Регуляция 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.

В организме человека координация метаболизма осуществляется нервной и эндокринной системами. Нервная система обеспечивает быструю реакцию на изменение окружающей среды. Нервная клетка секретирует медиаторы, которые связываются с соседними клетками и обеспечивают специфический ответ этих клеток. В эндокринной системе секретируются гормоны, которые поступают в кровь. Большинство гормонов изменяют метаболизм за счет влияния на активность или количество ферментов.

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

Катаболизм – это ферментативное расщепление крупных пищевых или депонированных молекул до более простых свыделением энергии и запасанием ее в виде макроэргических соединений. Катаболизм включает 3 стадии.

1 стадия - полимеры превращаются в мономеры (крахмал и гликоген – в глюкозу, белки – в аминокислоты, триацилглицерины – в жирные кислоты и глицерин, нуклеиновые кислоты – в нуклеотиды и т.д.). 1 стадия 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 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.

Стадии анаболизма:

1 стадия – третья стадия катаболизма, т.е. ЦТК;

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 (гликолиз) включает 11 реакций; обратный процесс – синтез глюкозы из лактата включает 8 обратимых реакций и 3 дополнительные реакции с новыми наборами ферментов. Именно на этих стадиях за счет регуляции активности ферментов регулируются суммарные скорости распада и синтеза глюкозы. Кроме того, реакции катаболизма и анаболизма часто разделены мембранами и протекают в разных отсеках (компартментах) клеток. Например, распад жирных кислот протекает в митохондриях, а синтез – в цитозоле. Локализация специфических метаболических процессов в различных отсеках клеток облегчает независимую регуляцию этих процессов.

Метаболический статус (status – состояние на какой-либо момент времени) – взаимоотношение анаболических и катаболических процессов в организме на определенный момент времени.