ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ

Глава IV .8.

Обмен веществ и энергии

Метаболизм или обмен веществ - совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществамии энергией, необходимыми для жизнедеятельности. В обмене веществ можно выделить два основных этапа: подготовительный - когда поступившее алиментарным путем вещество подвергается химическим превращениям, в результате которых оно может поступить в кровь и далее проникнуть в клетки, и собственно метаболизм, т.е. химические превращения соединений, проникнувших внутрь клеток.

Метаболический путь - это характер и последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образовавшиеся в процессе метаболизма называются метаболитами, а последнее соединение метаболического пути - конечный продукт.

Процесс распада сложных веществ на более простые называется катаболизмом. Так, поступающие в пищей белки, жиры,углеводы под действием ферментов пищеварительного тракта распадаются на более простые составные части (аминокислоты, жирные кислоты и моносахариды). При этом высвобождается энергия. Обратный процесс, т. е.синтез сложных соединений из более простых называется анаболизмом . Он идет с затратой энергии. Из образовавшихся в результате пищеварения аминокислот, жирных кислот и моносахаридов в клетках синтезируются новые клеточные белки, фосфолипиды мембран и полисахариды.

Существует понятие амфиболизм , когда одно соединение разрушается, но при этом синтезируется другое.

Метаболический цикл - это метаболический путь, один из конечных продуктов которого идентичен одному из соединений, вовлеченных в этот процесс.

Частный путь метаболизма - совокупность превращений одного определенного соединения (углеводы или белки). Общий путь метаболизма - когда вовлекаются два и более видов соединений (углеводы, липиды и частично белки вовлечены в энергетический метаболизм).

Субстраты метаболизма - соединения поступающие с пищей. Среди них выделяют основные пищевые вещества (белки, углеводы, липиды) и минорные, которые поступают в малых количествах (витамины, минеральные вещества).

Интенсивность метаболизма определяется потребностью клетки в тех или иных веществах или энергии,регуляция осуществляется четырьмя путями:

1) Суммарная скорость реакций определенного метаболического пути определяется концентрацией каждого из ферментов этого пути, значением рН среды, внутриклеточной концентрацией каждого из промежуточных продуктов, концентрацией кофакторов и коферментов.

2) Активностью регуляторных (аллостерических) ферментов, которые обычно катализируют начальные этапы метаболических путей. Большинство из них ингибируется конечным продуктом данного пути и этот вид ингибирования называется "по принципу обратной связи".

3) Генетический контроль, определяющий скорость синтеза того или иного фермента. Яркий пример - появление в клетке индуцибельных ферментов в ответ на поступление соответствующего субстрата.

4) Гормональная регуляция. Ряд гормонов способны активировать или ингибировать многие ферменты метаболических путей.

Живые организмы представляют собой термодинамически неустойчивые системы. Для их формирования и функционирования необходимо непрерывное поступление энергии в форме, пригодной для многопланового использования. Для получения энергии практически все живые существа на планете приспособились подвергать гидролизу одну из пирофосфатных связей АТФ. В связи с этим одна из главных задач биоэнергетики живых организмов это восполнение использованных АТФ из АДФ и АМФ.

Основной источник энергии в клетке - окисление субстратов кислородом воздуха. Этот процесс осуществляется тремя путями: присоединением кислорода к атому углерода, отщеплением водорода или потерей электрона. В клетках окисление протекает в форме последовательного переноса водорода и электронов от субстрата к кислороду. Кислород играет в этом случае роль восстанавливающегося соединения (окислителя). Окислительные реакции протекают с высвобождением энергии.Для биологических реакций характерны сравнительно небольшие изменения энергии. Это достигается за счет дробления процесса окисления на ряд промежуточных стадий, что позволяет запасать ее небольшими порциями в виде макроэргических соединений (АТФ). Восстановление атома кислорода при взаимодействии с парой протонов и электронов приводит к образованию молекулы воды.

Тканевое дыхание

Это процесс потребление клетками тканей организма кислорода, который участвует в биологическом окислении. Такой вид окисления называют аэробным окислением . Если конечным акцептором в цепи переноса водорода выступает не кислород, а другие вещества (например пировиноградная кислота), то такой тип окисления называют анаэробным.

Т.о. биологическое окисление - это дегидрирование субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора.

Дыхательная цепь (ферменты тканевого дыхания) - это переносчики протонов и электронов от окисляемого субстрата на кислород. Окислитель - это соединение, способное принимать электроны. Такая способность количественно характеризуется окислительно-восстановительным потенциалом по отношению к стандартному водородному электроду, рН которого равен 7,0. Чем меньше потенциал соединения, тем сильнее его восстанавливающие свойства и наоборот.

Т. о. любое соединение может отдавать электроны только соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. В дыхательной цепи каждое последующее звено имеет более высокий потенциал, чем предыдущее.

Дыхательная цепь состоит из:

1. НАД - зависимой дегидрогеназы;

2. ФАД- зависимой дегидрогеназы;

3. Убихинона (Ко Q );

4. Цитохрмов b , c , a + a 3 .

НАД-зависимые дегидрогеназы . В качестве кофермента содержат НАД и НАДФ . Пиридиновое кольцо никотинамида способно присоединять электроны и протоны водорода.

ФАД и ФМН-зависимые дегидрогеназы содержат в качестве кофермента фосфорный эфир витамина В 2 (ФАД ).

Убихинон (Ко Q ) отнимает водород у флавопротеидов и превращается при этом в гидрохинон .

Цитохромы - белки хромопротеиды, способные присоединять электроны, благодаря наличию в своем составе в качестве простетических групп железопорфиринов. Они принимают электрон от вещества, являющегося немного боле сильным восстановителем, и передают его более сильному окислителю. Атом железа связан с атомом азота имидазольного кольца аминоксилоты гистидина с одной стороны от плоскости порфиринового цикла, а с другой стороны с атомом серы метионина. Поэтому потенциальная способность атома железа в цитохромах к связыванию кислорода подавлена.

В цитохроме с порфириновая плоскость ковалентно связана с белком через два остатка цистеина, а в цитохромахb и , она ковалентно не связано с белком.

В цитохроме а+а 3 (цитохромоксидазе) вместо протопорфирина содержатся порфирин А, который отличатся рядом структурных особенностей. Пятое координационное положение железа занято аминогруппой, принадлежащей остатку аминосахара, входящего в состав самого белка.

В отличии от гема гемолгобина атом железа в цитохромах может обратимо переходить из двух в трехвалентное состояниеэто обеспечивает транспорт электронов (См. подробнее приложение 1 "Атомная и электронная структура гемопротеинов ").

Механизм работы электронтранспортной цепи

Наружная мембрана митохондрии (рис. 4.8.1) проницаема для большинства мелких молекул и ионов, внутренняя почти для всех ионов (кроме протонов Н) и для большинства незаряженных молекул.

Все вышеперечисленные компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннюю мембрану. Транспорт протонов и электронов по дыхательной цепи обеспечивается разностью потенциалов между ее компонентами. При этом каждое увеличение потенциала на 0,16 В освобождает энергию, достаточную для синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и Н 3 РО 4 . При потреблении одной молекулы О 2 образуется 3 АТФ .

Процессы окисления и образования АТФ из АДФ и фосфорной кислоты т.е. фосфорилирования протекают в митохондриях. Внутренняя мембрана образует множество складок - крист. Пространство органиченное внутренней мембраной - матриксом. Пространство между внутренней и наружной мембранами называется межмембранным.

Такая молекула содержит в себе три макроэргических связи. Макроэргической или богатой энергией называют химическую связь, при разрыве которой высвобождается более 4 ккал/моль. При гидролитическом расщеплении АТФ до АДФ и фосфорной кислоты высвобождается 7,3 ккал/моль. Ровно столько же тратится для образования АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты и это один из основных путей запасания энергии в организме.

В процессе транспорта электронов по дыхательной цепи высвобождается энергия, которая тратится на присоединение остатка фосфорной кислоты к АДФ с образованием одной молекулы АТФ и одной молекулы воды. В процессе переноса одной пары электронов по дыхательной цепи высвобождается и запасается в виде трех молекул АТФ 21,3 ккал/моль. Это составляет около 40 % высвободившейся при электронном транспорте энергии.

Такой способ запасания энергии в клетке называется окислительным фосфорилированием или сопряженным фосфорилированием.

Молекулярные механизмы этого процесса наиболее полно объясняет хемоосмотическая теория Митчелла, выдвинутая в 1961 году.

Механизм окислительного фосфорилирования (рис.4.8.2.):

1) НАД-зависимая дегидрогеназа расположена на матриксной поверхности внутренней мембраны митохондрий отдает пару электронов водорода на ФМН-зависимую дегидрогеназу. При этом из матрикса пара протонов переходит также на ФМН и в результате образуется ФМН Н 2 . В это время пара протонов, принадлежащих НАД выталкивается в межмембранное пространство.

2) ФАД-зависимая дегидрогеназа отдает пару электронов на Ко Q а пару протонов выталкивает в межмембранное пространство. Получив электроны Ко Q принимает из матрикса пару протонов и превращается в Ко Q Н 2 .

3) Ко Q Н 2 выталкивает пару протонов в межмембранное пространство, а пара электронов передается на цитохромы и далее на кислород с образованием молекулы воды.

В итоге при переносе пары электронов по цепи из матрикса в межмембранное пространствоперекачивается 6 протонов (3 пары), что ведет к созданию разницы потенциалов и разницы рН между поверхностями внутренней мембраны.

4) Разница потенциалов и разница рН обеспечивают движение протонов через протонный канал обратно в матрикс.

5) Такое обратное движение протонов ведет к активации АТФ-синтазы и синтезу АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. При переносе одной пары электронов (т.е. трех пар протонов) синтезируется 3 молекулы АТФ (рис. 4.7.3.).

Разобщение процессов дыхания и окислительного фосфорилирования происходит если протоны начинают проникать через внутреннюю мембрану митохондрий. В этом случае выравнивается градиент рН и исчезает движущая сила фосфорилирования. Химические вещества - разобщители называются протонофорами, они способны переносить протоны через мембрану. К таковым относятся 2,4 -динитрофенол , гормоны щитовидной железы и др. (рис. 4.8.3.).

Образовавшаяся АТФ из матрикса в цитоплазму переносится ферментами транслоказами, при этом в обратном направлении в матрикс переносится одна молекула АДФ и одна молекула фосфорной кислоты. Понятно, что нарушение транспорта АДФ и фосфата тормозит синтез АТФ.

Скорость окислительного фосфорилирования зависит в первую очередь от содержания АТФ, чем быстрее она расходуется, тем больше накапливается АДФ, тем больше потребность в энергии и следовательно активнее идет процесс окислительного фосфорилирования. Регуляцию скорости окислительного фосфорилирования концентрацией в клетке АДФ называют дыхательным контролем.

ЛИТЕРАТУРА К ГЛАВЕ IV .8.

1. Бышевский А. Ш., Терсенов О. А. Биохимия для врача // Екатеринбург: Уральский рабочий, 1994, 384 с.;

2. Кнорре Д. Г., Мызина С. Д. Биологическая химия. – М.: Высш. шк. 1998, 479 с.;

3. Ленинджер А. Биохимия. Молекулярные основы структуры и функций клетки // М.: Мир, 1974, 956 с.;

4. Пустовалова Л.М. Практикум по биохимии // Ростов-на Дону: Феникс, 1999, 540 с.;

5. Степанов В. М. Молекулярная биология. Структура и функции белков // М.: Высшая школа, 1996, 335 с.;

Все многообразие организмов, обитающих на Земле, можно разделить на две основные группы, отличающиеся использованием различных источников энергии, - аутотрофные и гетеротрофные организмы. Первые (аутотрофы) - прежде всего зеленые растения, способные непосредственно использовать лучистую энергию Солнца в процессе фотосинтеза, создавая органические соединения (углеводы, аминокислоты, жирные кислоты и др.) из неорганических. Остальные живые организмы ассимилируют уже готовые органические вещества, используя их как источник энергии или пластического материала для построения своего тела. Следует отметить, что большинство микроорганизмов тоже являются гетеротрофами. Однако они не способны поглощать целые пищевые частицы. Они выделяют в окружающую их среду специальные переваривающие ферменты, которые расщепляют пищевые вещества, превращая их в малые, растворимые молекулы, а уже эти молекулы проникают в клетки. В результате обмена веществ потребляемые с пищей вещества превращаются в собственные вещества и структуры клетки и, кроме того, организм обеспечивается энергией для совершения внешней работы. Самовоспроизведение, т. е. постоянное обновление структур организма и размножение, - наиболее характерная особенность обмена веществ в живых организмах, отличающая его от обмена веществ в неживой природе.

Обмен веществ, неразрывно связанный с обменом энергии - это закономерный порядок превращения вещества и энергии в живых системах, направленный на их сохранение и самовоспроизведение. Ф. Энгельс важнейшим свойством жизни отмечал обмен веществ, с прекращением которого прекращается сама жизнь. Он подчеркивал диалектический характер этого процесса и указывал, что

С последовательно материалистических позиций рассматривал роль обмена веществ в жизни организмов основоположник отечественной физиологии И. М. Сеченов. К. А. Тимирязев последовательно проводил идею о том, что основное свойство, которое характеризует живые организмы, заключается в постоянном деятельном обмене между веществом, составляющим организм, и веществом окружающей среды, которое организм постоянно воспринимает, ассимилирует, превращает его в себе подобное, вновь изменяет и выделяет в процессе диссимиляции. И. П. Павлов рассматривал обмен веществ как основу проявления жизнедеятельности, как основу физиологических функций организма. Существенный вклад в познание химизма жизненных процессов сделал А. И. Опарин, который изучал основные закономерности эволюции обмена веществ в ходе возникновения и развития жизни на Земле.

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ТЕРМИНЫ

Или метаболизм, - это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности: самосохранения и самовоспроизведения. Под самовоспроизведением понимают превращение вещества, поступающего извне, в вещества и структуры самого организма, в результате чего происходит непрерывное обновление тканей, рост и размножение.

В обмене веществ выделяют:

• внешний обмен - включает внеклеточное превращение веществ на путях их поступления в организм и выведения продуктов метаболизма из него [показать] .

  Поступление веществ в организм и выделение продуктов метаболизма в совокупности составляет обмен веществами между средой и организмом, и определяется как внешний обмен.

  Внешний обмен веществами (и энергией) осуществляется постоянно.

  В организм человека из внешней среды поступает кислород, вода, минеральные соли, питательные вещества, витамины, необходимые для построения и обновления структурных элементов клеток и тканей, и образования энергии. Все эти вещества можно назвать продуктами питания, одни из которых имеют биологическое происхождение (растительные и животные продукты) и меньшая часть небиологическое (вода и растворенные в ней минеральные соли).

  Поступающие с пищей питательные вещества подвергаются распаду с образованием аминокислот, моносахаридов, жирных кислот, нуклеотидов и других веществ, которые смешиваясь с такими же вещствами, образующимися в процессе непрерывного распада структурно-функциональных компонентов клетки, составляют общий фонд метаболитов организма. Этот фонд расходуется по двум направлениям: часть используется для возобновления распавшихся структурно-функциональных компонентов клетки; другая часть превращается в конечные продукты обмена веществ, которые выводятся из организма.

  При распаде веществ до конечных продуктов обмена освобождается энергия, у взрослого человека 8 000-12 000 кДж (2000-3000 ккал) в сутки. Эта энергия используется клетками организма для совершения разного рода работы, а также для поддержания температуры тела на постоянном уровне.

• промежуточный обмен - включает превращение веществ внутри биологических клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов (например, метаболизм аминокислот,метаболизм углеводов и т.д.)

Этапы обмена веществ . Выделяют три последовательных этапа.

Подробнее о

• поступлении (Питание - составная часть обмена веществ (поступление веществ из среды в организм))
• переваривании (Биохимия пищеварения (переваривание питательных веществ))
• всасывании (Биохимия пищеварения (всасывание питательных веществ))

II. Перемещения и превращения веществ в организме (промежуточный обмен)

Промежуточный обмен (или метаболизм) - превращение веществ в организме с момента поступления их в клетки до образования конечных продуктов обмена, т. е. совокупность химических реакций, протекающих в живых клетках и обеспечивающих организм веществами и энергией для его жизнедеятельности, роста, размножения. Это наиболее сложная часть обмена веществ.

Попав внутрь клетки, питательное вещество метаболизируется - претерпевает ряд химических изменений, катализируемых ферментами. Определенная последовательность таких химических изменений называется метаболическим путем, а образующиеся промежуточные продукты - метаболитами. Метаболические пути могут быть представлены в форме карты метаболизма.

Метаболизм питательных веществ
Углеводов	Липидов	Белков
Катаболические пути углеводов Гликолиз Гликогенолиз Это вспомогательные пути образования энергии из глюкозы (или других моносахаридов) и гликогена при распаде их до лактата (в анаэробных условиях) или до СО 2 и Н 2 О (в аэробных условяих). Пентозофосфатный путь (гексозомонофосфатный или фосфоглюконатный шунт). По имени ученых, сыгравших основную роль в его описании, пентозофосфатный цикл называют циклом Варбурга-Диккенса-Хорекера-Энгельгарда. Этот цикл является ответвлением (или шунтом) гликолиза на стадии глюкозо-6-фосфата. Анаболические пути углеводов Глюконеогенез (новообразование глюкозы). Возможен во всех тканях организма, главное место - печень. Гликогеногенез (биосинтез гликогена). Происходит во всех тканях организма (может быть исключение составляют эритроциты), особенно активно протекает в скелетных мышцах и печени.	Катаболический путь липидов Внутриклеточный гидролиз липидов (тканевой липолиз) с образованием глицерина и свободной жирной кислоты Окисление глицерина Окисление жирных кислот в цикле Кноопа-Линена Анаболический путь липидов Синтез жирных кислот (насыщенных и ненасыщенных). В тканях млекопитающих возможно только образование моноеновых жирных кислот (из стеариновой - олеиновая, из пальмитиновой - пальмитоолеиновая). Этот синтез происходит в эндоплазматической сети клеток печени с помощью монооксигенной цепи окисления. Остальные ненасыщенные жирные кислоты в организме человека не образуются и должны поступать с растительной пищей (в растениях образуются полиненасыщенные жирные кислоты). Полиненасыщенные жирные кислоты являются для млекопитающих незаменимыми факторами пищи. Синтез триацилглицеринов. Происходит при депонировании липидов в жировой ткани или в других тканях организма. Процесс локализуется в гиалоплазме клеток. Синтезируемый триацилглицерин накапливается в виде жировых включений в цитоплазме клеток.	Катаболический путь белков Внутриклеточный гидролиз белков Окисление до конечных продуктов (мочевина, вода, углекислый газ). Путь служит для извлечения энергии при распаде аминокислот. Анаболический путь аминокислот Синтез белков и пептидов - основной путь потребления аминокислот Синтез небелковых азотсодержащих соединений - пуринов, пиримидинов, порфиринов, холина, креатина, меланина, некоторых витаминов, коферментов (никотинамид, фолиевая кислота, кофермент А), тканевых регуляторов (гистамин, серотонин), медиаторов (адреналин, норадреналин, ацетилхолин) Синтез углеводов (глюконеогенез) с использованием углеродных скелетов аминокислот Синтез липидов с использованием ацетильных остатков углеродных скелетов аминокислот
Синтез фосфолипидов. Протекает в гиалоплазме тканей, связан с обновлением мембран. Синтезированные фосфолипиды переносятся с помощью липидпереносящих белков цитоплазмы к мембранам (клеточным, внутриклеточным) и встраиваются на мсто старых молекул. Вследствие конкуренции между путями синтеза фосфолипидов и триацилглицеринов за общие субстраты все вещества, способствующие синтезу фосфолипидов, препятствуют отложению триацилглицеринов в тканях. Эти вещества называют липотропными факторами. К ним можно отнести структурыне компопненты фосфолипидов: холин, инозит,серин; вещество, облегчающее декарбоксилирование серинфосфатидов - пиридоксальфосфат; донор метильных групп - метионин; фолиевую кислоту и цианокобаламин, участвующих в образовании коферментов переноса метильных групп (ТГФК и метилкобаламин). Их можно использовать как лекарственные препараты, препятствующие избыточному отложению триацилглицерина в тканях (жировая инфильтрация). Синтез кетоновых тел. Происходит в митохондриях печени (в других органах кетогенез отсутствует). Существует два пути: гидроксиметилглутаратный цикл (наиболее активный) и деацилазный цикл (малоактивный). Синтез холестерина. Наиболее активен в печени взрослого человека. Печень участвует в распределении холестерина по другим органам и в выделении холестерина с желчью. Холестерин используется на построение биомембран в клетках, а также для образования желчных кислот (в печени), стероидных гормонов (в коре надпочечников, женских и мужских половых железах, плаценте), витамина D 3 , или холекальциферола (в коже).

Таблица 24. Суточный обмен человека (округленные величины; взрослый человек с массой тела около 70 кг)
Вещества	Содержание в организме, г	Суточное потребление, г	Суточное выделение
O 2	-	850	-
CO 2	-	-	1000
Вода	42 000	2200	2600
Органические вещества:
белки	15 000	80	-
липиды	10 000	100	-
углеводы	700	400	-
нуклеиновые кислоты	700	-	-
мочевина	-	-	30
Минеральные соли	3 500	20	20
Всего	71 900	3650	3650

В результате метаболической деятельности во всех частях организма образуются вредные вещества которые поступают в кровь, и которые необходимо удалить. Эту функцию выполняют почки, отделяющие вредные вещества и направляющие их в мочевой пузырь, откуда затем они выводятся из организма. В процессе метаболизма принимает участие и другие органы: печень, поджелудочная железа, желчный пузырь, кишечник, потовые железы.

Человек выделяет с мочой, калом, потом, выдыхаемым воздухом главные конечные продукты обмена веществ - СО 2 , Н 2 О, мочевину H 2 N - СО - NH 2 . В форме Н 2 О выводится водород органических веществ, причем организм выделяет воды больше, чем потребляет (см. табл. 24): примерно 400 г воды образуется за сутки в организме из водорода органических веществ и кислорода вдыхаемого воздуха (метаболическая вода). В форме СО 2 выводятся углерод и кислород органических веществ, а в форме мочевины - азот.

Кроме того человек выделяет и много и других веществ, но в незначительных количествах, так что их вклад в общий баланс обмена веществами между организмом и средой невелик. Однако надо отметить, что физиологическое значение выделения таких веществ может быть существенным. Например, нарушение выделения продуктов распада гема или продуктов метаболизма чужеродных соединений, в том числе лекарств, может быть причиной тяжелых нарушений обмена веществ и функций организма.

Субстраты метаболизма - химические соединения, поступающие с пищей. Среди них можно выделить две группы: основные пищевые вещества (углеводы, белки, липиды) и минорные, поступающие в малых количествах (витамины, минеральные соединения).

Принято различать среди пищевых веществ заменимые и незаменимые. Незаменимыми называют те пищевые вещества, которые не могут синтезироваться в организме и, следовательно, должны обязательно поступать с пищей.

Метаболический путь - это характер и последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образующиеся в процессе превращения, называют метаболиты, а последнее соединение метаболического пути - конечный продукт.

Химиические превращения протекают в организме непрерывно. В результате питания организма исходные вещества подвергаются метаболическим превращениям; из организма постоянно выводятся конечные продукты метаболизма. Таким образом, организм представляет собой термодинамически открытую химическую систему. Простейший пример метаболической системы - отдельная неразветвленная метаболическая цепь:

--> a --> b --> c --> d -->

При постоянном потоке веществ в такой системе устанавливается динамическое равновесие, когда скорость образования каждого метаболита равна скорости его расходования. Это значит, что концентрация каждого метаболита сохраняется постоянной. Такое состояние системы называют стационарным, а концентрации веществ в этом состоянии - стационарными концентрациями.

Живой организм в каждый данный момент не отвечает приведенному определению стационарного состояния. Однако, рассматривая среднее значение его параметров за сравнительно большой промежуток времени, можно отметить их относительное постоянство и тем самым оправдать приложение понятия стационарная система к живым организмам [показать] .

На рис. 64 представлена гидродинамическая модель неразветвленной метаболической цепи. В этом приборе высота столба жидкости в цилиндрах моделирует концентрации метаболитов a-d соответственно, а пропускная способность соединительных трубок между цилиндрами моделирует скорость соответствующих ферментативных реакций.

При постоянной скорости поступления жидкости в систему высота столба жидкости во всех цилиндрах остается постоянной: это стационарное состояние.

Если скорость поступления жидкости увеличится, то увеличатся и высота столба жидкости во всех цилиндрах, и скорость протекания жидкости через всю систему: система перешла в новое стационарное состояние. Аналогичные переходы происходят и в метаболических процессах в живой клетке.

Регуляция концентрации метаболитов

Обычно в метаболической цепи есть реакция, протекающая значительно медленнее, чем все другие реакции, - это лимитирующая стадия пути. На рисунке такую стадию моделирует узкая соединительная трубка между первым и вторым цилиндрами. Лимитирующая стадия определяет общую скорость превращения исходного вещества в конечный продукт метаболической цепи. Часто фермент, катализирующий лимитирующую реакцию, является регуляторным ферментом: его активность может изменяться при действии клеточных ингибиторов и активаторов. Таким путем обеспечивается регуляция метаболического пути. На рис. 64 переходная трубка с заслонкой между первым и вторым цилиндрами моделирует регуляторный фермент: поднимая или опуская заслонку, можно переводить систему в новое стационарное состояние, с другой общей скоростью протекания жидкости и другими уровнями жидкости в цилиндрах.

В разветвленных метаболических системах регуляторные ферменты обычно катализируют первые реакции в месте разветвления, например реакции b --> c и b --> i на рис. 65. Этим обеспечивается возможность независимой регуляции каждой ветви метаболической системы.

Многие реакции метаболизма обратимы; направление их протекания в живой клетке определяется расходованием продукта в последующей реакции или удалением продукта из сферы реакции, например путем экскреции (рис. 65).

При изменениях состояния организма (прием пищи, переход от покоя к двигательной активности и др.) концентрация метаболитов в организме изменяется, т. е. устанавливается новое стационарное состояние. Однако в одинаковых условиях, например после ночного сна (до завтрака), они примерно одинаковы у всех здоровых людей; за счет действия регуляторных механизмов концентрация каждого метаболита поддерживается на характерном для него уровне. Средние значения этих концентраций (с указанием пределов колебаний) служат одной из характеристик нормы. При болезнях стационарные концентрации метаболитов изменяются, причем эти изменения часто бывают специфичными для той или иной болезни. На этом основаны многие биохимические методы лабораторной диагностики болезней.

Различают два направления в метаболическом пути - анаболизм и катаболизм (рис. 1).

• Анаболические реакции направлены на превращение более простых веществ в более сложные, образующие структурно-функциональные компоненты клетки, такие, как коферменты, гормоны, белки, нуклеиновые кислоты и др. Эти реакции преимущественно восстановительные, сопровождаются затратой свободной химической энергии (эндергонические реакции). Источником энергии для них служит процесс катаболизма. Кроме того, энергия катаболизма используется для обеспечения функциональной активности клетки (двигательной и других).
• Катаболические превращения - процессы расщепления сложных молекул, как поступивших с пищей, так и входящих в состав клетки, - до простых компонентов (диоксида углерода и воды); эти реакции обычно окислительные, сопровождаются выделением свободной энергии (экзергонические реакции).

Амфиболический путь (двойственный) - путь, в ходе которого сочетаются катаболические и анаболические превращения т.е. наряду с разрушением какого-либо соединения происходит синтез другого.

Амфиболические пути связаны с терминальной, или окончательной, системой окисления веществ, где они сгорают до конечных продуктов (СO 2 и Н 2 O) с образованием большого количества энергии. Кроме них конечными продуктами метаболизма являются мочевина и мочевая кислота, образующиеся в специальных реакциях обмена аминокислот и нуклеотидов. Схематически связь метаболизма через систему АТФ-АДФ и амфиболический цикл метаболитов показан на рис. 2.

Система АТФ-AДФ (АТФ-AДФ цикл) - цикл, в котором происходит непрерывное образование молекул АТФ, энергия гидролиза которых используется организмом в различных видах работ.

Это такой метаболический путь, один из конечных продуктов которого идентичен одному из соединений, вовлеченных в этот процесс (рис. 3).

Анаплеротический путь - метаболический, конечный продукт которого идентичен одному из промежуточных продуктов какого-либо циклического пути. Анаплеротический путь в примере рис. 3 пополняет цикл продуктом X (анаплероз - пополнение).

Воспользуемся таким примером. В городе курсируют автобусы марок X, Y, Z. Их маршруты показаны на схеме (рис. 4).

На основе этого примера определим следующее.

• Частный путь метаболизма - это совокупность превращений, свойственная только определенному соединению (например, углеводам, липидам или аминокислотам).
• Общий путь метаболизма - совокупность превращений, в которые вовлекаются два и более видов соединений (например, углеводы и липиды или углеводы, липиды и аминокислоты).

Локализация метаболических путей

Катаболические и анаболические пути у эукариотических особей отличаются по своей локализации в клетке (таб.22.).

Такое деление обусловлено приуроченностью ферментных систем к определенным участкам клетки (компартментализация), которая обеспечивает как сегрегацию, так и интеграцию внутриклеточных функций, а также соответствующий контроль.

В настоящее время благодаря электронно-микроскопическим и гистохимическим исследованиям, а также методу дифференциального центрифугирования достигнуты значительные успехи в определении внутриклеточной локализации ферментов. Как видно из рис. 74, в клетке можно обнаружить клеточную, или плазменную, мембрану, ядро, митохондрии, лизосомы, рибосомы, систему канальцев и пузырьков - эндоплазматический ретикулум, пластинчатый комплекс, различные вакуоли, внутриклеточные включения и др. Главную по массе недифференцированную часть цитоплазмы клетки составляет гиалоплазма (или цитозоль).

Установлено, что в ядре (точнее, в ядрышке) локализованы РНК-полимеразы, т. е. ферменты, катализирующие, образование мРНК. В ядре содержатся ферменты, участвующие в процессе репликации ДНК, и некоторые другие (табл. 23).

Таблица 23. Локализация некоторых ферментов внутри клетки
Цитозоль	Ферменты гликолиза Ферменты пентозного пути Ферменты активации аминокислот Ферменты синтеза жирных кислот Фосфорилаза Гликогенсинтаза
Митохондрии	Пируватдегидрогеназный комплекс Ферменты цикла Кребса Ферменты цикла окисления жирных кислот Ферменты биологического окисления и окислительного фосфорилирования
Лизосомы	Кислые гидролазы
Микросомальная фракция	Рибосомальные ферменты белкового синтеза Ферменты синтеза фосфолипидов, триглицеридов, а также ряд ферментов, принимающих участие в синтезе холестерина Гидроксилазы
Плазматическая мембрана	Аденилатциклаза, Na+-K+-зависимая АТФ-аза
Ядро	Ферменты, участвующие в процессе репликации ДНК РНК-полимераза НАД-синтетаза

Связь ферментов со структурами клетки:

• Митохондрии. С митохондриями связаны ферменты цепи биологического окисления (тканевого дыхания) и окислительного фосфорилирования, а также ферменты пируватдегидрогеназного комплекса, цикла трикарбоновых кислот, синтеза мочевины, окисления жирных кислот и др.
• Лизосомы. В лизосомах содержатся в основном гидролитические ферменты с оптимумом pH в области 5. Именно из-за гидролитической принадлежности ферментов эти частицы названы лизосомами.
• Рибосомы. В рибосомах локализованы ферменты белкового синтеза, в этих частицах происходят транслирование мРНК и связывание аминокислот в полипептидные цепи с образованием молекул белка.
• Эндоплазматический ретикулум. В эндоплазматической сети сосредоточены ферменты синтеза липидов, а также ферменты, участвующие в реакциях гидроксилирования.
• Плазматическая мембрана. С плазматической мембраной прежде всего связаны АТФ-аза, транспортирующая Na + и К + , аденилатциклаза и ряд других ферментов.
• Цитозоль. В цитозоле (гиалоплазме) локализованы ферменты гликолиза, пентозного цикла, синтеза жирных кислот и мононуклеотидов, активирования аминокислот, а также многие ферменты глюконеогенеза.

В табл. 23 суммированы данные о локализации важнейших ферментов и отдельных метаболических стадий в различных субклеточных структурах.

Мультиферментные системы локализуются в структуре органелл таким образом, что каждый фермент располагается в непосредственной близости от следующего фермента данной последовательности реакций. Благодаря этому сокращается время, необходимое для диффузии промежуточных продуктов реакций, и вся последовательность реакций оказывается строго координированной во времени и пространстве. Это справедливо, например, для ферментов, участвующих в окислении пировиноградной кислоты и жирных кислот, в синтезе белка, а также для ферментов переноса электронов и окислительного фосфорилирования.

Компартментализация обеспечивает кроме того протекание в одно и то же время химически несовместимых реакций, т.е. самостоятельность путей катаболизма и анаболизма. Так, в клетке одновременно может происходить окисление жирных кислот с длинной цепью до стадии ацетил-КоА и противоположно направленный процесс - синтез жирных кислот из ацетил-КоА. Эти химически несовместимые процессы протекают в разных частях клетки: окисление жирных кислот - в митохондриях, а их синтез вне митохондрий - в гиалоплазме. Если бы эти пути совпадали и различались лишь направлением процесса, то в обмене возникли бы так называемые бесполезные, или футильные, циклы. Такие циклы имеют место при патологии, когда возможен бесполезный круговорот метаболитов.

Выяснение отдельных звеньев метаболизма у разных классов растений, животных и микроорганизмов обнаруживает принципиальную общность путей биохимических превращений в живой природе.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ РЕГУЛЯЦИИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Регуляция метаболизма на клеточном и субклеточном уровнях осуществляется

1. путем регуляции синтеза и каталитической активности ферментов.

   К таким регуляторным механизмам относятся

   • подавление синтеза ферментов конечным продуктов метаболического пути,
   • индукция синтеза одного или более ферментов субстратами,
   • модуляция активности уже присутствующих молекул ферментов,
   • регуляция скорости поступления метаболитов в клетку. Здесь ведущая роль за биологическими мембранами, окружaющими протоплазму и находящиеся в ней ядро, митохондрии, лизосомы и другие субклеточные органеллы.
2. путем регуляции синтеза и активности гормонов. Так, на белковый обмен оказывает влияние гормон щитовидной железы - тироксин, на жировой - гормоны поджелудочной и щитовидной желез, надпочечников и гипофиза, на углеводный - гормоны поджелудочной железы (инсулин) и надпочечников (адреналин). Особая роль в механизме действия гормонов принадлежит циклическим нуклеотидам (цАМФ и цГМФ).

   У животных и человека гормональная регуляция обмена веществ тесно связана с координирующей деятельностью нервной системы. Примером влияния нервной системы на углеводный обмен является так называемый сахарный укол Клода Бернара, который приводит к гипергликемии и глюкозурии.

3. Важнейшая роль в процессах интеграции обмена веществ принадлежит коре головного мозга. Как указывал И П. Павлов: "Чем совершеннее нервная система животного организма, тем она централизованнее, тем высший ее отдел является все в большей и большей степени распорядителем и распределителем всей деятельности организма... Этот высший отдел содержит в своем ведении все явления, происходящие в теле".

Таким образом, особое сочетание, строгая согласованность и темп протекания реакций обмена веществ в совокупности образуют систему, обнаруживающую свойства механизма обратной связи (положительной или отрицательной).

МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОГО ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Для изучения обмена веществ применяют два подхода:

• исследования на целом организме (эксперименты in vivo) [показать]

  Классический пример исследований на целом организме, проведенных еще в начале нашего века, составляют эксперименты Кноопа. Он изучал способ распада жирных кислот в организме. Для этого Кнооп скармливал собакам различные жирные кислоты с четным (I) и нечетным (II) числом атомов углерода, в которых один атом водорода в метильной группе был замещен на фенильный радикал С 6 Н 5:

  В первом случае с мочой собак всегда выводилась фенилуксусная кислота С 6 Н 5 -СН 2 -СООН, а во втором - бензойная кислота С 6 Н 5 -СООН. На основании этих результатов Кнооп сделал вывод, что распад жирных кислот в организме происходит путем последовательного отщепления двууглеродных фрагментов, начиная с карбоксильного конца:

  СН 3 -СН 2 -|-СН 2 -CH 2 -|-CH 2 -СН 2 -|-СН 2 -СН 2 -|-СН 2 - СООН

  Позднее этот вывод был подтвержден другими методами.

  По существу в этих исследованиях Кнооп применил метод мечения молекул: он использовал в качестве метки фенильный радикал, не подвергающийся изменениям в организме. Начиная примерно с 40-х годов XX в. получило распространение применение веществ, молекулы которых содержат радиоактивные или тяжелые изотопы элементов. Например, скармливая экспериментальным животным разные соединения, содержащие радиоактивный углерод (14 С), установили, что все атомы углерода в молекуле холестерина происходят из углеродных атомов ацетата:

  

  Обычно используются либо стабильные изотопы элементов, отличающиеся по массе от широко распространенных в организме элементов (обычно тяжелые изотопы), либо радиоактивные изотопы. Из стабильных изотопов чаще используют изотопы водорода с массой 2 (дейтерий, 2 Н), азот с массой 15 (15 N), углерод с массой 13 (13 С) и кислород с массой 18 (18 C). Из радиоактивных изотопов применяются изотопы водорода (тритий, 3 Н), фосфора (32 Р и 33 Р), углерода (14 С), серы (35 S), йода (131 I), железа (59 Fe), натрия (54 Na) и др.

  Пометив при помощи стабильного или радиоактивного изотопа молекулу исследуемого соединения и введя его в организм, определяют затем меченые атомы или содержащие их химические группы и, открыв их в определенных соединениях, делают заключение о путях превращения меченого вещества а организме. С помощью изотопной метки можно также установить время пребывания вещества в организме, которое с известным приближением характеризует биологический период полураспада, т. е. время, за которое количество изотопа или меченого соединения уменьшается вдвое, или получить точные сведения относительно проницаемости мембран отдельных клеток. Изотопы применяются также, чтобы установить, является ли данное вещество предшественником или продуктом распада другого соединения, а также определить скорость обновления тканей. Наконец, при существовании нескольких путей обмена веществ можно определить, какой из них превалирует.

  В исследованиях на целых организмах изучают и потребности организма в пищевых веществах: если устранение из рациона какого-либо вещества приводит к нарушению роста и развития или физиологических функций организма, значит, это вещество является незаменимым пищевым фактором. Сходным образом определяются и необходимые количества пищевых веществ.

• и исследования на изолированных частях организма - аналитически-дезинтегрирующие методы (эксперименты in vitro, т. е. вне организма, в пробирке или других лабораторных сосудах). Принцип этих методов состоит в поэтапном упрощении, а точнее дезинтеграции, сложной биологической системы с целью изолирования отдельных процессов. Если рассматривать эти методы в нисходящей последовательности, т. е. от более сложных к более простым системам, то их можно расположить в следующем порядке:
  • удаление отдельных органов [показать]

    При удалении органов имеются два объекта исследования: организм без удаленного органа и изолированный орган.

    Изолированные органы. Если в артерию изолированного органа вводить раствор какого-либо вещества и анализировать вещества в жидкости, вытекающей из вены, то можно установить, каким превращениям подвергается это вещество в органе. Например, таким путем было найдено, что печень служит главным местом образования кетоновых тел и мочевины.

    Сходные опыты можно проводить на органах без их выделения из организма (метод артерио-венозной разницы): в этих случаях кровь для анализа отбирают с помощью канюль, вставленных в артерию и вену органа, или с помощью шприца. Таким путем, например, можно установить, что в крови, оттекающей от работающих мышц, увеличена концентрация молочной кислоты, а протекая через печень, кровь освобождается от молочной кислоты.

  • метод тканевых срезов [показать]

    Срезы - это тонкие кусочки тканей, которые изготовляются с помощью микротома или просто бритвенного лезвия. Срезы инкубируют в растворе, содержащем питательные вещества (глюкозу или другие) и вещество, превращения которого в клетках данного типа хотят выяснить. После инкубации анализируют продукты метаболизма исследуемого вещества в инкубационной жидкости.

    Метод тканевых срезов впервые был предложен Варбургом в начале 20-х годов. C помощью такой методики можно изучать тканевое дыхание (потребление кислорода и выделение углекислоты тканями). Существенным ограничением в изучении метаболизма в случае применения тканевых срезов являются клеточные мембраны, которые - чаще действуют как барьеры между содержимым клетки и "питательным" раствором.

  • гомогенаты и субклеточные фракции [показать]

    

    Гомогенаты - это бесклеточные препараты. Их получают путем разрушения клеточных мембран растиранием ткани с песком или в специальных приборах - гомогенизаторах (рис. 66). В гомогенатах нет барьера непроницаемости между добавляемыми субстратами и ферментами.

    Разрушение клеточных мембран делает возможным непосредственный контакт между содержимым клетки и добавленными соединениями. Это дает возможность установить, какие ферменты, коферменты и субстраты имеют значение для исследуемого процесса.

    Фракционирование гомогенатов. Из гомогената можно выделить субклеточные частицы как надмолекулярные (клеточные органеллы), так и отдельные соединения (ферменты и другие белки, нуклеиновые кислоты, метаболиты). Например, с помощью дифференциального центрифугирования можно получить фракции ядер, митохондрий, микросом (микросомы - это фрагменты эндоплазматического ретикулума). Эти органеллы различаются размерами и плотностью и поэтому осаждаются при разных скоростях центрифугирования. Использование изолированных органелл позволяет изучать процессы обмена веществ, связанных с ними. Например, для изучения путей и механизмов синтеза белка используются изолированные рибосомы, а для исследования окислительных реакций цикла Кребса или цепи дыхательных ферментов служат митохондрии.

    После осаждения микросом в надосадочной жидкости остаются растворимые компоненты клетки - растворимые белки, метаболиты. Каждую из этих фракций можно разными методами фракционировать дальше, выделяя составляющие их компоненты. Из выделенных компонентов можно реконструировать биохимические системы, например простую систему "фермент + субстрат" и такие сложные, как системы синтеза белков и нуклеиновых кислот.

  • частичная или полная реконструкция ферментной системы in vitro с использованием ферментов, коферментов и других компонентов реакции [показать]

    Использование с целью интеграции высоко очищенных ферментов и коферментов . Например, с помощью данного метода стало возможным полностью воспроизвести систему брожения, которая имеет все существенные признаки брожения дрожжей.

Разумеется, эти методы имеют ценность только как этап, необходимый для решения конечной цели - понимания функционирования целого организма.

ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕНИЯ БИОХИМИИ ЧЕЛОВЕКА

В молекулярных процессах разных организмов, населяющих Землю, имеется далеко идущее сходство. Такие фундаментальные процессы, как матричные биосинтезы, механизмы трансформации энергии, основные пути метаболических превращений веществ примерно одинаковы у организмов от бактерий до высших животных. Поэтому многие результаты исследований, проведенных с кишечной палочкой, оказываются применимыми и к человеку. Чем больше филогенетическое родство видов, тем больше общего в их молекулярных процессах.

Подавляющую часть знаний о биохимии человека получают таким путем: исходя из известных биохимических процессов у других животных, строят гипотезу о наиболее вероятном варианте данного процесса в организме человека, а затем проверяют гипотезу прямыми исследованиями клеток и тканей человека. Такой подход позволяет проводить исследования на небольшом количестве биологического материала, получаемого от человека. Чаще всего используют ткани, удаляемые при хирургических операциях, клетки крови (эритроциты и лейкоциты), а также клетки тканей человека, выращиваемые в культуре in vitro.

Изучение наследственных болезней человека, необходимое для разработки эффективных методов их лечения, одновременно дает много информации о биохимических процессах в организме человека. В частности, врожденный дефект фермента приводит к тому, что в организме накапливается его субстрат; при изучении таких нарушений обмена иногда открывают новые ферменты и реакции, количественно незначительные (поэтому они и не были замечены при изучении нормы), которые имеют, однако, витальное значение.

В клетке постоянно происходит большое количество разнообразных химических реакций, которые формируют метаболические пути - последовательное превращение одних соединений в другие. Метаболизм - совокупность всех метаболических путей, протекающих в клетках организма.

Среди всех метаболических путей, протекающих в организме, выделяют противоположно направленные процессы: катаболизм и анаболизм. Катаболизм - распад сложных веществ до простых с высвобождением энергии.

Анаболизм - синтез из простых более сложных веществ. Метаболические пути согласованы между собой по месту, времени и интенсивности протекания. Эта согласованность протекания всех процессов обеспечивается сложными и многообразными механизмами регуляции.

Организация химических реакций в метаболические пути

Оптимальная активность ферментов, катализирующих реакции одного метаболического пути, достигается благодаря определённой пространственной организации в клетке.

1. Пространственная локализация ферментов

Большинство ферментов имеет внутриклеточную локализацию и распределены в организме неравномерно. Все ферменты одного метаболического пути, как правило, находятся в одном отделе клетки. Особенно разделение метаболических путей важно для противоположно направленных катаболических и анаболических процессов. Например, синтез жирных кислот происходит в цитоплазме, а их распад в митохондриях. Если бы такого разделения не существовало, образовывались бы бесполезные с функциональной и энергетической точки зрения пути.

В метаболических путях продукт первой ферментативной реакции служит субстратом второй и так далее до формирования конечного продукта. Промежуточные продукты метаболического пути могут высвобождаться из последовательности реакций и использоваться в других метаболических путях, т.е. метаболические пути связаны между собой промежуточными продуктами.

В ряде случаев пространственная организация ферментов настолько сильно выражена, что продукт реакции ни при каких условиях не может быть вычленен из метаболического пути и обязательно служит субстратом следующей реакции. Такая организация метаболического пути носит название мультиферментного комплекса и возникает в результате структурно-функциональной организации ферментов. Обычно такие комплексы связаны с мембранами. В качестве примеров мультиферментных комплексов можно привести пируватдегидрогеназный комплекс, под действием которого происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты (пирувата) (см. раздел 6), синтазу жирных кислот, катализирующую синтез пальмитиновой кислоты (см. раздел 8).

1. Структура метаболических путей

Структура метаболических путей в клетке крайне разнообразна.

В случае, когда субстрат в результате ряда ферментативных процессов превращается в один продукт, такой путь носит название линейного метаболического пути . Часто встречаются разветвлённые метаболические пути, приводящие к синтезу различных конечных продуктов в зависимости от потребности клетки.

Ферментный состав различных клеток неодинаков. Ферменты, выполняющие функцию жизнеобеспечения клетки, находятся во всех клетках организма. В процессе дифференцировки клеток происходит изменение ферментного состава клеток. Так, фермент аргиназа, участвующий в синтезе мочевины, находится только в клетках печени, а кислая фосфатаза, участвующая в гидролизе моноэфиров ортофосфорной кислоты, - в клетках простаты. Это так называемые органоспецифичные ферменты .

Клетка - сложнофункциональная система, регулирующая своё жизнеобеспечение. Многообразие функций клетки обеспечивается пространственной и временной (в первую очередь, в зависимости от ритма питания) регуляцией определённых метаболических путей. Пространственная регуляция связана со строгой локализацией определённых ферментов в различных органеллах. Так, в ядре находятся ферменты, связанные с синтезом молекул ДНК и РНК, в цитоплазме - ферменты гликолиза, в лизосомах - гидролитические ферменты, в матриксе митохондрий - ферменты ЦТК, во внутренней мембране митохондрий - ферменты цепи переноса электронов и т.д.

Принципы регуляции метаболических путей

Все химические реакции в клетке протекают при участии ферментов. Поэтому, чтобы воздействовать на скорость протекания метаболического пути, достаточно регулировать количество или активность ферментов. Обычно в метаболических путях есть ключевые ферменты, благодаря которым происходит регуляция скорости всего пути. Эти ферменты (один или несколько в метаболическом пути) называются регуляторными ферментами; они катализируют, как правило, начальные реакции метаболического пути, необратимые реакции, скорость-лимитирующие реакции (самые медленные) или реакции в месте переключения метаболического пути (точки ветвления).

Регуляция скорости ферментативных реакций осуществляется на 3 независимых уровнях:

• изменением количества молекул фермента;
• доступностью молекул субстрата и кофермента;
• изменением каталитической активности молекулы фермента.

1. Регуляция количества молекул фермента
   в клетке.

Известно, что белки в клетке постоянно обновляются. Количество молекул фермента в клетке определяется соотношением 2 процессов - синтеза и распада белковой молекулы фермента:

Синтез и фолдинг белка - многостадийный процесс. Регуляция синтеза белка может происходить на любой стадии формирования белковой молекулы. Наиболее изучен механизм регуляции синтеза белковой молекулы на уровне транскрипции, который осуществляется определёнными метаболитами, гормонами и рядом биологически активных молекул.

Что касается распада ферментов, то регуляция этого процесса менее изучена. Можно только предполагать, что это не просто процесс протеолиза (разрушения белковой молекулы), а сложный механизм, возможно, определяемый на генетическом уровне.

1. Регуляция скорости ферментативной
   реакции доступностью молекул субстрата
   и коферментов.

Важный параметр, контролирующий протекание метаболического пути, - наличие субстратов, и главным образом - наличие первого субстрата. Чем больше концентрация исходного субстрата, тем выше скорость метаболического пути.

Другой параметр, лимитирующий протекание метаболического пути, - наличие регенерированных коферментов. Например, в реакциях дегидрирования коферментом дегидрогеназ служат окисленные формы NAD+, FAD, FMN, которые восстанавливаются в ходе реакции. Чтобы коферменты вновь участвовали в реакции, необходима их регенерация, т.е. превращение в окисленную форму.

1. Регуляция каталитической активности
   ферментов

Важнейшее значение в изменении скорости метаболических путей играет регуляция каталитической активности одного или нескольких ключевых ферментов данного метаболического пути. Это высокоэффективный и быстрый способ регуляции метаболизма.

Основные способы регуляции активности ферментов:

• аллостерическая регуляция;
• регуляция с помощью белок-белковых взаимодействий;
• регуляция путём фосфорилирования/дефосфорилирования молекулы фермента;
• регуляция частичным (ограниченным) протеолизом.

Аллостерическая регуляция . Аллостерическими ферментами называют ферменты, активность которых регулируется не только количеством молекул субстрата, но и другими веществами, называемыми эффекторами. Участвующие в аллостерической регуляции эффекторы - клеточные метаболиты часто именно того пути, регуляцию которого они осуществляют.

В регуляции метаболических путей участвуют механизмы трех типов. Первый из них, наиболее быстро реагирующий на любое изменение ситуации, связан с действием аллостерических ферментов (рис. 13-15), каталитическая активность которых может меняться под влиянием особых веществ, оказывающих стимулирующее или тормозящее действие (их называют эффекторами или модуляторами; разд. 9.18).

Как правило, аллостерические ферменты занимают место в начале или поблизости от начала данной мультиферментной последовательности и катализируют ту ее стадию, которая лимитирует скорость всего процесса в целом; обычно роль такой стадии играет практически необратимая реакция.

Рис. 13-15. Регуляция катаболического пути по типу обратной связи, т. е. за счет ингибирования аллостерического фермента конечным продуктом данного процесса. Буквами J, К, L и т. д. обозначены промежуточные продукты данного метаболического пути, а буквами Е1, Е2, Е3 и т. д. ферменты, катализирующие отдельные стадии. Первая стадия катализируется аллостерическим ферментом (ЕД который ингибируется конечным продуктом данной последовательности реакций. Аллостерическое ингибирование показано прерывистой красной стрелкой, которая соединяет ингибирующий метаболит с реакцией, катализируемой аллостерическим ферментом. Регулируемая стадия (катализируемая ферментом EJ в условиях клетки обычно представляет собой практически необратимую реакцию.

В катаболических процессах, сопровождающихся синтезом АТР из ADP, в роли аллостерического ингибитора одной из ранних стадий катаболизма часто выступает именно этот конечный продукт-АТР. Аллостерическим ингибитором одной из ранних стадий анаболизма нередко служит конечный продукт биосинтеза, например какая-нибудь аминокислота (разд. 9.18). Активность некоторых аллостерических ферментов стимулируется специфическими положительными модуляторами. Аллостерический фермент, регулирующий одну из катаболических последовательностей реакций, может, например, подчиняться стимулирующему влиянию положительных модуляторов-ADP или АМР и ингибирующему действию отрицательного модулятора-АТР. Известны также случаи, когда аллостерический фермент какого-нибудь метаболического пути специфическим образом реагирует на промежуточные или конечные продукты других метаболических путей. Благодаря этому оказывается возможной координация скорости действия различных ферментных систем.

Второй тип механизмов, регулирующих метаболизм у высших организмов, - это гормональная регуляция (рис. 13-16). Гормонами называют особые химические вещества (химические «посредники»), вырабатываемые различными эндокринными железами и выделяемые непосредственно в кровь; они переносятся кровью к другим тканям или органам и здесь стимулируют или тормозят определенные виды метаболической активности. Гормон адреналин, например, секретируется мозговым веществом надпочечника и переносится кровью в печень, где он стимулирует распад гликогена до глюкозы, что вызывает повышение уровня сахара в крови. Кроме того, адреналин стимулирует распад гликогена в скелетных мышцах; этот процесс приводит к образованию лактата и к запасанию энергии в форме АТР. Адреналин вызывает эти эффекты, присоединяясь к особым рецепторным участкам на поверхности мышечных клеток или клеток печени.

Связывание адреналина служит сигналом; этот сигнал передается во внутренние отделы клетки и вызывает здесь ковалентную модификацию, под влиянием которой гликогенфосфорилаза (первый фермент в системе, катализирующей превращение гликогена в глюкозу и другие продукты; разд. 9.22) переходит из менее активной формы в более активную (рис. 13-16).

Третий тип механизмов, регулирующих метаболизм, связан с изменением концентрации данного фермента в клетке. Концентрация всякого фермента в любой данный момент определяется соотношением скоростей его синтеза и распада. Скорость синтеза некоторых ферментов при определенных условиях резко возрастает; соответственно увеличивается и концентрация данного фермента в клетке. Если, например, животное получает рацион, богатый углеводами, но бедный белком, то в печени у него оказывается крайне низким содержание ферментов, катализирующих в обычных условиях распад аминокислот до ацетил-СоА. Поскольку при таком рационе эти ферменты практически не нужны, они и не вырабатываются в больших количествах. Стоит, однако, перевести животное на рацион, богатый белком, и уже через сутки в его печени заметно повысится содержание ферментов, которые потребуются теперь для расщепления перевариваемых аминокислот.

Рис. 13-16. Гормональная регуляция ферментативной реакции. В результате присоединения гормона адреналина к специфическим рецепторам, находящимся на поверхности клеток печени, образуется при участии связанного с мембраной фермента (аденилатциклазы) циклический аденилат. Последний функционирует как аллостерический активатор, или внутриклеточный посредник, под действием которого гликогенфосфорилаза переходит из неактивной формы в активную, что влечет за собой ускорение превращения гликогена печени в глюкозу крови. Подробно этот метаболический путь описан в гл. 25.

Рис. 13-17. Индукция ферментов. Высокая внутриклеточная концентрация субстрата А может стимулировать биосинтез ферментов Е1, Е2 и Е3. Содержание этих ферментов в клетке возрастает, и тем самым создается возможность для ускорения тех реакций, в результате которых избыток субстрата А удаляется. Избыток субстрата А служит, следовательно, для клеточного ядра сигналом, вынуждающим его «включить» гены, контролирующие образование ферментов El, Е2 и Е3. Включение генов означает синтез соответствующей матричной РНК; она поступает в рибосомы, и вследствие этого в них осуществляется синтез ферментов Е1, Е2 и Е3.

Клетки печени, следовательно, обладают способностью включать или выключать биосинтез специфичных ферментов в зависимости от природы поступающих в них питательных веществ. Это явление носит название индукции ферментов (рис. 13-17).

Раздел 2 1. Аллостерическая модуляция

При аллостерической модуляции регуляторный фермент имеет в своей структуре один или несколько аллостерических центров, способных высоко избирательно взаимодействовать с низкомолекулярными соединениями аллостерическими модуляторами. В результате этого взаимодействия изменяется конформация белка-фермента, в том числе несколько изменяется и структура активного центра, что сопровождается изменением эффективности катализа. Если каталитическая активность фермента при этом возрастает, мы имеем дело с аллостерической активацией; если же активность фермента падает, то речь идет об аллостерическом ингибировании. Связывание аллостерического модулятора с аллостерическим центром фермента идет за счет слабых взаимодействий, поэтому оно легко обратимо: при снижении концентрации модулятора в среде окружения комплекс фермент-модулятор диссоциирует и фермент восстанавливает свою исходную конформацию, а следовательно, и каталитическую активность.

В качестве аллостерических модуляторов в клетке выступают обычно промежуточные метаболиты или конечные продукты того или иного метаболического пути. Наиболее часто встречается вариант аллостерической регуляции, известный под названием ретроингибирования или ингибирования по принципу отрицательной обратной связи. В этом случае конечный продукт метаболического пути ингибирует по аллостерическому механизму активность регуляторного фермента, катализирующего одну из начальных реакций того же метаболического пути: Так регулируются в клетках, например, метаболические пути, отвечающие за синтез пуриновых или пиримидиновых нуклеотидов.

В качестве второго варианта аллостерической регуляции можно привести механизм активации предшественников. В этом случае один из промежуточных метаболитов, образующихся в начале метаболического пути, выступает в качестве аллостерического активатора того или иного фермента, катализирующего одну из конечных реакции того же самого метаболического пути:…. Примером может служить активация пируваткиназы фруктозо-1,6-бисфосфатом в метаболическом пути окислительного распада глюкозы.

Разумеется, совершенно не обязательно, чтобы в качестве аллостерического модулятора регуляторного фермента выступал промежуточный или конечный метаболит того же самого метаболического пути. Существует множество примеров сопряженной аллостерической модуляции, когда в качестве аллостерического модулятора выступает соединение, образующееся в другом метаболическом пути. Так, накопление в клетке АТФ, основное количество которой образуется в ходе окислительного фосфорилирования в цепи дыхательных ферментов, угнетает по аллостерическому механизму активность фосфоруктокиназы фермента гликолиза, угнетает активность глутаматдегидрогеназы фермента из системы трансдезаминирования, угнетает активность изоцитратдегидрогеназы фермента цикла Кребса. Следует лишь отметить, что между такими метаболическими путями можно проследить тот или иной уровень функциональной взаимосвязи. В приведенном ранее примере все три метаболических процесса связаны между собой тем, что их функционирование имеет прямое отношение к наработке в клетке АТФ, т.е. к обеспечению клетки доступной энергией.

2. Ковалентная модификация

Ковалентная модификация это механизм регуляции активности ферментов за счет присоединения с помощью ковалентной связи в регуляторном центре фермента атомной группировки или отщепления этой группировки. Присоединение к ферменту ковалентной связью дополнительной группировки приводит к изменению конформации белка-фермента, что сопровождается изменением структуры активного центра и изменением эффективности катализа. Отщепление этой группировки обеспечивает восстановление исходной конформации фермента, а следовательно, и возвращение к исходному уровню его каталитической активности. В качестве таких модифицирующих группировок могут выступать остатки адениловой кислоты, гликозильные остатки, но чаще всего встречается фосфорилирование присоединение остатков фосфорной кислоты. Поскольку в ходе ковалентной модификации происходит образование или расщепление ковалентной связи между ферментом и группировкой модулятором, для эффективной работы этого механизма требуется два дополнительных фермента: один фермент обеспечивает присоединение группировки-модулятора к регуляторному ферменту, второй фермент обеспечивает удаление этой группировки. По-видимому, эти дополнительные ферменты обеспечивают присоединение группировки-модулятора к строго определенному аминокислотному остатку полипептидной цепи регуляторного фермента, так же как и избирательное ее отщепление. Примерами работы таких регуляторных механизмов могут служить: активация гликогенфосфорилазы путем ее фосфорилирования, активация глутаматдегидрогеназы путем ее аденилирования, снижение активности пируватдегидрогеназного комплекса в результате его фосфорилирования, снижение активности гликогенсинтетазы путем ее фосфорилирования. Полный цикл регуляции активности фермента путем его ковалентной модификации может быть проиллюстрирован на примере гликогенфосфорилазы гепатоцитов

3. Белок-белковое взаимодействие

По современным представлениям ферменты отдельных метаболических путей объединены в клетках в большинстве своем в мультиэнзимные комплексы метаболоны. В составе таких метаболонов каждый фермент находится в контакте с одним или несколькими ферментами этого метаболического пути. Поэтому конформация, а следовательно и каталитическая активность каждого отдельного фермента будет зависеть от состояния других контактирующих с ним ферментов. Отсюда, изменение каталитической активности регуляторного фермента, входящего в состав метаболона, вызванное, например, присоединением к нему аллостерического модулятора, будет сопровождаться изменением активности и других ферментов метаболона, поскольку их конформация в составе надмолекулярного белкового комплекса будет также претерпевать определенные изменения. В клетках и во внеклеточной жидкости присутствуют белки, которые могут взаимодействовать с белками-ферментами, регулируя их активность. Эти белки получили название белков-модуляторов.

Так, в состав липопротеидов плазмы крови входят апобелки апо-С-II и апо-С-I, которые взаимодействуя с ферментами липопротеидлипазой и лецитинхолестеролацилтрансферазой соответственно, увеличивают их активность. В плазме крови присутствует также белок-модулятор антитромбин-III, который взаимодействуя с ферментом системы свертывания крови тромбином, инактивирует последний.

Примером внутриклеточного белка-модулятора может служить кальмодулин. Он присутствует в свободном неактивном состоянии в цитозоле клеток различных органов и тканей. При увеличении концентрации в цитозоле ионов Са2+ образуется Са-кальмодулиновый комплекс, конформация кальмодулина изменяется и Са-кальмодулиновый комплекс приобретает способность взаимодействовать с различными внутриклеточными ферментами. При этом взаимодействии конформация белка-фермента изменяется и, следовательно, изменяется его каталитическая активность. При снижении концентрации Са2+ в цитозоле Са-кальмодулиновый комплекс распадается, свободный кальмодулин из-за изменения конформации молекулы теряет сродство к ферменту. В результате фермент высвобождается из комплекса и его каталитическая активность возвращается к исходному уровню. Этим способом регулируется каталитическая активность таких ферментов как гуанилатциклаза, фосфодиэстераза циклических нуклеотидов, пируваткарбоксилаза, НАД-киназа и др. (см.схему на след. стра-це).

4. Роль конкурентного и неконкурентного ингибирования в регуляции активности ферментов в клетке

Эти варианты механизмов регуляции активности ферментов в клетках используются крайне редко. Примером конкурентного ингибирования, используемого в клетке для регуляции собственного метаболизма, принято считать угнетение активности сукцинатдегидрогеназы фермента цикла трикарбоновых кислот высокими концентрации щавелевоуксусной кислоты или малата, являющимися промежуточными продуктами того же самого метаболического пути. Снижение их концентрации в матриксе митохондрий, где работает этот метаболический путь, снимает ингибирование, т.е. регуляторный эффект обратим.

Необходимо иметь в виду, что лекарственные препараты часто являются конкурентными или неконкурентными ингибиторами различных ферментов. Так, лекарственный препарат алллопуринол, используемый при лечении подагры, является типичным конкурентным ингибитором фермента ксантиноксидазы, работающей в клетке на завершающем этапе метаболического пути синтеза мочевой кислоты. Снижение активности этого фермента приводит к падению концентрации мочевой кислоты в крови и тканях и предотвращает характерное для подагры повторное выпадение кристаллов мочевой кислоты в тканях.

Лекарственный препарат строфантин G, используемый при лечении острой сердечной недостаточности, является неконкурентным ингибитором К,Na-АТФ-азы наружных клеточных мембран миокардиоцитов. Существует мнение, что лечебный эффект этого лекарственного препарата обусловлен нормализацией ионного состава внутренней среды миокардиоцитов в результате коррекции активности этого мембранного фермента.

Среди множества ферментов, имеющихся в клетке, далеко не все являются регуляторными. Тем не менее, практически в каждый метаболический путь включены один или несколько (2, иногда даже 3) ферментов, контролирующих интенсивность потока метаболитов по тому или иному метаболическому пути. Эти ферменты обычно катализируют необратимые по термодинамическим причинам реакции; они часто являются ферментами, имеющими наиболее низкую каталитическую активность среди всех ферментов данного метаболического пути, и поэтому контролируют интенсивность потока вещества по данному метаболическому пути в целом; они обычно катализируют одну из первых реакций данного метаболического пути, что предотвращает накопление промежуточных продуктов метаболического пути в клетке при снижении активности фермента. Такого рода ферменты, контролирующие поток метаболитов по метаболическому пути и способные отвечать изменениями активности на регуляторные воздействия, получили название "ключевых ферментов"; иногда их также называют "ферментами водителями ритма". Примерами таких ферментов могут служить аспартаткарбамоилтрансфераза (метаболический путь синтеза пиримидиновых нуклеотидов), фосфофруктокиназа (гликолиз) или изоцитратдегидрогеназа (цикл трикарбоных кислот Кребса).

5. Перенос веществ через клеточные мембраны

Клетка для регуляции своего метаболизма может использовать изменение проницаемости мембран, в том числе как проницаемость как наружной мембраны, так и мембран, разделяющих ее отдельные компартменты. Тем самым может регулироваться как концентрация субстратов для того или иного метаболического пути (например, концентрация ацетил-КоА в цитозоле для синтеза высших жирных кислот, поступающего из матрикса митохондрий), так и концентрация кофакторов, поступающих из одного компартмента клетки в другой (например, АДФ, поступающего из цитозоля в матрикс митохондрий).

Перенос веществ через клеточные мембраны может осуществляться за счет процессов трех основных типов:

а) простой диффузии,

б) облегченной диффузии,

в) активного транспорта.

Интенсивность простой диффузии, т.е. переноса веществ через мембрану по градиенту концентрации через липидный бислой или через каналы в липидном бислое, регулируется, во-первых, за счет изменения конформационного состояния мембраны или ее микровязкости, во-вторых, за счет изменения концентрации переносимого метаболита по разные стороны мембраны. Состояние мембраны может изменяться за счет изменения ее состава, например, за счет изменения содержания холестерола в мембранах, а изменение градиента концентрации метаболита относительно мембраны может изменяться путем его наработки или использования в одном из компартментов клетки.

Регуляция облеченной диффузии, т.е. переноса веществ через мембрану по градиенту концентрацию с участием переносчика, осуществляется как за счет действия ранее указанных факторов, так и за счет двух новых механизмов: изменения содержания переносчика в мембране или же за счет изменения функционального состояния состояния имеющихся переносчиков. Так, при воздействии инсулина на клетки, имеющие рецепторы к этому гормону, в их наружных мембранах увеличивается количество белков-переносчиков глюкозы. Изменение интенсивности активного транспорта, т.е. переноса веществ через мембраны с участием переносчика против градиента концентрации, идущего с затратами энергии, происходит, во-первых, за счет работы механизмов, регулирующих процессы облегченной диффузии, а, во-вторых, за счет изменения количества доступной энергии. В свою очередь, поступление энергии осуществляется или за счет обеспечения механизмов транспорта энергией АТФ, или же за счет создаваемых клеткой трансмембранных электрохимических градиентов, например, градиентов Н+ или градиентов ионов Na+.

Таким образом, в ходе эволюции природой были созданы разнообразные механизмы, позволяющие клеткам регулировать как интенсивность обменных процессов в целом, так и механизмы избирательной регуляции работы того или иного метаболического пути. Все регуляторные механизмы, работающие в организме можно разделить на два уровня: 1. Механизмы, обеспечивающие регуляцию на уровне отдельных клеток или внутриклеточные регуляторные механизмы.

2. Механизмы, обеспечивающие регуляцию обменных процессов на уровне целого организма надклеточные регуляторные механизмы.

Каждый из этих уровней может быть разделен на подуровни. Так, в рамках внутриклеточного уровня регуляции могут быть выделены подуровни:

подуровень отдельных химических реакций,

подуровень метаболических путей,

подуровень клеточных органелл,

подуровень сети метаболических путей. А надклеточный уровень регуляции может быть разделен на подуровни:

подуровень той или иной ткани

подуровень того или иного органа

подуровень системы органов

подуровень целого организма.

Раздел 3 1.

В основу второго варианта классификации заложена химическая природа гормонов. По химической природе гормоны делятся на 4 класса:

1. Гормоны белковой природы, причем в этом классе можно выделить два подкласса:

а) гормоны простые белки (инсулин, соматотропин);

б) гормоны сложные белки (тиреотропный гормон, гонадотропные гормоны), по химической природе они представляют собой гликопротеиды)

2. Гормоны полипептиды (либерины и статины гипоталамуса, вазопрессин и окситоцин, глюкагон, кортикотропин).

3. Гормоны производные аминокислот (мелатонин, адреналин, иодированые тиронины).

4. Гормоны стероидной природы (кортизол, альдостерон, прогестерон, эстрадиол, тестостерон).

2. Клетки-мишени и рецепторы гормонов

Клетки, способные тем или иным образом отвечать на воздействие какого-либо гормона, получили название клеток-мишеней для данного гормона. В свою очередь, органы или ткани, в которых воздействие гормона вызывает специфическую биохимическую или физиологическую реакцию, получили название органымишени или ткани-мишени для данного гормона. Следует лишь иметь в виду, что та или иная ткань обычно содержит несколько типов дифференцированных клеток и далеко не все они реагируют на воздействие конкретного гормона.

Для того, чтобы клетка реагировала на появление в окружающий ее среде гормона или другой сигнальной молекулы, она должна иметь в своем составе специализированные структуры, способные распознавать эти сигнальные молекулы. Такими специализированными структурами являются клеточные рецепторы. По химической природе клеточные рецепторы представляют собой сложные белки гликопротеиды, имеющие в своей структуре специализированные функциональные центры, способные к избирательному взаимодействию с той или иной сигнальной молекулой.

Все рецепторы являются полидоменными белками. На одном из доменов располагается центр связывания сигнальной молекулы это так называемый домен узнавания. Кроме домена узнавания в составе рецепторов всегда имеется домен, отвечающий за запуск внутриклеточных механизмов, обеспечивающих ответ клетки на внешний регуляторный сигнал это так называемый домен сопряжения. Взаимодействие центра связывания рецептора с своей сигнальной молекулой, например с гормоном, изменяет конформацию домена узнавания, волна конформационных изменений захватывает и домен сопряжения, что приводит к "активации" рецептора и включению внутриклеточных механизмов реализации внешнего регуляторного сигнала.

3. Рилизинг-гормоны (либерины)

1. Тиролиберин (ТРГ) стимулирует выделение тиреотропного гормона (ТТГ) гипофиза.

2. Кортиколиберин (КРГ) стимулирует выделение адренокортикотропного гормона (АКТГ) гипофиза.

3. Гонадолиберин (ГнРГ) стимулирует выделение лютеинизирующего (ЛГ) и фолликулстимулирующего (ФСГ) гормонов гипофиза.

4. Соматолиберин (СТГ-РГ) стимулирует выделение соматотропного гормона (СТГ) гипофиза.

Предполагается также существование в гипоталамусе пролактолиберина (ПРЛ-РГ) и либерина меланоцитстимулирующего гормона (МСГ-РГ), однако до настоящего времени получить их в высокоочищенном виде не удалось. б). Статины 1. Соматостатин (СС), ингибирующий выделение СТГ из гипофиза; кроме того, он ингибирует выделение ТТГ.

2. Гонадолиберин-ассоциированный пептид (ГАП), ингибирующий выделение пролактина (ПРЛ) из гипофиза; кроме того, выделение ПРЛ сильно ингибируется дофамином. Иногда ГАП и дофамин объединяют под названием пролактин-ингибирующие гормоны (ПИГ). Предполагается также существование меланостатина (МСГ-С), однако его существование не было подтверждено.

Третью группу гормонов гипоталамуса составляю два гормона окситоцин и вазопрессин, которые, синтезируясь в гипоталамусе, поступают в заднюю долю гипофиза, где временно накапливаются, а затем поступают в кровяное русло. Гормоны гипофиза также можно разделить на три группы. Первую группу составляют гормоны передней доли гипофиза, стимулирующие деятельность периферических желез внутренней секреции. К ним относятся:

1. ТТГ, стимулирующий синтез тетраиодтиронина (Т4) и трииодтиронина (Т3) в щитовидной железе.

2. АКТГ, стимулирующий синтез глюкокортикоидов корой надпочечников.

3. ЛГ и ФСГ, стимулирующих синтез половых гормонов в семенниках и яичниках.

4. В работе регуляторных механизмов, использующих в качестве вторых вестников цАМФ, цГМФ или продукты гидролиза инозитолфосфатидов, имеется один общий момент в системы включены механизмы усиления сигнала. Гормон или иная сигнальная молекула, соединяясь с рецептором, активирует фермент, генерирующий образование в клетке множества молекул, выполняющих роль второго вестника. В свою очередь второй вестник также активирует фермент, способный быстро изменять функциональную активность большого числа различных белковых молекул, непосредственно отвечающих за формирование метаболического ответа клеток. Механизм действия гормонов в значительной мере зависит от физико-химических свойств молекул гормонов. Гормоны белковой природы, гормоны-пептиды, гормоны-производные аминокислот за исключением иодированных тиронинов, как и родственные по химической природе другие сигнальные молекулы, обладая гидрофильными свойствами, не способны проникать через наружные мембраны клеток. Рецепторы этих биорегуляторов локализованы на внешней стороне наружной клеточной мембраны, поэтому требуется специальный механизм, обеспечивающий трансформацию внеклеточного регуляторного сигнала в сигнал внутриклеточный. Как правило, это связано с синтезом в клетке соединений, выступающих в качестве внутриклеточных мессенджеров или "вторых вестников", обеспечивающих формирование метаболического ответа клеток на внешний регуляторный сигнал.

5. Гормоны стероидной природы и иодированные тиронины, имеющие гидрофобные свойства, могут проникать через наружную мембрану внутрь клеток и, связываясь со своими рецепторами в цитозоле или ядре, сами участвуют в формировании метаболического ответа клеток на внешний регуляторный сигнал, в связи с чем эти биорегуляторы не нуждаются в посредниках типа "вторых вестников".Регуляторный эффект гормонов первой группы базируется в первую очередь на изменении функциональной активности уже имеющихся в клетке белков, тогда как в основе регуляторных эффектов гормонов-стероидов и иодированных тиронинов в первую очередь лежит изменение эффективности экспрессии генов и на этой основе изменение количества белков в клетке. Безусловно, при воздействии гормонов-белков, гормонов-пептидов и гормонов-производных аминокислот также может происходить изменение эффективности экспрессии генов, но это результат воздействия на геном клеток модифицированных белков-регуляторов, структура которых обычно изменяется при опосредованном участии внутриклеточных мессенджеров. Эти соединения известны под название внутриклеточных мессенджеров или вторых вестников, наиболее известными представителями которых являются цАМФ, цГМФ, ионы Са+, продукты расщепления инозитолфосфатидов инозитолтрифосфат и диацилглицерол.

Раздел 4. 1. ИНСУЛИН

Инсулин относится к гормонам белковой природы. Он синтезируется b-клетками поджелудочной железы. Инсулин является одним из важнейших анаболических гормонов. Связывание инсулина с клеткамимишенями приводит к процессам, которые увеличивают скорость синтеза белка, а также накопление в клетках гликогена и липидов, являющихся резервом пластического и энергетического материала. Инсулин, возможно за счет своего анаболического эффекта, стимулирует рост и размножение клеток.

Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей А-цепи и В-цепи. В состав А-цепи входит 21 аминокислотный остаток, в состав В-цепи 30. Эти цепи связаны между собой двумя дисульфидными мостиками: один между А7 и В7 (номера аминокислот, считая с N-концов полипептидных цепей), второй между А20 и В19. Третий дисульфидный мостик находится в цепи А, связывая А6 и А11.

Главным физиологическим стимулом выделения инсулина из b-клеток в кровь является повышение содержания глюкозы в крови.

Влияние инсулина на обмен углеводов можно охарактеризовать следующими эффектами:

1.Инсулин увеличивает проницаемость клеточных мембран для глюкозы в так называемых инсулин-зависимых тканях.

2.Инсулин активирует окислительный распад глюкозы в клетках.

3.Инсулин ингибирует распад гликогена и активирует его синтез в гепатоцитах.

4.Инсулин стимулирует превращение глюкозы в резервные триглицериды.

5.Инсулин ингибирует глюконеогенез, снижая активность некоторых ферментов глюконеогенеза.

Влияние инсулина на обмен липидов складывается из ингибирования липолиза в липоцитах за счет дефосфорилирования триацилглицероллипазы и стимуляции липогенеза.

Инсулин оказывает анаболическое действие на обмен белков: он стимулирует поступление аминокислот в клетки, стимулирует транскрипцию многих генов и стимулирует, соответственно, синтез многих белков, как внутриклеточных, так и внеклеточных.

2.ТИРОНИНЫ

Щитовидная железа вырабатывает два гормона 3,5,3-трииодтиронин (Т3) и 3,5,3,5-тетраиодтиронин (тироксин, Т4), играющие важную роль в регуляции общего метаболизма, развития и дифференцировки тканей. Образование этих гормонов происходит в ходе посттранскрипционного процессинга специфического белка тиреоглобулина, в ходе которого происходит органификация накапливающегося в клетках щитовидной железы иода. Последующий внутриклеточный протеолиз иодированного тиреоглобулина приводит к высвобождению гормонов.

Синтез иодированных тиронинов идет в клетках щитовидной железы тироцитах в составе белка иодтиреоглобулина.

Синтез тиреоглобулина происходит на рибосомах тироцита в базальной части клетки, далее в цистернах шероховатого эндоплазматического ретикулума, а затем в аппарате Гольджи происходит гликозилирование полипептидных цепей молекулы с присоединением порядка двух десятков олигосахаридных блоков.

Инактивация тиреоидных гормонов осуществляется различными путями: они могут подвергаться деиодированию, дезаминированию, декарбоксилированию. Во всех этих случаях гормоны теряют свою биологическую активность. В печени продукты деградации тиреоидных гормонов могут подвергаться коньюгации с последующим их выделением с желчью.

Рецепторы для тиреоидных гормонов имеются в клетках различных органов и тканей. Низкоаффинные рецепторы расположены в цитозоле клеток, тогда как высокоаффинные в ядрах тех же клеток. Введение тироксина экспериментальным животным сопровождается развитием положительного азотистого баланса, увеличивает теплопродукцию и приводит к увеличению активности многих ферментных систем. К настоящему времени показано, что введение гормона приводит к повышению активности более 100 ферментов. Это увеличение активности большого числа ферментов скорее всего отражает резко выраженное стимулирующее действие гормона на синтез белка во многих органах и тканях.

Введение тиреоидных гормонов действительно приводит к увеличению теплопродукции, но это увеличение теплобразования обусловлено не разобщением окисления и фосфорилирования в митохондриях, а увеличением расходования АТФ в клетках в энергозависимых процессах.

3.АДРЕНАЛИН

Хромафинные клетки мозгового вещества надпочечников продуцируют группу биологически активных веществ катехоламинов, к числу которых относятся адреналин, норадреналин и дофамин, играющие важную роль в адаптации организма к острым и хроническим стрессам, в особенности в формировании реакции организма типа "борьба или бегство". В ходе развития этой реакции в организме происходит экстренная мобилизация энергетических ресурсов: ускоряется липолиз в жировой ткани, активируется гликогенез в печени, стимулируется гликогенолиз в мышцах.

Все катехоламины синтезируются из аминокислоты тирозина, причем на долю адреналина приходится примерно 80% катехоламинов, образующихся в мозговом веществе надпочечников. Синтез начинается с превращения тирозина в дигидроксифенилаланин (ДОФА), реакция катализируется ферментом тирозин-гидроксилазой. Простетической группой фермента является тетрагидробиоптерин. В ходе следующей реакции ДОФА подвергается декарбоксилированию при участии фермента ДОФА-декарбоксилазы, простетической группой этого фермента служит пиридоксальфосфат.

Образуется ДОФамин. В ходе окисления в качестве донора электронов (косубстрат реакции) используется аскорбиновая кислота. В заключительной реакции идет метилирование норадреналина по аминогруппе с превращением его в адреналин, в качестве донора метильной группы используется S-аденозилметионин.

Под воздействием нервных импульсов, поступающих в мозговое вещество надпочечников по чревному нерву, происходит слияние хромаффинных гранул с плазматической мембраной с выбросом катехоламинов в русло крови. Поступающий в кровяное русло адреналин в виде слабоассоциированного с альбуминами комплекса разносится с током крови в другие органы и ткани.

Продолжительность существования адреналина в русле крови измеряется временем порядка 10 30 секунд; его концентрация в плазме крови в норме не превышает 0,1 мкг/л (менее 0,55 нМ/л). Инактивация адреналина, как и других катехоламинов, может идти или путем их окислительного дезаминирования, или путем О-метилирования. Основными конечными продуктами инактивации адреналина, выделяющимися с мочой, являются метанефрин и ванилинминдальная кислота.

При связывании гормона с b1и b2-рецепторами идет активация аденилатциклазы, опосредованная взаимодействие активированных рецепторов с Gs-белками, что сопровождается увеличением концентрации цАМФ в клетке. При взаимодействии гормона с a2-рецептором при участии Gi-белка идет ингибирование аденилатциклазы и снижение концентрации цАМФ в клетке.

В случае действия адреналина через b2-рецепторы идет стимуляция расщепления гликогена в печени с выходом глюкозы в кровяное русло, одновременно идет небольшая стимуляция глюконеогенеза в гепатоцитах. В мышцах через b2-рецепторы адреналин стимулирует гликогенолиз. Через этот тип рецепторов адреналин повышает секрецию инсулина и глюкагона в поджелудочной железе или секрецию ренина в почках.

4. ГЛЮКАГОН

Глюкагон представляет собой гормон полипептидной природы, выделяемый a-клетками поджелудочной железы. Основной функцией этого гормона является поддержание энергетического гомеостаза организма за счет мобилизации эндогенных энергетических рессурсов, этим объясняется его суммарный катаболический эффект.

В состав полипептидной цепи глюкагона входит 29 аминокислотных остатков, его молекулярная масса 4200, в его составе отсутствует цистеин. Глюкагон был синтезирован химическим путем, чем была окончательно подтверждена его химическая структура.

Основным местом синтеза глюкагона являются a-клетки поджелудочной железы, однако довольно большие количества этого гормона образуются и в других органах желудочно-кишечного тракта. Синтезируется глюкагон на рибосомах a-клеток в виде более длинного предшественника с молекулярной массой около 9000. В ходе процессинга происходит существенное укорочение полипептидной цепи,после чего глюкагон секретируется в кровь. В крови он находится в свободной форме, его концентрация в сыворотке крови составляет 20-100 нг/л. Период его полужизни равняется примерно 5 минутам. Основная часть глюкагона инактивируется в печени путем гидролитического отщепления 2 аминокислотных остатков с N-конца молекулы.

Секреция глюкагона a-клетками поджелудочной железы тормозится высоким уровнем глюкозы в крови, а также соматостатином, выделяемым D-клетками поджелудочной железы. Возможно, что секреция глюкагона ингибируется также инсулином или ИФР-1. Стимулируется секреция понижением концентрации глюкозы в крови, однако механизм этого эффекта неясен. Кроме того, секрецию глюкагона стимулируют соматотропный гормон гипофиза, аргинин и Са2+.

Механизм действия глюкагона достаточно хорошо изучен. Рецепторы для гормона локализованы в наружной клеточной мембране. Образование гормонрецепторных комплексов сопровождается активацией аденилатциклазы и увеличением в клетках концентрации цАМФ, сопровождающимся активацией протеинкиназы и фосфорилированием белков с изменением функциональной активности последних.

Под действием глюкагона в гепатоцитах ускоряется мобилизация гликогена с выходом глюкозы в кровь. Этот эффект гормона обусловлен активацией гликогенфосфорилазы и ингибированием гликогенсинтетазы в результате их фосфорилирования. Следует заметить, что глюкагон, в отличие от адреналина, не оказывает влияния на скорость гликогенолиза в мышцах.

Глюкагон активирует процесс глюконеогенеза в гепатоцитах: во-первых, он ускоряет расщепление белков в печени, а образующиеся аминокислоты используются как субстраты глюконеогенеза; во-вторых, увеличивается активность ряда ферментов, таких как фруктозо-1,6-бисфосфатаза, фосфоенолпируваткарбоксикиназа, глюкозо-6-фосфатаза, принимающих участие в глюконеогенезе как за счет активации имеющихся ферментов, так и индукции их синтеза. За счет активации глюконеогенеза также происходит увеличение поступления глюкозы в кровь. Ускорение использования аминокислот для глюконеогенеза сопровождается увеличением объема синтеза мочевины и увеличением количества мочевины, выводимого с мочой.

Глюкагон стимулирует липолиз в липоцитах, увеличивая тем самым поступление в кровь глицерола и высших жирных кислот. В печени гормон тормозит синтез жирных кислот и холестерола из ацетил-КоА, а накапливающийся ацетил-КоА используется для синтеза ацетоновых тел. Таким образом, глюкагон стимулирует кетогенез.

В почках глюкагон увеличивает клубочковую фильтрацию, по-видимому, этим объясняется наблюдаемое после введения глюкагона повышение экскреции ионов натрия, хлора, калия, фосфора и мочевой кислоты.

5. КОРТИЗОЛ

Основным глюкокортикоидом человека являет-ся кортизол: за сутки в надпочечниках синтезируется 10-30 мг кортизола и 2-4 мг другого глюкокортикоида кортикостерона. Гормоны коры надпочечников, в особенности глюкокортикоиды, играют важную роль в адаптации к сильным стрессам.

В основе структуры всех стероидных гормонов лежит лежит циклопентанпергидрофенантреновое ядро, имеющее в своем составе 17 атомов углерода и включающее в себя четыре цикла или кольца, обозначаемых буквами А,В,С и D.

Синтез кортизола идет в клетках пучковой и сетчатой зон коры надпочечников. Исходным соединением для синтеза кортизола является холестерол, он поступает в клетки коры надпочечников из крови, лишь незначительная его часть образуется в клетках путем синтеза из ацетил-КоА.

На секрецию кортизола большое влияние оказывают физические и эмоциональный стрессы, состояние тревоги, страха и др., но все эти эффекты опосредуются нервной системой через гипоталамическое звено регуляции.

Введение кортизола приводит к увеличению содержания высших жирных кислот в плазме крови. Частично это может быть результатом стимуляции липолиза в клетках жировой ткани. Интересно, что избыточные количества кортизола стимулируют липолиз в жировой ткани конечностей, однако одновременно стимулируется липогенез в жировой ткани туловища и лица. В повышение уровня высших жирных кислот вносит определенный вклад торможение поступления глюкозы в клетки периферических тканей: во-первых, недостаток глюкозы в клетках периферических тканей приводит к усилению мобилизации резервных триглицеридов, во-вторых, недостаток глюкозы в липоцитах приводит к недостатку в них фосфодигидроксиацетона, необходимого для синтеза триглицеридов неиспользованные высшие жирные кислоты также поступают из липоцитов в кровь.