Изменение концентрации метаболитов

Важным условием, обеспечивающим высокую скорость того или иного метаболического пути, является концентрация субстратов. Она может зависеть от интенсивности протекания других процессов, в которых также расходуются эти субстраты (конкуренция), или скорости транспорта данных веществ через мембраны (плазматическую или органелл). Кроме того, скорость метаболических процессов определяется концентрацией кофакторов. Например, гликолиз и ЦТК регулируются доступностью АDР на уровне изменения активности ключевых аллостерических ферментов.

У эукариотических клеток важную роль в регуляции и интеграции клеточного обмена играет компартментализация, т.е. разграничение метаболизма в пространственно разделенных мембраной участках клетки (компартментах). Избирательная проницаемость мембран определяет судьбу ряда метаболитов. Скорость трансмембранного переноса веществ, их взаимодействие с мембраной служат сигналом изменения состояния клетки, направленности в ней метаболических путей (табл. 28.1).

Таблица 28.1

Компартментализация основных метаболических

процессов в эукариотической клетке

Компартмент	Метаболический путь
Цитозоль	Гликолиз Пентозофосфатный путь Синтез жирных кислот Синтез триацилглицеролов Синтез нуклеозидтрифосфатов
Матрикс митохондрий	Окислительное декарбоксилирование пирувата Цикл лимонной кислоты β-окисление жирных кислот Синтез кетоновых тел Окислительное фосфорилирование
Два компартмента – цитозоль и матрикс митохондрий	Глюконеогенез Синтез мочевины Синтез гема

Мембранная регуляция

Важнейшими функциями мембраны являются: барьерная, транспортная, осмотическая, электрическая, структурная, энергетическиеая, биосинтетическиеая, рецепторно-регуляторная и др. Такое многообразие функций мембраны возможно в силу ее мобильной структуры.

Мембраны формируются из двойного слоя фосфолипидов с некоторым количеством других липидов (галактолипидов, стеринов, жирных кислот и др.). Основную роль в их формировании играют гидрофобные связи (липид-липид, липид-белок, белок-белок). В состав мембран входят хемо-, фото- и механорецепторы белковой природы, чувствительные к действию химических и физических факторов. Эти рецепторы воспринимают сигналы, поступающие из внешней и внутренней среды, обеспечивая адаптивные ответы клеток на изменения условий существования. Составные компоненты мембран синтезируются под контролем генного аппарата и, в свою очередь, контролируют его работу.

В основе мембранной регуляции лежит неравновесное состояние, поддерживаемое в каждой клетке на определенном стационарном уровне благодаря работе ионных насосов (помп). Примером может служить влияние мембранной регуляции на изменение концентрации внутриклеточного Са²⁺. Его концентрация в цитоплазме поддерживается на очень низком уровне (10^-7 М). Повышение концентрации кальция до 10^-6 М влияет на активность Са²⁺-зависимых протеинкиназ, фосфорилирующих белки, состояние цитоскелета, сократительную активность актомиозинового комплекса цитоплазмы, секреторную и митотическую активность и др. Эти процессы кальций регулирует, связываясь с кальмодулином и другими кальцийсвязывающими белками.

Таким образом, совокупность реакций, составляющих обмен веществ, в живом организме строго скоординирована и приспособлена к его потребностям. Эти потребности в значительной мере определяются составом среды, в которой находится данный организм. Кроме того, у высших организмов они зависят от сигналов, которые получает данная клеточная популяция либо непосредственно, либо опосредованным путем (через лимфу и кровь, нервную систему и др.). Регуляция метаболизма через изменение концентрации и активности ферментов характерна для всех клеток и реализуется с помощью разнообразных механизмов.

Как известно, активность ферментов зависит от физико-химических условий среды: концентрации субстрата и конечных продуктов реакции, значений рН, ионной силы, окислительно-восстановительного потенциала, изменений содержания коферментов (NAD, NADP и др.) и кофакторов (ионов металлов). В процессе фосфорилирования протеинкиназами или дефосфорилировании фосфатазами, при ацетилировании, метилировании происходит модификация ферментов и изменение их активности.

Ферментативная активность регулируется также в процессе связывания и освобождения ферментов мембранами, блокирования специфическими белковыми ингибиторами и в результате их распада. Оперативный способ изменения активности ферментов – аллостерическая регуляция, которая осуществляется специфическими эффекторами ‒ активаторами или ингибиторами, в качестве которых могут выступать трофические факторы, промежуточные метаболиты, гормоны и другие, физиологически активные вещества.