Регуляция метаболизма. Общие аспекты

ОБЩИЕ АСПЕКТЫ РЕГУЛЯЦИИ

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

Объединение метаболических путей в метаболическую сеть

Анаболизм и катаболизм

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

Энергия и метаболизм

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

Роль АТР

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

• химическая энергия, освобождаемая в процессе катаболизма, запасается путем фосфорилирования ADP с образованием АТР;
• энергия АТР затем используется после расщепления макроэргических связей АТР в ходе эндергонических реакций синтеза и других процессов, требующих затрат энергии, например активного транспорта

Роль АТР в биоэнергетике

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

Структура и рециркуляция АТР

Регуляция метаболизма. Общие аспекты

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

• Аллостерическая модификация ключевых ферментов позволяет получить немедленный ответ клетки на изменение условий среды, выражающийся изменением концентрации промежуточных продуктов или коферментов. Например, увеличение потребности клетки в АТР приводит к повышению скорости распада глюкозы в мышечных клетках. Энергетический запас клетки определяется как отношение: 1/2[ADP]+[АТР]/[АМР]+[ADP]+[АТР]. Скорость катаболизма глюкозы обратно пропорциональна энергетическому запасу клетки вследствие противоположности влияния ADP + АМР или АТР на регуляторные ферменты гликолиза. Аллостерическая модификация ферментов является основным способом регуляции метаболических путей.

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

Положительная и отрицательная обратные связи

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

• Ковалентная модификация ключевых ферментов может осуществляться под влиянием внеклеточных воздействий (гормонов) и приводить как к активации, так и к ингибированию ферментов. В этом случае метаболизм клетки изменяется таким образом, чтобы соответствовать в большей мере потребностям организма, чем потребностям самой клетки. Ковалентная модификация, обычно осуществляемая путем фосфорилирования, катализируется протеинкиназами. Соответствующие им фосфатазы дефосфорилируют фермент и, следовательно, отменяют результаты фосфорилирования. Количество фосфорилированных форм фермента зависит от соотношения активностей киназы и фосфатазы.
• Индукция или репрессия синтеза ферментов приводит к изменению количества ферментов и, значит, скорости метаболизма. Подобным способом обеспечиваются долговременные, адаптивные изменения метаболизма. Индукция и репрессия синтеза ферментов могут происходить в клетках в результате влияния на них некоторых гормонов.

Поиск по сайту: