Глава 27. Регуляция и интеграция процессов обмена веществ

Основные принципы регуляции биохимических процессов

Метаболические процессы (катаболизм и анаболизм) в клетке могут протекать с различной скоростью. Скорость катаболизма регулируется потребностью клетки в энергии в данный момент. Для получения энергии клетка перерабатывает такое количество органических веществ, которое необходимо для удовлетворения потребности в энергии, связанной с выполняемой функцией. Скорость анаболизма определяется нуждами клетки в определенных метаболитах.

Регуляция метаболических процессов может осуществляться на разных уровнях. Простейший путь регуляции — это влияние на скорость ферментативной реакции различных компонентов реагирующей системы: внутриклеточной концентрации субстратов, коферментов, ионов металлов, значения рН. Каждый фермент в мультиферментной системе характеризуется определенным оптимумом рН, сродством к определенному субстрату, продукту, коферменту или активатору. Второй путь регуляции сложных метаболических процессов основан на действии регуляторных ферментов, которые, как правило, локализованы в начале мультиферментной системы. Действие большинства этих ферментов, называемых регуляторными, или аллостерическими, ингибируются конечным продуктом системы. Регуляция метаболических процессов с участием аллостерических ферментов называется ретроингибированием, или ингибированием по типу обратной связи. Например, активность гликогенсинтетазы, катализирующей синтез гликогена из глюкозо-1-фосфата, регулируется глюкозо-б-фосфатом. Присоединяясь к аллостерическому центру гликогенсинтетазы, глюкозо-6-фосфат активирует фермент и тем самым подает сигнал, что в клетке накопилось избыточное количество глюкозы и ее необходимо депонировать в виде гликогена.

Третий, наиболее сложный уровень регуляции — генетический контроль, определяющий скорость синтеза ферментов.

Проблема регуляции синтеза ферментов на уровне генетического контроля изучена пока недостаточно. В настоящее время существуют лишь гипотезы по этому вопросу. Согласно гипотезе, предложенной французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно, одним из механизмов регуляции биосинтеза ферментов является репрессия, т.е. торможение их синтеза.

Информационные РНК, принимающие участие в биосинтезе ферментов, синтезируются на цистронах ДНК, расположенных друг возле друга. Существует предположение, что в цепи ДНК рядом с цистро-нами существует еще один участок (своего рода цистрон), который называют оператором. Характерной особенностью этого участка является чувствительность к различным влияниям. Систему из нескольких цистронов называют опероном. Предполагают, что существует вещество белковой природы — репрессор, которое синтезируется под влиянием гена-регулятора. Последний представляет собой участок той самой молекулы ДНК, на котором осуществляется синтез иРНК. Существует мнение, что репрессор находится в неактивном состоянии и может активироваться рядом продуктов ферментативных реакций. Не исключено также, что существуют специфические низкомолекулярные вещества, которые могут играть роль химических регуляторов. Под влиянием этих веществ репрессор активируется и в свою очередь тормозит функцию оператора. В результате этого на цистроне ДНК задерживается синтез иРНК, а следовательно, и биосинтез ферментов.

Наряду с репрессией существует так называемая индукция, т.е. усиление биосинтеза ферментов. Репрессия и индукция тесно связаны между собой. Снятие репрессии является в то же время индукцией. Оно может происходить под влиянием гормонов, лекарственных препаратов и других веществ. Считают, что эти вещества, взаимодействуя с репрессором, отщепляют его от молекулы ДНК и тем самым снимают репрессию. В результате этого снова начинается синтез иРНК и, следовательно, усиливается биосинтез ферментов.

Таким образом, репрессия и индукция обеспечивают необходимую скорость синтеза ферментов, а вместе с тем и скорость биохимических процессов в клетке.

Взаимосвязь и регуляция обмена веществ

Единство обмена веществ в организме. В живых тканях организма, в его отдельных клетках все обменные процессы теснейшим образом связаны друг с другом, зависят один от другого и протекают как единый многосторонний процесс. Даже первый этап обмена — переваривание пищи — представляет собой одновременно протекающие реакции расщепления белков, жиров и углеводов в пищевом канале.

В живом организме происходят взаимопревращения углеводов, жиров и белков. Это проявляется в том, что из углеводов пищи образуются и откладываются жиры, а при их недостатке нарушается обмен жиров и увеличивается потребность организма в белках.

Взаимосвязь между обменом белков, жиров и углеводов возникает на основе общности веществ, образующихся при их распаде, а также на основе энергетической зависимости. Так, энергия, выделяющаяся при расщеплении одних соединений, используется клеткой для синтеза других.

Нельзя провести также четкой грани между органическими и минеральными веществами. Примером может служить метаболизм фосфора, который связывает в единое целое процессы белкового, углеводного, липидного, минерального и энергетического обменов в организме. Это же можно сказать и о сере, железе, магнии, цинке и других элементах. Таким образом, минеральный обмен представляет собой одно из звеньев общего обмена веществ в организме.

На первых этапах обмен белков, жиров и углеводов осуществляется разными путями. Однако в дальнейшем образуются одинаковые или близкие по строению и свойствам вещества, которые окисляются до углекислого газа и воды одинаковыми путями. Среди этих путей наибольшее значение имеет цикл трикарбоновых кислот, посредством которого осуществляется основная связь между превращением белков, жиров и углеводов.

В цикле трикарбоновых кислот происходит окисление веществ, образовавшихся на первых этапах обмена, до конечных продуктов, а также образование различных соединений, которые используются для многих процессов биосинтеза.

Связь между обменом углеводов и жиров. Давно известно, что у людей, потребляющих большие количества углеводов, увеличивается отложение жиров. На основании вышеизложенного механизм образования жиров из углеводов можно представить следующим образом. Образование глицерина, являющегося составной частью молекулы жира, происходит при восстановлении диоксиацетонфосфата, который образуется из углеводов. В результате реакции восстановления образуется глицеринфосфорная кислота, которая легко вступает в реакции с активными формами высших жирных кислот с образованием молекулы жира.

Биосинтез высших жирных кислот осуществляется из ацетил-КоА (активной формы уксусной кислоты), которая также является промежуточным продуктом обмена углеводов. Наконец, источником атомов водорода, необходимых для образования высших жирных кислот из ацетил-КоА, также являются углеводы.

Таким образом, основными соединениями, участвующими в биосинтезе жиров, являются промежуточные продукты обмена углеводов. Необходимо подчеркнуть, что в обмене как углеводов, так и жиров общим продуктом является ацетил-КоА, образующийся при окислительном декарбоксилировании пировиноградной кислоты и при расщеплении высших жирных кислот. Поэтому из ацетил-КоА могут синтезироваться не только жиры, но и углеводы. Однако превращение жиров в углеводы в организме человека происходит в очень незначительной степени. Этот процесс наблюдается у животных, впадающих в зимнюю спячку. В организме таких животных перед спячкой, в осенний период, откладывается много жира, который затем постепенно превращается в гликоген.

Связь между обменом углеводов и белков. В процессе расщепления углеводов в тканях организма в качестве промежуточного продукта образуется пировиноградная кислота, которая через ряд превращений образует щавелево-уксусную и α-кетоглутаровую кислоты. Эти три α-кетокислоты в результате реакций переаминирования дают соответствующие α-аминокислоты: аланин, аспарагиновую и глутаминовую кислоты. Глутаминовая кислота может выступать донатором аминогрупп для образования ряда других аминокислот (пролина, оксипро-лина, орнитина и др.). Другие аминокислоты (заменимые) также образуются из промежуточных продуктов углеводного обмена. Однако образование аминокислот в организме человека за счет углеводов происходит в ограниченных количествах и не имеет биологического значения.

С другой стороны, аминокислоты, образующиеся при расщеплении белков, путем дезаминирования превращаются в соответствующие кетокислоты и, в частности, в пировиноградную кислоту. Последняя является центральным промежуточным продуктом обмена углеводов. Таким образом, между обменом углеводов и белков также существует взаимосвязь, которая осуществляется через пировиноградную кислоту. На основании современных данных можно сделать вывод, что превращение белков в углеводы происходит главным образом через эту кислоту. Пировиноградная кислота образуется в результате дезаминирования серина, аланина и ряда других аминокислот.

Кроме того, углеводы могут образовываться из уксусной, янтарной и лимонной кислот, которые являются общими субстратами обмена белков и углеводов, а также жиров.

Связь между обменом белков и жиров. При кормлении животных пищей, богатой белками, в их организме наблюдается усиленное образование жира. Точный механизм этого процесса не установлен. По этому вопросу существует лишь предположение, что из продуктов обмена белков образуются сначала углеводы, а затем из них — жиры.

Образование белков из жиров, как и из углеводов, в организме человека может происходить в очень ограниченных количествах, поскольку основным источником азотсодержащих соединений в нем являются белки. Для биосинтеза аминокислот из кетокислот необходим аммиак, который освобождается почти исключительно при обмене белков. Кроме того, из жиров образуется очень мало пировиноградной и α-кетоглутаровой кислот. Последнее обстоятельство также является причиной того, что жиры не могут играть существенной роли в образовании белков.

Взаимосвязь основных звеньев обмена белков, углеводов и жиров можно изобразить схемой (см. с. 327).