيل - ميثيونين ؛ يشارك حمض الفوليك والسيانوكوبالامين في تكوين أنزيمات نقل مجموعة الميثيل (THFK و methylcobalamin). يمكن استخدامها كأدوية تمنع الترسب المفرط لثلاثي الجلسرين في الأنسجة (الارتشاح الدهني). تخليق أجسام الكيتون. يحدث في الميتوكوندريا في الكبد (تكون الحالة الكيتونية غائبة في الأعضاء الأخرى). هناك مساران: دورة هيدروكسي ميثيل الغلوتارات (الأكثر نشاطًا) ودورة ديسيلاز (الأقل نشاطًا). تخليق الكوليسترول. أكثر نشاطًا في كبد شخص بالغ. يشارك الكبد في توزيع الكوليسترول على الأعضاء الأخرى وفي إفراز الكوليسترول مع الصفراء. يستخدم الكوليسترول لبناء الأغشية الحيوية في الخلايا ، وكذلك لتكوين الأحماض الصفراوية (في الكبد) ، والهرمونات الستيرويدية (في قشرة الغدة الكظرية ، والغدد التناسلية الأنثوية والذكور ، والمشيمة) ، وفيتامين د 3 ، أو كولي كالسيفيرول (في الجلد).

الجدول 24: التمثيل الغذائي اليومي للشخص (قيم مستديرة ؛ شخص بالغ يبلغ وزن جسمه حوالي 70 كجم)
مواد	محتوى في الجسم ، ز	الاستهلاك اليومي ، ز	التخصيص اليومي
O2	-	850	-
ثاني أكسيد الكربون	-	-	1000
ماء	42 000	2200	2600
المواد العضوية:
السناجب	15 000	80	-
الدهون	10 000	100	-
الكربوهيدرات	700	400	-
احماض نووية	700	-	-
اليوريا	-	-	30
املاح معدنية	3 500	20	20
المجموع	71 900	3650	3650

نتيجة للنشاط الأيضي في جميع أجزاء الجسم ، تتشكل مواد ضارة تدخل مجرى الدم ويجب إزالتها. تقوم الكلى بهذه الوظيفة ، حيث تقوم بفصل المواد الضارة وتوجيهها إلى المثانة ، حيث يتم إخراجها بعد ذلك من الجسم. تشارك الأعضاء الأخرى أيضًا في عملية التمثيل الغذائي: الكبد والبنكرياس والمرارة والأمعاء والغدد العرقية.

يفرز الشخص مع البول والبراز والعرق وهواء الزفير المنتجات النهائية الرئيسية لعملية التمثيل الغذائي - CO 2، H 2 O، urea H 2 N - CO - NH 2. في صورة H 2 O ، يُفرز الهيدروجين من المواد العضوية ، ويطلق الجسم كمية من الماء أكثر مما يستهلكه (انظر الجدول 24): يتكون الجسم تقريبًا من 400 جرام من الماء يوميًا من هيدروجين المواد العضوية و أكسجين الهواء المستنشق (الماء الأيضي). تتم إزالة الكربون والأكسجين من المواد العضوية في شكل ثاني أكسيد الكربون ، ويتم إزالة النيتروجين في شكل اليوريا.

بالإضافة إلى ذلك ، يطلق الشخص العديد من المواد الأخرى ، ولكن بكميات صغيرة ، بحيث تكون مساهمتها في التوازن العام لعملية التمثيل الغذائي بين الجسم والبيئة ضئيلة. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن الأهمية الفسيولوجية لإطلاق مثل هذه المواد يمكن أن تكون كبيرة. على سبيل المثال ، يمكن أن يؤدي انتهاك إطلاق منتجات تسوس الهيم أو المنتجات الأيضية للمركبات الأجنبية ، بما في ذلك الأدوية ، إلى اضطرابات التمثيل الغذائي الشديدة ووظائف الجسم.

ركائز التمثيل الغذائي- المركبات الكيميائية التي تأتي مع الطعام. من بينها ، يمكن التمييز بين مجموعتين: المواد الغذائية الرئيسية (الكربوهيدرات والبروتينات والدهون) والثانوية التي تأتي بكميات صغيرة (الفيتامينات والمركبات المعدنية).

من المعتاد التمييز بين العناصر الغذائية القابلة للتبديل والتي لا يمكن الاستغناء عنها. لا غنى عن تلك العناصر الغذائية التي لا يمكن تصنيعها في الجسم ، وبالتالي يجب إمدادها بالطعام.

مسار التمثيل الغذائي- هذه هي طبيعة وتسلسل التحولات الكيميائية لمادة معينة في الجسم. تسمى المنتجات الوسيطة التي تشكلت أثناء عملية التحويل نواتج الأيض ، والمركب الأخير في المسار الأيضي هو المنتج النهائي.

تحدث التحولات الكيميائية بشكل مستمر في الجسم. نتيجة لتغذية الجسم ، تخضع المواد الأولية لتحولات التمثيل الغذائي ؛ المنتجات النهائية لعملية التمثيل الغذائي تفرز باستمرار من الجسم. وهكذا ، فإن الكائن الحي هو نظام كيميائي مفتوح من الناحية الديناميكية الحرارية. أبسط مثال على نظام التمثيل الغذائي هو سلسلة التمثيل الغذائي الفردية غير المتفرعة:

-> أ -> ب -> ج -> د ->

مع التدفق المستمر للمواد في مثل هذا النظام ، يتم إنشاء توازن ديناميكي ، عندما يكون معدل تكوين كل مستقلب مساويًا لمعدل استهلاكه. هذا يعني أن تركيز كل مستقلب يبقى ثابتًا. تسمى هذه الحالة من النظام بالثبات ، وتسمى تراكيز المواد في هذه الحالة بالتركيزات الثابتة.

لا يتوافق الكائن الحي في أي لحظة مع التعريف المعطى للحالة الثابتة. ومع ذلك ، بالنظر إلى متوسط قيمة معلماته على مدى فترة زمنية طويلة نسبيًا ، يمكن للمرء أن يلاحظ ثباتها النسبي وبالتالي يبرر تطبيق مفهوم النظام الثابت على الكائنات الحية. [تبين] .

على التين. يُظهر الشكل 64 نموذجًا هيدروديناميكيًا لسلسلة التمثيل الغذائي غير المتفرعة. في هذا الجهاز ، يحاكي ارتفاع عمود السائل في الأسطوانات تركيزات المستقلبات a-d ، على التوالي ، ويحاكي معدل نقل الأنابيب الموصلة بين الأسطوانات معدل التفاعلات الأنزيمية المقابلة.

عند معدل ثابت من دخول السوائل إلى النظام ، يظل ارتفاع عمود المائع في جميع الأسطوانات ثابتًا: هذه حالة ثابتة.

إذا زاد معدل تدفق السوائل ، فسيزداد ارتفاع عمود المائع في جميع الأسطوانات ومعدل تدفق السوائل عبر النظام بأكمله: لقد انتقل النظام إلى حالة ثابتة جديدة. تحدث انتقالات مماثلة في عمليات التمثيل الغذائي في الخلية الحية.

تنظيم تركيز المستقلب

عادةً ما يكون هناك تفاعل في السلسلة الأيضية يتقدم ببطء أكبر بكثير من جميع التفاعلات الأخرى - هذه هي خطوة تحديد المعدل للمسار. في الشكل ، تم تصميم هذه المرحلة بواسطة أنبوب توصيل ضيق بين الأسطوانتين الأولى والثانية. تحدد مرحلة تحديد المعدل المعدل الإجمالي لتحول مادة البداية إلى المنتج النهائي لسلسلة التمثيل الغذائي. غالبًا ما يكون الإنزيم الذي يحفز التفاعل المحدد إنزيمًا تنظيميًا: يمكن أن يتغير نشاطه تحت تأثير المثبطات والمنشطات الخلوية. بهذه الطريقة ، يتم ضمان تنظيم مسار التمثيل الغذائي. على التين. 64 أنبوب انتقالي مع مثبط بين الأسطوانتين الأولى والثانية يحاكي إنزيمًا تنظيميًا: عن طريق رفع أو خفض المخمد ، من الممكن نقل النظام إلى حالة ثابتة جديدة ، مع معدل تدفق إجمالي مختلف ومستويات مختلفة من السوائل في الاسطوانات.

في أنظمة التمثيل الغذائي المتفرعة ، تحفز الإنزيمات التنظيمية عادةً التفاعلات الأولى في موقع التفرع ، مثل التفاعلات ب -> ج و ب -> أنا في الشكل. 65. هذا يضمن إمكانية التنظيم المستقل لكل فرع من فروع نظام التمثيل الغذائي.

العديد من التفاعلات الأيضية قابلة للعكس. يتم تحديد اتجاه تدفقها في الخلية الحية من خلال استهلاك المنتج في التفاعل اللاحق أو إزالة المنتج من مجال التفاعل ، على سبيل المثال ، عن طريق الإخراج (الشكل 65).

مع التغيرات في حالة الجسم (الأكل ، والانتقال من الراحة إلى النشاط الحركي ، وما إلى ذلك) ، يتغير تركيز المستقلبات في الجسم ، أي يتم إنشاء حالة ثابتة جديدة. ومع ذلك ، في ظل نفس الظروف ، على سبيل المثال ، بعد النوم ليلاً (قبل الإفطار) ، فإنهم متماثلون تقريبًا في جميع الأشخاص الأصحاء ؛ بسبب عمل الآليات التنظيمية ، يتم الحفاظ على تركيز كل مستقلب عند مستواه المميز. تعمل القيم المتوسطة لهذه التركيزات (مع الإشارة إلى حدود التقلبات) كواحدة من خصائص القاعدة. في الأمراض ، تتغير التركيزات الثابتة للمستقلبات ، وغالبًا ما تكون هذه التغييرات خاصة بمرض معين. تعتمد العديد من الطرق البيوكيميائية للتشخيص المختبري للأمراض على هذا.

هناك اتجاهان في مسار التمثيل الغذائي - الابتنائية والتقويض (الشكل 1).

تهدف التفاعلات الابتنائية إلى تحويل المواد الأبسط إلى مواد أكثر تعقيدًا ، وتشكيل مكونات هيكلية ووظيفية للخلية ، مثل الإنزيمات المساعدة ، والهرمونات ، والبروتينات ، والأحماض النووية ، وما إلى ذلك. هذه التفاعلات في الغالب مختزلة ، مصحوبة بإنفاق الطاقة الكيميائية الحرة ( تفاعلات إندرجونيك). مصدر الطاقة بالنسبة لهم هو عملية الهدم. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام طاقة الهدم لضمان النشاط الوظيفي للخلية (المحرك وغيرها).
التحولات التقويضية هي عمليات تقسيم الجزيئات المعقدة ، سواء تلك التي تأتي مع الطعام والتي هي جزء من الخلية ، إلى مكونات بسيطة (ثاني أكسيد الكربون والماء) ؛ عادة ما تكون هذه التفاعلات مؤكسدة ، مصحوبة بإطلاق طاقة حرة (تفاعلات مفرطة الطاقة).

طريقة برمائية(مزدوج) - مسار يتم فيه الجمع بين التحولات التقويضية والابتنائية ، أي إلى جانب تدمير مركب واحد ، يتم تصنيع مركب آخر.

ترتبط المسارات البرمائية مع نظام الأكسدة النهائي أو النهائي للمواد ، حيث تحترق إلى المنتجات النهائية (CO 2 و H 2 O) مع تكوين كمية كبيرة من الطاقة. بالإضافة إلى ذلك ، فإن المنتجات النهائية لعملية التمثيل الغذائي هي اليوريا وحمض البوليك ، والتي تتشكل في تفاعلات خاصة لتبادل الأحماض الأمينية والنيوكليوتيدات. من الناحية التخطيطية ، تظهر علاقة التمثيل الغذائي من خلال نظام ATP-ADP والدورة البرمائية للأيضات في الشكل. 2.

نظام ATP-ADP(دورة ATP-ADP) - دورة يحدث فيها التكوين المستمر لجزيئات ATP ، حيث يستخدم الجسم طاقة التحلل المائي في أنواع مختلفة من العمل.

هذا هو مثل هذا المسار الأيضي ، أحد منتجاته النهائية مطابق لأحد المركبات المشاركة في هذه العملية (الشكل 3).

مسار Anaplerotic- التمثيل الغذائي ، المنتج النهائي منه مطابق لأحد المنتجات الوسيطة لأي مسار دوري. مسار anaplerotic في مثال التين. 3 يغذي الدورة بالمنتج X (التصلب - التجديد).

دعنا نستخدم هذا المثال. تعمل حافلات العلامات التجارية X و Y و Z في المدينة ، وتظهر مساراتها في الرسم التخطيطي (الشكل 4).

بناءً على هذا المثال ، نحدد ما يلي.

المسار الأيضي الخاص عبارة عن مجموعة من التحولات التي تتميز فقط بمركب معين (على سبيل المثال ، الكربوهيدرات أو الدهون أو الأحماض الأمينية).
المسار الأيضي الشائع عبارة عن مجموعة من التحولات التي تتضمن نوعين أو أكثر من المركبات (على سبيل المثال ، الكربوهيدرات والدهون أو الكربوهيدرات والدهون والأحماض الأمينية).

توطين المسارات الأيضية

تختلف المسارات التقويضية والابتنائية في الأفراد حقيقية النواة في توطينهم في الخلية (الجدول 22).

يرجع هذا الانقسام إلى حصر أنظمة الإنزيم في مناطق معينة من الخلية (التقسيم) ، مما يوفر كلاً من الفصل والتكامل بين الوظائف داخل الخلايا ، فضلاً عن التحكم المناسب.

في الوقت الحاضر ، بفضل الدراسات المجهرية الإلكترونية والكيميائية النسيجية ، وكذلك طريقة الطرد المركزي التفاضلي ، تم إحراز تقدم كبير في تحديد توطين الإنزيمات داخل الخلايا. كما يظهر في الشكل. 74 ، في الخلية ، يمكن للمرء أن يجد غشاء خلوي أو بلازما ، نواة ، ميتوكوندريا ، ليسوسومات ، ريبوسومات ، نظام من الأنابيب والحويصلات - شبكة إندوبلازمية ، مركب رقائقي ، فجوات مختلفة ، شوائب داخل الخلايا ، إلخ. الكتلة الرئيسية الجزء غير المتمايز من السيتوبلازم الخلوي هو الهيالوبلازم (أو العصارة الخلوية).

لقد ثبت أن بوليميرات RNA ، أي الإنزيمات التي تحفز تكوين mRNA ، مترجمة في النواة (بتعبير أدق ، في النواة). تحتوي النواة على إنزيمات تشارك في عملية تكرار الحمض النووي ، وبعضها الآخر (الجدول 23).

الجدول 23. توطين بعض الإنزيمات داخل الخلية
العصارة الخلوية	إنزيمات تحلل السكر إنزيمات مسار البنتوز إنزيمات تنشيط الأحماض الأمينية إنزيمات لتخليق الأحماض الدهنية فسفوريلاز سينثيز الجليكوجين
الميتوكوندريا	مركب بيروفات نازعة الهيدروجين إنزيمات دورة كريبس إنزيمات دورة أكسدة الأحماض الدهنية إنزيمات الأكسدة البيولوجية والفسفرة المؤكسدة
الجسيمات المحللة	هيدروليسات الحمض
جزء ميكروسومي	إنزيمات الريبوسومات لتخليق البروتين إنزيمات لتخليق الدهون الفوسفورية ، والدهون الثلاثية ، بالإضافة إلى عدد من الإنزيمات المشاركة في تخليق الكوليسترول هيدروكسيلاز
غشاء بلازمي	Adenylate cyclase ، Na + -K + - ATPase معتمد
النواة	الإنزيمات المشاركة في تكاثر الحمض النووي RNA polymerase NAD synthetase

علاقة الإنزيمات بهياكل الخلايا:

الميتوكوندريا. ترتبط الميتوكوندريا بإنزيمات سلسلة الأكسدة البيولوجية (تنفس الأنسجة) والفسفرة المؤكسدة ، وكذلك إنزيمات مركب بيروفات ديهيدروجينيز ، ودورة حمض الكربوكسيل ، وتخليق اليوريا ، وأكسدة الأحماض الدهنية ، إلخ.
الجسيمات المحللة. تحتوي الليزوزومات بشكل أساسي على إنزيمات متحللة بالماء مع درجة حموضة مثالية في المنطقة 5. وبسبب الانتماء المائي للإنزيمات ، تسمى هذه الجسيمات بالجسيمات.
الريبوسومات. يتم ترجمة إنزيمات تخليق البروتين في الريبوسومات ، وفي هذه الجسيمات يتم ترجمة mRNA وترتبط الأحماض الأمينية في سلاسل متعددة الببتيد مع تكوين جزيئات البروتين.
الشبكة الأندوبلازمية. تحتوي الشبكة الإندوبلازمية على إنزيمات تخليق الدهون ، وكذلك الإنزيمات المشاركة في تفاعلات الهيدروكسيل.
غشاء بلازمي. ATP-ase ينقل Na + و K + ، adenylate cyclase وعدد من الإنزيمات الأخرى ترتبط بشكل أساسي بغشاء البلازما.
العصارة الخلوية. يتم ترجمة إنزيمات تحلل السكر ، ودورة البنتوز ، وتخليق الأحماض الدهنية وأحاديات النيوكليوتيدات ، وتنشيط الأحماض الأمينية ، بالإضافة إلى العديد من إنزيمات استحداث السكر في العصارة الخلوية (الهيالوبلازم).

في الجدول. 23 يلخص البيانات المتعلقة بتوطين أهم الإنزيمات والخطوات الأيضية الفردية في الهياكل الخلوية المختلفة.

يتم توطين أنظمة الإنزيم المتعدد في بنية العضيات بحيث يقع كل إنزيم على مقربة من الإنزيم التالي في تسلسل معين من التفاعلات. نتيجة لذلك ، يتم تقليل الوقت اللازم لنشر نواتج التفاعل الوسيط ، ويتم تنسيق التسلسل الكامل للتفاعلات بدقة في الزمان والمكان. هذا صحيح ، على سبيل المثال ، بالنسبة للإنزيمات المشاركة في أكسدة حمض البيروفيك والأحماض الدهنية ، في تخليق البروتين ، وكذلك بالنسبة لنقل الإلكترون وأنزيمات الفسفرة المؤكسدة.

يضمن التقسيم أيضًا حدوث تفاعلات غير متوافقة كيميائيًا في نفس الوقت ، أي استقلال الهدم ومسارات الابتنائية. لذلك ، في الخلية ، أكسدة الأحماض الدهنية طويلة السلسلة إلى مرحلة الأسيتيل CoA والعملية الموجهة بشكل معاكس - يمكن أن يحدث تخليق الأحماض الدهنية من acetyl-CoA في وقت واحد. تحدث هذه العمليات غير المتوافقة كيميائيًا في أجزاء مختلفة من الخلية: تحدث أكسدة الأحماض الدهنية في الميتوكوندريا ، ويحدث تركيبها خارج الميتوكوندريا في الهيالوبلازم. إذا تزامنت هذه المسارات واختلفت فقط في اتجاه العملية ، فإن ما يسمى بالدورات غير المجدية أو غير المجدية ستنشأ في التبادل. تحدث هذه الدورات في علم الأمراض ، عندما يكون الدوران غير المجدي للأيضات ممكنًا.

يكشف توضيح الروابط الفردية لعملية التمثيل الغذائي في فئات مختلفة من النباتات والحيوانات والكائنات الحية الدقيقة عن القاسم المشترك الأساسي لمسارات التحولات الكيميائية الحيوية في الطبيعة الحية.

الأحكام الأساسية لتنظيم الأيض

يتم تنظيم عملية التمثيل الغذائي على المستويات الخلوية ودون الخلوية

من خلال تنظيم النشاط التحفيزي والتخليق للإنزيمات.
هذه الآليات التنظيمية
- قمع تخليق الإنزيمات بواسطة المنتجات النهائية لمسار التمثيل الغذائي ،
- تحريض تخليق واحد أو أكثر من الإنزيمات بواسطة الركائز ،
- تعديل نشاط جزيئات الإنزيم الموجودة بالفعل ،
- تنظيم معدل دخول المستقلبات إلى الخلية. هنا ينتمي الدور الرائد إلى الأغشية البيولوجية المحيطة بالبروتوبلازم والنواة والميتوكوندريا والليزوزومات والعضيات تحت الخلوية الأخرى الموجودة فيها.
من خلال تنظيم تخليق ونشاط الهرمونات. لذلك ، يتأثر التمثيل الغذائي للبروتين بهرمون الغدة الدرقية - هرمون الغدة الدرقية ، واستقلاب الدهون - بهرمونات البنكرياس والغدة الدرقية ، والغدد الكظرية والغدة النخامية ، وأيض الكربوهيدرات - بهرمونات البنكرياس (الأنسولين) والغدد الكظرية (الأدرينالين) . دور خاص في آلية عمل الهرمونات ينتمي إلى النوكليوتيدات الحلقية (cAMP و cGMP).
في الحيوانات والبشر ، يرتبط التنظيم الهرموني لعملية التمثيل الغذائي ارتباطًا وثيقًا بالنشاط التنسيقي للجهاز العصبي. مثال على تأثير الجهاز العصبي على استقلاب الكربوهيدرات هو ما يسمى بحقن السكر بواسطة كلود برنارد ، مما يؤدي إلى ارتفاع السكر في الدم والجلوكوز.
الدور الأكثر أهمية في عمليات تكامل التمثيل الغذائي ينتمي إلى القشرة الدماغية. كما أشار آي.ب.بافلوف: "كلما كان الجهاز العصبي لكائن حيواني أكثر كمالًا ، كلما كان أكثر مركزية ، كلما أصبح قسمه أكثر وأكثر مديرًا وموزعًا لجميع أنشطة الكائن الحي ... يحتوي هذا القسم الأعلى جميع الظواهر التي تحدث في الجسم ".

وبالتالي ، فإن التركيبة الخاصة والاتساق الصارم ومعدل التفاعلات الأيضية في المجموع تشكل نظامًا يكشف عن خصائص آلية التغذية الراجعة (إيجابية أو سلبية).

طرق دراسة الأيض الوسيط

يتم استخدام طريقتين لدراسة التمثيل الغذائي:

دراسات الجسم كله (تجارب في الجسم الحي) [تبين]
من الأمثلة الكلاسيكية للبحث الذي تم إجراؤه على الكائن الحي بأكمله في بداية قرننا تجارب Knoop. درس طريقة تكسير الأحماض الدهنية في الجسم. للقيام بذلك ، قام Knoop بتغذية الكلاب بأحماض دهنية مختلفة بعدد زوجي (I) وفردي (II) من ذرات الكربون ، حيث تم استبدال ذرة هيدروجين واحدة في مجموعة الميثيل بجذر فينيل C 6 H 5:
في الحالة الأولى ، يتم إفراز حمض فينيل أسيتيك C 6 H 5 -CH 2-COOH دائمًا في بول الكلاب ، وفي الحالة الثانية ، يتم إفراز حمض البنزويك C 6 H 5 -COOH. بناءً على هذه النتائج ، خلص نوب إلى أن تكسير الأحماض الدهنية في الجسم يحدث من خلال التخلّص المتسلسل لشظايا الكربون ، بدءًا من نهاية الكربوكسيل:
CH 3 -CH 2 - | -CH 2 -CH 2 - | -CH 2 -CH 2 - | -CH 2 -CH 2 - | -CH 2 -COOH
تم تأكيد هذا الاستنتاج لاحقًا من خلال طرق أخرى.
من حيث الجوهر ، في هذه الدراسات ، طبق نوب طريقة وسم الجزيئات: فقد استخدم كعلامة فينيل راديكالي لا يخضع لتغييرات في الجسم. بدءًا من الأربعينيات من القرن العشرين تقريبًا. انتشر استخدام المواد التي تحتوي جزيئاتها على نظائر مشعة أو ثقيلة للعناصر. على سبيل المثال ، من خلال تغذية مركبات مختلفة تحتوي على الكربون المشع (14 درجة مئوية) لحيوانات التجارب ، وجد أن جميع ذرات الكربون في جزيء الكوليسترول تأتي من ذرات الكربون من الأسيتات:
عادة ، يتم استخدام إما نظائر مستقرة للعناصر التي تختلف في الكتلة عن العناصر الموزعة على نطاق واسع في الجسم (عادة النظائر الثقيلة) أو النظائر المشعة. من النظائر المستقرة ، نظائر الهيدروجين بكتلة 2 (الديوتيريوم ، 2 نيوتن) ، النيتروجين بكتلة 15 (15 نيوتن) ، الكربون بكتلة 13 (13 درجة مئوية) والأكسجين بكتلة 18 (18 درجة مئوية) ) في أغلب الأحيان. من النظائر المشعة ، نظائر الهيدروجين (تريتيوم ، 3 ساعات) ، الفوسفور (32 ف و 33 ف) ، كربون (14 درجة مئوية) ، كبريت (35 س) ، يود (131 1) ، حديد (59 Fe) ، صوديوم (54) نا) وما إلى ذلك.
وضع علامة بنظير مستقر أو مشع على جزيء من المركب قيد الدراسة وإدخاله في الجسم ، ثم يتم تحديد الذرات المصنفة أو المجموعات الكيميائية التي تحتوي عليها ، وبعد اكتشافها في مركبات معينة ، يتم التوصل إلى استنتاج حول مسارات التحول من المادة المصنفة في الجسم. بمساعدة ملصق نظير ، يمكن للمرء أيضًا تحديد وقت بقاء مادة في الجسم ، والذي ، بتقريب معروف ، يميز نصف العمر البيولوجي ، أي الوقت الذي يتم خلاله مقدار النظير أو المركب المصنف إلى النصف ، أو للحصول على معلومات دقيقة حول نفاذية أغشية الخلايا الفردية. تستخدم النظائر أيضًا لتحديد ما إذا كانت مادة معينة هي سلائف أو منتج اضمحلال لمركب آخر ، ولتحديد معدل تجديد الأنسجة. أخيرًا ، إذا كان هناك العديد من المسارات الأيضية ، فمن الممكن تحديد أي منها يسود.
في الدراسات التي أجريت على الكائنات الحية بأكملها ، يتم أيضًا دراسة حاجة الجسم إلى العناصر الغذائية: إذا أدى استبعاد مادة من النظام الغذائي إلى انتهاك النمو والتطور أو الوظائف الفسيولوجية للجسم ، فإن هذه المادة هي عامل غذائي لا غنى عنه. يتم تحديد الكميات المطلوبة من العناصر الغذائية بطريقة مماثلة.
ودراسات على أجزاء معزولة من الجسم - طرق تحليلية تفكك (تجارب في المختبر ، أي خارج الجسم ، في أنبوب اختبار أو أوعية معملية أخرى). مبدأ هذه الأساليب هو التبسيط التدريجي ، أو بالأحرى تفكك ، لنظام بيولوجي معقد من أجل عزل العمليات الفردية. إذا اعتبرنا هذه الأساليب بترتيب تنازلي ، أي من أنظمة أكثر تعقيدًا إلى أنظمة أبسط ، فيمكن ترتيبها بالترتيب التالي:
- إزالة الأعضاء الفردية [تبين]
  عند إزالة الأعضاء ، يكون هناك هدفان للدراسة: كائن حي بدون عضو مُزال وعضو معزول.
  أعضاء معزولة. إذا تم حقن محلول من مادة ما في شريان عضو معزول وتم تحليل المواد في السائل المتدفق من الوريد ، فمن الممكن تحديد التحولات التي تخضع لها هذه المادة في العضو. على سبيل المثال ، بهذه الطريقة وجد أن الكبد هو الموقع الرئيسي لتكوين أجسام الكيتون واليوريا.
  يمكن إجراء تجارب مماثلة على الأعضاء دون عزلها عن الجسم (طريقة الاختلاف الشرياني الوريدي): في هذه الحالات ، يتم أخذ الدم للتحليل باستخدام قنيات يتم إدخالها في الشريان والوريد بالعضو ، أو باستخدام حقنة. بهذه الطريقة ، على سبيل المثال ، يمكن إثبات أنه في الدم المتدفق من العضلات العاملة ، يزداد تركيز حمض اللاكتيك ، ويتدفق الدم عبر الكبد ، ويتحرر الدم من حمض اللاكتيك.
- طريقة قسم الأنسجة [تبين]
  المقاطع عبارة عن قطع رقيقة من الأنسجة يتم تصنيعها باستخدام مشراح أو مجرد شفرة حلاقة. يتم تحضين الأقسام في محلول يحتوي على عناصر غذائية (جلوكوز أو غيره) ومادة ، يتم تحديد تحولها في خلايا من هذا النوع. بعد الحضانة ، قم بتحليل المنتجات الأيضية لمادة الاختبار في سائل الحضانة.
  تم اقتراح طريقة تقسيم الأنسجة لأول مرة من قبل واربورغ في أوائل عشرينيات القرن الماضي. باستخدام هذه التقنية ، من الممكن دراسة تنفس الأنسجة (استهلاك الأكسجين وإطلاق ثاني أكسيد الكربون عن طريق الأنسجة). من القيود المهمة في دراسة التمثيل الغذائي في حالة استخدام أقسام الأنسجة أغشية الخلايا ، والتي - غالبًا ما تكون بمثابة حواجز بين محتويات الخلية ومحلول "المغذيات".
- المتجانسات والكسور تحت الخلوية [تبين]
  
  المتجانسات هي مستحضرات خالية من الخلايا. يتم الحصول عليها عن طريق تدمير أغشية الخلايا عن طريق فرك الأنسجة بالرمل أو في أجهزة خاصة - المجانسات (الشكل 66). في المتجانسات ، لا يوجد حاجز مانع للنفاذ بين الركائز والأنزيمات المضافة.
  يسمح تدمير أغشية الخلايا بالاتصال المباشر بين محتويات الخلية والمركبات المضافة. هذا يجعل من الممكن تحديد الإنزيمات والإنزيمات المساعدة والركائز المهمة للعملية قيد الدراسة.
  تجزئة المتجانسات.يمكن عزل الجسيمات دون الخلوية من المتجانسة ، سواء فوق الجزيئية (العضيات الخلوية) والمركبات الفردية (الإنزيمات والبروتينات الأخرى ، الأحماض النووية ، المستقلبات). على سبيل المثال ، باستخدام الطرد المركزي التفاضلي ، يمكن الحصول على كسور النوى والميتوكوندريا والميكروسومات (الميكروسومات هي أجزاء من الشبكة الإندوبلازمية). تختلف هذه العضيات في الحجم والكثافة وبالتالي تترسب عند سرعات طرد مركزي مختلفة. يتيح استخدام العضيات المعزولة دراسة عمليات التمثيل الغذائي المرتبطة بها. على سبيل المثال ، يتم استخدام الريبوسومات المعزولة لدراسة مسارات وآليات تخليق البروتين ، وتستخدم الميتوكوندريا لدراسة التفاعلات المؤكسدة لدورة كريبس أو سلسلة من الإنزيمات التنفسية.
  بعد ترسيب الميكروسومات ، تبقى المكونات القابلة للذوبان في الخلية في السائل الطاف - البروتينات القابلة للذوبان ، المستقلبات. يمكن تجزئة كل جزء من هذه الكسور بطرق مختلفة ، وعزل المكونات المكونة لها. من الممكن إعادة بناء الأنظمة الكيميائية الحيوية من المكونات المعزولة ، على سبيل المثال ، نظام بسيط "إنزيم + ركيزة" وأنظمة معقدة مثل أنظمة تخليق البروتينات والأحماض النووية.
- إعادة البناء الجزئي أو الكامل لنظام الإنزيم في المختبر باستخدام الإنزيمات والإنزيمات المساعدة ومكونات التفاعل الأخرى [تبين]
  تستخدم لدمج الإنزيمات شديدة النقاء والإنزيمات المساعدة. على سبيل المثال ، بمساعدة هذه الطريقة ، أصبح من الممكن إعادة إنتاج نظام تخمير يحتوي على جميع الميزات الأساسية لتخمير الخميرة.

بالطبع ، هذه الأساليب ذات قيمة فقط كخطوة ضرورية لتحقيق الهدف النهائي - فهم عمل الكائن الحي بأكمله.

ميزات دراسة الكيمياء الحيوية البشرية

هناك أوجه تشابه بعيدة المدى في العمليات الجزيئية للعديد من الكائنات الحية التي تعيش على الأرض. العمليات الأساسية مثل التخليق الحيوي للمصفوفة ، وآليات تحويل الطاقة ، والطرق الرئيسية للتحولات الأيضية للمواد هي نفسها تقريبًا في الكائنات الحية من البكتيريا إلى الحيوانات الأعلى. لذلك ، فإن العديد من نتائج الدراسات التي أجريت مع الإشريكية القولونية تنطبق على البشر. كلما زادت العلاقة النشوء والتطور بين الأنواع ، زاد شيوعها في عملياتها الجزيئية.

يتم الحصول على الغالبية العظمى من المعرفة حول الكيمياء الحيوية البشرية بهذه الطريقة: استنادًا إلى العمليات الكيميائية الحيوية المعروفة في الحيوانات الأخرى ، يتم بناء فرضية حول البديل الأكثر احتمالية لهذه العملية في جسم الإنسان ، ثم يتم اختبار الفرضية من خلال الدراسات المباشرة لـ الخلايا والأنسجة البشرية. هذا النهج يجعل من الممكن إجراء بحث على كمية صغيرة من المواد البيولوجية التي تم الحصول عليها من البشر. في أغلب الأحيان ، يتم استئصال الأنسجة أثناء العمليات الجراحية ، ويتم استخدام خلايا الدم (كريات الدم الحمراء وخلايا الدم البيضاء) ، وكذلك خلايا الأنسجة البشرية المزروعة في المختبر.

توفر دراسة الأمراض الوراثية البشرية ، وهو أمر ضروري لتطوير طرق فعالة لعلاجها ، في نفس الوقت الكثير من المعلومات حول العمليات الكيميائية الحيوية في جسم الإنسان. على وجه الخصوص ، يؤدي الخلل الخلقي للإنزيم إلى تراكم ركائزه في الجسم ؛ في دراسة مثل هذه الاضطرابات الأيضية ، يتم اكتشاف إنزيمات وتفاعلات جديدة أحيانًا ، وهي غير مهمة من الناحية الكمية (ولهذا السبب لم يتم ملاحظتها عند دراسة القاعدة) ، والتي ، مع ذلك ، لها أهمية حيوية.

يحدث باستمرار عدد كبير من التفاعلات الكيميائية المختلفة في الخلية ، والتي تشكل مسارات أيضية - التحول المتسلسل لمركب إلى آخر. التمثيل الغذائي- مجموع كل المسارات الأيضية التي تحدث في خلايا الجسم.

من بين جميع المسارات الأيضية التي تحدث في الجسم ، يتم تمييز العمليات الموجهة بشكل معاكس: الهدم والتمثيل الغذائي. الهدم- تكسير المواد المعقدة إلى مواد بسيطة مع إطلاق الطاقة.

بناء- التوليف من مواد أبسط وأكثر تعقيدًا. يتم تنسيق مسارات التمثيل الغذائي مع بعضها البعض في المكان والزمان وكثافة التدفق. يتم ضمان هذا الاتساق في مسار جميع العمليات من خلال آليات تنظيمية معقدة ومتنوعة.

تنظيم التفاعلات الكيميائية في مسارات التمثيل الغذائي

يتم تحقيق النشاط الأمثل للإنزيمات التي تحفز تفاعلات مسار أيضي واحد بسبب تنظيم مكاني معين في الخلية.

التوطين المكاني للإنزيمات

تتمركز معظم الإنزيمات داخل الخلايا وتتوزع بشكل غير متساو في الجسم. توجد جميع الإنزيمات التي لها نفس المسار الأيضي ، كقاعدة عامة ، في قسم واحد من الخلية. على وجه الخصوص ، يعد فصل المسارات الأيضية أمرًا مهمًا لعمليات تقويضية وابتنائية موجهة بشكل معاكس. على سبيل المثال ، يحدث تخليق الأحماض الدهنية في السيتوبلازم ، وانهيارها في الميتوكوندريا. إذا لم يكن هذا الفصل موجودًا ، فسيتم تشكيل المسارات التي ستكون عديمة الفائدة من وجهة نظر وظيفية وحيوية.

في المسارات الأيضية ، يكون ناتج التفاعل الإنزيمي الأول بمثابة ركيزة للثاني ، وهكذا دواليك حتى يتم تكوين المنتج النهائي. يمكن إطلاق وسيطة المسار الأيضي من تسلسل التفاعل واستخدامها في مسارات التمثيل الغذائي الأخرى ، أي. ترتبط المسارات الأيضية بمنتجات وسيطة.

في عدد من الحالات ، يكون التنظيم المكاني للأنزيمات واضحًا جدًا بحيث لا يمكن عزل منتج التفاعل تحت أي ظرف من الظروف عن المسار الأيضي ويكون بالضرورة بمثابة ركيزة للتفاعل التالي. يسمى هذا التنظيم لمسار التمثيل الغذائي مجمع متعدد الانزيموينشأ نتيجة التنظيم الهيكلي والوظيفي للإنزيمات. عادة ، ترتبط هذه المجمعات بالأغشية. تتضمن أمثلة المجمعات متعددة الإنزيمات مركب نازعة هيدروجين البيروفات ، والذي يحدث تحت تأثير نزع الكربوكسيل المؤكسد لحمض البيروفيك (البيروفات) (انظر القسم 6) ، سينثيز الأحماض الدهنية ، الذي يحفز تخليق حمض البالمتيك (انظر القسم 8).

هيكل المسارات الأيضية

هيكل المسارات الأيضية في الخلية متنوع للغاية.

في حالة تحويل الركيزة إلى منتج واحد نتيجة لسلسلة من العمليات الأنزيمية ، يسمى هذا المسار مسار التمثيل الغذائي الخطي. غالبًا ما تكون هناك مسارات استقلابية متفرعة تؤدي إلى تخليق منتجات نهائية مختلفة اعتمادًا على احتياجات الخلية.

التركيب الإنزيمي للخلايا المختلفة ليس هو نفسه. تم العثور على الإنزيمات التي تؤدي وظيفة دعم حياة الخلية في جميع خلايا الجسم. في عملية تمايز الخلايا ، يحدث تغيير في التركيب الأنزيمي للخلايا. وهكذا ، فإن إنزيم أرجيناز ، الذي يشارك في تخليق اليوريا ، موجود فقط في خلايا الكبد ، والفوسفاتاز الحمضي ، الذي يشارك في التحلل المائي لأحادي الاسترات حامض الفوسفوريك ، موجود في خلايا البروستاتا. هذه هي ما يسمى ب الإنزيمات الخاصة بالأعضاء.

الخلية عبارة عن نظام وظيفي معقد ينظم دعم حياتها. يتم توفير مجموعة متنوعة من وظائف الخلية من خلال التنظيم المكاني والزماني (بشكل أساسي ، اعتمادًا على إيقاع التغذية) لبعض مسارات التمثيل الغذائي. يرتبط التنظيم المكاني بالتوطين الصارم لبعض الإنزيمات في العضيات المختلفة. لذلك ، توجد في النواة إنزيمات مرتبطة بتوليف جزيئات الحمض النووي والحمض النووي الريبي ، في السيتوبلازم - إنزيمات تحلل السكر ، في الجسيمات الحالة - إنزيمات التحلل المائي ، في مصفوفة الميتوكوندريا - إنزيمات TCA ، في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا - الإلكترونات سلسلة النقل ، إلخ.

مبادئ تنظيم مسارات التمثيل الغذائي

تستمر جميع التفاعلات الكيميائية في الخلية بمشاركة الإنزيمات. لذلك ، من أجل التأثير على معدل مسار التمثيل الغذائي ، يكفي تنظيم كمية أو نشاط الإنزيمات. عادة ما توجد إنزيمات رئيسية في مسارات التمثيل الغذائي التي تنظم معدل المسار بأكمله. تسمى هذه الإنزيمات (واحد أو أكثر في المسار الأيضي) الإنزيمات التنظيميةتحفز ، كقاعدة عامة ، التفاعلات الأولية للمسار الأيضي ، والتفاعلات التي لا رجعة فيها ، والتفاعلات المحددة للمعدل (الأبطأ) ، أو التفاعلات عند نقطة تبديل المسار الأيضي (نقاط التفرع).

يتم تنظيم معدل التفاعلات الأنزيمية على 3 مستويات مستقلة:

تغيير في عدد جزيئات الإنزيم ؛
توافر الركيزة وجزيئات الإنزيم ؛
تغيير في النشاط التحفيزي لجزيء الإنزيم.

تنظيم عدد جزيئات الإنزيم
في قفص.

من المعروف أن البروتينات في الخلية يتم تحديثها باستمرار. يتم تحديد عدد جزيئات الإنزيم في الخلية بنسبة عمليتين - تخليق وانحلال جزيء بروتين الإنزيم:

يعتبر تصنيع البروتين وطيّه عملية متعددة الخطوات. يمكن أن يحدث تنظيم تخليق البروتين في أي مرحلة من مراحل تكوين جزيء البروتين. تعتبر آلية تنظيم تخليق جزيء البروتين على مستوى النسخ ، والتي يتم إجراؤها بواسطة بعض المستقلبات والهرمونات وعدد من الجزيئات النشطة بيولوجيًا ، هي الأكثر دراسة.

أما بالنسبة لتفكك الإنزيمات ، فإن تنظيم هذه العملية أقل دراسة. يمكن للمرء أن يفترض فقط أن هذه ليست مجرد عملية تحلل البروتين (تدمير جزيء البروتين) ، ولكنها آلية معقدة ، ربما يتم تحديدها على المستوى الجيني.

تنظيم معدل الأنزيمية
ردود الفعل من خلال توافر جزيئات الركيزة
والإنزيمات المساعدة.

من المعلمات المهمة التي تتحكم في تدفق المسار الأيضي وجود الركائز ، وبشكل أساسي وجود الركيزة الأولى. كلما زاد تركيز الركيزة الأولية ، زاد معدل مسار التمثيل الغذائي.

المعلمة الأخرى التي تحد من مسار المسار الأيضي هي وجود الإنزيمات المساعدة المجددة. على سبيل المثال ، في تفاعلات نزع الهيدروجين ، يكون أنزيم نازعة الهيدروجين هو الأشكال المؤكسدة لـ NAD + ، FAD ، FMN ، والتي يتم تقليلها أثناء التفاعل. لكي تشارك الإنزيمات المساعدة في التفاعل مرة أخرى ، فإن تجديدها ضروري ، أي التحويل إلى الشكل المؤكسد.

تنظيم النشاط الحفزي
الانزيمات

يلعب تنظيم النشاط التحفيزي لواحد أو أكثر من الإنزيمات الرئيسية لمسار أيضي معين دورًا مهمًا في تغيير معدل المسارات الأيضية. هذه طريقة فعالة وسريعة للغاية لتنظيم عملية التمثيل الغذائي.

الطرق الرئيسية لتنظيم نشاط الإنزيمات:

تفارغية؛
التنظيم عن طريق تفاعلات البروتين البروتين ؛
التنظيم عن طريق الفسفرة / نزع الفسفرة من جزيء الإنزيم ؛
التنظيم عن طريق التحلل البروتيني الجزئي (المحدود).

تفارغية. إنزيمات Allosteric هي إنزيمات يتم تنظيم نشاطها ليس فقط من خلال عدد جزيئات الركيزة ، ولكن أيضًا بواسطة مواد أخرى تسمى المستجيبين.غالبًا ما تكون المؤثرات المشاركة في التنظيم الخيفي عبارة عن مستقلبات خلوية للمسار ذاته الذي تنظمه.

تشارك ثلاثة أنواع من الآليات في تنظيم مسارات التمثيل الغذائي. أولها ، الذي يتفاعل بشكل أسرع مع أي تغيير في الموقف ، يرتبط بعمل الإنزيمات الخيفية (الشكل 13-15) ، والتي يمكن أن يتغير نشاطها التحفيزي تحت تأثير المواد الخاصة التي لها منشط أو التأثير المثبط (يطلق عليهم المؤثرات أو المعدلات ؛ القسم 9.18).

كقاعدة عامة ، تحتل الإنزيمات الخيفية مكانًا في بداية أو بالقرب من بداية تسلسل متعدد الإنزيمات معين وتحفز تلك المرحلة منه ، مما يحد من معدل العملية برمتها ؛ عادة ، يتم لعب دور هذه المرحلة من خلال رد فعل لا رجوع فيه تقريبًا.

أرز. 13-15. تنظيم المسار التقويضي حسب نوع التغذية الراجعة ، أي بسبب تثبيط الإنزيم الخيفي بالمنتج النهائي لهذه العملية. تشير الأحرف J و K و L وما إلى ذلك إلى المنتجات الوسيطة لهذا المسار الأيضي ، وتشير الأحرف E1 و E2 و E3 وما إلى ذلك إلى الإنزيمات التي تحفز الخطوات الفردية. يتم تحفيز الخطوة الأولى بواسطة إنزيم خيفي (ED) الذي يثبطه المنتج النهائي لتسلسل التفاعل هذا ، ويُشار إلى التثبيط الخيفي بواسطة سهم أحمر متقطع يربط المستقلب المثبط بالتفاعل المحفز بواسطة الإنزيم الخيفي.

في العمليات التقويضية المصحوبة بتوليف ATP من ADP ، غالبًا ما يعمل هذا المنتج النهائي ، ATP ، كمثبط خيفي لواحدة من المراحل المبكرة للتقويض. غالبًا ما يكون المثبط الخيفي لإحدى المراحل المبكرة من عملية الابتنائية هو المنتج النهائي للتخليق الحيوي ، على سبيل المثال ، بعض الأحماض الأمينية (القسم 9.18). يتم تحفيز نشاط بعض الإنزيمات الخيفية بواسطة مُعدِلات إيجابية محددة. قد يخضع الإنزيم الخيفي الذي ينظم أحد تسلسل تفاعل تقويضي ، على سبيل المثال ، للتأثير التحفيزي للمُعدِلات الإيجابية- ADP أو AMP والتأثير المثبط للمُعدِّل السلبي- ATP. تُعرف الحالات أيضًا عندما يتفاعل إنزيم خيفي لمسار استقلابي واحد بطريقة معينة مع المواد الوسيطة أو المنتجات النهائية لمسارات التمثيل الغذائي الأخرى. هذا يجعل من الممكن تنسيق معدل عمل أنظمة الإنزيمات المختلفة.

النوع الثاني من الآليات التي تنظم التمثيل الغذائي في الكائنات الحية العليا هو التنظيم الهرموني (الشكل 13-16). تسمى الهرمونات بمواد كيميائية خاصة ("وسطاء" كيميائيون) تنتجها غدد صماء مختلفة وتطلق مباشرة في الدم ؛ يتم نقلها عن طريق الدم إلى الأنسجة أو الأعضاء الأخرى ، وهنا تحفز أو تمنع أنواعًا معينة من النشاط الأيضي. هرمون الأدرينالين ، على سبيل المثال ، يفرزه النخاع الكظري وينقله الدم إلى الكبد ، حيث يحفز تكسير الجليكوجين إلى جلوكوز ، مما يؤدي إلى ارتفاع مستويات السكر في الدم. بالإضافة إلى ذلك ، يحفز الأدرينالين انهيار الجليكوجين في عضلات الهيكل العظمي. تؤدي هذه العملية إلى تكوين اللاكتات وتخزين الطاقة على شكل ATP. يسبب الأدرينالين هذه التأثيرات من خلال الارتباط بمواقع مستقبلات معينة على سطح خلايا العضلات أو الكبد.

يعمل ارتباط الأدرينالين كإشارة ؛ تنتقل هذه الإشارة إلى الأجزاء الداخلية للخلية وتسبب تعديلًا تساهميًا هنا ، تحت تأثير الجليكوجين فسفوريلاز (أول إنزيم في النظام يحفز تحويل الجليكوجين إلى جلوكوز ومنتجات أخرى ؛ القسم 9.22) يمر من أقل شكل نشط إلى شكل أكثر نشاطًا (الشكل 13-16).

النوع الثالث من الآليات التي تنظم التمثيل الغذائي يرتبط بتغيير في تركيز هذا الإنزيم في الخلية. يتم تحديد تركيز أي إنزيم في أي لحظة من خلال نسبة معدلات تركيبه واضمحلاله. معدل تخليق بعض الإنزيمات في ظل ظروف معينة يزداد بشكل كبير ؛ يزداد أيضًا تركيز هذا الإنزيم في الخلية وفقًا لذلك. على سبيل المثال ، إذا كان حيوان ما يتلقى نظامًا غذائيًا غنيًا بالكربوهيدرات ولكنه فقير بالبروتين ، فعندئذ يكون في الكبد محتوى منخفض للغاية من الإنزيمات التي تحفز في ظل الظروف العادية تكسير الأحماض الأمينية إلى acetyl-CoA. نظرًا لأن هذه الإنزيمات غير ضرورية عمليًا في مثل هذا النظام الغذائي ، فلا يتم إنتاجها بكميات كبيرة. ومع ذلك ، يجدر نقل الحيوان إلى نظام غذائي غني بالبروتين ، وفي غضون يوم واحد في كبده سيزداد محتوى الإنزيمات بشكل ملحوظ ، وهو ما سيكون مطلوبًا الآن لتفكيك الأحماض الأمينية القابلة للهضم.

أرز. 13-16. التنظيم الهرموني للتفاعل الأنزيمي. نتيجة لارتباط هرمون الأدرينالين بمستقبلات محددة موجودة على سطح خلايا الكبد ، يتم تكوين الأدينيلات الدورية بمشاركة إنزيم مرتبط بالغشاء (محلقة الأدينيلات). يعمل هذا الأخير كمنشط خيفي ، أو وسيط داخل الخلايا ، تحت تأثير يتغير الجليكوجين فسفوريلاز من شكل غير نشط إلى شكل نشط ، مما يؤدي إلى تسريع تحويل الجليكوجين في الكبد إلى جلوكوز الدم. تم وصف هذا المسار الأيضي بالتفصيل في الفصل. 25.

أرز. 13-17. تحريض الانزيم. يمكن أن يؤدي التركيز العالي للركيزة A داخل الخلايا إلى تحفيز التخليق الحيوي للإنزيمات E1 و E2 و E3. يزداد محتوى هذه الإنزيمات في الخلية ، وبالتالي يمكن تسريع هذه التفاعلات ، مما يؤدي إلى إزالة الفائض من الركيزة أ. وبالتالي ، فإن وجود فائض من الركيزة A يعمل كإشارة لنواة الخلية ، مما يجبرها على "تشغيل" الجينات التي تتحكم في تكوين الإنزيمات El و E2 و E3. يعني إدراج الجينات تخليق مرسال الحمض النووي الريبي المقابل ؛ يدخل الريبوسومات ، ونتيجة لذلك ، يتم تصنيع الإنزيمات E1 و E2 و E3 فيها.

لذلك ، تتمتع خلايا الكبد بالقدرة على تشغيل أو إيقاف التخليق الحيوي لأنزيمات معينة ، اعتمادًا على طبيعة العناصر الغذائية التي تدخلها. هذه الظاهرة تسمى تحريض الانزيم (الشكل 13-17).

القسم 2 1. تعديل خيفي

في التعديل الخيفي ، يحتوي الإنزيم التنظيمي على مركز خيفي واحد أو أكثر في هيكله يمكن أن يتفاعل بشكل انتقائي للغاية مع المركبات ذات الوزن الجزيئي المنخفض كمعدلات خيفية. نتيجة لهذا التفاعل ، يتغير تكوين إنزيم البروتين ، بما في ذلك بعض التغييرات في بنية المركز النشط ، والتي يصاحبها تغيير في كفاءة الحفز. إذا زاد النشاط التحفيزي للإنزيم في هذه الحالة ، فإننا نتعامل مع التنشيط الخيفي ؛ إذا انخفض نشاط الإنزيم ، فإننا نتحدث عن تثبيط خيفي. يحدث ارتباط المغير الخيفي بالمركز الخيفي للإنزيم بسبب التفاعلات الضعيفة ؛ لذلك ، يمكن عكسها بسهولة: مع انخفاض تركيز المغير في البيئة ، ينفصل مجمع معدل الإنزيم ويستعيد الإنزيم التشكل الأصلي ، وبالتالي نشاطه التحفيزي.

نظرًا لكونها مُعدِّلات خيفيَّة في الخلية ، تعمل المستقلبات الوسيطة أو المنتجات النهائية لمسار أيضي واحد أو آخر. يُعرف المتغير الأكثر شيوعًا للتنظيم الخيفي باسم منع رجعي أو تثبيط ردود الفعل السلبية. في هذه الحالة ، يثبط المنتج النهائي للمسار الأيضي ، بآلية خيفية ، نشاط إنزيم تنظيمي يحفز أحد التفاعلات الأولية لنفس المسار الأيضي: هذه هي الطريقة التي تقوم بها المسارات الأيضية المسؤولة عن تخليق البيورين أو يتم تنظيم نيوكليوتيدات بيريميدين في الخلايا.

كنوع ثانٍ من التنظيم الخيفي ، يمكن الاستشهاد بآلية تنشيط السلائف. في هذه الحالة ، يعمل أحد المستقلبات الوسيطة التي تشكلت في بداية المسار الأيضي كمنشط خيفي لأنزيم واحد أو آخر ، مما يحفز أحد التفاعلات النهائية لنفس المسار الأيضي: ... مثال على ذلك هو تنشيط بيروفات كيناز بواسطة الفركتوز -1،6-ثنائي الفوسفات في المسار الأيضي للانهيار التأكسدي للجلوكوز.

بالطبع ، ليس من الضروري على الإطلاق أن يعمل المستقلب الوسيط أو النهائي لنفس المسار الأيضي كمُعدِّل خيفي للإنزيم التنظيمي. هناك العديد من الأمثلة على التعديل الخيفي المقترن ، عندما يكون المغير الخيفي مركبًا يتكون في مسار أيضي آخر. وبالتالي ، فإن تراكم الـ ATP في الخلية ، والذي تتشكل الكمية الرئيسية منه أثناء الفسفرة المؤكسدة في سلسلة إنزيمات الجهاز التنفسي ، يثبط نشاط إنزيم تحلل الجلوكوز من خلال آلية الخيفي ، ويثبط نشاط إنزيم نازعة هيدروجين الجلوتامات من التحلل. النظام ، ويثبط نشاط نازعة هيدروجين الأيزوسترات من إنزيم دورة كريبس. تجدر الإشارة فقط إلى أنه يمكن تتبع مستوى أو آخر من العلاقات الوظيفية بين هذه المسارات الأيضية. في المثال الموضح سابقًا ، ترتبط جميع عمليات التمثيل الغذائي الثلاث ببعضها البعض من خلال حقيقة أن عملها مرتبط بشكل مباشر بإنتاج ATP في الخلية ، أي لتزويد الخلية بالطاقة المتاحة.

2. التعديل التساهمي

التعديل التساهمي هو آلية لتنظيم نشاط الإنزيمات عن طريق ربط مجموعة ذرية بمساعدة رابطة تساهمية في المركز التنظيمي للإنزيم أو فصل هذه المجموعة. يؤدي ارتباط مجموعة إضافية بالإنزيم بواسطة رابطة تساهمية إلى تغيير في تكوين إنزيم البروتين ، والذي يصاحبه تغيير في بنية المركز النشط وتغيير في كفاءة الحفز. يضمن انشقاق هذه المجموعة استعادة التكوين الأولي للإنزيم ، وبالتالي العودة إلى المستوى الأولي لنشاطه التحفيزي. يمكن أن تكون مجموعات التعديل هذه عبارة عن بقايا حمض أدينيليك ، وبقايا جليكوزيل ، ولكن غالبًا ما تكون الفسفرة عبارة عن إضافة بقايا حمض الفوسفوريك. نظرًا لأن تكوين أو انقسام الرابطة التساهمية بين الإنزيم ومجموعة التعديل يحدث أثناء التعديل التساهمي ، يلزم وجود إنزيمين إضافيين للتشغيل الفعال لهذه الآلية: يضمن إنزيم واحد ارتباط مجموعة المُعدِّل بالإنزيم التنظيمي ، الانزيم الثاني يضمن ازالة هذه المجموعة. على ما يبدو ، تضمن هذه الإنزيمات الإضافية ارتباط مجموعة المُعدِّل ببقايا الأحماض الأمينية المحددة بدقة لسلسلة البولي ببتيد للإنزيم التنظيمي ، بالإضافة إلى انشقاقها الانتقائي. أمثلة على تشغيل هذه الآليات التنظيمية هي: تنشيط فوسفوريلاز الجليكوجين عن طريق الفسفرة ، وتفعيل نازعة هيدروجين الغلوتامات عن طريق أدينتها ، وانخفاض نشاط مركب نازعة هيدروجين البيروفات نتيجة لتفسفره ، وانخفاض نشاط تركيبة الجليكوجين عن طريق الفسفرة. يمكن توضيح الدورة الكاملة لتنظيم نشاط الإنزيم من خلال تعديله التساهمي من خلال مثال فوسفوريلاز الجليكوجين في الكبد.

3. تفاعل البروتين والبروتين

وفقًا للمفاهيم الحديثة ، يتم دمج إنزيمات المسارات الأيضية الفردية في الخلايا ، في الغالب ، في مجمعات متعددة الإنزيمات من الأيضات. في تكوين هذه الأيضات ، يكون كل إنزيم على اتصال بواحد أو أكثر من إنزيمات هذا المسار الأيضي. لذلك ، فإن التشكل ، وبالتالي النشاط التحفيزي لكل إنزيم فردي سيعتمد على حالة الإنزيمات الأخرى الملامسة له. ومن ثم ، فإن التغيير في النشاط التحفيزي للإنزيم التنظيمي الذي هو جزء من المستقلب ، الناتج ، على سبيل المثال ، عن طريق إضافة مُعدِّل خيفي إليه ، سيصاحبه تغيير في نشاط إنزيمات الأيض الأخرى ، منذ سيخضع التشكل في تكوين مركب البروتين فوق الجزيئي أيضًا لبعض التغييرات. تحتوي الخلايا والسائل خارج الخلية على بروتينات يمكنها التفاعل مع بروتينات الإنزيم ، وتنظيم نشاطها. تسمى هذه البروتينات بروتينات معدل.

وهكذا ، تشتمل البروتينات الدهنية في بلازما الدم على apo-C-II و apo-C-I apoproteins ، والتي تتفاعل مع إنزيمات ليباز البروتين الدهني و lecithincholesterol acyltransferase ، على التوالي ، تزيد من نشاطها. في بلازما الدم ، يوجد أيضًا مضاد الثرومبين الثالث المغير للبروتين ، والذي يتفاعل مع إنزيم نظام تخثر الدم الثرومبين ، ويعطل الأخير.

مثال على بروتين معدل داخل الخلايا هو كالودولين. إنه موجود في حالة غير نشطة حرة في العصارة الخلوية لخلايا الأعضاء والأنسجة المختلفة. مع زيادة تركيز أيونات Ca2 + في العصارة الخلوية ، يتم تكوين مركب Ca-calodulin ، وتكوين تغيرات كالموديولين ، ويكتسب مركب Ca-calodulin القدرة على التفاعل مع مختلف الإنزيمات داخل الخلايا. خلال هذا التفاعل ، يتغير شكل إنزيم البروتين ، وبالتالي يتغير نشاطه التحفيزي. مع انخفاض تركيز Ca2 + في العصارة الخلوية ، يتحلل مجمع Ca-calodulin ، يفقد الكالمودولين الحر تقاربه مع الإنزيم بسبب تغيير في شكل الجزيء. نتيجة لذلك ، يتم إطلاق الإنزيم من المركب ويعود نشاطه التحفيزي إلى مستواه الأصلي. تنظم هذه الطريقة النشاط التحفيزي للأنزيمات مثل الجوانيلات سيكلاز ، فسفودايستراز للنيوكليوتيدات الحلقية ، كربوكسيلاز البيروفات ، NAD-kinase ، وما إلى ذلك (انظر الرسم البياني في الصفحة التالية).

4. دور التثبيط التنافسي وغير التنافسي في تنظيم نشاط الإنزيم في الخلية

نادرًا ما تستخدم هذه المتغيرات الخاصة بآليات تنظيم نشاط الإنزيم في الخلايا. مثال على التثبيط التنافسي المستخدم في خلية لتنظيم عملية التمثيل الغذائي الخاصة بها يعتبر تثبيط نشاط إنزيم نازعة هيدروجين السكسينات لدورة حمض الكربوكسيليك بتركيزات عالية من حمض أوكسالاسيتيك أو مالات ، وهي منتجات وسيطة لنفس عملية التمثيل الغذائي مسار. يؤدي انخفاض تركيزها في مصفوفة الميتوكوندريا ، حيث يعمل هذا المسار الأيضي ، إلى إزالة التثبيط ، أي التأثير التنظيمي قابل للعكس.

يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن الأدوية غالبًا ما تكون مثبطات تنافسية أو غير تنافسية للأنزيمات المختلفة. وهكذا ، فإن عقار الوبيورينول ، المستخدم في علاج النقرس ، هو مثبط تنافسي نموذجي لأنزيم زانثين أوكسيديز ، الذي يعمل في الخلية في المرحلة الأخيرة من المسار الأيضي لتخليق حمض البوليك. ويؤدي انخفاض نشاط هذا الإنزيم إلى انخفاض تركيز حمض البوليك في الدم والأنسجة ويمنع إعادة ترسب بلورات حمض البوليك في الأنسجة ، وهو ما يميز مرض النقرس.

عقار ستروفانثين G ، المستخدم في علاج قصور القلب الحاد ، هو مثبط غير تنافسي لـ K ، Na-ATPase لأغشية الخلايا الخارجية لخلايا عضلة القلب. هناك رأي مفاده أن التأثير العلاجي لهذا الدواء يرجع إلى تطبيع التركيب الأيوني للبيئة الداخلية لخلايا عضلة القلب نتيجة لتصحيح نشاط إنزيم الغشاء هذا.

من بين العديد من الإنزيمات الموجودة في الخلية ، ليست كلها تنظيمية. ومع ذلك ، فإن كل مسار استقلابي تقريبًا يتضمن واحدًا أو أكثر (2 ، وأحيانًا 3) إنزيمات تتحكم في شدة تدفق المستقلبات على طول مسار أو مسار أيضي آخر. تحفز هذه الإنزيمات تفاعلات ديناميكية حرارية لا رجعة فيها ؛ غالبًا ما تكون الإنزيمات التي لها أقل نشاط تحفيزي لجميع الإنزيمات في مسار أيضي معين ، وبالتالي تتحكم في معدل تدفق مادة على طول هذا المسار الأيضي ككل ؛ عادة ما تحفز واحدة من ردود الفعل الأولى لمسار أيضي معين ، والذي يمنع تراكم المسار الأيضي الوسيط في الخلية عندما يتم تقليل نشاط الإنزيم. الإنزيمات من هذا النوع ، التي تتحكم في تدفق المستقلبات على طول المسار الأيضي وتكون قادرة على الاستجابة مع التغيرات في النشاط للتأثيرات التنظيمية ، تسمى "الإنزيمات الرئيسية" ؛ أحيانًا يطلق عليهم أيضًا "إنزيمات جهاز تنظيم ضربات القلب". ومن الأمثلة على هذه الإنزيمات أسبارتاتكاربامويل ترانسفيراز (مسار استقلابي لتخليق نيوكليوتيدات بيريميدين) ، أو فسفوفركتوكيناز (تحلل السكر) ، أو نازعة هيدروجين الإيزوسيترات (دورة حمض كربوكسيليك كريبس).

5. نقل المواد عبر أغشية الخلايا

يمكن للخلية استخدام التغييرات في نفاذية الغشاء لتنظيم عملية التمثيل الغذائي ، بما في ذلك كل من نفاذية كل من الغشاء الخارجي والأغشية التي تفصل مقصوراتها الفردية. وبالتالي ، فإن كلاً من تركيز الركائز لمسار استقلابي أو آخر (على سبيل المثال ، تركيز أسيتيل CoA في العصارة الخلوية لتخليق الأحماض الدهنية الأعلى القادمة من مصفوفة الميتوكوندريا) وتركيز العوامل المساعدة القادمة من حجرة خلية واحدة إلى آخر (على سبيل المثال ، ADP من العصارة الخلوية إلى مصفوفة الميتوكوندريا).

يمكن نقل المواد عبر أغشية الخلايا من خلال ثلاثة أنواع رئيسية من العمليات:

أ) انتشار بسيط ،

ب) الانتشار الميسر ،

ج) النقل النشط.

شدة الانتشار البسيط ، أي يتم تنظيم نقل المواد عبر الغشاء على طول تدرج التركيز من خلال طبقة ثنائية الدهون أو من خلال القنوات في طبقة ثنائية الدهون ، أولاً ، عن طريق تغيير الحالة المطابقة للغشاء أو لزوجته الدقيقة ، وثانيًا ، عن طريق تغيير تركيز المستقلب المنقول على جانبي الغشاء. يمكن تغيير حالة الغشاء عن طريق تغيير تركيبته ، على سبيل المثال ، عن طريق تغيير محتوى الكوليسترول في الأغشية ، ويمكن تغيير تدرج تركيز المستقلب بالنسبة للغشاء عن طريق إنتاجه أو استخدامه في إحدى الخلايا مقصورات.

تنظيم الانتشار الموهوب ، أي يتم نقل المواد عبر الغشاء على طول تدرج التركيز بمشاركة الناقل بسبب تأثير العوامل المشار إليها سابقًا وبسبب آليتين جديدتين: التغييرات في محتوى المادة الحاملة في الغشاء أو بسبب تغيير في الحالة الوظيفية لحالة شركات النقل الحالية. لذلك ، عندما يعمل الأنسولين على الخلايا التي تحتوي على مستقبلات لهذا الهرمون ، يزداد عدد البروتينات الحاملة للجلوكوز في أغشيتها الخارجية. التغيير في شدة النقل النشط ، أي يحدث نقل المواد عبر الأغشية بمشاركة ناقل مقابل تدرج تركيز يتناسب مع تكاليف الطاقة ، أولاً ، بسبب تشغيل الآليات التي تنظم عمليات الانتشار الميسر ، وثانيًا ، بسبب التغيير في الكمية من الطاقة المتاحة. في المقابل ، يتم توفير الطاقة إما عن طريق توفير آليات نقل طاقة ATP ، أو عن طريق التدرجات الكهروكيميائية عبر الغشاء التي أنشأتها الخلية ، على سبيل المثال ، تدرجات H + أو تدرجات أيون الصوديوم.

وهكذا ، في سياق التطور ، خلقت الطبيعة مجموعة متنوعة من الآليات التي تسمح للخلايا بتنظيم كل من شدة عمليات التمثيل الغذائي بشكل عام وآليات التنظيم الانتقائي لعمل مسار أو مسار أيضي آخر. يمكن تقسيم جميع الآليات التنظيمية العاملة في الجسم إلى مستويين: 1. الآليات التي توفر التنظيم على مستوى الخلايا الفردية أو الآليات التنظيمية داخل الخلايا.

2. الآليات التي تضمن تنظيم عمليات التمثيل الغذائي على مستوى الكائن الحي كله - آليات التنظيم فوق الخلوية.

يمكن تقسيم كل من هذه المستويات إلى مستويات فرعية. لذلك ، في إطار مستوى التنظيم داخل الخلايا ، يمكن تمييز المستويات الفرعية:

المستوى الفرعي للتفاعلات الكيميائية الفردية ،

المستوى الفرعي لمسارات التمثيل الغذائي ،

المستوى الفرعي للعضيات الخلوية ،

المستوى الفرعي لشبكة المسار الأيضي. ويمكن تقسيم مستوى التنظيم فوق الخلوي إلى مستويات فرعية:

مستوى فرعي من نسيج معين

المستوى الفرعي للعضو

المستوى الفرعي لنظام الجهاز

المستوى الفرعي للكائن الحي كله.

القسم 3 1.

يعتمد الإصدار الثاني من التصنيف على الطبيعة الكيميائية للهرمونات. حسب طبيعتها الكيميائية ، تنقسم الهرمونات إلى 4 فئات:

1. هرمونات ذات طبيعة بروتينية ، وفي هذه الفئة يمكن تمييز فئتين فرعيتين:

أ) الهرمونات عبارة عن بروتينات بسيطة (الأنسولين ، السوماتوتروبين) ؛

ب) الهرمونات عبارة عن بروتينات معقدة (هرمون منشط للدرقية ، هرمونات موجهة للغدد التناسلية) ، بطبيعتها الكيميائية هي بروتينات سكرية)

2. عديد البيبتيدات الهرمونات (ليبرينات وستاتين تحت المهاد ، فاسوبريسين وأوكسيتوسين ، جلوكاجون ، كورتيكوتروبين).

3. مشتقات الهرمونات من الأحماض الأمينية (الميلاتونين ، الأدرينالين ، الثيرونين المعالج باليود).

4. هرمونات الستيرويد (الكورتيزول ، الألدوستيرون ، البروجسترون ، الاستراديول ، التستوستيرون).

2. استهداف الخلايا ومستقبلات الهرمونات

تسمى الخلايا القادرة على الاستجابة بطريقة أو بأخرى لعمل الهرمون بالخلايا المستهدفة لهذا الهرمون. في المقابل ، تسمى الأعضاء أو الأنسجة التي يتسبب فيها تأثير الهرمون في تفاعل كيميائي حيوي أو فيزيولوجي محدد بالأعضاء المستهدفة أو الأنسجة المستهدفة لهذا الهرمون. يجب ألا يغيب عن الأذهان فقط أن نسيجًا معينًا يحتوي عادةً على عدة أنواع من الخلايا المتمايزة ، ولا تستجيب جميعها لتأثيرات هرمون معين.

لكي تستجيب الخلية لظهور هرمون أو جزيء إشارة آخر في بيئتها ، يجب أن تحتوي على هياكل متخصصة قادرة على التعرف على جزيئات الإشارة هذه. المستقبلات الخلوية هي هياكل متخصصة. بطبيعتها الكيميائية ، المستقبلات الخلوية عبارة عن بروتينات بروتين سكري معقدة لها مراكز وظيفية متخصصة في بنيتها قادرة على التفاعل الانتقائي مع جزيء إشارة واحد أو آخر.

جميع المستقبلات عبارة عن بروتينات متعددة المجالات. في أحد المجالات يوجد مركز ربط جزيء الإشارة ، وهذا ما يسمى بمجال التعرف. بالإضافة إلى مجال التعرف ، تحتوي المستقبلات دائمًا على مجال مسؤول عن تشغيل آليات داخل الخلايا تضمن استجابة الخلية لإشارة تنظيمية خارجية ، وهذا ما يسمى بمجال الاقتران. يؤدي تفاعل موقع ارتباط المستقبل مع جزيء الإشارة ، على سبيل المثال ، مع هرمون ، إلى تغيير شكل مجال التعرف ، كما تلتقط موجة التغييرات المطابقة مجال الاقتران ، مما يؤدي إلى "تنشيط" المستقبل وإدراجها آليات داخل الخلايا لتنفيذ الإشارة التنظيمية الخارجية.

3. إفراز الهرمونات (الليبرينات)

1. Thyroliberin (TRH) يحفز إفراز هرمون الغدة الدرقية (TSH) من الغدة النخامية.

2. يحفز الكورتيكوليبيرن (CRH) إفراز هرمون قشر الكظر (ACTH) من الغدة النخامية.

3. Gonadoliberin (GnRH) يحفز إفراز الهرمونات المنشطة (LH) والمنبه للجريب (FSH) من الغدة النخامية.

4. يحفز Somatoliberin (STH-RG) إفراز الهرمون الموجه للجسد (STH) من الغدة النخامية.

من المفترض أيضًا وجود البرولاكتوليبيرين (PRL-RG) وهرمون تحفيز الخلايا الصباغية (MSH-RG) في منطقة ما تحت المهاد ، ولكن حتى الآن لم يكن من الممكن الحصول عليها في صورة عالية النقاء. ب). الستاتينات 1. السوماتوستاتين (SS) ، الذي يمنع إفراز هرمون النمو من الغدة النخامية. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه يمنع إطلاق TSH.

2. الببتيد المرتبط بمضادات الغدد التناسلية (GAP) ، والذي يثبط إفراز البرولاكتين (PRL) من الغدة النخامية. بالإضافة إلى ذلك ، يمنع الدوبامين إطلاق PRL بشدة. أحيانًا يتم الجمع بين HAP والدوبامين تحت اسم الهرمونات المثبطة للبرولاكتين (PIH). يُشتبه أيضًا في وجود الميلانوستاتين (MSH-S) ، لكن لم يتم تأكيد وجوده.

تتكون المجموعة الثالثة من هرمونات الوطاء من هرمونين أوكسيتوسين وفازوبريسين ، يتم تصنيعهما في منطقة ما تحت المهاد ، ويدخلان إلى الغدة النخامية الخلفية ، حيث يتراكمان مؤقتًا ، ثم يدخلان إلى مجرى الدم. يمكن أيضًا تقسيم هرمونات الغدة النخامية إلى ثلاث مجموعات. تتكون المجموعة الأولى من هرمونات الغدة النخامية الأمامية ، والتي تحفز نشاط الغدد الصماء المحيطية. وتشمل هذه:

1. TSH ، الذي يحفز تخليق رباعي يودوثيرونين (T4) وثلاثي يودوثيرونين (T3) في الغدة الدرقية.

2. ACTH ، الذي يحفز تخليق القشرانيات السكرية عن طريق قشرة الغدة الكظرية.

3. LH و FSH ، اللذان يحفزان تخليق الهرمونات الجنسية في الخصيتين والمبيضين.

4. في عمل الآليات التنظيمية التي تستخدم منتجات cAMP أو cGMP أو التحلل المائي لفوسفاتيد الإينوزيتول كرسائل ثانية ، هناك نقطة واحدة مشتركة في الأنظمة ، يتم تضمين آليات تضخيم الإشارة. عندما يقترن هرمون أو جزيء إشارة آخر بمستقبل ، فإنه ينشط إنزيمًا يولد تكوين العديد من الجزيئات في الخلية التي تعمل كمرسل ثانٍ. بدوره ، يقوم المرسل الثاني أيضًا بتنشيط إنزيم قادر على تغيير النشاط الوظيفي لعدد كبير من جزيئات البروتين المختلفة المسؤولة بشكل مباشر عن تكوين الاستجابة الأيضية للخلايا. تعتمد آلية عمل الهرمونات إلى حد كبير على الخصائص الفيزيائية والكيميائية لجزيئات الهرمون. لا تستطيع هرمونات البروتين ، وهرمونات الببتيد ، والهرمونات المشتقة من الأحماض الأمينية ، باستثناء الثيرونين المعالج باليود ، وكذلك جزيئات الإشارة الأخرى المرتبطة بطبيعتها الكيميائية ، والتي لها خصائص محبة للماء ، اختراق أغشية الخلايا الخارجية. يتم تحديد مستقبلات هذه المنظمات الحيوية على الجانب الخارجي من غشاء الخلية الخارجي ؛ لذلك ، يلزم وجود آلية خاصة لضمان تحويل الإشارة التنظيمية خارج الخلية إلى إشارة داخل الخلايا. كقاعدة عامة ، يرتبط هذا بالتخليق في الخلية للمركبات التي تعمل كمراسلين داخل الخلايا أو "رُسُل ثانية" تضمن تكوين الاستجابة الأيضية للخلايا لإشارة تنظيمية خارجية.

5. يمكن لهرمونات الستيرويد والثيرونين المعالج باليود ، والتي لها خصائص كارهة للماء ، أن تخترق الغشاء الخارجي إلى الخلايا ، ومن خلال الارتباط بمستقبلاتها في العصارة الخلوية أو النواة ، تشارك بدورها في تكوين الاستجابة الأيضية للخلايا لإشارة تنظيمية خارجية ، و لذلك لا يحتاج هؤلاء المنظمون الحيويون إلى وسطاء مثل "الرسل الثاني". يعتمد التأثير التنظيمي لهرمونات المجموعة الأولى بشكل أساسي على التغيير في النشاط الوظيفي للبروتينات الموجودة بالفعل في الخلية ، في حين أن أساس التأثيرات التنظيمية للستيرويد الهرمونات والثيرونين المعالج باليود هو في الأساس تغيير في كفاءة التعبير الجيني وعلى هذا الأساس تغيير في كمية البروتينات في الخلية. بالطبع ، تحت تأثير الهرمونات والبروتينات والهرمونات والببتيدات والهرمونات ومشتقات الأحماض الأمينية ، يمكن أيضًا أن يحدث تغيير في كفاءة التعبير الجيني ، ولكن هذا نتيجة للتأثير على جينوم الخلية للبروتينات المنظمة المعدلة ، يتغير هيكلها عادة بالمشاركة غير المباشرة للرسل داخل الخلايا. تُعرف هذه المركبات باسم الرسل داخل الخلايا أو الرسل الثاني ، وأشهر ممثليهم هم cAMP و cGMP و Ca + أيونات ومنتجات انقسام فوسفاتيد الإينوزيتول وثلاثي فوسفات الإينوزيتول ودياسيل جلسرين.

القسم 4. 1. الأنسولين

الأنسولين هو هرمون بروتيني. يتم تصنيعه بواسطة الخلايا البائية في البنكرياس. الأنسولين هو أحد أهم هرمونات الابتنائية. يؤدي ارتباط الأنسولين بالخلايا المستهدفة إلى عمليات تزيد من معدل تخليق البروتين ، بالإضافة إلى تراكم الجليكوجين والدهون في الخلايا ، وهي احتياطي من البلاستيك ومواد الطاقة. الأنسولين ، ربما بسبب تأثيره الابتنائي ، يحفز نمو الخلايا وتكاثرها.

يتكون جزيء الأنسولين من سلسلتين عديد الببتيد ، السلسلة A والسلسلة B. تتكون السلسلة A من 21 من بقايا الأحماض الأمينية ، وتحتوي السلسلة B على 30. هذه السلاسل مترابطة بواسطة جسرين ثنائي كبريتيد: أحدهما بين A7 و B7 (أرقام الأحماض الأمينية ، عد من الطرف N لسلاسل البولي ببتيد) ، الثاني بين A20 و B19. يقع جسر ثاني كبريتيد الثالث في السلسلة A ، ويربط بين A6 و A11.

المحفز الفسيولوجي الرئيسي لإفراز الأنسولين من الخلايا البائية في الدم هو زيادة نسبة السكر في الدم.

يمكن وصف تأثير الأنسولين على استقلاب الكربوهيدرات من خلال التأثيرات التالية:

1. الأنسولين يزيد من نفاذية أغشية الخلايا للجلوكوز في ما يسمى الأنسجة المعتمدة على الأنسولين.

2. الأنسولين ينشط الانهيار التأكسدي للجلوكوز في الخلايا.

3. يمنع الأنسولين تكسير الجليكوجين وينشط تركيبه في خلايا الكبد.

4. الأنسولين يحفز تحويل الجلوكوز إلى الدهون الثلاثية الاحتياطية.

5. يثبط الأنسولين استحداث السكر عن طريق تقليل نشاط بعض إنزيمات استحداث السكر.

يتكون تأثير الأنسولين على التمثيل الغذائي للدهون من تثبيط تحلل الدهون في الخلايا الدهنية بسبب إزالة الفسفرة من الليباز ثلاثي الجلسرين وتحفيز تكوين الدهون.

للأنسولين تأثير ابتنائي على استقلاب البروتين: فهو يحفز دخول الأحماض الأمينية إلى الخلايا ، ويحفز نسخ العديد من الجينات ، وبالتالي ، يحفز تخليق العديد من البروتينات ، داخل الخلايا وخارجها.

2-الثيرونين

تنتج الغدة الدرقية هرمونين 3،5،3-ثلاثي يودوثيرونين (T3) و 3،5،3،5-رباعي يودوثيرونين (هرمون الغدة الدرقية ، T4) ، والتي تلعب دورًا مهمًا في تنظيم التمثيل الغذائي العام ، وتطور الأنسجة وتمايزها. يحدث تكوين هذه الهرمونات أثناء المعالجة اللاحقة للنسخ للبروتين النوعي ثيروجلوبولين ، والذي يحدث خلاله تنظيم اليود المتراكم في خلايا الغدة الدرقية. يؤدي التحلل البروتيني داخل الخلايا اللاحق للثيروجلوبولين المعالج باليود إلى إفراز الهرمونات.

يحدث تخليق الثيرونين المعالج باليود في الخلايا الدرقية في الغدة الدرقية كجزء من بروتين يودوثيروجلوبولين.

يحدث تخليق ثيروجلوبولين على ريبوسومات الخلية الدرنية في الجزء القاعدي من الخلية ، ثم في صهاريج الشبكة الإندوبلازمية الخشنة ، ثم في جهاز جولجي ، يحدث الارتباط بالجليكوزيل لسلاسل البولي ببتيد للجزيء مع إضافة حوالي اثنين عشرات كتل قليلة السكاريد.

يتم تعطيل هرمونات الغدة الدرقية بطرق مختلفة: يمكن أن تخضع لعملية إزالة اليود ، نزع الأمين ، ونزع الكربوكسيل. في كل هذه الحالات تفقد الهرمونات نشاطها البيولوجي. في الكبد ، يمكن أن تترافق نواتج تدهور هرمونات الغدة الدرقية ثم تفرز في الصفراء.

توجد مستقبلات هرمونات الغدة الدرقية في خلايا الأعضاء والأنسجة المختلفة. توجد مستقبلات تقارب منخفضة في العصارة الخلوية للخلايا ، بينما توجد مستقبلات تقارب عالية في نوى نفس الخلايا. يصاحب إدخال هرمون الغدة الدرقية إلى حيوانات التجارب تطور توازن نيتروجين إيجابي ، ويزيد من إنتاج الحرارة ويؤدي إلى زيادة نشاط العديد من أنظمة الإنزيمات. حتى الآن ، ثبت أن إدخال الهرمون يؤدي إلى زيادة نشاط أكثر من 100 إنزيم. هذه الزيادة في نشاط عدد كبير من الإنزيمات تعكس على الأرجح التأثير التحفيزي الواضح للهرمون على تخليق البروتين في العديد من الأعضاء والأنسجة.

يؤدي إدخال هرمونات الغدة الدرقية بالفعل إلى زيادة في إنتاج الحرارة ، ولكن هذه الزيادة في إنتاج الحرارة لا ترجع إلى فك اقتران الأكسدة والفسفرة في الميتوكوندريا ، ولكن إلى زيادة استهلاك ATP في الخلايا في العمليات المعتمدة على الطاقة.

3. أدرينالين

تنتج خلايا الكرومافين في النخاع الكظري مجموعة من المواد الفعالة بيولوجيًا الكاتيكولامينات ، والتي تشمل الأدرينالين والنورادرينالين والدوبامين ، والتي تلعب دورًا مهمًا في تكيف الجسم مع الإجهاد الحاد والمزمن ، لا سيما في تكوين رد فعل الجسم على " قتال أو هرب ". أثناء تطور هذا التفاعل في الجسم ، يحدث تعبئة طارئة لموارد الطاقة: يتم تسريع تحلل الدهون في الأنسجة الدهنية ، ويتم تنشيط تكوين الجليكوجين في الكبد ، ويتم تحفيز تحلل الجليكوجين في العضلات.

يتم تصنيع جميع الكاتيكولامينات من الحمض الأميني التيروزين ، حيث يمثل الأدرينالين حوالي 80 ٪ من الكاتيكولامينات المنتجة في لب الغدة الكظرية. يبدأ التوليف بتحويل التيروزين إلى ثنائي هيدروكسي فينيل ألانين (DOPA) ، ويتم تحفيز التفاعل بواسطة إنزيم التيروزين هيدروكسيلاز. المجموعة التعويضية للإنزيم هي تتراهيدروبيوبترين. أثناء التفاعل التالي ، يخضع DOPA لنزع الكربوكسيل بمشاركة إنزيم DOPA-decarboxylase ، المجموعة الاصطناعية لهذا الإنزيم هي فوسفات البيريدوكسال.

يتم إنتاج الدوبامين. أثناء الأكسدة ، يستخدم حمض الأسكوربيك كمانح للإلكترون (كوسوبسترات التفاعل). في التفاعل النهائي ، يتم ميثلة النوربينفرين في المجموعة الأمينية مع تحوله إلى الأدرينالين ؛ يستخدم S-adenosylmethionine كمتبرع لمجموعة الميثيل.

تحت تأثير النبضات العصبية التي تدخل النخاع الكظري من خلال العصب البطني ، تندمج حبيبات الكروم مع غشاء البلازما مع إطلاق الكاتيكولامينات في مجرى الدم. يدخل الأدرينالين إلى مجرى الدم على شكل مركب مرتبط بشكل سيئ بالألبومين وينقل مع تدفق الدم إلى الأعضاء والأنسجة الأخرى.

تقاس مدة وجود الأدرينالين في مجرى الدم بوقت قدره 10 30 ثانية ؛ لا يتجاوز تركيزه في بلازما الدم عادة 0.1 ميكروغرام / لتر (أقل من 0.55 نانومتر / لتر). يمكن أن يحدث تعطيل الأدرينالين ، مثل الكاتيكولامينات الأخرى ، إما عن طريق نزع الأمينات المؤكسدة أو عن طريق مثيلة O. المنتجات النهائية الرئيسية لتثبيط الأدرينالين التي تفرز في البول هي metanephrine و vanillinmandelic acid.

عندما يرتبط الهرمون بمستقبلات b1 و b2 ، يتم تنشيط إنزيم adenylate cyclase ، بوساطة تفاعل المستقبلات المنشطة مع بروتينات Gs ، والذي يصاحبه زيادة في تركيز cAMP في الخلية. عندما يتفاعل الهرمون مع مستقبلات a2 بمشاركة بروتين Gi ، يتم تثبيط إنزيم الأدينيلات وينخفض تركيز cAMP في الخلية.

في حالة عمل الأدرينالين من خلال مستقبلات b2 ، يتم تحفيز تفكك الجليكوجين في الكبد بإطلاق الجلوكوز في مجرى الدم ، في حين أن هناك تحفيزًا طفيفًا لتكوين السكر في خلايا الكبد. في العضلات ، يحفز الأدرينالين تحلل الجليكوجين عبر مستقبلات b2. من خلال هذا النوع من المستقبلات ، يزيد الإبينفرين من إفراز الأنسولين والجلوكاجون في البنكرياس أو إفراز الرينين في الكلى.

4. الجلوكاجون

الجلوكاجون هو هرمون متعدد الببتيد تفرزه خلايا البنكرياس. تتمثل الوظيفة الرئيسية لهذا الهرمون في الحفاظ على توازن الطاقة في الجسم عن طريق تعبئة موارد الطاقة الذاتية ، وهو ما يفسر تأثيره التقويضي الكلي.

يتضمن تكوين سلسلة البولي ببتيد من الجلوكاجون 29 من بقايا الأحماض الأمينية ، ووزنها الجزيئي 4200 ، ولا تحتوي على السيستين. تم تصنيع الجلوكاجون كيميائيًا ، مما أكد أخيرًا تركيبته الكيميائية.

الموقع الرئيسي لتخليق الجلوكاجون هو خلايا α في البنكرياس ، ومع ذلك ، تتشكل أيضًا كميات كبيرة جدًا من هذا الهرمون في أعضاء أخرى من الجهاز الهضمي. يتم تصنيع الجلوكاجون على ريبوسومات الخلايا a في شكل سلائف أطول بوزن جزيئي يبلغ حوالي 9000. أثناء المعالجة ، يحدث تقصير كبير في سلسلة البولي ببتيد ، وبعد ذلك يتم إفراز الجلوكاجون في الدم. في الدم ، يكون في شكله الحر ، وتركيزه في مصل الدم هو 20-100 نانوغرام / لتر. نصف عمرها حوالي 5 دقائق. يتم تعطيل الجزء الرئيسي من الجلوكاجون في الكبد عن طريق الانقسام المائي لـ 2 من بقايا الأحماض الأمينية من الطرف N للجزيء.

يتم إعاقة إفراز الجلوكاجون بواسطة خلايا البنكرياس أ بسبب ارتفاع مستويات الجلوكوز في الدم ، وكذلك عن طريق السوماتوستاتين الذي يفرزه خلايا البنكرياس د. من الممكن أن يُثبط إفراز الجلوكاجون أيضًا بواسطة الأنسولين أو عامل النمو الشبيه بالأنسولين -1. يتم تحفيز الإفراز من خلال انخفاض تركيز الجلوكوز في الدم ، لكن آلية هذا التأثير غير واضحة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم تحفيز إفراز الجلوكاجون بواسطة هرمون النمو في الغدة النخامية والأرجينين و Ca2 +.

آلية عمل الجلوكاجون مفهومة جيدًا. يتم تحديد مستقبلات الهرمون في غشاء الخلية الخارجي. يصاحب تكوين مجمعات مستقبلات الهرمون تنشيط محلقة الأدينيلات وزيادة تركيز cAMP في الخلايا ، مصحوبًا بتنشيط بروتين كيناز وفسفرة البروتينات مع تغيير في النشاط الوظيفي للأخير.

تحت تأثير الجلوكاجون في خلايا الكبد ، يتم تسريع تعبئة الجليكوجين مع إطلاق الجلوكوز في الدم. يرجع هذا التأثير للهرمون إلى تنشيط فوسفوريلاز الجليكوجين وتثبيط إنزيم الجليكوجين الناتج عن الفسفرة. وتجدر الإشارة إلى أن الجلوكاجون ، على عكس الأدرينالين ، لا يؤثر على معدل تحلل الجليكوجين في العضلات.

ينشط الجلوكاجون عملية استحداث السكر في خلايا الكبد: أولاً ، يسرع تحلل البروتينات في الكبد ، وتستخدم الأحماض الأمينية الناتجة كركائز لتكوين السكر ؛ ثانيًا ، يزداد نشاط عدد من الإنزيمات ، مثل الفركتوز -1،6-بيسفوسفاتاز ، فوسفوينول بيروفات كاربوكسيكيناز ، الجلوكوز 6-فوسفاتيز ، والتي تشارك في تكوين الجلوكوز بسبب تنشيط الإنزيمات الموجودة وتحريض تخليقها. بسبب تنشيط استحداث السكر ، هناك أيضًا زيادة في تدفق الجلوكوز إلى الدم. يصاحب تسريع استخدام الأحماض الأمينية لتكوين السكر زيادة في حجم تخليق اليوريا وزيادة كمية اليوريا التي تفرز في البول.

يحفز الجلوكاجون تحلل الدهون في الخلايا الدهنية ، وبالتالي يزيد من تدفق الجلسرين والأحماض الدهنية العالية في الدم. في الكبد ، يمنع الهرمون تخليق الأحماض الدهنية والكوليسترول من الأسيتيل- CoA ، ويستخدم الأسيتيل- CoA المتراكم في تخليق أجسام الأسيتون. وهكذا ، فإن الجلوكاجون يحفز التولد الكيتون.

في الكلى ، يزيد الجلوكاجون من الترشيح الكبيبي ، وهو ما يفسر على ما يبدو الزيادة في إفراز أيونات الصوديوم والكلوريد والبوتاسيوم والفوسفور وحمض اليوريك بعد تناول الجلوكاجون.

5. كورتيزول

الجلوكوكورتيكويد البشري الرئيسي هو الكورتيزول: يتم تصنيع 10-30 مجم من الكورتيزول و 2-4 مجم من جلايكورتيكويد آخر ، كورتيكوستيرون ، يوميًا في الغدد الكظرية. تلعب هرمونات قشرة الغدة الكظرية ، وخاصة القشرانيات السكرية ، دورًا مهمًا في التكيف مع الإجهاد الشديد.

يعتمد هيكل جميع هرمونات الستيرويد على قلب سيكلوبنتانيبرهيدروفينانثرين ، الذي يحتوي على 17 ذرة كربون ويتضمن أربع دورات أو حلقات ، يُشار إليها بالحروف A و B و C و D.

يحدث تخليق الكورتيزول في خلايا المناطق الحزمية والشبكية لقشرة الغدة الكظرية. المركب الأولي لتخليق الكورتيزول هو الكوليسترول ، وهو يدخل خلايا قشرة الغدة الكظرية من الدم ، ويتشكل جزء صغير منه فقط في الخلايا عن طريق التوليف من أسيتيل CoA.

يتأثر إفراز الكورتيزول بشكل كبير بالإجهاد البدني والعاطفي والقلق والخوف وما إلى ذلك ، ولكن كل هذه التأثيرات يتم توسطها بواسطة الجهاز العصبي من خلال الارتباط التنظيمي تحت المهاد.

يؤدي إدخال الكورتيزول إلى زيادة محتوى الأحماض الدهنية العالية في بلازما الدم. قد يكون هذا جزئيًا نتيجة لتحفيز تحلل الدهون في خلايا الأنسجة الدهنية. ومن المثير للاهتمام أن الكميات الزائدة من الكورتيزول تحفز تحلل الدهون في الأنسجة الدهنية للأطراف ، ولكن يتم تحفيز تكوين الدهون في نفس الوقت في الأنسجة الدهنية في الجذع والوجه. يؤدي تثبيط دخول الجلوكوز إلى خلايا الأنسجة المحيطية إلى مساهمة معينة في زيادة مستوى الأحماض الدهنية المرتفعة: أولاً ، يؤدي نقص الجلوكوز في خلايا الأنسجة المحيطية إلى زيادة تعبئة الدهون الثلاثية الاحتياطية ، و ثانيًا ، يؤدي نقص الجلوكوز في الخلايا الدهنية إلى نقص فوسفوديهيدروكسي أسيتون فيها ، وهو أمر ضروري لتخليق الدهون الثلاثية ، كما تأتي الأحماض الدهنية الأعلى غير المستخدمة من الخلايا الدهنية في الدم.