Регуляція на рівні мембрани

Контроль і регуляція метаболізму

 

Живі організми – відкриті системи, важливою умовою існування яких є підтримання сталості складу внутрішнього середовища, стабільності біохімічних параметрів, що визначають поняття гомеостазу. Все це забезпечується за участю специфічних внутрішніх та зовнішніх факторів у процесі тісної взаємодії організму з навколишнім середовищем. Забезпечення регуляції процесів життєдіяльності є необхідною умовою існування організмів.

Злагоджений перебіг біохімічних перетворень, їх тісний взаємозв'язок і взаємозумовленість, можливість взаємоперетворення різних класів органічних сполук, швидка мобілізація внутрішніх резервів організму забезпечує існування живих організмів в умовах взаємодії їх з навколишнім середовищем.

При зміні умов навколишнього середовища включаються механізми, які забезпечують динамічну стабілізацію основних параметрів, що визначають життєдіяльність. Механізми регуляції сформувались у процесі тривалої еволюції і відповідають завданню максимального виживання організму. Дані механізми включаються на самих ранніх рівнях організації живих систем і здійснюються на молекулярному, субклітинному, клітинному та організменному рівнях. Для кожного з них характерні певні специфічні закономірності та загальні принципи, що реалізуються як на рівні окремих клітин, так і на рівні організму в цілому. Розрізняють декілька рівнів регуляції процесів життєдіяльності – метаболітний, оперонний, клітинний, організменний, популяційний та ін.

 

Регуляція на рівні мембрани

 

У дослідженнях на бактеріях вдалося точно охарактеризувати механізми, що забезпечують активне і специфічне проникнення в клітину деяких метаболітів завдяки участі в них білків пермеаз, які переносять ці метаболіти через мембрани. Деякі з пермеаз, наприклад білок М, що відповідає за активне перенесення β-галактозидів, вже стають відомі. Значно менше вивчений активний специфічний транспорт субстратів всередину тваринних клітин. Наведемо декілька прикладів.

– Всмоктування вуглеводів в кишечнику є специфічним і активним процесом. Швидкість всмоктування для різних вуглеводів неоднакова. Активний транспорт забезпечує всмоктування вуглеводів тільки D-ряду. Глюкоза і галактоза переносяться активно, але фруктоза не піддається активному транспорту.

– Проникнення вуглеводів усередину клітини ставить складні проблеми. В загальному, фундаментальне значення тут приписують інсуліну. Цей гормон сприяє активному надходженню глюкози і галактози, але не фруктози. Гіперглікемія, яка спостерігається при панкреатичному діабеті, частково пояснюється порушенням транспорту глюкози в клітини.

– Рух води і іонів в нирках до певної міри знаходяться під гормональним контролем. Іони Na⁺ реабсорбуються в основному в проксимальній частині каналу, проте частина їх абсорбується і на дистальній ділянці. Ця остання реабсорбція активується альдостероном. Реабсорбція іонів Na⁺ супроводжується секрецією іонів К⁺. Вазопресин сприяє проходженню води через мембрани, стимулюючи також і реабсорбцію води в нирках.

– Мембрана нервового волокна володіє вибірковою проникністю по відношенню до іонів. Зміни проникності відповідальні за формування току дії нервового імпульсу.

Мембрани беруть участь в регуляції ще і завдяки іншим своїм властивостям, частково зв'язаним між собою, а саме:

– здатність мембран фіксувати гормони. Мембрани різних типів клітин містять специфічні ділянки фіксації (рецептори) нестероїдних гормонів. Наявність специфічного для даного гормону рецептора на мембрані обумовлює активність цього гормону в клітині.

– ферментативній активності мембран. Клітинні мембрани містять ферменти; деякі з них, наприклад аденілатциклаза, зв'язані з рецепторами гормонів. Інші ферменти, такі, як АТФ-ази, беруть участь у проникненні іонів до клітини.

– участь у регуляції клітинного росту, ймовірно за допомогою регуляції синтезу ДНК. Контактне гальмування здійснюється через посередництво мембрани.

 

Регуляція за участю циклічного АМФ (цАМФ)

 

цАМФ відіграє основну регуляторну роль на різних рівнях. Синтез цАМФ сам по собі є об'єктом регуляції. Цей синтез управляється мембранним ферментом – аденілатциклазою, активність якого контролюється гормонами, що фіксуються на специфічних ділянках мембрани. Молекули цАМФ відіграють, таким чином, роль „вторинних вісників” цих гормонів. Два гормони, які впливають на одну і ту ж клітину шляхом активації аденілатциклази, наприклад адреналін і глюкагон у печінці, володіють однаковою фізіологічною активністю. цАМФ гальмується ферментом фосфодіестеразою, який наявний в цитозолі і в плазматичній мембрані. Вважають, що дія цАМФ у еукаріот завжди виявляється через посередництво тієї або іншої протеїнкінази, яку він активує. Специфічність різних протеїнкіназ дуже різноманітна. Вони локалізовані головним чином у цитозолі, плазматичній мембрані і в білках хроматина (останні, проте, не активуються цАМФ). Перерахуємо основні види регуляторної активності цАМФ:

– Метаболічна роль. цАМФ активує глікогеноліз і ліполіз і гальмує глікогеногенез.

– Дія на синтез і виділення гормонів. Виділення гіпофізарних гормонів знаходиться під контролем гормонів гіпоталамуса. Гіпофізарні гормони направляють синтез і виділення гідрокортизону, статевих гормонів і тиреоїдних гормонів. Всі ці явища управляються цАМФ, який стимулює також і виділення інсуліну.

– Дія на секрецію. цАМФ стимулює секрецію амілази, НСl, шлункового соку, простагландину і кальцитоніну.

– Дія на мембранну проникність. Вазопресин і окситоцин сприяють проникненню води і активному транспорту іонів Na⁺. цАМФ діє також на синаптичні мембрани і тим самим на проведення нервового імпульсу.

– Дія на білковий синтез. цАМФ активує протеїнкінази, які фосфорилують рибосомальні білки, проте наслідки цього фосфорилування невідомі. цАМФ стимулює синтез певних білків, наприклад синтез тирозинтрансамінази. Він, є медіатором індукції ферментів деякими гормонами.

– Дія на транскрипцію. Ця дія добре вивчена у бактерій. У еукаріот вона менш очевидна, хоча фосфорилювання білків хроматина і стимулює транскрипцію, але протеїнкинази хроматина нечутливі до цАМФ.

– Дія на ріст клітин. цАМФ є інгібітором клітинного росту. Чим швидше росте клітина, тим менше вона містить цАМФ. цАМФ, ймовірно, бере участь у контактному гальмуванні. Ракові клітини бідні цАМФ. Додавання цАМФ до ракових клітин уповільнює їх ріст і сприяє нормалізації їх морфології.

– Дія на гладеньку мускулатуру і серцевий м'яз. цАМФ викликає пониження тонусу гладеньких м'язів. Для серцевого м'яза він є медіатором дії норадреналіну.

– Дія на агрегацію клітин. цАМФ гальмує агрегацію кров'яних пластинок, стимулює дисперсію меланофорів шкіри, викликаючи її пігментацію.

– Вплив на рухливість. цАМФ стимулює рухливість сперматозоїдів і найпростіших. Він проявляє свою активність в мікротрубочках, що відповідають за переміщення внутрішньоклітинних компонентів.