Лекция: Взаимосвязь обменных процессов

ТЕМА: ВЗАИМОСВЯЗЬ И РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ.

План

1. Уровни взаимосвязей обменных процессов

Ø Информационный;

Ø Структурный;

Ø Энергетический;

Ø Уровень восстановительных эквивалентов;

2. Центральные метаболические пути

3. Взаимосвязь обменных процессов на уровне клеток

Ø Взаимосвязь обмена углеводов и аминокислот

Ø Взаимосвязь обмена углеводов и липидов

Ø Взаимосвязь обмена аминокислот и липидов

4. Межорганные метаболические взаимосвязи

Метаболизм целостного организма представляет собой высоко интегрированную единую систему, в которой нарушение работы одного из метаболических путей неизбежно сопровождается в качестве компенсаторной реакции перестройкой работы всей системы.

Медицинские работники должны отчетливо понимать, что вмешательство в ход обменных процессов с целью коррекции, например, обмена углеводов, неизбежно будет сопровождаться изменениями в обмене липидов, аминокислот и др. Поэтому эффективность вмешательства должна контролироваться не только по его влиянию на показатели обмена углеводов, но и по изменению показателей обмена соединений других классов.

Выделяется несколько уровней взаимосвязей обменных процессов:

Ø Информационный;

Ø Структурный;

Ø Энергетический;

Ø Уровень восстановительных эквивалентов;

Ø Уровень потока метаболитов

Информационный уровень взаимосвязи основан на информации, заложенной в геноме клеток о структуре и функциональной активности различных белков, принимающих участие в структурной и динамической организации живых систем, в частности:

Ø белков-ферментов, контролирующих скорость и направление превращений различных соединений в клетках;

Ø белков-переносчиков, определяющих направление и эффективность транспорта различных соединений;

Ø биорегуляторов белковой или пептидной природы, и косвенно, биорегуляторах стероидной или иной природы, поскольку интенсивность образования этих соединений контролируется через активность и количество соответствующих ферментов.

Принципиальная важность эффективного и правильного функционирования этого уровня взаимосвязи наглядно демонстрируется нарушениями метаболизма при том или ином генетическом дефекте — возникает то или иное наследственное заболевание, или врожденная предрасположенность к той или иной патологии.

Структурный уровень взаимосвязи

Нормальное существование живых объектов возможно лишь при определенном уровне их структурной организации, при которомразличным элементам клеточной структуры присущи определенные интегрирующие функции.

Например, мембранам клеток принадлежит важная роль в интеграции метаболизма, поскольку именно мембраны за счет их избирательной проницаемости направляют поток веществ из одного компартмента в другой, связывая тем самым метаболические процессы, протекающие в разных отделах клетки.

Более того, за счет изменения проницаемости мембран одно и тоже соединение может использоваться по разным направлениям, в зависимости от того, в каком компартменте клетки оно окажется. Например, ацетил-КоА в матриксе митохондрий подвергается окислительному расщеплению, тогда как поступив из митохондрий в цитозоль он будет использоваться для синтеза высших жирных кислот.

Интегрирующие функции присущи также и другим структурам клетки, например рибосомам. На эти органеллы, сходится поток информации (мРНК), поток пластического материала (аминоацил-тРНК) и поток энергии (ГТФ), необходимые для сборки полипептидных цепей белковых молекул.

Энергетический уровень взаимосвязи основан на способности некоторых соединений (например, АТФ, ГТФ, креатинфосфат и др.) накапливать и переносить свободную энергию из цепей реакций, где она выделяется, в цепи реакций, где она используется.

За счет этого переноса параллельно или последовательно идущие цепи реакции оказываются тесно связанными друг с другом. Этот механизм получил название энергетического сопряжения реакций или процессов, играющем важную роль в интеграции катаболических и анаболических процессов в клетке:

Уровень восстановительных эквивалентов

Соединения типа НАД⁺, НАДФ⁺ выступают в клетках в качестве переносчиков восстановительных эквивалентов, связывая в единое целое как последовательно, так и параллельно идущие метаболические процессы. Например, в ходе b-окисления атомы водорода переносятся с окисляемого субстрата на НАД⁺ или ФАД, а затем передаются в цепь дыхательных ферментов.

Восстановительные эквиваленты, накапливаемые в ходе катаболизма в клетке в виде восстановленных форм НАДФН+Н⁺ или других соединений используются в восстановительных реакциях клеточного анаболизма, связывая таким образом катаболические и анаболические процессы в единую систему:

Уровень потока метаболитов

Общий принцип этой взаимосвязи гласит: два или более метаболических процесса будут взаимосвязаны, если они имеют общие промежуточные продукты (метаболиты). Именно за счет наличия этих общих метаболитов и может осуществляться переключение потока вещества с одного метаболического пути на другой:

Соединения, являющиеся общими для двух или более метаболических путей, называют узловыми метаболитами или узловыми пунктами метаболизма. Типичными примерами таких соединений являются глюкозо-6-фосфат, пируват, ацетил-КоА или оксалоацетат.

Поскольку, с одной стороны, одно и то же соединение может быть узловым метаболитом для нескольких метаболических путей, а с другой стороны, в один и тот же метаболический путь может быть включено несколько узловых соединений, в клетках и в организме в целом создаются условия для формирования единой сети метаболических процессов.

Центральные метаболические пути

Система взаимных превращений узловых метаболитов получила название центральных метаболических путей.В систему центральных метаболических путей входят: превращение фосфотриоз в пируват, переход пирувата в оксалоацетат, окислительное декарбоксилирование пирувата в ацетил-КоА, цикл трикарбоновых кислот Кребса, превращение оксалоацетата в фосфоенолпируват, а также три реакции связывания аммиака с образованием аланина, аспартата и глутамата. Эта группа метаболических путей составляет остов или базу метаболизма, на которую надстраиваются все остальные обменные процессы.

Наличие центральных метаболических путей в совокупности с конвергентным принципом организации катаболических процессов обеспечивает легкость перехода организма с одного типа питания на другой, увеличивая тем самым адаптационные возможности организма к изменяющимся условиям существования.

В центральные метаболические пути включены три необратимых по термодинамическим причинам реакции: переход ФЭП в пируват, превращение пирувата в ацетил-КоА и переход 2-оксоглутарата в сукцинил-КоА. Эта необратимость перечисленных реакций поддерживает систему в состоянии, далеком от равновесия, что и позволяет живой системе в конечном итоге извлекать энергию из поступающих в нее экзогенных питательных веществ.

Взаимные превращения соединений различных классов могут осуществляться как в пределах одной клетки, так и клетках разных типов. В соответствии с этим принято различать метаболические взаимосвязи на уровне отдельных клеток или же метаболические взаимосвязи на межорганном уровне.