Эволюция живой природы сопровождалась изменением структур и свойств биополимеров, а также энергетических механизмов систем регуляции и координации обмена веществ.
все процессы обмена углеводов, жиров и белков, происходящие в организме, тесно взаимосвязаны и представляют единое целое.
При расщеплении углеводов в качестве промежуточного продукта образуется пировиноградная кислота, которая в результате процессов карбоксилирования превращается в щавелевоуксусную кислоту. Промежуточные продукты цикла Кребса могут синтезироваться при дезаминировании аминокислот. Наоборот в результате восстановительного аминирования a-кетоглютаровой кислоты образуются аминокислоты, используемые для синтеза белка. Так из пировиноградной кислоты образуется аланин, из щавелевоуксусной кислоты – аспарагиновая кислота, a-кетоглютаровой кислоты – глютаминовая кислота. Кроме преобразования продуктов углеводного обмена в белковый существует обратный синтез углеводов из аминокислот – глюконеогенез. Все аминокислоты, кроме лейцина, являются глюкогенными, т.е. превращаются в глюкозу и гликоген. Особое значение принадлежит аланину, серину и цистину
Жирные кислоты могут быть использованы для синтеза заменимых аминокислот, через ацетил КоА. В результате превращения его в цикле Кребса образуется a-кетоглютаровая кислота, которая, присоединяя аммиак, образует глютаминовую. Глицерин, образовавшийся в результате расщепления нейтральных жиров, окисляется до фосфоглицеринового альдегида, который превращается в пировиноградную кислоту и используется для синтеза аминокислот, участвует в новообразовании углеводов или окисляется с образованием конечных продуктов обмена веществ.
Белки также превращаются в жиры через ацетил КоА образовавшейся в результате окисления аминокислот. В дальнейшем ацетил КоА используется для синтеза жирных кислот, и далее превращаются в пировиноградную кислоту.
При распаде углеводов образуется фосфоглицериновый альдегид, который легко превращается в глицерин. Глицерин занимает одно из 1-х мест в синтезе глюкозы. Жирные кислоты синтезируются из ацетил КоА, который образуется из углеводов.
Взаимосвязь обменов белков, жиров и углеводов основана на следующих принципах (рисунок 2):
1. Наличие общего источника энергии (АТФ), который вырабатывается в процессе катаболизма и затрачивается на анаболические процессы.
2. Общность промежуточных продуктов, так, продукты центральных путей катаболизма становятся субстратами для анаболических реакций.
3. Общность конечных путей превращения веществ. Ацетил КоА, образовавшийся из многих веществ (белков, липидов, углеводов), подвергается окислению в цикле Кребса до СО2 и Н2О. В цикле Кребса образуется 4 метаболита – яблочная, изолимонная, a-кетоглютаровая и янтарная кислоты, посредством дальнейшего превращения которых происходит сопряжение цикла с биологическим окислением, где в результате окислительного фосфорилирования синтезируется АТФ.
Регуляция обмена веществ может быть нервной, гормональной и внутриклеточной (автоматической). Действия этих трех механизмов взаимосвязаны.
Нервная регуляция обмена веществ осуществляется под влиянием ЦНС, которая обеспечивает регуляцию и интеграцию многочисленных процессов в органах и тканях, создавая условия для нормального функционирования организма при воздействии различных внешних и внутренних факторов.
Нервная регуляция обменных процессов осуществляется путём влияния на интенсивность продукции гормонов в железах внутренней секреции. Возможно непосредственное влияние медиаторных веществ, освобождающихся из периферических синапсов, на активность ферментов и условия протекания биохимических реакций.
Регуляторное воздействие нервной системы при мышечном сокращении проявляется следующим образом:
- вовлечением разного количества мышечных волокон (двигательных единиц) в процесс сокращения;
- изменением частоты иннервации или активации двигательных единиц;
- подключением разных по величине мононейронов – малых с низкой возбудимостью или больших с высокой возбудимостью;
- подключение мышечных волокон различных типов – быстрых или медленных, которые отличаются различными механизмами энергообеспечения;
- изменение концентрации ионов, активирующих или ингибирующих ферментные системы.
Гормональная регуляция осуществляется путём воздействия на активность ферментов. Одни гормоны способствуют превращению менее активных форм ферментов в активные или наоборот. Другие – оказывают непосредственное воздействие на процессы синтеза или расщепления ферментов, изменяя их количество. Это позволяет поддерживать биохимические реакции в одном направлении независимо от снижения содержания субстрата и накопления продукта. Так, благодаря действию адреналина на активность фермента фосфорилазы при работе субмаксимальной мощности, несмотря на накопление лактата, становится возможной значительная мобилизация гликогена.
Интенсивность образования и секреции гормонов зависит от количества продуктов обмена. Высокое содержание в крови продуктов обменных процессов, образующихся в результате гормонального воздействия, подавляет активность соответствующей железы. Низкое их содержание активирует её деятельность.
В основе автоматической регуляции обмена веществ лежит принцип противоположных влияний концентрации субстратов и продуктов на активность ферментов, катализирующих обменные процессы в клетке.
Регуляция этих механизмов осуществляется по 3-м принципам:
1. Обратной связи.
2. Лимитирующих реакций.
3. Общность метаболических путей.
1) Принцип обратной связи состоит в том, что скорость химических реакций находится в зависимости от концентрации продуктов реакции, т.е. если при увеличении продуктов реакции уменьшается скорость реакции, значит, реакция осуществляется по этому принципу. Пример: регуляция окислительного фосфорилирования. В мышечной ткани в состоянии покоя система регуляции соизмеряет образования АТФ и ее использование – наблюдается равновесие. При функциональной деятельности скелетных мышц интенсивно используется АТФ, в результате чего происходит накопление в клетке неорганического фосфата и АДФ, что автоматически усиливает окислительное фосфорилирование и вызывает ускорение ресинтеза АТФ.
2) Принцип лимитирующих реакций заключается в том, что скорость обмена веществ лимитирует самая медленная реакция. Например: наибольшая скорость гликолиза лимитируется каталитической мощностью гексокиназы (если исходным продуктом является глюкоза) и фосфофруктокиназы (если гликоген).
3) Разные биохимические процессы могут иметь общие реакции. Пример: образующаяся ПВК может быть использована для синтеза ацетил КоА, щавелевоуксусной кислоты, молочной кислоты. То есть дальнейшее использование ПВК в клетке зависит от того, какой метаболит необходим для клетки в данный момент.
В организме все реакции катализируют ферменты, поэтому регуляторные механизмы оказывают влияние на активность ферментов.
Различают два механизма реакции:
1. Быстрый – действует в течение нескольких секунд или минут. Регуляция здесь связана с ферментами, имеющимися в клетке.
2. Медленный (или адаптация) – связан с синтезом новых ферментов. Активность здесь может регулироваться количеством субстрата, фермента, удалением конечного продукта реакции, механизмом обратной связи.
Регуляция активности фермента количеством субстрата является наиболее простой. скорость химических реакций прямо пропорциональна концентрации реагирующих веществ. Способ такой регуляции называется по принципу закона действующих масс.
Изменение концентрации коферментов является важным фактором, регулирующим скорость обмена веществ. При низкой концентрации кофермента активность фермента низкая. Так при низкой концентрации НАД и ФАД биологическое окисление протекает медленно.
Степень активности регуляторных ферментов зависит от концентрации в клетке АТФ, АДФ, АМФ, а также от концентрации неорганического фосфора и ионов Са+2. Если концентрация АТФ в клетке высокая, то активность фермента снижена, это явление носит название регуляции по принципу отрицательной обратной связи. При увеличении в клетке концентрации АДФ, АМФ, неорганического фосфора и кальция активность соответствующего фермента увеличивается, т.е. осуществляется механизм положительной обратной связи.
Скорость синтеза данного фермента может существенно варьировать в зависимости от условий. Регуляция воспроизводства ферментов находится под контролем генов. Вещества, повышающие активность регуляторных ферментов, называются положительными эффекторами, а снижающие – отрицательными.
Существуют мембранные механизмы регуляции метаболизма. Биологические мембраны представляют собой динамическую структуру, компоненты которой подвержены быстрому метаболизму. Липидное окружение мембранных белков обладает способностью в соответствии с изменением условий функционирования изменять свои физико-химические свойства: упаковку, микровязкость, латеральную подвижность компонентов в бислое и т. д. Мембранные белки функционируют в составе олигомерных ансамблей.
Подобные комплексы включают рецепторы и преобразователи сигналов, действие которых начинается с восприятия внешнего импульса (первичного посредника) на внешней стороне клеточной мембраны и завершается образованием вторичного посредника на внутренней стороне мембраны. Роль первичного посредника, как правило, выполняют разнообразные гормоны, не проникающие через клеточную мембрану. Первичный посредник взаимодействует с соответствующим рецептором, изменяя его конформацию, что приводит к увеличению латеральной подвижности в мембране. В результате повышается вероятность взаимодействия активированного рецептора с преобразователем, специфическими мембранносвязанными белками (G-белки или ГТФ- связывающие белки). Регуляторные белки функционируют в тесной связи с мембраной, их свойства зависят от физико-химических характеристик мембраны. Нарушение взаимодействия между белковыми молекулами в олигомерном ансамбле (например, Na+ / K+ - АТФ азы при её свободнорадикальной модификации в ишемическом мозге) устраняет способность АТФ регулировать активность этого фермента. Важное биологическое значение олигомерных ассоциатов мембранных белков состоит в том, что при изменении физико-химических свойств мембраны соответственно изменяется и характер взаимодействия мембранных структур. Таким образом формируются обратные связи для приспособления обмена веществ к потребностям организма.
Известно несколько типов G-белков, один из которых выполняет стимулирующую, остальные - ингибирующую функции. Например, в случае циклического АМФ в зависимости от типа G-белков, участвующих в трансформации сигнала, возможна как активация аденилатциклазы, так и её ингибирование. В результате изменится скорость синтеза цитоплазматического цАМФ – активатора протеинкиназ, регулирующих функцию клеточных белков в результате их фосфорилирования. В неактивном состоянии протеинкиназа представляет собой димер из каталитической и регуляторной субъединиц. Активация протеинкиназы обеспечивается связыванием цАМФ с регуляторной субъединицей, что вызывает диссоциацию и активацию каталитической субъединицы.
Субстратами протеинкиназ являются разнообразные белки, фосфорилирование которых изменяет их активность. Например активация протеинкиназы А со стороны цАМФ приводит к фосфорилированию гликогенсинтетазы и гликогенфосфорилазы. При этом активность первого фермента подавляется, а второго усиливается. Таким образом, появление в кровяном русле адреналина, активирующего аденилатциклазу миоцитов, улучшает энергетическое обеспечение сокращений сердечной мышцы.
В настоящее время известно несколько типов протеинкиназ, активируемых различными эффекторами. Субстраты протеинкиназ – огромное количество белков, фосфорилирование которых приводит к изменению их активности. Более того, обнаружены протеинфосфатазы, которые, осуществляя гидролиз фосфатной группы, возвращают белковую молекулу в исходное состояние. Во многих случаях мишенью действия киназ являются другие киназы, которые фосфорилируют фосфаты, в свою очередь, регулируя их функцию. Таким образом, регуляция метаболизма имеет каскадный характер.
При систематической деятельности мышц происходят существенные морфологические и биохимические изменения на различных уровнях организации ткани, т.е. наблюдается продолжительная регуляция обмена веществ.
Л и т е р а т у р а
1. Солодков А.С., Сологуб Е.Б. Физиология человека. Общая. Спортивная. Возрастная: Учебник.- М.: Тера-Спорт, Олимпия Пресс, 2001.- 520 с.
2. Физиология человека / Под ред. Р. Шмидта, Г. Тевса.- Изд. 2 – е, доп. и перераб.- Т. 3.- М.: Мир, 1996.- 876 с.
3. Физиология человека: Учебник для вузов физ. культуры и факультетов физ. воспитания педагогических вузов / Под общей ред В.И. Тхоревского.- М.: Физкультура, образование и наука, 2001.- 492 с.
4. Биохимия мышечной деятельности / н.и. Волков, Э.Н. Несен, А.А. Осипенко, С.Н. Корсун.- Киев: Олимпийская литература, 2000.- 504 с.
5. Биохимия: Учебник для вузов / В.П. Комов, В.Н. Шведова.- М.: Дрофа, 2004.- 640 с.
6. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия: Учебник.- 3-е изд., перераб. и доп.- М.: Медицина, 1998.- 704 с.
7. Физиология человека. Учебник (В двух томах. Т.II).- В.М. Покровский, Г.Ф. Коротько, Ю.В. Наточин и др./ Под ред. В.М. Покровского, Г.Ф. Коротько.- М.: Медицина, 1997.- 368 с.