1. Общие принципы регуляции путей метаболизма

Регуляция скорости протекания реакций определенного метаболического пути часто осуществляется путем изменения скорости одной или, возможно, двух ключевых реакций, катализируемых «регуляторными ферментами». Некоторые физико-химические факторы, контролирующие скорость ферментативной реакции, например концентрация субстрата, имеют первостепенное значение при регуляции общей скорости образования продук­та данного пути метаболизма[1,2,6,10]. В то же время другие факторы, влияющие на активность ферментов, на­пример температура и рН, у теплокровных живот­ных постоянны и практически не имеют значения для регуляции скорости процессов метаболизма.

1.1. Равновесные и неравновесные реакции

При достижении равновесия прямая и обратная реакции протекают с одинаковой

скоростью, и, сле­довательно, концентрации продукта и субстрата остаются постоянными. Многие метаболические ре­акции протекают именно в таких условиях, т.е. являются «равновесными».

А В С D

В стационарных условиях in vivo протекание реакции слева направо возможно за счет непрерывного по­ступления субстрата и постоянного удаления про­дукта D. Такой путь мог бы функционировать, но при этом оставалось бы мало возможностей для регуляции его скорости путем изменения активности фермента, поскольку увеличение активности приво­дило бы только к более быстрому достижению равновесия.

В действительности в метаболическом пути, как правило, имеются одна или несколько реакций «не­равновесного» типа, концентрации реактантов которых далеки от равновесных. При протекании реакции в равновесном состоянии происходит рассеива­ние свободной энергии в виде теплоты, и реакция оказывается практически необратимой.

тепло

А В С D

Неравновесная реакция

По такому пути поток реактантов идет в определен­ном направлении, однако без системы контроля на­ступит его истощение. Концентрации ферментов, ка­тализирующих неравновесные реакции, обычно не­велики, и активность ферментов регулируется спе­циальными механизмами; эти механизмы функцио­нируют по принципу «одноходового» клапана и по­зволяют контролировать скорость образования про­дукта [6].

1.2 Определяющая скорость реакция метаболического пути

Определяющая скорость реакция—это первая реакция метаболического пути, фермент которой на­сыщается субстратом. Она может быть определена как «неравновесная» реакция, характеризующаяся величиной К_м, значительно меньшей, чем нормальная концентрация субстрата [1,6,8]. Первая реакция гликолиза, катализируемая гексокиназой ,является примером такой определяющей скорость реакции.

МЕТАБОЛИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ФЕРМЕНТАТИВНЫХ РЕАКЦИЙ

Гипотетический путь метаболизма, включающий стадии А, В, С, D, показан на схеме , на этом пути реакции А ↔ В и C↔ D являются равновесны­ми, а реакция В → С—неравновесной. Скорость по­тока в таком метаболическом пути может регулироваться доступностью субстрата А. Это зависит от его поступления из крови, что в свою очередь зависит от количества пищи, поступившей в кишечник, или же от скоростей некоторых ключевых реакций,в результате которых основные субстраты высвобождаются и поступают в кровь, где их концентрация поддерживается на определенном уровне. Примера­ми могут служить пусковая реакция, катализируе­мая фосфорилазой печени, которая обеспечивает кровь глюкозой, а также реакция, катализируемая гормонзависимой липазой жировой ткани, постав­ляющая свободные жирные кислоты. Скорость про­цесса зависит также от способности субстрата А про­никать через клеточные мембраны, от эффективно­сти удаления конечного продукта D и от доступно­сти косубстратов или кофакторов, обозначенных X и Y на схеме.

Ферменты, катализирующие неравновесные реак­ции, чаще всего являются аллостерическими, и их ре­гуляция быстро осуществляется по принципу «обратной связи» или «прямой связи» под действием аллостерических модуляторов в ответ на потребно­сти клетки. Другие механизмы регуляции, связанные с действием гормонов, обеспечивают по­требности организма в целом. Гормональная регу­ляция осуществляется с помощью нескольких меха­низмов, одним из которых является ковалентная модификация фермента путем фосфорилирования и дефосфорилирования. Этот процесс проте­кает быстро; одной из промежуточных стадий часто является образование цАМФ, который в свою оче­редь стимулирует переход фермента из одной (на­пример, неактивной) формы в другую. В процессе участвуют далее цАМФ-зависимая протеинкиназа, ко­торая катализирует фосфорилирование фермента, или специфические фосфатазы, катализирующие его дефосфорилирование. Активной формой может быть либо фосфорилированный фермент, как в случае ферментов, катализирующих пути катаболизма (например, фосфорилаза а), или дефосфорилированный фермент, как в случае ферментов, катализирую­щих процессы биосинтеза (например, гликогенсинтаза a).

Фосфорилирование некоторых регуляторных ферментов может осуществляться без участия цАМФ и цАМФ-зависимой протеинкиназы. Фосфорилиро­вание этих ферментов зависит от таких метаболиче­ских сигналов, как изменение соотношения [ATФ]/[AДФ] (пример—пируватдегидрогеназа) или активность Са²⁺/кальмодулинзависимых протеинкиназ (пример—киназа фосфорилазы) [6].

Синтез ферментов, контролирующих скорость метаболических путей, может изменяться под дей­ствием гормонов. Поскольку в этом случае происхо­дит синтез новых белковых молекул, изменение ак­тивности происходит сравнительно медленно и чаще всего в ответ на изменение количества и состава по­ступающей пищи. Гормоны могут действовать как индукторы или репрессоры синтеза мРНК в ядре или как стимуляторы стадии трансляции белкового син­теза на уровне рибосом [8].

Рис.1. Механизмы регуляции ферментативных реакций [6].

Цифры, заключенные в кружки. Указывают вероятные участки действия гормонов. 1-изменение проницаемости мембраны; 2-перход фермента из неактивной формы в активную; 3- изменение скорости трансляции мРНК на рибосомальном уровне; 4- индукция образования новой мРНК; 5-репрессия образования мРНК.

РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА УГЛЕВОДОВ НА КЛЕТОЧНОМ И ФЕРМЕНТНОМ УРОВНЕ

Значительные нарушения метаболизма у живот­ных при изменении состава пищи или баланса гор­монов можно изучать, наблюдая за динамикой кон­центрации метаболитов в крови. Можно также изу­чать влияние этих изменений на отдельные органы, используя метод катетеризации, который позволяет измерять артериовенозную разницу концентраций исследуемого метаболита, Изменения метаболизма у интактных животных обусловлены часто дисбалан­сом обменных процессов в отдельных тканях, что обычно связано с изменением доступности метабо­литов или изменением активности ключевых фер­ментов.

Большинство изменений метаболизма прямо или косвенно зависит от изменения доступности субстра­тов. Колебания концентрации субстратов в крови, обусловленные изменением их содержания в посту­пающей пище, могут влиять на скорость секреции гормонов, что в свою очередь вызывает изменения относительных скоростей различных путей метабо­лизма (часто путем влияния на активность ключевых ферментов, в результате чего компенсируется изме­нение доступности субстрата). Среди механизмов, ре­гулирующих активность ферментов, участвующих в углеводном обмене, можно выделить три группы: (1) изменение скорости биосинтеза фер­ментов; (2) изменение активности фермента в резу­льтате ковалентной модификации; (3) аллостерические эффекты [6].

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Углеводы - класс органических соединений, имеющих характер сахаров или близких к сахарам по строению и химическим свойствам. Наряду с белками и жирами углеводы играют важнейшую роль в обмене веществ и энергии в организме человека и животных. Они входят в состав растительных, животных и бактериальных организмов составляют абсолютное большинство органических природных соединений. Углеводы играют важную роль как основной строительный материал растений, скелета насекомых и других организмов.

Все основные углеводы гетеротрофные организмы получают с пищей. В процессе усвоения пищи все экзогенные полимеры углеводной природы расщепляются до мономеров, что лишает эти полимеры видовой специфичности, а во внутреннюю среду организма из кишечника поступают лишь моносахариды и их производные;

Моносахариды и их производные выполняют 3 основные функции:

1. Энергетическая функция: окислительное расщепление этих соединений дает организму 55-60 % необходимой ему энергии.

2. Из промежуточных продуктов ее окисления синтезируется много различных

соединений, необходимых клетке:

а)Глюкозо-6-фосфат используется в клетке для синтеза пентоз и глюкуроновой кислоты;

б)Фруктозо-6-фосфат - для синтеза аминосахаров;

в)ФГА и ФДА - для образования 3-фосфоглицерола, необходимого для синтеза глицеролсодержащих липидов;

г)3-фосфоглицериновая кислота - для синтеза заменимых аминокислот: серина, глицина и цистеина;

д)ФЭП - для синтеза сиаловых кислот, используемых при синтезе гетероолигосахаридов;

е)пируват - для синтеза аланина;

ж)ацетил-КоА - для синтеза жирных кислот и стероидов.

Безусловно, этот перечень может быть продолжен. Важно отметить, что атомы углерода из молекулы глюкозы могут оказаться в составе соединений различных классов, что было однозначно доказано с помощью метода меченых атомов [1].

3.И последнее - моносахариды и их производные осуществляют структурную функцию, являясь мономерными единицами других, более сложных молекул, таких как полисахариды или нуклеотиды.