 |
Пути обмена веществ и его регуляция
|
|
|
|
Обмен веществ и энергии - основа жизнедеятельности и неотъемлемое свойство живых организмов Он представляет собой совокупность процессов превращения веществ и энергии, происходящих между организмом и внешней средой и в самих живых организмах В процессе обмена поступившие в организм вещества путем химических изменений превращаются в собственные вещества тканей и в конечные продуты, которые выводятся из организма При этих химических превращениях освобождается и поглощается энергия Обмен веществ, или метаболизм - представляет собой высокоинтегрированный и целенаправленный процесс, в котором участвует огромное количество ферментных систем и который обеспечен сложнейшей регуляцией происходящих изменений на разных уровнях.
Промежуточный обмен веществ Совокупность химических превращений веществ, которые происходят в организме, начиная от поступления переваренных пищевых веществ в кровь и до выделения конечных продуктов из организма, обозначают как промежуточный (или межуточный) обмен Эти превращения представлены двумя взаимосвязанными сторонами единого процесса - катаболизмом и анаболизмом Катаболизм - ферментативное расщепление крупных органических мопекул, которое, как правило, осуществляется окислительным путем. В результате катаболизма освобождается энергия, которая накапливается в форме энергии фосфатных связей АТФ Анаболизм - ферментативный синтез крупномолекулярных соединений (белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот, липидов и некоторых их предшественников) из более простых соединений Анаболизм протекает с потреблением энергии. Процессы катаболизма и анаболизма неразрывно связаны друг с другом и в них тесно переплетены процессы превращения энергии.
|
|
|
В процессе катаболизма можно выделить три стадии. На первой стадии крупные органические молекулы распадаются на более мелкие специфические структурные блоки Так, полисахариды расщепляются до гексоз или пентоз, белки - до аминокислот, липиды - до жирных кислот и т.д. Все зти реакции протекают в основном гидролитическим путем и с небольшим выделением энергии - около 1%. На второй стадии катаболизма образуются более простые соединения, которые являются общими для обмена различных веществ. На этой стадии взаимодействуют разные пути метаболизма. К таким соединениям можно отнести, например, пи- руват, образующийся при распаде углеводов, липидов и многих аминокислот; аце- тил-КоА, объединяющий обмен жирных кислот, углеводов и ряда аминокислот; а-кетоглутарат, оксалоацетат, сукцинат, фумарат, образующихся из различных аминокислот и др.
Образовавшиеся на второй стадии продукты обмена вступают в третью стадию катаболизма - цикла лимонной кислоты (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот). Это конечная (терминальная) стадия катаболизма, результатом которой является образование конечных продуктов - углекислого газа и воды. Во второй и третьей стадиях катаболизма практически освобождается и вся энергия.
Одновременно с процессом катаболизма протекает и процесс анаболизма, в котором можно выделить также стадии Исходными продуктами для первой стадии анаболизма являются вещества, которые образовались на второй стадии катаболизма. Ферментативные реакции, протекающие на этой стадии, с одной стороны, как бы завершают этап катаболизма, а с другой - служат необходимым этапом начала анаболических процессов, в которых используются соединения-предшественники для последующих стадий анаболизма. Таким путем начинается синтез белка. Исходной реакцией для этого служит образование некоторых а-кетокис- лот. Далее, на второй стадии, в ходе реакций аминирования или трансаминиро- вания а-кетокислоты превращаются в аминокислоты, которые на третьей стадии анаболизма объединяются в полипе- тидные цепи. В результате ряда последовательных стадий осуществляется также синтез липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов. Катаболические и анаболические пути, несмотря на тесную связь, отличаются особенностями энергозатрат и локализацией протекания процессов. Так, например, окисление жирных кислот до ацетата протекает с помощью ферментов, локализованных в митохондриях, в то время как синтез жирных кислот катализирует система энзимов, расположенных в цитозоле. Именно благодаря разной локализации катаболические и анаболические процессы в клетке могут протекать одновременно.
|
|
|
Регуляция обмена веществ и энергии
Клеточный метаболизм характеризуется высокой устойчивостью и в то же время значительной изменчивостью. Эти свойства обеспечивают постоянное приспособление клеток и организма в целом к меняющимся условиям среды. Высокие экономичность и гибкость метаболизма возможны лишь при наличии достаточно тонких механизмов его регуляции.
Регуляция метаболических процессов осуществляется на разных уровнях постепенно возрастающей сложности [4] Простейший путь регуляции затрагивает все основные параметры, влияющие на скорость ферментативных реакций. К ним относятся рН среды, концентрация коферментов, субстрата, продукта реакции, наличие активаторов и ингибиторов и др. Влияние на каждый из этих параметров может изменить скорость и направленность реакции. Так, накопление кислых продуктов может сдвинуть рН среды за пределы оптимума для данного фермента и затормозить процесс. Нередко ингибитором реакции становится сам субстрат, и при его большом количестве биохимическая реакция тормозится или прекращается.
Следующий уровень регуляции метаболизма касается мультиферментных реакций, которые представляют собой строгую последовательность превращений и катализируются целой системой ферментов. В такой системе существуют ре- гуляторные ферменты, расположенные обычно в начальных цепях реакций. Они, как правило, подавляются продуктами конечной реакции и при накоплении метаболических продуктов до определенной концентрации прекращается их дальнейшее образование (способ регуляции по типу обратной связи). Однако нередко специфические модуляторы не тормозят скорость реакции, а, наоборот, ускоряют ее протекание. Некоторые ферменты поливалентны, то есть на них могут оказывать влияние не один, а несколько ингибиторов или активаторов, являющихся продуктами разнообразных метаболических процессов. Такое влияние (аллостерическое воздействие) может довольно быстро изменить активность фермента (срочный тип регуляции).
|
|
|
Третий уровень регуляции связан с генетическим контролем, определяющим скорость синтеза ферментов, которая может значительно варьировать. Химические сигналы могут влиять на скорость транскрипции ДНК и, в зависимости от характера влияния, могут индуцировать транскрипцию или вызывать ее подавление. Регуляция на уровне генов может оказать многостороннее влияние на свойства фврмента (увеличить его синтез, изменить конфигурацию, изменить распределение изоформ, влиять на каталитическую способность и др.). Генетическая регуляция отличается высокой специфичностью, экономичностью и обеспечивает широкие возможности для контроля метаболизма.
Организм человека представляет собой целесообразно функционирующую живую
Углеводы
Гликоген
Глюкозо-6-фосфат —Тризофосфат п*
—Пи|уеат
Ацетил-КоА ♦
Оксалоацетат
■ Цитрат- а-кетог
-Глутамат-
глутарат t
Липиды
Триглицериды
кислоты а-глицерофосфат ■
Глюкоза
Жирные
Лактат •<-
Ацетил-КоА-
Ацетоацетат -<- ♦
Стерины
НАД. Н
АТФ Мочевина Орнитин -
Арйгинин —
Белки
/ /
Полипептиды
Серии Глицин -Аланин
Аспартат-з
NH3 С02
[итруллин
Рис 1 8 Взаимосвязь липидов, углеводов и белков в процессвх обмена веществ.
систему Клетки, дифференцированные для выполнения специфических биохимических и физиологических функций, взаимодействуют друг с другом, образуя ткани, которые, в свою очередь, структурно организованы в виде органов. Такая организация обеспечивает рациональное разделение функциональной активности, но требует участия тонких механизмов, обеспечивающих координацию работы различных органов и тканей для функционирования организма как целого.
|
|
|
В качестве координаторов выступают, главным образом, три важнейшие системы'
• нервная система - центральный орган переработки информации - воспринимает импульсы, отражающие воздействия на организм изменяющихся условий среды (недостаточность кислорода, голод, жажда, боль и т.д.), а затем передает соответствующие команды другим органам с целью адаптации организма к изменениям среды;
• эндокринная система - система генерации и хранения химических передатчиков, оказывающих разнообразные воздействия на рост, размножение и развитие, а также другие функции организма;
• сосудиствя система, обеспечивающая перенос всех химических соединений (кислород, органические питательные вещества, минеральные компоненты и др.) из внешней среды к клеткам, расположенным в глубине органов и тканей, перенос строительных материалов, энергоносителей, а также выведение из организма конечных продуктов обмена.
В норме эти три системы постоянно взаимодействуют, дополняя друг друга.
Существуют тесные взаимосвязи между превращениями различных соединений - белков, лилидов, углеводов - с помощью различных путей (рис. 1.8).
Образующиеся метаболиты могут служить базой для энергетического обеспечения или выводиться из организма. Важнейшую роль в установлении равновесия процессов обмена играет соотношение между поступлением в организм каждого из соединений и активностью реакций его потребления.
Для биосинтеза разнообразных простых и сложных органических соединений или макромолекул, обеспечения анаболизма требуется энергия. В качестве общих источников энергии выступает либо АТФ, обеспечивающий энергию фосфори- лирования, либо НАД Н2 или НАДФ Нг, поставляющие восстановительную энергию Следовательно, если в клетке осуществляется преимущественно синтез определенного класса соединений, это должно происходить за счет катаболизма другого вещества.
Общим конечным путем для всех систем метаболизма является, безусловно, цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты. Эти протекающие в митохондриях процессы используются для координации целого ряда метаболических реакций на различных уровнях. Цикл Кребса является главным источником двуокиси углерода для (1) реакций карбокислирования, с которых начинаются синтез жирных кислот и глю- конеогенез, (2) цикла образования мочевины и некоторых звеньев пуриновых и пиримидиновых колец кислот. Взаимосвязь между процессами углеводного и азотистого метаболизма достигается за счет промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты (а-кетоглутарат и глута- мат, оксалоацетат и аспартат, сукцинат и гем). Участие аспартата в цепи метаболических реакций - от цитруллина до аргинина и в образовании фумарата обеспечивает непосредственную связь между участком цикла Кребса - от фумарата до оксалоацетата и цикла мочевины. Цикл лимонной кислоты тесно связан с процессами липогенеза.
|
|
|
В организме различные ткани могут выполнять и различные метаболические функции. Например, в эритроцитах происходит только анаэробный катаболизм глюкозы, в то время как гепатоциты участвуют в процессах анаболизма, катаболизма, во взаимопревращениях липидов, углеводов и белков, а также выполняют другие метаболические функции Процессы обмена липидов в печени и жировой ткани тесно связаны между собой, так же как и непосредственные взаимосвязи между процессами обмена веществ в мышечной и печеночной тканях на нескольких уровнях. Так, нервная ткань целиком зависит от бесперебойного обеспечения печенью доставки глюкозы В процессах катаболизма глюкозы вырабатывается энергия, необходимая для активного переноса ионов, участвующих в процессах возбуждения, образуются ацетил-КоА для синтеза липидов, а также соединения для образования углеродных цепей глутамата, ГАМК и других аминокислот В растущем детском организме анаболическое действие гормона роста - полипептида, образующегося в гипофизе, реализуется путем стимуляции биосинтеза РНК и белка практически во всех клетках. Накопление азотистых соединений в организме сопровождается усиленным поглощением аминокислот из циркулирующей крови Инсулин
Литература
1 Бочков Н П Клиническая генетика М Гэотар- Мед, 2001,448
2 Гинтер Е К Медицинская генетика М Медицина, 2003,448
3 Горбунова В Н, Баранов В С Введение в молекулярную диагностику и генотералию наследственных заболеваний СПб Спец литература 1997, 287
стимулирует поглощение аминокислот и глюкозы тканями и, кроме того, способствует усиленному использованию глюкозы для синтеза гликогена, липогенеза и гликолиза Секретируемый щитовидной железой тироксин стимулирует рост и дифференцировку тканей. Такое действие проявляется, главным образом, в усилении синтеза белка и особенно в усилении образования митохондриапьных окислительных ферментов Многие гормоны катаболической направленности (глюкагон, норадреналин, кортизол и др) участвуют в регуляции процессов, обеспечивающих возмещение повышенных затрат энергии при состояниях стресса или алиментарной недостаточности
Таким образом, в организме человека осуществляется многоуровневый характер регуляции метаболических процессов - на молекулярном, клеточном, органном, тканевом и на уровне целостного организма Повреждение механизмов, которые в норме регулируют скорость их протекания, может приводить к нарушению обмена веществ
4 Berg J, Tymoczko J L Stryer L Biochemistry NY Freeman W N & Co, 2002 part 4
5 Griffiths A J F Gelbrart WM. Miller JH, Lewontin R С Modern genetic analysis NY W H Freeman and Company, 2000,23-51
6 Human Molecular Genetics Eds TStrachan A P Read 2nd ed Oxford UK BIOS Scientific Publishers Ltd 1999 465
На современном этапе прогресс педиатрической науки и практического здравоохранения в значительной степени зависит от реализации методов молекулярной, биохимической и клинической генетики. Использование в диагностических целях новейших аналитических технологий, таких как хромато-масс-спектрометрия, газожидкостная и высокоэффективная жидкостная хроматография, молекулярно-генетиче- ские, цитогенетические и молекулярно-ци- тогенетические исследования, позволило идентифицировать много новых болезней человека, этиология которых оставалась неясной и которые скрывались под маской разного рода синдромов и симптомокомп- лексов [1-3]. Ярким свидетельством прогрессирующей расшифровки неясных патологических состояний является постоянно возрастающее число нозологических форм и наследственных признаков, включаемых в каталог Mendelian Inheritance in Man («Менделевское наследование у человека»), составленный V McKusick OMIM* [4]. Так, если первое издание каталога (1966) насчитывало 1487 синдромов и признаков, то на конец марта 2004 г. количество наследственных фенотипов насчитывало 15 195, в том числе: аутосомных - 14 239, Х-сцепленных - 848, Y-сцепленных - 48 и митохондриальных - 60.
"OMIM - On-line Mendelian Inheritance in Man - база данных человеческих генов и генетических болезней, созданная V A McKusick) с коллегами в Центре медицинской генетики (США).
Исследования показали, что в генезе задержки нервно-психического развития детей, которая ранее нередко связывалась с родовой травмой, нейроинфекциями, существенная роль принадлежит хромосомным аномалиям. Теперь известно также более 200 рецессивных мутантных генов и около 220 генов, сцепленных с хромосомой X, ответственных за нарушение нервно-психического развития детей.
Полноценное функционирование генетической программы у каждого человека - это залог здоровья населения. Генные мутации ведут к утрате здоровья, уродствам, снижению функций нервной системы, иммунодефициту, злокачественным новообразованиям, укорочению продолжительности жизни.
ГЛАВА 2.
|
|
|
