Основные механизмы регуляции метаболизма

Существуют следующие механизмы регуляции метаболизма: изменение активности ферментов, количества ферментов, проницаемости клеточных мембран.

1. Изменение активности ферментов – самый распространенный способ регуляции метаболизма. Регуляции подвержены «ключевые» ферменты, которые определяют скорость всего полиферментного процесса. Как правило, такие ферменты состоят из субъединиц – олигомерны. Активность фермента зависит от количества, доступности и химического строения субстрата катализируемой реакции, от условий протекания ферментативной реакции в клетке (рН, температуры и др.), от наличия эффекторов (активаторов, ингибиторов), от строения фермента (наличие химической модификации, доступности кофакторов) и др. Изменение активности ферментов играет принципиальную роль в регуляции метаболизма конечными продуктами (ретроингибирование) и реже первыми продуктами (форактивация).

2. Изменение количества фермента в клетке осуществляется путем индукции или репрессии генов, а также его протеолитической деградации в клетке. Ферменты, которые присутствуют в клетке в относительно постоянном количестве, называются конституитивными. Ферменты, количество которых резко изменяется в зависимости от метаболической ситуации, называются адаптивными или индуцибельными. Индуцибельные ферменты и их изоферменты чувствительны к протеолизу. Индукция или репрессия генов регулируется гормонами или другими субстратами.

3. Изменение проницаемости мембран, или точнее – изменение целого комплекса функций мембран (изменение скоростей потоков метаболитов, газов в клетку и из клетки; компартментализация метаболических процессов, изменение электрохимического потенциала, передача нервных импульсов, функционирование рецепторов др.). Эти три основных механизма лежат в основе действия гормонов.

Фазы метаболизма

Метаболизм складывается из 2-х фаз – катаболизм и анаболизм.

Катаболизм – это ферментативное расщепление крупных пищевых или депонированных молекул (углеводов, липидов, белков) до более простых (лактат, Н₂О, СО₂, NH₃) с выделением энергии и запасанием ее в виде АТФ или восстановительных эквивалентов (НАДН, НАДФН, ФАДН₂). Катаболизм включает 3 стадии.

1 стадия – превращение полимеров в мономеры (крахмал и гликоген – в глюкозу, белки – в аминокислоты, триацилглицеролы – в жирные кислоты и глицерол, нуклеиновые кислоты – в нуклеотиды и т.д.). Первая стадия превращения пищевых молекул протекает в желудочно-кишечном тракте и называется перевариванием.

2 стадия (специфические пути катаболизма) – мономеры превращаются в общие промежуточные продукты – пируват и ацетил-КоА;

3 стадия (общий путь катаболизма) – окисление ацетильной группы ацетил КоА до СО₂ и Н₂О. 3 стадия катаболизма включает: 1) цикл трикарбоновых кислот, 2) цепи переноса электронов и 3) окислительное фосфорилирование.

Анаболизм – ферментативный синтез крупных полимерных молекул из простых предшественников с затратой АТФ или восстановительных эквивалентов НАДН, НАДФН и ФАДН₂.

Стадии анаболизма:

1 стадия – третья стадия катаболизма, т.е. цикл трикарбоновых кислот;

2 стадия – образование мономеров по реакциям, обратным реакциям катаболизма;

3 стадия – синтез полимеров из мономеров.

Амфиболические пути расположены в точках переключения метаболизма и связывают анаболизм и катаболизм.

Амфиболическим путем метаболизма является цикл трикарбоновых кислот.

Анаболизм и катаболизм не являются простым обращением реакций. Катаболические и анаболические пути должны отличаться хотя бы одной из ферментативных реакций, чтобы регулироваться независимо. Например, специфический путь распада глюкозы до лактата (анаэробный гликолиз) включает 11 реакций; обратный процесс – синтез глюкозы из лактата (глюконеогенез) включает 8 обратимых реакций и 3 дополнительные реакции с новыми наборами ферментов. Именно на этих стадиях за счет направленного изменения активности ферментов регулируются суммарные скорости распада и синтеза глюкозы.

Компоненты пищи

Человек и животные являются гетеротрофами, т.е. получают питательные вещества и энергию извне в виде органических соединений.

Выделяют основные компоненты пищи – белки, липиды, углеводы, и минорные компоненты – витамины и микроэлементы. Соотношение основных компонентов в пище должно составлять 1:1:4, т.е. 100 г белков, 100 г липидов и 400 г углеводов. Энергетическая ценность 1 г белков – 4,1 ккал (17,2 кДж), 1 г жиров – 9,3 ккал (39 кДж), 1 г углеводов – 4,1 ккал (17,9 кДж). Эти компоненты определяют энергетическую ценность пищи и их соотношение в зависимости от выполняемой работы может временно изменяться. Одной из причин злоупотребления алкоголя является достаточно высокая энергетическая ценность этанола: при окислении 1 г этого спирта освобождается 7,1 ккал (29,7 кДж).

Биологическая ценность пищи определяется ее компонентами, не способными синтезироваться в организме. Из 100 г белков 50% должны составлять белки животного происхождения, так как в них содержатся незаменимые аминокислоты. Из 100 г жиров – 25% растительные масла, так как в них находятся полиненасыщенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая), которые не синтезируются в организме. Из 400 г углеводов 30 г должно приходиться на клетчатку, необходимую для перистальтики кишечника. Витамины сохраняют свою роль как внутриклеточные регуляторы метаболизма, но высшие животные и человек утратили способность к их биосинтезу в процессе эволюции. Например, для жизнедеятельности E.coli достаточно глюкозы и органических солей, а для человека необходимо, чтобы в пище содержалось как минимум 12 витаминов.

Основные компоненты пищи

	Белки	Жиры	Углеводы	Витамины Элементы
Энерге-тическая ценность	100 г 1г = 4.1 ккал (17.2 кДж)	100 г 1 г масла = 9.3 какл (39.0 кДж)	400 г 1г = 4.1 ккал (17.2 кДж) 1 г спирта = 7.1 ккал (29.7 кДж)
Биоло­гическая ценность	50% животные белки, т.к. в них есть незаменимые аминокислоты	25% растительные масла, т.к. в них есть полиненасыщен-ные жирные кислоты	Клетчатка, волокна	Витамины Элементы (F, I и др.)

Переваривание пищи. Весь процесс переваривания пищи представляет собой последовательное ферментативное расщепление пищевых макромолекул. В процессе эволюции в желудочно-кишечном тракте образовались «полости» (ротовая, желудок, 12-перстная кишка, тонкий кишечник), в которых при различных условиях происходит поэтапный гидролиз химических связей пищевых веществ. Каждая полость имеет специфический набор ферментов и систему регуляции процесса пищеварения.

В зависимости от расположения ферментов пищеварение у животных и человека может быть 3-х видов: полостное (гидролиз ферментами, находящимися в свободном виде), мембранное, или пристеночное (гидролиз ферментами, находящимися в составе мембран) и внутриклеточное (гидролиз ферментами, находящимися в органоидах клетки). Для пищеварительного тракта характерны полостное и мембранное пищеварение. Мембранное пищеварение происходит в ворсинках кишечника. При этом гидролиз небольших молекул (например, дипептидов и дисахаридов) происходит на поверхности клеточной мембраны кишечного эпителия и одновременно сочетается с транспортом продуктов гидролиза внутрь клетки. Внутриклеточный гидролиз осуществляется ферментами лизосом.