Реферат: Взаимосвязь и регуляция процессов
"
ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ"
ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА УГЛЕВОДОВ,
ЖИРОВ, БЕЛКОВ
Взаимосвязь обменауглеводов, жиров, белков проявляется в двух аспектах: а) в наличии единыхпромежуточных продуктов обмена и б) во взаимопревращениях углеродов, жиров,белков.
В обмене этих веществ можновыделить три основные стадии: 1) подготовительную, стадию универсализации, 3)стадию окисления в цикле трикарбоновых кислот.
В первой стадии представленыреакции гидролиза. Ди- и полисахариды преобразуются до моносахаридов или ихэфиров с фосфорной кислотой, жиры расщепляются на глицерин и жирные кислоты,белки – на аминокислоты.
На стадии универсализации изуглеводов, глицерина, жирных кислот, некоторых аминокислот образуется один итот же продукт – КоА. Пути превращения моносахаридов, глицерина, жирных кислотв ацетил КоА достаточно хорошо разобраны в предыдущих разделах курса.Превращения аминокислот в ацетил КоА проходит через стадию дезаминирования инекоторые другие превращения. Например, превращения аланина проходит черезстадию образования пировиноградной кислоты (ПВК):
Н -Н2 О -Н2
| -NH3 || -CO2
CH3– C – COOH ------------- CH3 — C – COOH ----------- ацетил КоА
| +Н2О +КоА
NH2
Превращения другихаминокислот смыкаются с превращениями жиров, белков, углеводов на третьейстадии, стадии окисления ацетил КоА в цикле трикарбоновых кислот. Так,глютаминовая кислота в результате дезаминирования превращается в промежуточный продукт цикла:
COOH COOH
| -H2 |
HC– NH2 -NH3 C= O
| -------------------- |
(CH2)2 +H2O (CH2)2
| |
COOH COOH
глютаминовая кислота — кетоглютаровая кислота
Аспарагиновая кислота врезультате аналогичных превращений образует другой промежуточный продукт ЦТКК - щавелево-уксусную кислоту:
COOH COOH
| -H2 |
HC– NH2 -NH3 C= O
| -------------------- |
CH2 +H2O CH2
| |
COOH COOH
аспарагиноваякислота ЩУК
Таким образом, процессыраспада жиров, белков, углеводов сходятся (в большинстве своем на стадииобразования ацетил КоА), образуя в дальнейшем единый метаболический цикл (циклтрикарбоновых кислот), завершающий их превращения. Этим достигается определенная экономия на разнообразии ферментов, на внутриклеточных структурныхобразованиях, обеспечивающих локализацию ферментных систем и процессов.Немаловажную значение такая организация метаболизма имеет и для ее регуляции.
Особое значение взаимосвязьжиров, белков, углеводов имеет для обеспечения их взаимопревращений. Большинствореакций обмена веществ в организме является обратимыми, направление ихзависит от концентрации субстратов, продуктов и других условий. Обратимымиявляются и некоторые этапы обмена веществ*. Обратимость отдельных этапов обменавеществ и наличие единых промежуточных продуктов обмена жиров, белков,углеводов и лежит в основе взаимопревращений этих веществ. Так, наряду сраспадом гликогена в организме может протекать процесс его синтеза не только изглюкозы и промежуточных продуктов углеводного обмена (пировиноградной, молочнойкислот), но и из промежуточных продуктов жирового и белкового обмена.
Наиболее просто происходитв организме взаимопревращение углеводов и жиров, хотя факт превращения жирныхкислот в углеводы в организме человека экспериментально не подтвержден, и егоцелесообразность вызывает сомнение. В условиях истощения углеводных ресурсоворганизма жиры начинают энергично использоваться в качестве источника энергии.При этом жирные кислоты или непосредственно используются тканями, илипревращаются в печени в кетоновые тела, которые поступают в кровь и такжеутилизируются тканями в качестве энергетического субстрата. Из другого продуктамобилизации жира – глицерина образуется глюкоза, которая поступая в кровь,обеспечивает энергетическим сырьем ткани, предпочитающие глюкозу другимсубстратам.
При избыточном поступлении ворганизм углеводов они могут превращаться в жиры. При этом глицеринобразуется из промежуточного продукта гликолиза- фосфоглицеринового альдегида,а непосредственным сырьем для синтеза ж.к. является ацетил КоА,образовавшийся при распаде углеводов .
Значительно сложнее обстоит дело с образованием аминокислот из продуктов углеводного и жирового обмена. Часть аминокислот организма вообще не способен образовывать из других веществ , другие могут быть синтезированы. Но для этого требуетсявключить в их состав аминогруппу. Источником аминогруппы могут служить другие аминокислоты или свободный аммиак, в свою очередь, образующийся при дизаминировании аминокислот. Т.о. взаимосвязь обмена углеводов, жиров,белков и их взаимопревращения имеет чрезвычайно важное значение для организма человека и животных. Также это обеспечивает возможность создания в организме запаса энергетических субстратов при любом характере питания.Наличие углеводных депо, возможность образования углеводов из продуктов неуглеводной природы играет чрезвычайную роль в жизни человека. Благодаряэтому обеспечивается относительное постоянство концентрации глюкозы в крови инепрерывное снабжение ею тканей, использующих глюкозу в качестве основногоэнергетического субстрата (мозговые ткани, почки, эритроциты и пр.).
Конечно, взаимосвязьобменных процессов не исчерпывается связью между превращениями углеводов,жиров, белков. Превращения в организме углеводов, липидов, белков теснейшимобразом связаны с обменом минеральных веществ. Последние могут использоватьсядля образования сложных белков, липидов, оказывать влияние на обменные процессы,выступая в качестве составных частей, активаторов или ингибиторов ферментов.
Большое влияние на состояниеобменных процессов оказывает поступление и превращение витаминов, которые, каки минеральные вещества, могут входить в состав ферментов, активировать ихдеятельность, выполнять роль своеобразных катализаторов.
Очень важное значение дляобмена веществ имеет вода. Особенно болезненно отражается на протеканииобменных процессов недостаток воды.
РЕГУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБМЕНА
ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ
Живой организм представляетсобой сложнейшую систему, состоящую из огромного количества клеток (организмчеловека содержит несколько сот триллионов клеток), являющихся, в свою очередь,сложнейшими образованиями. В каждую секунду в организме происходят сотниразнообразных химических реакций, самостоятельных и объединенных в процессы.Эти химические реакции и процессы составляют основу жизнедеятельности живогоорганизма. И вся эта сложнейшая система работает четко и слаженно, быстро иточно в соответствии с потребностями реагирует изменениями обмена веществ навнешние воздействия, сдвиги во внутренней среде.
Наряду с механизмами активной регуляции обменных процессов, организм характеризуется рядомструктурных особенностей и других свойств, способствующих упорядоченностиобменных процессов, облегчающих осуществление регуляторных воздействий. К ихчислу можно отнести прежде всего систему дифференцировки клеток. Клетки одногооргана, ткани имеют одинаковое строение, один и тот же набор
* «Обратный» процессне обязательно является точной копией «прямого» пути, отдельные егоэтапы могут обеспечиваться совсем другими реакциями.
ферментов, их оболочкипроницаемы для одних и тех же веществ. Это обеспечивает доставку поступающих ворганизм молекул в те клетки, где имеются ферменты для их превращений.Имеющаяся в клетке система перегородок, канальцев способствует избирательномутранспорту поступающих в клетку молекул к местам локализации ферментов,обеспечивающих их превращения.
К факторам, способствующимэффективной регуляции обмена веществ, можно отнести объединение отдельныххимических реакций в процессы, что достигается соответствующей локализациейферментов.
Ферменты, катализирующиепоследовательные реакции процесса, располагаются в непосредственной близоститак, что продукт что продукт одной ферментативной реакции сразу становитсясубстратом другой.
Существует мнение, что вклетках имеются специальные «приспособления», обеспечивающиепередачу промежуточных продуктов от одного фермента к другому.
Регуляция обмена веществ ворганизме осуществляется нервной и гормональной системами, а также системойавтоматической регуляции (саморегуляция).
Основной принцип регуляцииобмена веществ в организме сводится к избирательному, точно соответствующемупотребностям организма изменению скорости отдельных химических реакций,процессов, комплексов процессов.
Хотя этот принципреализуется в организме достаточно многообразно, в конечном итоге различныемеханизмы регуляции в подавляющем своем большинстве оказывают влияние наскорость химических реакций путем воздействия на соответствующие ферменты.
Нервная и гормональнаясистемы, системы саморегуляции свое регулирующее влияние на скоростьхимических реакций осуществляют преимущественно через:
1) доступность субстратов(концентрация реагирующих веществ);
2) изменение активностиферментов;
3) изменение количестваферментов;
4) доступность кофакторов.
Одни из этих путейрегулирующих воздействий (доступность субстратов и кофакторов, изменение активностиферментов) можно отнести к механизмам срочной регуляции, способным изменитьскорость обменных процессов в организме в считанные секунды или минуты. Другие(изменение количества ферментов) осуществляют свое регулирующее воздействиесравнительно медленно. Для проявления их действия требуется несколько часовили даже дней.
ДОСТУПНОСТЬ САБСТРАТА КАК
РЕГУЛИРУЮЩИЙ ФАКТОР
Концентрация субстратоввлияет на скорость реакции непосредственно или путем воздействия на активностьферментов. Уменьшение концентрации субстрата приводит к снижению скоростиреакции. Когда фермент еще насыщен субстратом, это влияние проявляетсяисключительно через воздействие на активность ферментов. Помере сниженияконцентрации субстрата наступает фаза, когда фермент перестает насыщатьсясубстратом. С этого момента преимущественное влияние на скорость реакцииоказывает непосредственно концентрация субстрата.
Аналогичным образом, но впротивоположном направлении влияет на скорость химической реакции повышениеконцентрации субстрата.
Регуляция концентрациисубстрата может осуществляться на этапе поступления его в клетку. В качестверегулятора проницаемости клеточной оболочки нередко выступают гормоны. Примеромможет служить один из путей воздействия гормона инсулина на скорость синтезагликогена в печени. Инсулин, в частности, повышает проницаемость оболочекклеток печени для глюкозы, увеличивая тем самым скорость поступления глюкозы вклетки, и создает предпосылки для более энергичного синтеза гликогена.
В нормальных условияхжизнедеятельности организма большинство ферментов, участвующих в промежуточныхреакциях метаболизма, не проявляет своей максимальной активности из-заотсутствия необходимого количества субстратов реакций. Учитывая это, в практикеспорта применяются воздействия на скорость аэробного окисления в периодвосстановления дополнительным введением промежуточных продуктов циклатрикарбоновых кислот: лимонной, янтарной, яблочной.
Следует, однако, заметить,что относительное постоянство состава внутренней среды всего организма иотдельных клеток в отношении субстратов метаболических путей дает основания предполагать, что регуляция за счет изменения доступности субстрата не можетизменять скорость химических реакций в широком диапазоне. По-видимому, этотмеханизм как основной не слишком распространен у высших животных. Однако приспортивной деятельности этот механизм регуляции может играть достаточносерьезную роль. Снижение содержания энергетических субстратов (креатин фосфата,гликогена) при работе может явиться одной из главных причин замедления скоростиресинтеза АТФ и в конечном итоге падения работоспособности. Непосредственнойпричиной снижения интенсивности и даже прекращения работы является понижениеконцентрации АТФ в мышечных волокнах, в клетках центральной нервной системы.АТФ является непосредственным энергетическим субстратом многих энергоемкиххимических реакций, обеспечивающих формирование двигательного импульса, работукальциевого насоса, взаимодействие актиновых и миозиновых нитей, приводящее кукорочению мышечного волокна. Концентрация АТФ при ее понижении нижекритического для клетки уровня выступает как главный фактор регуляции скоростиэтих реакций.
РЕГУЛЯЦИЯ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ
ПУТЕМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АКТИВНОСТЬ
ФЕРМЕНТОВ
Регуляция скоростихимических реакций путем изменения активности ферментов является одним из самыхглавных механизмов. Если с помощью такого механизма регулируется скоростьхимического процесса, то воздействию подвергается только один фермент такназываемый регуляторный. Как правило, это один из ферментов, катализирующийначальные реакции процесса. В случае разветвления процесса регуляторнымявляется фермент, катализирующий первую реакцию после разветвленияметаболического пути. Такой принцип регуляции предотвращает накоплениепромежуточных продуктов.
Активность регуляторногофермента значительно ниже активности других ферментов, обладающих своеобразнойизбыточной активностью. Поэтому изменение скорости регулируемой таким ферментомреакции определяет скорость всего процесса в целом.
Данный механизм регуляцииявляется одним из наиболее быстрых и обеспечивает изменение скорости химическойреакции в широком диапазоне. Он характеризуется высокой точностью ответнойреакции.
Существует много факторов,могущих воздействовать на активность регуляторных ферментов. Воздействие одного из них – концентрация субстрата – уже разбиралось в предыдущем разделе.
Другим фактором можетявляться концентрация продукта реакции (процесса). Высокие концентрациипродукта нередко оказывают ингибирующее влияние на регуляторный фермент. Этовоздействие может сказываться по механизму обратной связи, т.е. путемнепосредственного воздействия продукта на фермент, или путем изменения рН внутренней среды. Так, в частности, влияет на скорость гликолиза продукт этогопроцесса – молочная кислота. И в том, и в другом случае достигается одно и тоже: предотвращение накопления продукта, предотвращение резких изменений вовнутренней среде.
Имеются примеры, когдапродукт реакции оказывает активирующее влияние на регуляторный фермент или самвыступает в роли катализатора, ускоряя свое образование. Так, один изпредшественников ферментов белкового пищеварения трипсиноген превращается всвою активную форму – трипсин под действием энтерокиназы. Энтерокиназа обладаетнизкой активностью и сравнительно медленно осуществляет превращениетрипсиногена в трипсин. Однако образующийся в ходе этой реакции трипсинвыступает не только в качестве фермента белкового пищеварения, но и оказываетвлияние на трипсиноген, быстро завершая его превращение в трипсин.
Такой механизм регуляцииполучил название- аутокатализ. Он используется там, где нужно быстроосуществить полное превращение субстрата в продукт.
Воздействие на активностьферментов является одним из главных механизмов регулирующего влияния гормоновна обмен веществ. Так, например, адреналин стимулирует расщепление гликогена впечени, мобилизацию жира в жировых депо путем воздействия на активностьсоответствующих ферментов.
РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ ПУТЕМ
ИЗМЕНЕНИЯ КОЛИЧЕСТВА ФЕРМЕНТОВ
Это сравнительно медленныймеханизм регуляции, для его проявления требуются часы или даже дни. Однако онхарактеризуется большими возможностями ответной реакции. Он позволяет организмуизменять относительные количества и типы ферментов, действующих на любомучастке метаболических путей в зависимости от сигналов из окружающей среды.Количество любого фермента может регулироваться на этапе его синтеза илираспада. Регуляция на уровне синтеза имеет наибольшее значение.
Вещества, повышающиескорость синтеза ферментов и тем самым увеличивающие их количество в клетке,называются индукторами, угнетающие синтез – репрессорами.
Индукция и репрессия синтезаферментов осуществляется на уровне генетического аппарата клетки (ДНК или РНК)и заключается в активации или репрессии соответствующих генов, а такжесинтетической активности рибосом. Регуляция на уровне генетического аппаратаможет привести:
1) к увеличению или уменьшениюколичества ферментов;
2) к изменению соотношениятипов имеющихся в клетке ферментов;
3) к изменению относительногосодержания в ней различных вариантов данного фермента (изоферментов), которые,катализируя одну и ту же реакцию, могут различаться по своим каталитическимсвойствам.
Такое регулирующее влияниена генную активность могут оказывать гормоны, высокие концентрации субстратов ипродуктов метаболизма. Последние могут действовать как непосредственно, так ичерез изменение продукции соответствующих гормонов, т.е. путем воздействия нажелезы внутренней секреции. Именно такой путь регулирующего воздействия наобменные процессы лежит в основе биохимической адаптации организма под влияниеммышечной тренировки.
РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
ЧЕРЕЗ ДОСТУПНОСТЬ КОФАКТОРА
Под кофактором понимается вещество, присутствиекоторого необходимо для проявления активности ферментов. В отсутствии кофакторафермент не может выполнять своей функции. Часто в качестве кофактора выступаютионы металлов. Так, ион Са++ является кофактором фермента мышечнойткани АТФ – азы.
Регуляция через доступностькофакторов является самым быстрым механизмом. Именно через изменениедоступности кофакторов осуществляется в большинстве случаев быстрые нервныевоздействия на обмен веществ. Так, поступление двигательного импульса вмышечное волокно приводит к освобождению ионов Са++ , в присутствиикоторых АТФ-аза расщепляет АТФ. В свою очередь, расщепление АТФ приводит косвобождению энергии, за счет которой осуществляется мышечное сокращение.
Различные вещества(субстраты, продукты, кофакторы), влияя на активность ферментов, вызывают такназываемый аллостерический эффект. Молекулы таких метаболических регуляторовмогут связываться ферментами в особом аллостерическом центре, в результатечего возникают изменения в его пространственной конфигурации. Это меняетусловия взаимодействия фермента с субстратом, увеличивая или уменьшая скоростьферментативной реакции.
Конечно, описанные механизмыне исчерпывают всего многообразия регуляции обмена веществ и не отражают егосложности. В организме любой процесс, как правило, регулируется несколькимимеханизмами, дополняющими и даже дублирующими друг друга.
Каждый из этих механизмов взависимости от условий может играть ведущую или второстепенную роль в регуляциикакого-либо процесса.
НЕРВНАЯ И ГОРМОНАЛЬНАЯ РЕГУЛЯЦИЯ
ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
Нервная и гормональнаясистемы осуществляют координацию деятельности клеток и органов организма,взаимосвязь обмена веществ организма с внешней средой. В отличии отгормональной нервная система оказывает быстрые регулирующие воздействия,вызывая в клетках регулируемых органов или тканей выраженные биохимическиеизменения, быстро проходящие после окончания нервного воздействия.Регулирующее влияние гормональной системы развертывается значительно медленнее.Гормоны вызывают в клетках регулируемых органов и тканей сравнительнонебольшие, но длительно сохраняющиеся изменения. Железы внутренней секрецииорганизма человека вырабатывают более 50 различных гормонов. Механизмырегулирующего воздействия многих из них известны. Некоторые гормоны (например,адреналин, инсулин) действуют как активаторы или ингибиторы системы. Другиемогут выступать в качестве репрессоров или индукторов в синтезе белка. Третьивлияют на скорость синтеза различных белков (чаще всего белков ферментов)непосредственно в рибосомах (АКТГ). Некоторые гормоны (инсулин, тироксин и др.)влияют на структуру клеточных мембран, изменяя их проницаемость.
Скорость образованиягормонов регулируется нервной системой. На нее оказывают воздействие биохимическиевоздействия в организме, в частности, в крови. Так, при продолжительноймышечной работе в связи с истощением углеводных ресурсов печени, снижаетсясодержание глюкозы в крови. Это приводит, с одной стороны, к снижению продукциигормона инсулина, с другой – к усилению продукции гормонов липолитическогодействия. Как известно, инсулин увеличивает проницаемость клеток, в частностимышечных, для глюкозы. Снижение продукции инсулина оказывает сберегающеевлияние на глюкозу. Она практически перестает использоваться мышечнымиклетками. В то же время в мозговые клетки, на проницаемость оболочек которыхинсулин не оказывает влияния, глюкоза продолжает поступать и использоваться тамв качестве источника энергии.
При снижении содержанияглюкозы в крови мышцы переходят на использование в качестве преимущественногоисточника энергии жирных кислот, кетоновых тел. Гормоны липолитическогодействия усиливают мобилизацию жира в депо и поступление в кровь продуктовмобилизации. Такой системой гормональной регуляции достигается непрерывноеснабжение тканей энергетическими субстратами.
Таким образом, в живоморганизме действует чрезвычайно сложная, многофакторная система регуляцииобмена веществ, обеспечивающая не только слаженное, взаимосвязанное протеканиеобменных процессов, но и взаимосвязь с внешней средой, способность организмабыстро и четко отвечать на разнообразные внешние воздействия изменениями обменавеществ.