В клетках контроль за этапами метаболизма осуществляется путем разделения метаболических процессов по отдельным отсекам (компартментам). Примеры такой компартментализации показаны на рисунке:
Компартментализация некоторых основных метаболических путей
|
Возможны некоторые обобщения:
· метаболические взаимопревращения и биосинтезы в основном связаны с цитозолем. NADFH, необходимый для реакций восстановления, образуется также в цитозоле в результате окислительного пентозофосфатного пути превращения глюкозы
· окислительное расщепление, связанное с дыханием, протекает в митохондриях. В качестве коферментов обычно используются NAD+ и флавопротеины.
Интеграция метаболических путей служит основным целям, обеспечивающим жизнедеятельность организма:
· производство энергии в процессе окислительного распада пищевых веществ (механизмы высвобождения и использования энергии описаны выше)
· биосинтез веществ и структур. Производство ключевых метаболитов и восстановленных коферментов, необходимых для биосинтезов, обеспечивается интеграцией метаболических путей.
В большинстве случаев единым донором водорода для разных биосинтезов является NADFH, что тоже есть проявление интеграции. Ключевые метаболиты, находящиеся в точках разветвления метаболических путей, обеспечивают переключение метаболизма с одного пути на другой в зависимости от потребностей организма. Эти вопросы частично рассматривались ранее, поэтому приведем лишь некоторые примеры.
Глюкозо-6-фосфат образуется в точке соединения и разветвления таких процессов, как депонирование глюкозы - синтез гликогена, использование запасенного энергетического материала - распад гликогена, синтез NADFH - пентозофосфатный путь, производство энергии - аэробный распад глюкозы.
|
|
Пируват начинает общий для углеводов, белков и жиров путь катаболизма и открывает для них вход в цитратный цикл, где образуются метаболиты, используемые для глюконеогенеза и синтеза ряда аминокислот. Пируват тоже может быть субстратом для этих синтезов.
Ацетил-СоА - включает белки, жиры и углеводы в первую реакцию цитратного цикла. Он также служит субстратом для синтеза кетоновых тел, кроме того, в период пищеварения экспортируется в цитозоль в форме цитрата и используется для синтеза жирных кислот. Особенность метаболизма жирных кислот заключается в необратимости превращения ацетил-СоА в пируват и, следовательно, невозможности превращения жирных кислот в глюкозу.
Регуляторные механизмы переключения одного метаболического пути на другой частично рассматривались ранее. Можно заключить, что регуляция включает общие моменты: изменение концентрации ферментов; изменение активности ферментов; изменение концентрации субстратов, продуктов, а также кофакторов. Рассмотрим регуляцию метаболизма углеводов, жиров и белков под влиянием гормонов. Переключение метаболических путей под влиянием гормонов происходит постоянно в зависимости от ритма питания, состава пищи и физиологической активности организма.
В период пищеварения влияние гормонов направлено на запасание веществ-энергоносителей для использования их в последующий период. После всасывания из кишечника глюкозы ее концентрация в крови в период пищеварения увеличивается, и это является стимулом для секреции инсулина. Инсулин стимулирует процессы депонирования всех мономеров, образовавшихся в результате переваривания. Так, инсулин ускоряет синтез гликогена в печени и мышцах, синтез липидов и белков. Инсулин увеличивает поглощение глюкозы клетками и таким образом ускоряет пути ее использования:
|
|
Действие инсулина. Зеленый цвет - стимуляция, красный - угнетение
|
В постабсорбтивный период концентрация глюкозы снижается, вследствие этого снижается секреция инсулина и уменьшается поглощение глюкозы всеми тканями, кроме нервной. Низкая концентрация глюкозы в крови является сигналом для секреции глюкагона и кортизола.
Гомеостаз глюкозы
|
Глюкагон ускоряет распад гликогена и усиливает мобилизацию триацилглицеринов, переключая окисление тканями преимущественно глюкозы на окисление жирных кислот и кетоновых тел. Глюкагон и кортизол ускоряют глюконеогенез из аминокислот и глицерина для поддержания концентрации глюкозы в крови на постоянном уровне, необходимом для снабжения мозга. Строение, механизм действия и основные эффекты гормонов, регулирующих метаболизм углеводов, белков и жиров приведены на рисунке:
Влияние гормонов на обмен углеводов, белков и жиров
|