ОБМІНУ РЕЧОВИН В ОРГАНІЗМІ "
ВЗАЄМОЗВ'ЯЗОК ОБМІНУ ВУГЛЕВОДІВ,
ЖИРІВ, БІЛКІВ
Взаємозв'язок обміну вуглеводів, жирів, білків проявляється в двох аспектах: а) в наявності єдиних проміжних продуктів обміну і б) під взаємоперетвореннях вуглеців, жирів, білків.
В обміні цих речовин можна виділити три основні стадії: 1) підготовчу, стадію універсалізації, 3) стадію окислення в циклі трикарбонових кислот.
У першій стадії представлені реакції гідролізу. Ді-і полісахариди перетворюються до моносахаридів або їх ефірів з фосфорною кислотою, жири розщеплюються на гліцерин і жирні кислоти, білки - на амінокислоти.
На стадії універсалізації з вуглеводів, гліцерину, жирних кислот, деяких амінокислот утворюється один і той самий продукт - КоА. Шляхи перетворення моносахаридів, гліцерину, жирних кислот в ацетил КоА достатньо добре розібрані в попередніх розділах курсу. Перетворення амінокислот в ацетил КоА проходить через стадію дезамінування і деякі інші перетворення. Наприклад, перетворення аланіну проходить через стадію утворення піровиноградної кислоти (ПВК):
Н-Н2 О-Н2
|-NH3 | |-CO2
CH3 - C - COOH ------------- CH3 - C - COOH ----------- ацетил КоА
| + Н2О + КоА
NH2
Перетворення інших амінокислот змикаються з перетвореннями жирів, білків, вуглеводів на третій стадії, стадії окислення ацетил КоА в циклі трикарбонових кислот. Так, глютамінова кислота в результаті дезамінування перетворюється на проміжний продукт циклу:
COOH COOH
|-H2 |
HC - NH2-NH3 C = O
| -------------------- |
(CH2) 2 + H2O (CH2) 2
| |
COOH COOH
глютамінова кислота - кетоглютаровая кислота
Аспарагінова кислота в результаті аналогічних перетворень утворює інший проміжний продукт ЦТКК - щавлево-оцтову кислоту:
COOH COOH
|-H2 |
HC - NH2-NH3 C = O
| -------------------- |
CH2 + H2O CH2
| |
COOH COOH
аспарагінова кислота щук
Таким чином, процеси розпаду жирів, білків, вуглеводів сходяться (в більшості своїй на стадії утворення ацетил КоА), утворюючи в подальшому єдиний метаболічний цикл (цикл трикарбонових кислот), що завершує їх перетворення. Цим досягається певна економія на різноманітності ферментів, на внутрішньоклітинних структурних утвореннях, що забезпечують локалізацію ферментних систем і процесів. Важливу значення така організація метаболізму має і для її регулювання.
Особливе значення взаємозв'язок жирів, білків, вуглеводів має для забезпечення їх взаємоперетворення. Більшість реакцій обміну речовин в організмі є оборотними, спрямування їх залежить від концентрації субстратів, продуктів та інших умов. Оборотними є і деякі етапи обміну речовин *. Оборотність окремих етапів обміну речовин і наявність єдиних проміжних продуктів обміну жирів, білків, вуглеводів і лежить в основі взаємоперетворення цих речовин. Так, поряд з розпадом глікогену в організмі може протікати процес його синтезу не тільки з глюкози і проміжних продуктів вуглеводного обміну (піровиноградної, молочної кислот), але і з проміжних продуктів жирового і білкового обміну.
Найбільш просто відбувається в організмі взаємоперетворення вуглеводів і жирів, хоча факт перетворення жирних кислот у вуглеводи в організмі людини експериментально не підтверджений, і його доцільність викликає сумнів. В умовах виснаження вуглеводних ресурсів організму жири починають енергійно використовуватися в якості джерела енергії. При цьому жирні кислоти або безпосередньо використовуються тканинами, або перетворюються в печінці в кетонові тіла, які надходять в кров і також утилізуються тканинами в якості енергетичного субстрату. З іншого продукту мобілізації жиру - гліцерину утворюється глюкоза, яка потрапляючи в кров, забезпечує енергетичною сировиною тканини, які віддають перевагу глюкозу іншим субстратів.
При надмірному надходженні в організм вуглеводів вони можуть перетворюватися на жири. При цьому гліцерин утворюється з проміжного продукту гліколізу-фосфогліцеринової альдегіду, а безпосереднім сировиною для синтезу р.к. є ацетил КоА, який утворюється при розпаді вуглеводів.
Значно складніше йде справа з утворенням амінокислот з продуктів вуглеводного і жирового обміну. Частина амінокислот організму взагалі не здатний утворювати з інших речовин, інші можуть бути синтезовані. Але для цього потрібно включити до їх складу аміногрупу. Джерелом аміногрупи можуть служити інші амінокислоти або вільний аміак, у свою чергу, утворюється при дізамінірованіі амінокислот. Т.ч. взаємозв'язок обміну вуглеводів, жирів, білків та їх взаємоперетворення має надзвичайно важливе значення для організму людини і тварин. Також це забезпечує можливість створення в організмі запасу енергетичних субстратів при будь-якому характері харчування. Наявність вуглеводних депо, можливість утворення вуглеводів із продуктів не вуглеводної природи відіграє надзвичайну роль в житті людини. Завдяки цьому забезпечується відносна постійність концентрації глюкози в крові і безперервне постачання нею тканин, що використовують глюкозу як основного енергетичного субстрату (мозкові тканини, нирки, еритроцити тощо).
Звичайно, взаємозв'язок обмінних процесів не вичерпується зв'язком між перетвореннями вуглеводів, жирів, білків. Перетворення в організмі вуглеводів, ліпідів, білків найтіснішим чином пов'язані з обміном мінеральних речовин. Останні можуть використовуватися для утворення складних білків, ліпідів, впливати на обмінні процеси, виступаючи в якості складових частин, активаторів або інгібіторів ферментів.
Великий вплив на стан обмінних процесів надає надходження і перетворення вітамінів, які, як і мінеральні речовини, можуть входити до складу ферментів, активувати їх діяльність, виконувати роль своєрідних каталізаторів.
Дуже важливе значення для обміну речовин має вода. Особливо болісно відбивається на протіканні обмінних процесів недолік води.
РЕГУЛЯЦІЯ ПРОЦЕСІВ ОБМІНУ
РЕЧОВИН В ОРГАНІЗМІ
Живий організм є надзвичайно складну систему, що складається з величезної кількості клітин (організм людини містить кілька сот трильйонів клітин), що є, у свою чергу, складними утвореннями. У кожну секунду в організмі відбуваються сотні різноманітних хімічних реакцій, самостійних і об'єднаних в процеси. Ці хімічні реакції і процеси становлять основу життєдіяльності живого організму. І вся ця складна система працює чітко і злагоджено, швидко і точно у відповідності з потребами реагує змінами обміну речовин на зовнішні впливи, зрушення у внутрішньому середовищі.
Поряд з механізмами активної регуляції обмінних процесів, організм характеризується низкою структурних особливостей та інших властивостей, що сприяють впорядкованості обмінних процесів, які полегшують здійснення регуляторних впливів. До їх числа можна віднести перш за все систему диференціювання клітин. Клітини одного органу, тканини мають однакову будову, один і той же набір
* "Зворотний" процес не обов'язково є точною копією "прямого" шляху, окремі його етапи можуть забезпечуватися зовсім іншими реакціями.
ферментів, їх оболонки проникні для одних і тих же речовин. Це забезпечує доставку надходять в організм молекул в ті клітини, де є ферменти для їх перетворень. Наявна в клітці система перегородок, канальців сприяє виборчому транспорту надходять у клітку молекул до місць локалізації ферментів, що забезпечують їх перетворення.
До факторів, що сприяють ефективної регуляції обміну речовин, можна віднести об'єднання окремих хімічних реакцій у процеси, що досягається відповідною локалізацією ферментів.
Ферменти, що каталізують послідовні реакції процесу, розташовуються в безпосередній близькості так, що продукт що продукт однієї ферментативної реакції відразу стає субстратом інший.
Існує думка, що в клітках є спеціальні "пристосування", що забезпечують передачу проміжних продуктів від одного ферменту до іншого.
Регуляція обміну речовин в організмі здійснюється нервовою та гормональної системами, а також системою автоматичного регулювання (саморегуляція).
Основний принцип регуляції обміну речовин в організмі зводиться до виборчого, який точно відповідає потребам організму зміни швидкості окремих хімічних реакцій, процесів, комплексів процесів.
Хоча цей принцип реалізується в організмі досить часто, в кінцевому підсумку різні механізми регуляції в переважній своїй більшості впливають на швидкість хімічних реакцій шляхом впливу на відповідні ферменти.
Нервова і гормональна системи, системи саморегуляції своє що регулює вплив на швидкість хімічних реакцій здійснюють переважно через:
1) доступність субстратів (концентрація реагуючих речовин);
2) зміна активності ферментів;
3) зміна кількості ферментів;
4) доступність кофакторів.
Одні з цих шляхів регулюючих впливів (доступність субстратів і кофакторів, зміна активності ферментів) можна віднести до механізмів термінової регуляції, здатним змінити швидкість обмінних процесів в організмі в лічені секунди або хвилини. Інші (зміна кількості ферментів) здійснюють свій регулюючий вплив порівняно повільно. Для прояву їх дії потрібно кілька годин або навіть днів.
ДОСТУПНІСТЬ САБСТРАТА ЯК
Регулюючий чинник
Концентрація субстратів впливає на швидкість реакції безпосередньо або шляхом впливу на активність ферментів. Зменшення концентрації субстрата приводить до зниження швидкості реакції. Коли фермент ще насичений субстратом, цей вплив проявляється виключно через вплив на активність ферментів. Помере зниження концентрації субстрату настає фаза, коли фермент перестає насичуватися субстратом. З цього моменту переважний вплив на швидкість реакції надає безпосередньо концентрація субстрату.
Аналогічним чином, але в протилежному напрямку впливає на швидкість хімічної реакції підвищення концентрації субстрату.
Регуляція концентрації субстрату може здійснюватися на етапі вступу його в клітку. Як регулятор проникності клітинної оболонки нерідко виступають гормони. Прикладом може слугувати один із шляхів впливу гормону інсуліну на швидкість синтезу глікогену в печінці. Інсулін, зокрема, підвищує проникність оболонок клітин печінки для глюкози, збільшуючи тим самим швидкість надходження глюкози в клітини, і створює передумови для більш енергійного синтезу глікогену.
У нормальних умовах життєдіяльності організму більшість ферментів, що беруть участь в проміжних реакціях метаболізму, не проявляє своєї максимальної активності через відсутність необхідної кількості субстратів реакцій. З огляду на це, у практиці спорту застосовуються впливу на швидкість аеробного окислення в період відновлення додатковим введенням проміжних продуктів циклу трикарбонових кислот: лимонної, янтарної, яблучної.
Слід, однак, зауважити, що відносна сталість складу внутрішнього середовища всього організму і окремих клітин у відношенні субстратів метаболічних шляхів дає підстави припускати, що регулювання за рахунок зміни доступності субстрату не може змінювати швидкість хімічних реакцій в широкому діапазоні. Мабуть, цей механізм як основний не надто поширений у вищих тварин. Однак при спортивній діяльності цей механізм регуляції може грати досить серйозну роль. Зниження вмісту енергетичних субстратів (креатин фосфату, глікогену) при роботі може стати однією з головних причин уповільнення швидкості ресинтезу АТФ і в кінцевому підсумку падіння працездатності. Безпосередньою причиною зниження інтенсивності і навіть припинення роботи є зниження концентрації АТФ в м'язових волокнах, в клітинах центральної нервової системи. АТФ є безпосереднім енергетичним субстратом багатьох енергоємних хімічних реакцій, що забезпечують формування рухового імпульсу, роботу кальцієвого насоса, взаємодія Актинові і міозінових ниток, що приводить до вкорочення м'язового волокна. Концентрація АТФ при її пониженні нижче критичного для клітини рівня виступає як головний фактор регуляції швидкості цих реакцій.
РЕГУЛЯЦІЯ ШВИДКОСТІ ХІМІЧНИХ РЕАКЦІЙ
ШЛЯХОМ ВПЛИВУ НА АКТИВНІСТЬ
ФЕРМЕНТОВ
Регулювання швидкості хімічних реакцій шляхом зміни активності ферментів є одним з найголовніших механізмів. Якщо за допомогою такого механізму регулюється швидкість хімічного процесу, то впливу піддається тільки один фермент так званий регуляторний. Як правило, це один з ферментів, що каталізує початкові реакції процесу. У разі розгалуження процесу регуляторним є фермент, що каталізує першу реакцію після розгалуження метаболічного шляху. Такий принцип регуляції запобігає накопиченню проміжних продуктів.
Активність регуляторного ферменту значно нижче активності інших ферментів, що володіють своєрідною надмірною активністю. Тому зміна швидкості регульованою таким ферментом реакції визначає швидкість всього процесу в цілому.
Даний механізм регулювання є одним з найбільш швидких і забезпечує зміну швидкості хімічної реакції в широкому діапазоні. Він характеризується високою точністю відповідної реакції.
Існує багато факторів, які можуть впливати на активність регуляторних ферментів. Вплив одного з них - концентрація субстрату - вже розбиралася в попередньому розділі.
Іншим фактором може бути концентрація продукту реакції (процесу). Високі концентрації продукту нерідко надають інгібуючий вплив на регуляторний фермент. Цей вплив може позначатися за механізмом зворотного зв'язку, тобто шляхом безпосереднього впливу продукту на фермент, або шляхом зміни рН внутрішнього середовища. Так, зокрема, впливає на швидкість гліколізу продукт цього процесу - молочна кислота. І в тому, і в іншому випадку досягається одне і те ж: запобігання накопичення продукту, запобігання різких змін у внутрішньому середовищі.
Є приклади, коли продукт реакції надає активуючий вплив на регуляторний фермент або сам виступає в ролі каталізатора, прискорюючи свою освіту. Так, один з попередників ферментів білкового травлення трипсиноген перетворюється у свою активну форму - трипсин під дією Ентерокиназа. Ентерокиназа володіє низькою активністю і порівняно повільно здійснює перетворення трипсиногена в трипсин. Однак утворюється в ході цієї реакції трипсин виступає не тільки як ферменту білкового травлення, а й впливає на трипсиноген, швидко завершуючи його перетворення в трипсин.
Такий механізм регуляції отримав назву-аутокаталіз. Він використовується там, де потрібно швидко здійснити повне перетворення субстрату в продукт.
Вплив на активність ферментів є одним з головних механізмів регулюючого впливу гормонів на обмін речовин. Так, наприклад, адреналін стимулює розщеплення глікогену в печінці, мобілізацію жиру в жирових депо шляхом впливу на активність відповідних ферментів.
РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ РЕЧОВИН ШЛЯХОМ
ЗМІНИ КІЛЬКОСТІ ФЕРМЕНТОВ
Це порівняно повільний механізм регуляції, для його прояву потрібні години або навіть дні. Однак він характеризується великими можливостями відповідної реакції. Він дозволяє організму змінювати відносні кількості і типи ферментів, що діють на будь-якій ділянці метаболічних шляхів в залежності від сигналів з навколишнього середовища. Кількість будь-якого ферменту може регулюватися на етапі його синтезу або розпаду. Регулювання на рівні синтезу має найбільше значення.
Речовини, які підвищують швидкість синтезу ферментів і тим самим збільшують їх кількість у клітці, називаються індукторами, які пригнічують синтез - репрессором.
Індукція і репресія синтезу ферментів здійснюється на рівні генетичного апарату клітини (ДНК або РНК) і полягає в активації або репресії відповідних генів, а також синтетичної активності рибосом. Регулювання на рівні генетичного апарату може привести:
1) до збільшення або зменшення кількості ферментів;
2) до зміни співвідношення типів наявних у клітці ферментів;
3) до зміни відносного вмісту в ній різних варіантів даного ферменту (ізоферментів), які, каталізує одну і ту ж реакцію, можуть відрізнятися за своїми каталітичним властивостям.
Таке регулюючий вплив на генну активність можуть надавати гормони, високі концентрації субстратів і продуктів метаболізму. Останні можуть діяти як безпосередньо, так і через зміну продукції відповідних гормонів, тобто шляхом впливу на залози внутрішньої секреції. Саме такий шлях регулюючого впливу на обмінні процеси лежить в основі біохімічної адаптації організму під впливом м'язової тренування.
РЕГУЛЯЦІЯ ОБМІНУ РЕЧОВИН
ЧЕРЕЗ ДОСТУПНІСТЬ Кофактори
Під кофактором розуміється речовина, присутність якого необхідно для прояву активності ферментів. У відсутності кофактора фермент не може виконувати своєї функції. Часто як кофактора виступають іони металів. Так, іон Са + + є кофактором ферменту м'язової тканини АТФ - ази.
Регулювання через доступність кофакторів є самим швидким механізмом. Саме через зміну доступності кофакторів здійснюється в більшості випадків швидкі нервові впливу на обмін речовин. Так, надходження рухового імпульсу в м'язове волокно призводить до звільнення іонів Са + +, у присутності яких АТФ-аза розщеплює АТФ. У свою чергу, розщеплення АТФ призводить до звільнення енергії, за рахунок якої здійснюється м'язове скорочення.
Різні речовини (субстрати, продукти, кофактори), впливаючи на активність ферментів, викликають так званий аллостеріческій ефект. Молекули таких метаболічних регуляторів можуть зв'язуватися ферментами в особливому аллостеріческому центрі, в результаті чого виникають зміни у його просторової конфігурації. Це змінює умови взаємодії ферменту з субстратом, збільшуючи або зменшуючи швидкість ферментативної реакції.
Звичайно, описані механізми не вичерпують усього різноманіття регуляції обміну речовин і не відображають його складності. В організмі будь-який процес, як правило, регулюється кількома механізмами, які доповнюють і навіть дублюючими одна одну.
Кожен з цих механізмів в залежності від умов може відігравати провідну чи другорядну роль у регуляції будь-якого процесу.
Нервової та гормональної регуляції
ОБМІНУ РЕЧОВИН
Нервова і гормональна системи здійснюють координацію діяльності клітин і органів організму, взаємозв'язок обміну речовин організму з зовнішнім середовищем. На відміну від гормональної нервова система чинить швидкі регулюючі дії, викликаючи в клітинах регульованих органів або тканин виражені біохімічні зміни, швидко зникають після закінчення нервового впливу. Регулюючий вплив гормональної системи розгортається значно повільніше. Гормони викликають у клітинах регульованих органів і тканин порівняно невеликі, але тривало зберігаються зміни. Залози внутрішньої секреції організму людини виробляють понад 50 різних гормонів. Механізми регулюючого впливу багатьох з них відомі. Деякі гормони (наприклад, адреналін, інсулін) діють як активатори або інгібітори системи. Інші можуть виступати в якості репрессором або індукторів у синтезі білка. Треті впливають на швидкість синтезу різних білків (найчастіше білків ферментів) безпосередньо в рибосомах (АКТГ). Деякі гормони (інсулін, тироксин і ін) впливають на структуру клітинних мембран, змінюючи їх проникність.
Швидкість утворення гормонів регулюється нервовою системою. На неї впливають біохімічні впливу в організмі, зокрема, в крові. Так, при тривалій м'язовій роботі у зв'язку з виснаженням вуглеводних ресурсів печінки, знижується вміст глюкози в крові. Це призводить, з одного боку, до зниження продукції гормону інсуліну, з іншого - до посилення продукції гормонів ліполітичного дії. Як відомо, інсулін збільшує проникність клітин, зокрема м'язових, для глюкози. Зниження продукції інсуліну надає зберігаючі вплив на глюкозу. Вона практично перестає використовуватися м'язовими клітинами. У той же час в мозкові клітини, на проникність оболонок яких інсулін не впливає, глюкоза продовжує надходити і використовуватися там у якості джерела енергії.
При зниженні вмісту глюкози в крові м'язи переходять на використання в якості переважного джерела енергії жирних кислот, кетонових тіл. Гормони ліполітичного дії посилюють мобілізацію жиру в депо і надходження в кров продуктів мобілізації. Такою системою гормональної регуляції досягається безперервне постачання тканин енергетичними субстратами.
Таким чином, в живому організмі діє надзвичайно складна, багатофакторна система регуляції обміну речовин, що забезпечує не тільки злагоджене, взаємозалежне перебіг обмінних процесів, але і взаємозв'язок із зовнішнім середовищем, здатність організму швидко і чітко відповідати на різноманітні зовнішні впливи змінами обміну речовин.