Регуляция обмена веществ и энергии

Клеточный метаболизм характеризуется высокой устойчивостью и в тоже время значительной изменчивостью. Оба эти свойства обеспечивают постоянное приспособление клеток и организмов к меняющимся условиям окружающей и внутренней среды. Так скорость катаболизма в клетке определяется потребность клетки в энергии в каждый данный момент. Точно так же скорость биосинтеза клеточных компонентов определяется нуждами данного момента. Клетка, например, синтезирует аминокислоты именно с той скоростью, которая достаточно, для того чтобы обеспечить возможность образования минимального количества необходимого ей белка. Такая экономичность и гибкость метаболизма возможно лишь при наличии достаточно тонких и чутких механизмов его регулирования. Регуляция обмена веществ осуществляется на разных уровнях постепенно возрастающей сложности.

Простейший тип регуляции затрагивает все основные параметры, влияющие на скорость ферментативных реакций. Например, преобладание кислотной или щелочной среды в тканях (рН-среда). Накопление кислотных продуктов реакции может сдвинуть рН-среду за пределы оптимального состояния для данного фермента и таким образом затормозить процесс.

Следующий уровень регуляции сложных метаболических процессов касается концентрации необходимых веществ в клетке. Если концентрация, какого ни будь необходимого вещества, в клетке на достаточном уровне то синтез этого вещества прекращается до того момента, когда концентрация снизится ниже определённого уровня. Таким образом, поддерживается определённый химический состав клетки.

Третий уровень регуляции - это генетический контроль, определяющий скорость синтеза ферментов, которая может сильно варьироваться. Регуляция на уровне генов может привести к увеличению или уменьшению концентрации тех или иных ферментов, к изменению типов ферментов, может происходить индукция или репрессия одновременно целой группы ферментов. Генетическая регуляция отличается высокой специфичностью, экономичностью и обеспечивает широкие возможности для контроля обмена веществ. Однако в подавляющем большинстве активация генов, процесс медленный. Обычно время, необходимое, для того чтобы индуктор или репрессор мог заметно повлиять на концентрацию ферментов, измеряется часами. Поэтому данная форма регуляции непригодна для срочных случаев.

У высших животных и у человека существует ещё два уровня, два механизма регуляции обмена веществ и энергии, которые отличаются тем, что связывают между собой метаболизм, совершающийся в разных органах и тканях, и таким образом направляют и приспосабливают его для выполнения функций, присущих не отдельным клеткам, а всему организму в целом. Таким механизмом, прежде всего, является эндокринная система. Гормоны вырабатываются эндокринными железами и служат для стимуляции или подавления определённых метаболических процессов в других тканях или органах. Например, когда поджелудочная железа начинает вырабатывать меньше инсулина, в клетки поступает меньше глюкозы, а это в свою очередь ведёт к изменению ряда процессов участвующих в обмене веществ.

Самым высшим уровнем регуляции, наиболее совершенной её формой, является нервная регуляция. Нервная система, в частности её центральные отделы, выполняют в организме высшие интегративные функции. Получая сигналы из окружающей среды, и от внутренних органов центральная нервная система преобразует их и направляет импульсы к тем органам изменения скорости обмена веществ, в которых необходимо в данный момент для выполнения определённой функции. Чаще всего свою регулирующую роль нервная система осуществляет через эндокринные железы, усиливая или подавляя поступление гормонов в кровь. Хорошо известно влияние эмоций на метаболизм, например предстартовое повышение показателей обмена веществ и энергии у спортсменов. Во всех случаях регулирующим действием нервной системы на обмен веществ и энергии весьма целесообразно и всегда направленно на наиболее эффективное приспособление организма к изменяющимся условиям.