Регуляция обмена

В клетках существуют механизмы переключения использования отдельных энергети­ческих субстратов и быстрой мобилизации одних со­единений для восстановления других. Такие адапта­ционные изменения в обмене веществ возможны бла­годаря наличию трех координирующих факторов:

• взаимопревращения углеводов, жиров и белков;

• интеграции между отдельными звеньями обмена;

• наличия нескольких систем регуляции обмена веществ.

Скорость обмена веществ в организме человека определяется наслед­ственными факторами и регулируется разными регуляторными системами. Выделяют три основные системы регуляции обмена веществ: внутрикле­точную (авторегуляция), гормональную и нервную. Под их воз­действием изменяется количество и активность ферментов, коферментов, субстратов, что обеспечивает необходимую скорость и направленность биохимических процессов. Эти системы управляют механизмами общей адаптации организма к физическим нагрузкам и другим воздействиям, а также адаптивной перестройкой метаболизма при систематическом воз­действии физических нагрузок (тренировке).

Обмен веществ на клеточном и субклеточном уровнях регулируется преж­де всего путем изменения активности имеющихся в клетках ферментов или изменения их количества.

На активность ферментов могут влиять многие факторы, в частности концентрация субстрата и кофермента, наличие активаторов и ингибиторов, величина рН среды, темпе­ратура, водная среда, состояние биологических мембран, химическая модификация структуры фермента и др. Наиболее простым регуляторным воздействием является кон­центрация субстрата и кофермента.

Быстрой и "тонкой" регуляцией является так называемая аллостерическая регуляция активности фермента посредством веществ, воздей­ствующих на аллостерический центр фермента и изменяющих их конформацию. Как правило, такой фермент расположен в начале метаболи­ческого пути. Однако он может ингибироваться конечным продуктом дан­ного обмена при его накоплении или несколькими метаболитами — его аллостерическими регуляторами. Примером может служить ключевой фермент гликолиза — фосфофруктокиназа (ФФК), имеющий около 10 аллостерических регуляторов, от взаимодействия с которыми изменяется его активность.

Одним из распространенных способов регуляции активности фермен­тов являются модификации молекул ферментного белка путем фосфори­лирования — дефосфорилирования, протеолизного отщепления части белка либо другими воздействиями.

Рассмотренные механизмы регуляции активности ферментов способ­ны изменять скорость обменных процессов очень быстро — в течение нес­кольких секунд или минут и относятся к механизмам срочной регуляции метаболизма. Они активируют энергетические и другие процессы при мы­шечной деятельности.

Регуляция синтеза ферментов. В живых клетках на уровне гене­тического аппарата запрограммировано относительное постоянство количества белков, в том числе так называемых конституционных фер­ментов. Однако при изменении питания, длительном голодании, спор­тивных тренировках количество отдельных белков изменяется. Существу­ет адаптивный контроль биосинтеза белка на уровне отдельных генов, вызывающий индукцию (усиление) или репрессию (уменьшение) скорос­ти синтеза РНК. Индукторами или репрессорами могут быть субстраты ферментов либо продукты данной реакции. Индукция синтеза опреде­ленного фермента приводит к его накоплению при увеличении концен­трации его субстрата либо при необходимости усиления скорости его обмена. Репрессия происходит в случаях, когда отсутствует субстрат и фермент уже не нужен или когда клетка экономит свои энергетические ресурсы. Регуляция синтеза ферментов на уровне генетического аппарата клет­ки может привести к увеличению или уменьшению количества фермента, изменению ферментного состава в клетке, появлению новых изоформ 'фермента. Такая регуляция осуществляется сравнительно медленно — от нескольких часов до нескольких дней и рассматривается как "грубая" ре­гуляция обмена веществ. Она играет основную роль в долговременной адаптации метаболизма организма к физическим нагрузкам.

На процессы биосинтеза ферментов на генетическом уровне, кроме субстратов, влияют многие метаболиты и гормоны. В индукции адаптив­ного синтеза белка при мышечной деятельности и тренировке большую роль играет дефицит АТФ и креатинфосфата, а также такие гормоны, как глюкокортикостероиды, тироксин, инсулин, соматотропин и андрогены, которым свойственно приспособительное анаболическое действие.

Нервная система обеспечивает регуляцию и интегра­цию многочисленных процессов в органах и тканях, создавая условия для нормального функционирования организма при воздействии различных внешних и внутренних факторов. При нарушении нервной регуляции (денервации) в контролируемом органе изменяется интенсивность и направ­ленность обмена веществ, что может вызвать патологические изменения его функции. При двигательной активности процесс сокращения скелетных мышц регулируется нервной системой. Ее регуляторное воздействие может про­являться 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;

• подключением различных типов мышечных волокон — быстрых или медленных, которые имеют свои механизмы энергообеспечения;

• изменением концентрации ионов в волокнах, которые активируют или ингибируют многие ферментные системы.

В процессе тренировочных занятий совершенствуется нервная регуля­ция в скелетных мышцах, сердце и других органах, что способствует бо­лее экономичной их работе. Нервные и гормональные сигналы могут усиливать, ослаблять или ви­доизменять эффекты друг друга.

Важную роль в интеграции обмена веществ и его адаптации при мышечной деятельности выполняют определенные органы и ткани. Почти все ткани снабжены ферментами, необходимыми для катаболизма углеводов, жиров и белков, а также для выработки энергии. Однако они обладают специфическими биохимическими процессами, влияющими на метаболизм в других тканях. В интеграции обмена бел­ков, жиров и углеводов играют важную роль печень, скелетные мышцы, сердце и мозг.

Роль скелетных мышц. Обмен веществ в скелетных мышцах направ­лен на выработку энергии для процессов сокращения и расслабления, ко­личество которой резко изменяется в зависимости от их активности. Ос­новными энергетическими субстратами мышц являются глюкоза, жирные кислоты и кетоновые тела. Глюкоза депонируется в виде гликогена, который способен быстро распадаться на глюкозо-6-фосфат и окисляться в процессе гликолиза . Глюкозо-6-фос-фат не может превращаться в свободную глюкозу и поступать в кровь, как это происходит в печени, из-за отсутствия фермента глюкозо-6-фосфатазы. Поэтому углеводы мышц используются только для собственных нужд.В покоящихся мышцах и при работе умеренной интенсивности энерге­тическими субстратами служат СЖК, кетоновые тела и глюкоза, которые поступают из печени в кровь и извлекаются мышцами. Окисляются они в аэробном процессе. При этом потребляется около 30 % поступающего в организм кислорода.

При интенсивной работе возрастает потребность в АТФ. Аэробные процессы не могут ее восполнить, хотя потребление кислорода мышцами увеличивается до 90 % поступающего в организм. Подключаются ана­эробные механизмы образования АТФ путем использования креатинфосфата и запасов гликогена. Мышечный гликоген поставляет энергию мышцам только гликолитическим путем. При этим образует­ся молочная кислота, которая частично окисляется в мышцах или выходит в кровь, доставляется в печень, где используется для новообразования глюкозы. Накопление молочной кислоты в мышцах снижает рН и эффек­тивность энергетических процессов. В мышцах глюкоза не синтезируется, а поступает из печени через кровоток и используется для восстановления запасов гликогена. При адаптации мышц к физическим нагрузкам в первую очередь по­вышается их энергетический потенциал, усиливаются процессы адаптив­ного синтеза белка, совершенствуются механизмы нервной и эндокринной регуляции метаболизма.

Роль сердечной мышцы. Сердечная мышца работает преимущес­твенно в аэробном режиме. Она содержит большое количество митохон­дрий, которые занимают около 40 % объема цитоплазмы. В качестве суб­стратов окисления используются жирные кислоты, кетоновые тела, пировиноградная и молочная кислоты, глюкоза. Гликоген сердечная мышца почти не депонирует. В связи с аэробным энергетическим обменом для сердечной мышцы обязательным является достаточное поступление кис­лорода. При гипоксических состояниях накапливаются недоокисленные продукты обмена, что может вызвать состояние ацидоза и нарушение сок­ратительной функции миокарда.

Роль мозга. Мозг составляет всего 2 % от массы тела взрослого че­ловека, но расходует в сутки более 400 ккал {1680 кДж) энергии, т. е. 20 % всей нормы. Процессы энергообразования в мозге протекают в аэробных условиях. Он поглощает более 20 % поступившего в организм кислорода. В качестве источника энергии мозг обычно использует только глюкозу. В состоянии относительного покоя организма около 90 % глюкозы крови поглощается мозгом. Запасами углеводов мозг не располагает, поэтому очень чувствителен к снижению уровня глюкозы в крови. Поступление глю­козы в нервные клетки не зависит от инсулина. При длительной физической работе или голо­дании мозг может адаптироваться к использованию кетоновых тел. В этом случае в мозге синтезируются ферменты, расщепляющие кетоновые тела. После трех дней голодания мозг обеспечивает около 30 % энергопотреб­ления за счет кетоновых тел, а после 40 дней голодания — уже 70 %. Окис­ляется в мозге преимущественно бета-гидроксибутират, который образу­ется в печени. В нервной ткани энергия АТФ используется для передачи нер­вного импульса по нейрону и в синапсах, а также для поддержания рабо­ты ионных каналов и синтеза нейропередатчиков.