У живих організмах, що знаходяться в процесі постійного контакту та обміну з довкіллям, відбуваються безперервні хімічні змінискладові їх метаболізм (безліч ферментативних реакцій) Масштаби та напрямок метаболічних процесів дуже різноманітні. Приклади:

а) число клітин E.coli у бактеріальній культурі може подвоюватися на 2/3 за 20 хвилин у простому середовищі з глюкозою та неорганічними солями. Ці компоненти поглинаються, але лише деякі виділяються в середу зростаючою бактеріальною клітиною, а вона складається приблизно з 2.5 тис. білків, 1 тис. органічних сполук, різноманітних нуклеїнових кислот у кількості 10-3*10 молекул. Очевидно, що ці клітини беруть участь у грандіозному біологічному спектаклі, в якому планово поставляються величезна кількість біомолекул, необхідних для зростання клітин. Не менш сильно вражає метаболізм дорослої людини, який зберігає незмінну масу та склад тіла приблизно 40 років, хоча за цей час споживає близько 6 тонн твердої їжі та 37850 літрів води. Всі речовини в організмі перетворюються (складні на прості і навпаки) 2/3 ряд послідовних сполук, кожна з яких називається метаболітом. Кожне перетворення – етап метаболізму.

Сукупність таких послідовних стадій, що каталізуються окремими ферментами, називається метаболічним шляхом. З сукупності образних метаболічних шляхів, їхнього спільного функціонування складається метаболізм. Це здійснюється послідовно а не хаотично (синтез амінокислот, розпад глюкози, жирних кислот, синтез пуринових основ). Ми знаємо дуже мало, звідси і механізм дії лікарських речовин дуже прозорий!

Весь шлях метаболізму контролюється зазвичай першим – другим етапом метаболізму (лімітуючий фактор, ферменти з алостеричним центром – регуляторні).

Такі етапи називаються ключовими, а метаболіти цих етапах ключовими метаболітами.

Метаболіти, що знаходяться на перехресних шляхах метаболізму, називаються вузловими метаболітами.

Є циклічні шляхи обміну: а) зазвичай бере участь інша речовина і зникає; б) клітина обходиться малою кількістю метаболітів - економія. Контрольні шляхи перетворення основних поживних речовин

Альбінізм Ендемічний зоб

пігмент гомогент. до-та Тироксин

меланіну

Алкаптурія

вуглекислий газ та вода

Регуляція метаболізму

Кожна реакція йде зі швидкістю, порівнянною з потребою клітини ("розумні" клітини!). Ці специфічні визначають регуляцію метаболізму.

I. Регуляція швидкості надходження метаболітів у клітину (на перенесення впливають молекули води та градієнта концентрації).

а) проста дифузія (наприклад вода)

б) пасивний транспорт (немає витрати енергії, наприклад пентози)

в) активний транспорт (система переносників, АТФ)

ІІ. Контроль кількості деяких ферментів Пригнічення синтезу ферментів кінцевим продуктом метаболізму. Це є грубий контроль метаболізму, наприклад синтез ферментів, синтезують ГІС пригнічується у присутності ГІС серед, бактеріальної культурі. Грубий контроль - оскільки він реалізується протягом тривалого часу, поки руйнуються готові молекулиферменту. Індукція одного чи кількох ферментів субстратами (збільшення концентрації специфічного ферменту). У ссавців подібне явище спостерігається за кілька годин чи доби у відповідь індуктор.

ІІІ. Контроль каталітичної активності а) ковалентна (хімічна) модифікація; б) алостерична модифікація (+/-) зв'язку. як миттєво діє у відповідь на зміну внутрішньоклітинного середовища. Ці регуляторні механізмиефективні на клітинному та субклітинному рівнях, на міжклітинному та органному рівнях регуляції, що здійснюється гормонами, нейромедіаторами, внутрішньоклітинними медіаторами, простогландинами.

Шляхи метаболізму:

1) катаболічні

2) анаболічні

3) амфоболітичні (пов'язують перші два)

Катаболізм- послідовність ферментативних реакцій, в результаті яких відбувається руйнування в основному за рахунок реакцій окислення великих молекул (вуглеводи, білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти) з утворенням легень (молочної та оцтової кислот, Вуглекислий газі води) і виділенням енергії укладеної в ковалентних зв'язках різних сполук, частина енергії запасається у вигляді макроергічних зв'язків, які потім йдуть на механічну роботу, транспорт речовин, біосинтез великих молекул.

Розрізняють три стадії катаболізму:

I стадія – Травлення. Великі харчові молекули розщеплюються на будівельні блоки під впливом травних ферментів у шлунково-кишковому тракті, при цьому виділяється 0.5-1% енергії, що полягає у зв'язках.

ІІ стадія – уніфікації. Велика кількість продуктів, що утворилися на 1 стадії дає у 2 стадії простіші продукти, Число яких невелике, при цьому звільняється близько 30% енергії. Цінна ця стадія ще тим, що визволення енергії на цьому етапі дає початок синтезу АТФ у безкисневих (анаеробних) умовах, що важливо організму в умовах гіпоксії.

III стадія – цикл Кребса. (трикарбонових кислот/лимонної кислоти). По суті це процес перетворення двовуглецевої сполуки (оцтова кислота) на 2 моль вуглекислого газу, але цей шлях дуже складний, циклічний, багатоферментний, основний постачальник електронів на дихальний ланцюг, і відповідно молекул АТФ у процесі окисного фосфорилювання. Майже всі ферменти циклу знаходяться усередині мітохондрій, тому донори електронів ЦТК вільно віддають електрони безпосередньо дихальному ланцюгу мембранної системи мітохондрій.

Схема циклу трикарбонових кислот.

Сукциніл КоА - містить макроергічний тіоефірний зв'язок, здатний трансформуватися в макроергічний зв'язок ГТФ (субстратне фосфорилювання).

ФАД - передає електрони на КoQ дихального ланцюга: електрон

альфакетоглутарат вода ізоцитрат

альфакетоглутарат сукциніл КоА СО2

Крім всього ЦТК – це 1 стадія одночасно анаболізму.

1) різні ферментні системи.

2) локалізація процесів різна (наприклад окислення жирних кислот йде у мітохондріях, а синтез – у цитоплазмі).

3) різні механізмиалостеричної та генетичної регуляції.

4) різноманітний якісний склад кінцевих продуктів анаболізму.

5) витрата енергії при анаболізмі та виділення при катабо

Є в організмі і амфіболічні шляхи (одночасно йде процес розпаду і процес синтезу). Найбільші:

а) гліколіз фосфотріози ацетил КоА

б) ЦТК ацетил КоА СО2 + Н2О

Розпад розібрали, але з багатьох продуктів ЦТК можуть утворюватися різні сполуки:

А) щавлевооцтова кислота асп, асн, глю

Б) альфакетоглутарат глу, глн, глю

В) лимонна кислота у цитоплазму ацетил КоА

жирні кислоти,

стероїди

Г) сукциніл КоА гем

Розділ 2 1. Алостерична модуляція

При алостеричній модуляції регуляторний фермент має у своїй структурі один або кілька алостеричних центрів, здатних високо вибірково взаємодіяти з низькомолекулярними сполуками алостеричними модуляторами. Внаслідок цієї взаємодії змінюється конформація білка-ферменту, у тому числі дещо змінюється і структура активного центру, що супроводжується зміною ефективності каталізу. Якщо каталітична активність ферменту у своїй зростає, ми маємо справу з алостеричною активацією; якщо ж активність ферменту падає, то йдеться про алостеричне інгібування. Зв'язування алостеричного модулятора з алостеричним центром ферменту йде за рахунок слабких взаємодій, тому воно легко оборотне: при зниженні концентрації модулятора в середовищі оточення комплекс фермент-модулятор дисоціює і фермент відновлює свою вихідну конформацію, а отже, і каталітичну активність.

Як алостеричні модулятори в клітині виступають зазвичай проміжні метаболіти або кінцеві продукти того чи іншого метаболічного шляху. Найчастіше зустрічається варіант алостеричної регуляції, відомий під назвою ретроінгібування або інгібування за принципом негативної зворотнього зв'язку. У цьому випадку кінцевий продукт метаболічного шляху пригнічує за алостеричним механізмом активність регуляторного ферменту, що каталізує одну з початкових реакцій того ж метаболічного шляху: Так регулюються в клітинах, наприклад, метаболічні шляхи, що відповідають за синтез пуринових або піримідинових нуклеотидів.

Як другий варіант алостеричної регуляції можна навести механізм активації попередників. У цьому випадку один із проміжних метаболітів, що утворюються на початку метаболічного шляху, виступає як алостеричний активатор того чи іншого ферменту, що каталізує одну з кінцевих реакції того ж самого метаболічного шляху:…. Прикладом може бути активація піруваткінази фруктозо-1,6-бісфосфатом у метаболічному шляху окисного розпаду глюкози.

Зрозуміло, зовсім не обов'язково, щоб в якості алостеричного модулятора регуляторного ферменту виступав проміжний або кінцевий метаболіт того самого метаболічного шляху. Існує безліч прикладів сполученої алостеричної модуляції, коли в якості алостеричного модулятора виступає з'єднання, що утворюється в іншому метаболічному шляху. Так, накопичення в клітині АТФ, основна кількість якої утворюється в ході окисного фосфорилювання в ланцюгу дихальних ферментів, пригнічує за алостеричним механізмом активність фосфоруктокінази ферменту гліколізу, пригнічує активність глутаматдегідрогенази ферменту із системи трансдезамінування, пригнічує активність ізоцитратдегідрогу. Слід лише зазначити, що між такими метаболічними шляхами можна простежити той чи інший рівень функціонального взаємозв'язку. У наведеному раніше прикладі всі три метаболічних процесу пов'язані між собою тим, що їхнє функціонування має пряме відношення до напрацювання в клітині АТФ, тобто. до забезпечення клітки доступною енергією.

2. Ковалентна модифікація

Ковалентна модифікація це механізм регулювання активності ферментів за рахунок приєднання за допомогою ковалентного зв'язку в регуляторному центрі ферменту атомного угруповання або відщеплення цього угруповання. Приєднання до ферменту ковалентним зв'язком додаткового угруповання призводить до зміни конформації білка-ферменту, що супроводжується зміною структури активного центру та зміною ефективності каталізу. Відщеплення цього угруповання забезпечує відновлення вихідної конформації ферменту, отже, і до початкового рівня його каталітичної активності. Як такі модифікуючі угруповання можуть виступати залишки аденілової кислоти, глікозильні залишки, але найчастіше зустрічається фосфорилювання приєднання залишків фосфорної кислоти. Оскільки в ході ковалентної модифікації відбувається утворення або розщеплення ковалентного зв'язку між ферментом і угрупуванням модулятором, для ефективної роботи цього механізму потрібно два додаткові ферменти: один фермент забезпечує приєднання угруповання-модулятора до регуляторного ферменту, другий фермент забезпечує видалення цього угруповання. Очевидно, ці додаткові ферменти забезпечують приєднання групування-модулятора до строго певного амінокислотного залишку поліпептидного ланцюга регуляторного ферменту, як і виборче її відщеплення. Прикладами роботи таких регуляторних механізмів можуть бути: активація глікогенфосфорилази шляхом її фосфорилювання, активація глутаматдегідрогенази шляхом її аденілювання, зниження активності піруватдегідрогеназного комплексу в результаті його фосфорилювання, зниження активності глікогенсинтетази шляхом її фосфорилювання. Повний цикл регулювання активності ферменту шляхом його ковалентної модифікації може бути проілюстрований на прикладі глікогенфосфорилази гепатоцитів

3. Білок-білкова взаємодія

За сучасними уявленнями ферменти окремих метаболічних шляхів об'єднані в клітинах здебільшого в мультиензимні комплекси метаболони. У складі таких метаболонів кожен фермент знаходиться в контакті з одним або декількома ферментами цього метаболічного шляху. Тому конформація, а отже і каталітична активність кожного окремого ферменту залежатиме від стану інших ферментів, що контактують з ним. Звідси зміна каталітичної активності регуляторного ферменту, що входить до складу метаболону, викликана, наприклад, приєднанням до нього алостеричного модулятора, буде супроводжуватися зміною активності та інших ферментів метаболону, оскільки їх конформація у складі надмолекулярного білкового комплексу також зазнаватиме певних змін. У клітинах та позаклітинній рідині присутні білки, які можуть взаємодіяти з білками-ферментами, регулюючи їх активність. Ці білки отримали назву білків-модуляторів.

Так, до складу ліпопротеїдів плазми крові входять апобілки апо-С-II та апо-С-I, які взаємодіючи з ферментами ліпопротеїдліпазою та лецитинхолестеролацилтрансферазою відповідно, збільшують їх активність. У плазмі присутня також білок-модулятор антитромбін-III, який взаємодіючи з ферментом системи згортання крові тромбіном, інактивує останній.

Прикладом внутрішньоклітинного білка-модулятора може бути кальмодулін. Він присутній у вільному неактивному стані у цитозолі клітин різних органів та тканин. При збільшенні концентрації в цитозолі іонів Са2+ утворюється Са-кальмодуліновий комплекс, конформація кальмодуліну змінюється і Са-кальмодуліновий комплекс набуває здатності взаємодіяти з різними внутрішньоклітинними ферментами. У цьому взаємодії конформація білка-ферменту змінюється і, отже, змінюється його каталітична активність. При зниженні концентрації Са2+ у цитозолі Са-кальмодуліновий комплекс розпадається, вільний кальмодулін через зміну конформації молекули втрачає спорідненість до ферменту. В результаті фермент вивільняється з комплексу та його каталітична активність повертається до вихідного рівня. Цим способом регулюється каталітична активність таких ферментів як гуанілатциклаза, фосфодіестераза циклічних нуклеотидів, піруваткарбоксилаза, НАД-кіназа та ін. (Див.схему на слід.

4. Роль конкурентного та неконкурентного інгібування у регуляції активності ферментів у клітині

Ці варіанти механізмів регуляції активності ферментів у клітинах використовуються дуже рідко. Прикладом конкурентного інгібування, що використовується в клітині для регуляції власного метаболізму, прийнято вважати пригнічення активності сукцинатдегідрогенази ферменту циклу трикарбонових кислот високими концентраціями щавлевооцтової кислоти або малата, що є проміжними продуктами того самого метаболічного шляху. Зниження їхньої концентрації в матриксі мітохондрій, де працює цей метаболічний шлях, знімає інгібування, тобто. регуляторний ефект оборотний.

Необхідно мати на увазі, що лікарські препарати часто є конкурентними чи неконкурентними інгібіторами різних ферментів. Так, лікарський препарат аллопуринол, який використовується при лікуванні подагри, є типовим конкурентним інгібітором ферменту ксантиноксидази, що працює в клітині на завершальному етапі метаболічного шляху синтезу сечової кислоти. Зниження активності цього ферменту призводить до падіння концентрації сечової кислоти в крові та тканинах і запобігає характерному для подагри повторному випаданню кристалів сечової кислоти в тканинах.

Лікарський препарат строфантин G, який використовується при лікуванні гострої серцевої недостатності, є неконкурентним інгібітором К, Na-АТФ-ази зовнішніх клітинних мембран міокардіоцитів. Існує думка, що лікувальний ефект цього лікарського препаратуобумовлений нормалізацією іонного складу внутрішнього середовища міокардіоцитів внаслідок корекції активності мембранного ферменту.

Серед безлічі ферментів, що є в клітині, далеко не всі є регуляторними. Тим не менш, практично в кожен метаболічний шлях включені один або кілька (2, іноді навіть 3) ферментів, що контролюють інтенсивність потоку метаболітів тим чи іншим метаболічним шляхом. Ці ферменти зазвичай каталізують незворотні з термодинамічних причин реакції; вони часто є ферментами, що мають найнижчу каталітичну активність серед усіх ферментів даного метаболічного шляху, і тому контролюють інтенсивність потоку речовини даним метаболічним шляхом; зазвичай каталізують одну з перших реакцій даного метаболічного шляху, що запобігає накопиченню проміжних продуктів метаболічного шляху в клітині при зниженні активності ферменту. Такі ферменти, що контролюють потік метаболітів метаболічним шляхом і здатні відповідати змінами активності на регуляторні впливи, отримали назву "ключових ферментів"; іноді їх також називають "ферментами водіями ритму". Прикладами таких ферментів можуть бути аспартаткарбамоїлтрансфераза (метаболічний шлях синтезу піримідинових нуклеотидів), фосфофруктокіназа (гліколіз) або ізоцитратдегідрогеназу (цикл трикарбонних кислот Кребса).

5. Перенесення речовин через клітинні мембрани

Клітина для регуляції свого метаболізму може використовувати зміну проникності мембран, у тому числі як проникність зовнішньої мембрани, так і мембран, що розділяють її окремі компартменти. Тим самим може регулюватися як концентрація субстратів для того чи іншого метаболічного шляху (наприклад, концентрація ацетил-КоА в цитозолі для синтезу вищих жирних кислот, що надходить з матриксу мітохондрій), так і концентрація кофакторів, що надходять з одного компартменту клітини до іншої (наприклад, АДФ , що надходить із цитозолю в матрикс мітохондрій).

Перенесення речовин через клітинні мембрани може здійснюватися за рахунок процесів трьох основних типів:

а) простий дифузії,

б) полегшеної дифузії,

в) активний транспорт.

Інтенсивність простий дифузії, тобто. перенесення речовин через мембрану по градієнту концентрації через ліпідний бішар або через канали в ліпідному бішарі, регулюється, по-перше, за рахунок зміни конформаційного стану мембрани або її мікров'язкості, по-друге, за рахунок зміни концентрації переносного метаболіту по різні сторонимембрани. Стан мембрани може змінюватися за рахунок зміни її складу, наприклад, за рахунок зміни вмісту холестеролу в мембранах, а зміна градієнта концентрації метаболіту щодо мембрани може змінюватися шляхом напрацювання або використання в одному з компартментів клітини.

Регуляція наділеної дифузії, тобто. перенесення речовин через мембрану за градієнтом концентрацію за участю переносника здійснюється як за рахунок дії раніше зазначених факторів, так і за рахунок двох нових механізмів: зміни вмісту переносника в мембрані або ж за рахунок зміни функціонального стану стану наявних переносників. Так, при впливі інсуліну на клітини, що мають рецептори до цього гормону, в зовнішніх мембранах збільшується кількість білків-переносників глюкози. Зміна інтенсивності активного транспорту, тобто. перенесення речовин через мембрани за участю переносника проти градієнта концентрації, що йде з витратами енергії, відбувається, по-перше, за рахунок роботи механізмів, що регулюють процеси полегшеної дифузії, а по-друге, за рахунок зміни кількості доступної енергії. У свою чергу, надходження енергії здійснюється або за рахунок забезпечення механізмів транспорту енергією АТФ, або за рахунок трансмембранних електрохімічних градієнтів, що створюються клітиною, наприклад, градієнтів Н+ або градієнтів іонів Na+.

Таким чином, у ході еволюції природою було створено різноманітні механізми, що дозволяють клітинам регулювати як інтенсивність обмінних процесів загалом, і механізми вибіркової регуляції роботи тієї чи іншої метаболічного шляху. Всі регуляторні механізми, що працюють в організмі, можна розділити на два рівні: 1. Механізми, що забезпечують регуляцію на рівні окремих клітин або внутрішньоклітинні регуляторні механізми.

2. Механізми, які забезпечують регуляцію обмінних процесів лише на рівні цілого організму надклітинні регуляторні механізми.

Кожен із цих рівнів може бути поділений на підрівні. Так, у рамках внутрішньоклітинного рівня регуляції можуть бути виділені підрівні:

підрівень окремих хімічних реакцій,

підрівень метаболічних шляхів,

підрівень клітинних органел,

підрівень мережі метаболічних шляхів А надклітинний рівень регуляції може бути поділений на підрівні:

підрівень тієї чи іншої тканини

підрівень того чи іншого органу

підрівень системи органів

рівень цілого організму.

Розділ 3 1.

В основу другого варіанта класифікації закладено хімічну природу гормонів. За хімічною природою гормони поділяються на 4 класи:

1. Гормони білкової природи, причому в цьому класі можна виділити два підкласи:

а) гормони прості білки (інсулін, соматотропін);

б) гормони складні білки (тиреотропний гормон, гонадотропні гормони), за хімічною природою вони є глікопротеїдами)

2. Гормони поліпептиди (ліберини та статини гіпоталамуса, вазопресин та окситоцин, глюкагон, кортикотропін).

3. Гормони похідні амінокислот (мелатонін, адреналін, йодовані тироніни).

4. Гормони стероїдної природи (кортизол, альдостерон, прогестерон, естрадіол, тестостерон).

2. Клітини-мішені та рецептори гормонів

Клітини, здатні тим чи іншим чином відповідати на вплив якогось гормону, отримали назву клітин-мішеней для цього гормону. У свою чергу органи або тканини, в яких вплив гормону викликає специфічну біохімічну або фізіологічну реакцію, отримали назву органімішені або тканини-мішені для цього гормону. Слід лише мати на увазі, що та чи інша тканина зазвичай містить кілька типів диференційованих клітин та далеко не всі вони реагують на вплив конкретного гормону.

Для того, щоб клітина реагувала на появу в навколишньому середовищі гормону або іншої сигнальної молекули, вона повинна мати у своєму складі спеціалізовані структури, здатні розпізнавати ці сигнальні молекули. Такими спеціалізованими структурами є клітинні рецептори. За хімічною природою клітинні рецептори є складними білками глікопротеїдів, що мають у своїй структурі спеціалізовані функціональні центри, здатні до вибіркової взаємодії з тією чи іншою сигнальною молекулою.

Усі рецептори є полідоменними білками. На одному з доменів розташовується центр зв'язування сигнальної молекули – це так званий домен впізнавання. Крім домену впізнавання у складі рецепторів завжди є домен, що відповідає за запуск внутрішньоклітинних механізмів, що забезпечують відповідь клітини на зовнішній регуляторний сигнал, це так званий домен сполучення. Взаємодія центру зв'язування рецептора зі своєю сигнальною молекулою, наприклад з гормоном, змінює конформацію домену впізнавання, хвиля конформаційних змін захоплює і домен сполучення, що призводить до "активації" рецептора та включення внутрішньоклітинних механізмів реалізації зовнішнього регуляторного сигналу.

3. Рилізинг-гормони (ліберини)

1. Тироліберин (ТРГ) стимулює виділення тиреотропного гормону (ТТГ) гіпофізу.

2. Кортиколіберин (КРГ) стимулює виділення адренокортикотропного гормону (АКТГ) гіпофізу.

3. Гонадоліберин (ГнРГ) стимулює виділення лютеїнізуючого (ЛГ) та фолікулстимулюючого (ФСГ) гормонів гіпофіза.

4. Соматоліберин (СТГ-РГ) стимулює виділення соматотропного гормону (СТГ) гіпофізу.

Передбачається також існування в гіпоталамусі пролактоліберину (ПРЛ-РГ) та ліберину меланоцитстимулюючого гормону (МСГ-РГ), проте досі отримати їх у високоочищеному вигляді не вдалося. б). Статини 1. Соматостатин (СС), що інгібує виділення СТГ з гіпофіза; крім того, він пригнічує виділення ТТГ.

2. Гонадоліберин-асоційований пептид (ГАП), що інгібує виділення пролактину (ПРЛ) з гіпофіза; крім того, виділення Прл сильно інгібується дофаміном. Іноді ГАП та дофамін поєднують під назвою пролактин-інгібуючі гормони (ПІГ). Передбачається також існування меланостатину (МСГ-С), проте його існування не було підтверджено.

Третю групу гормонів гіпоталамуса становлю два гормони окситоцин і вазопресин, які, синтезуючись у гіпоталамусі, надходять у задню частку гіпофіза, де тимчасово накопичуються, а потім надходять у кров'яне русло. Гормони гіпофіза можна розділити на три групи. Першу групу складають гормони передньої частки гіпофіза, що стимулюють діяльність периферичних залоз внутрішньої секреції. До них відносяться:

1. ТТГ, що стимулює синтез тетраїодтироніну (Т4) та триіодтироніну (Т3) у щитовидній залозі.

2. АКТГ, що стимулює синтез глюкокортикоїдів корою надниркових залоз.

3. ЛГ та ФСГ, що стимулюють синтез статевих гормонів у сім'яниках та яєчниках.

4. У роботі регуляторних механізмів, які використовують як другі вісники цАМФ, цГМФ або продукти гідролізу інозитолфосфатидів, є один загальний момент у системи включені механізми посилення сигналу. Гормон або інша сигнальна молекула, з'єднуючись з рецептором, активує фермент, що генерує утворення клітини безлічі молекул, що виконують роль другого вісника. У свою чергу другий вісник також активує фермент, здатний швидко змінювати функціональну активність великої кількості різних білківих молекул, які безпосередньо відповідають за формування метаболічної відповіді клітин. Механізм дії гормонів значною мірою залежить від фізико-хімічних властивостей молекул гормонів. Гормони білкової природи, гормони-пептиди, гормони-похідні амінокислот за винятком йодованих тиронінів, як і споріднені за хімічною природою інші сигнальні молекули, володіючи гідрофільними властивостями, не здатні проникати через зовнішні мембрани клітин. Рецептори цих біорегуляторів локалізовані на зовнішній стороні зовнішньої клітинної мембрани, тому потрібен спеціальний механізм, що забезпечує трансформацію позаклітинного регуляторного сигналу в внутрішньоклітинний сигнал. Як правило, це пов'язано з синтезом у клітині сполук, що виступають як внутрішньоклітинні месенджери або "другі вісники", що забезпечують формування метаболічної відповіді клітин на зовнішній регуляторний сигнал.

5. Гормони стероїдної природи та йодовані тироніни, що мають гідрофобні властивості, можуть проникати через зовнішню мембрану всередину клітин і, зв'язуючись зі своїми рецепторами в цитозолі або ядрі, самі беруть участь у формуванні метаболічної відповіді клітин на зовнішній регуляторний сигнал, у зв'язку з чим ці біорегулятори Регуляторний ефект гормонів першої групи базується в першу чергу на зміні функціональної активності вже наявних в клітині білків, тоді як в основі регуляторних ефектів гормонів-стероїдів та йодованих тіронінів в першу чергу лежить зміна ефективності експресії генів і на цій основі зміна кількості білків у клітині. Безумовно, при впливі гормонів-білків, гормонів-пептидів та гормонів-похідних амінокислот також може відбуватися зміна ефективності експресії генів, але це результат впливу на геном клітин модифікованих білків-регуляторів, структура яких зазвичай змінюється за опосередкованою участю внутрішньоклітинних месенджерів. Ці сполуки відомі під назвою внутрішньоклітинних месенджерів або інших вісників, найбільш відомими представниками яких є цАМФ, цГМФ, іони Са+, продукти розщеплення інозитолфосфатидів інозитолтрифосфат та діацилгліцерол.

Розділ 4. 1. ІНСУЛІН

Інсулін відноситься до гормонів білкової природи. Він синтезується b-клітинами підшлункової залози. Інсулін є одним із найважливіших анаболічних гормонів. Зв'язування інсуліну з клітинамимішенями призводить до процесів, які збільшують швидкість синтезу білка, а також накопичення в клітинах глікогену та ліпідів, які є резервом пластичного та енергетичного матеріалу. Інсулін, можливо за рахунок свого анаболічного ефекту, стимулює ріст та розмноження клітин.

Молекула інсуліну складається з двох поліпептидних ланцюгів А-ланцюга та В-ланцюга. До складу А-ланцюга входить 21 амінокислотний залишок, до складу В-ланцюга 30. Ці ланцюги пов'язані між собою двома дисульфідними містками: один між А7 і В7 (номери амінокислот, рахуючи з N-кінців поліпептидних ланцюгів), другий між А20 і В19. Третій дисульфідний місток знаходиться в ланцюзі А, зв'язуючи А6 та А11.

Головним фізіологічним стимулом виділення інсуліну з b-клітин у кров є підвищення вмісту глюкози у крові.

Вплив інсуліну на обмін вуглеводів можна охарактеризувати такими ефектами:

1.Інсулін збільшує проникність клітинних мембран для глюкози в так званих інсулін-залежних тканинах.

2.Інсулін активує окислювальний розпад глюкози у клітинах.

3.Інсулін інгібує розпад глікогену та активує його синтез у гепатоцитах.

4.Інсулін стимулює перетворення глюкози на резервні тригліцериди.

5.Інсулін інгібує глюконеогенез, знижуючи активність деяких ферментів глюконеогенезу.

Вплив інсуліну на обмін ліпідів складається з інгібування ліполізу в ліпоцитах за рахунок дефосфорилування триацилгліцероліпази та стимуляції ліпогенезу.

Інсулін має анаболічну дію на обмін білків: він стимулює надходження амінокислот у клітини, стимулює транскрипцію багатьох генів та стимулює, відповідно, синтез багатьох білків, як внутрішньоклітинних, так і позаклітинних.

2.ТИРОНІНИ

Щитовидна залоза виробляє два гормони 3,5,3-трииодтиронин (Т3) і 3,5,3,5-тетраиодтиронин (тироксин, Т4), які відіграють важливу роль у регуляції загального метаболізму, розвитку та диференціювання тканин. Утворення цих гормонів відбувається в ході посттранскрипційного процесингу специфічного білка тиреоглобуліну, в ході якого відбувається органіфікація йоду, що накопичується в клітинах щитовидної залози. Подальший внутрішньоклітинний протеоліз йодованого тиреоглобуліну призводить до вивільнення гормонів.

Синтез йодованих тиронінів йде в клітинах щитовидної залози в тироцитах у складі білка йодтиреоглобуліну.

Синтез тиреоглобуліну відбувається на рибосомах тироцита в базальній частині клітини, далі в цистернах шорсткого ендоплазматичного ретикулума, а потім в апараті Гольджі відбувається глікозилювання поліпептидних ланцюгів молекули з приєднанням близько двох десятків олігосахарид.

Інактивація тиреоїдних гормонів здійснюється різними шляхами: вони можуть піддаватися деіодування, дезамінування, декарбоксилювання. У всіх цих випадках гормони втрачають свою біологічну активність. У печінці продукти деградації тиреоїдних гормонів можуть зазнавати кон'югації з подальшим їх виділенням з жовчю.

Рецептори для тиреоїдних гормонів є в клітинах різних органів та тканин. Низькоафінні рецептори розташовані в цитозолі клітин, тоді як високоафінні в ядрах тих же клітин. Введення тироксину експериментальним тваринам супроводжується розвитком позитивного балансу азотистого, збільшує теплопродукцію і призводить до збільшення активності багатьох ферментних систем. На цей час показано, що введення гормону призводить до підвищення активності понад 100 ферментів. Це збільшення активності великої кількості ферментів швидше за все відображає різко виражену стимулюючу дію гормону на синтез білка в багатьох органах та тканинах.

Введення тиреоїдних гормонів дійсно призводить до збільшення теплопродукції, але це збільшення теплоутворення обумовлено не роз'єднанням окислення та фосфорилювання в мітохондріях, а збільшенням витрачання АТФ у клітинах в енергозалежних процесах.

3.АДРЕНАЛІН

Хромафінні клітини мозкової речовини надниркових залоз продукують групу біологічно активних речовинкатехоламінів, до яких належать адреналін, норадреналін і дофамін, що грають важливу роль в адаптації організму до гострих і хронічних стресів, особливо у формуванні реакції організму типу "боротьба чи втеча". У ході розвитку цієї реакції в організмі відбувається екстрена мобілізація енергетичних ресурсів: прискорюється ліполіз у жировій тканині, активується глікогенез у печінці, стимулюється глікогеноліз у м'язах.

Всі катехоламіни синтезуються з амінокислоти тирозину, причому частку адреналіну припадає приблизно 80% катехоламінів, що утворюються в мозковій речовині надниркових залоз. Синтез починається з перетворення тирозину на дигідроксифенілаланін (ДОФА), реакція каталізується ферментом тирозин-гідроксилазою. Простетичною групою ферменту є тетрагідробіоптерин. В ході наступної реакції ДОФА піддається декарбоксилювання за участю ферменту ДОФА-декарбоксилази, простетичною групою цього ферменту служить піридоксальфосфат.

Утворюється Дофамін. У ході окислення як донора електронів (косубстрат реакції) використовується аскорбінова кислота. У заключній реакції йде метилювання норадреналіну по аміногрупі з перетворенням його на адреналін, як донора метильної групивикористовується S-аденозилметіонін.

Під впливом нервових імпульсів, що надходять у мозкову речовину надниркових залоз по черевному нерву, відбувається злиття хромафінних гранул з плазматичною мембраною з викидом катехоламінів у русло крові. Адреналін, що надходить у кров'яне русло у вигляді слабоасоційованого з альбумінами комплексу, розноситься зі струмом крові в інші органи і тканини.

Тривалість існування адреналіну в руслі крові вимірюється часом близько 1030 секунд; його концентрація в плазмі в нормі не перевищує 0,1 мкг/л (менше 0,55 нМ/л). Інактивація адреналіну, як і інших катехоламінів, може йти або шляхом їхнього окисного дезамінування, або шляхом метилювання. Основними кінцевими продуктами інактивації адреналіну, що виділяються із сечею, є метанефрин та ванілінміндальна кислота.

При зв'язуванні гормону з b1 та b2-рецепторами йде активація аденілатциклази, опосередкована взаємодія активованих рецепторів з Gs-білками, що супроводжується збільшенням концентрації цАМФ у клітині. При взаємодії гормону з a2-рецептором за участю Gi-білка йде інгібування аденілатциклази та зниження концентрації цАМФ у клітині.

У разі дії адреналіну через b2-рецептори йде стимуляція розщеплення глікогену в печінці з виходом глюкози в кров'яне русло, одночасно йде невелика стимуляція глюконеогенезу у гепатоцитах. У м'язах через b2-рецептори адреналін стимулює глікогеноліз. Через цей тип рецепторів адреналін підвищує секрецію інсуліну та глюкагону у підшлунковій залозі або секрецію реніну у нирках.

4. ГЛЮКАГОН

Глюкагон є гормоном поліпептидної природи, що виділяється a-клітинами підшлункової залози. Основною функцією цього гормону є підтримка енергетичного гомеостазу організму за рахунок мобілізації ендогенних енергетичних ресурсів, цим пояснюється його сумарний катаболічний ефект.

До складу поліпептидного ланцюга глюкагону входить 29 амінокислотних залишків, його молекулярна маса 4200, у його складі відсутня цистеїн. Глюкагон був синтезований хімічним шляхом, чим остаточно підтверджено його хімічна структура.

Основним місцем синтезу глюкагону є a-клітини підшлункової залози, проте досить великі кількості цього гормону утворюються і в інших органах шлунково-кишкового тракту. Синтезується глюкагон на рибосомах a-клітин у вигляді довшого попередника з молекулярною масою близько 9000. У ході процесингу відбувається суттєве скорочення поліпептидного ланцюга, після чого глюкагон секретується в кров. У крові він знаходиться у вільній формі, його концентрація у сироватці крові становить 20-100 нг/л. Період його напівжиття дорівнює приблизно 5 хвилин. Основна частина глюкагону інактивується в печінці шляхом гідролітичного відщеплення 2 амінокислотних залишків N-кінця молекули.

Секреція глюкагону a-клітинами підшлункової залози гальмується високим рівнем глюкози в крові, а також соматостатином, що виділяється D-клітинами підшлункової залози. Можливо, що секреція глюкагону інгібується інсуліном або ІФР-1. Стимулюється секреція зниженням концентрації глюкози у крові, проте механізм цього ефекту незрозумілий. Крім того, секрецію глюкагону стимулюють соматотропний гормон гіпофіза, аргінін та Са2+.

Механізм дії глюкагону досить добре вивчений. Рецептори для гормону локалізовані у зовнішній клітинній мембрані. Утворення гормонрецепторних комплексів супроводжується активацією аденілатциклази та збільшенням у клітинах концентрації цАМФ, що супроводжується активацією протеїнкінази та фосфорилюванням білків зі зміною функціональної активності останніх.

Під дією глюкагону у гепатоцитах прискорюється мобілізація глікогену з виходом глюкози у кров. Цей ефект гормону обумовлений активацією глікогенфосфорилази та інгібуванням глікогенсинтетази внаслідок їх фосфорилювання. Слід зазначити, що глюкагон, на відміну адреналіну, не впливає на швидкість глікогенолізу у м'язах.

Глюкагон активує процес глюконеогенезу в гепатоцитах: по-перше, він прискорює розщеплення білків у печінці, а амінокислоти, що утворюються, використовуються як субстрати глюконеогенезу; по-друге, збільшується активність низки ферментів, таких як фруктозо-1,6-бісфосфатаза, фосфоенолпіруваткарбоксикіназа, глюкозо-6-фосфатаза, що беруть участь у глюконеогенезі як за рахунок активації наявних ферментів, так і індукції їх синтезу. За рахунок активації глюконеогенезу відбувається збільшення надходження глюкози в кров. Прискорення використання амінокислот для глюконеогенезу супроводжується збільшенням обсягу синтезу сечовини та збільшенням кількості сечовини, що виводиться із сечею.

Глюкагон стимулює ліполіз у ліпоцитах, збільшуючи тим самим надходження до крові гліцеролу та вищих жирних кислот. У печінці гормон гальмує синтез жирних кислот і холестеролу з ацетил-КоА, а ацетил-КоА, що накопичується, використовується для синтезу ацетонових тіл. Таким чином, глюкагон стимулює кетогенез.

У нирках глюкагон збільшує клубочкову фільтрацію, мабуть, цим пояснюється спостерігається після введення глюкагону підвищення екскреції іонів натрію, хлору, калію, фосфору та сечової кислоти.

5. КОРТИЗОЛ

Основним глюкокортикоїдом людини є кортизол: за добу в надниркових залозах синтезується 10-30 мг кортизолу і 2-4 мг іншого глюкокортикоїду кортикостерону. Гормони кори надниркових залоз, особливо глюкокортикоїди, відіграють важливу роль в адаптації до сильних стресів.

В основі структури всіх стероїдних гормонівлежить лежить циклопентанпергідрофенантренове ядро, що має у своєму складі 17 атомів вуглецю і включає чотири цикли або кільця, що позначаються буквами А,В,С і D.

Синтез кортизолу йде у клітинах пучкової та сітчастої зон кори надниркових залоз. Вихідною сполукою для синтезу кортизолу є холестерол, він надходить у клітини кори надниркових залоз з крові, лише незначна його частина утворюється в клітинах шляхом синтезу з ацетил-КоА.

На секрецію кортизолу великий вплив надають фізичні та емоційні стреси, стан тривоги, страху та ін., але всі ці ефекти опосередковуються нервовою системоючерез гіпоталамічну ланку регуляції.

Введення кортизолу призводить до збільшення вмісту вищих жирних кислот у плазмі. Частково це може бути результатом стимуляції ліполізу у клітинах жирової тканини. Цікаво, що надлишкові кількості кортизолу стимулюють ліполіз у жировій тканині кінцівок, проте одночасно стимулюється ліпогенез у жировій тканині тулуба та обличчя. У підвищення рівня вищих жирних кислот робить певний внесок гальмування надходження глюкози в клітини периферичних тканин: по-перше, недолік глюкози в клітинах периферичних тканин призводить до посилення мобілізації резервних тригліцеридів, по-друге, недолік глюкози в ліпоцитах призводить до нестачі в них фосфоди. для синтезу тригліцеридів невикористані вищі жирні кислоти також надходять із ліпоцитів у кров.

Таким чином, утворення в печінці глікогену з молочної кислоти, мабуть, забезпечує важливий зв'язок між метаболізмом у м'язах та печінці. За участю печінки глікоген з м'язів перетворюється на доступний цукор крові, а цей цукор у свою чергу перетворюється на м'язовий глікоген. Отже, в організмі існує замкнутий цикл перетворень молекул глюкози... Було показано, що адреналін прискорює ці реакції у напрямку від глікогену м'язів до глікогену печінки... У той же час, інсулін прискорює реакції у напрямку від глюкози крові до м'язового глікогену.

К. Ф. Корі та Г. Т. Корі, зі статті в журналі Biological Chemistry, 1929

15. ПРИНЦИПИ РЕГУЛЯЦІЇ МЕТАБОЛІЗМУ

Регуляція реакцій метаболізму становить основний зміст досліджень у біохімії, і це одна з найчудовіших здібностей живої клітини. Серед тисяч ферментативних реакцій, що відбуваються в клітині, можливо, немає жодної, яка в тому чи іншому вигляді не зазнавала б регуляції. Хоча в підручниках прийнято (та це й корисно) підрозділяти метаболічний процес на окремі «шляхи», які виконують певні функції у життєзабезпеченні клітини, у самій клітині такого поділу немає. Більше того, кожен шлях, що обговорюється в цій книзі, нерозривно пов'язаний з іншими клітинними процесами, що показано за допомогою багатовимірної мережі реакцій (рис. 15-1). Наприклад, у гол. 14 ми обговорювали три можливі шляхи перетворення глюкозо-6-фосфату в клітинах печінки: участь у гліколізі для накопичення АТР, участь у пентозофосфатному шляху для отримання NADPH та пентозофосфатів, а також гідроліз до глюкози та фосфату для поповнення запасів глюкози в крові. Але насправді існує низка інших можливих шляхів перетворення глюкозо-6-фосфату;він може, наприклад, використовуватися для синтезу інших цукрів, таких як глюкозамін, галактоза, галактозамін, фукоза і нейрамінова кислота, брати участь у глікозилюванні білків або частково розкладатися, поставляючи ацетил-СОА для синтезу жирних кислот і стеринів. Наприклад, бактерія Escherichia coli використовує глюкозу для синтезу вуглецевих кістяків всіх своїх молекул. Коли клітина спрямовує глюкозо-6-фосфат одним із шляхів, це впливає на всі інші шляхи, в яких ця речовина є попередником або інтермедіатом. Будь-яка зміна у розподілі глюкозо-6-фосфату в одному метаболічному шляху прямо чи опосередковано впливає на його участь у всіх інших шляхах.

Подібні зміни у розподілі метаболітів часто трапляються у житті клітини. Луї Пастер першим описав значне збільшення споживання глюкози (більш ніж у 10 разів) культурою дріжджів під час переходу від аеробних умов до анаеробних. Це явище, зване ефектом Пастера, не супроводжується будь-якими помітними коливаннями концентрації АТР чи якоїсь іншої речовини із сотень інтермедіатів та продуктів метаболізму глюкози. Схожі зміни спостерігаються у клітинах скелетних м'язів бігуна на спринтерській дистанції. Клітини мають приголомшливу здатність одночасно і економно здійснювати всі ці взаємопов'язані метаболічні перетворення і отримувати кожен продукт у строго певній кількості і в строго певний момент часу за умов зовнішнього середовища.

Мал. 15-1. Тривимірна мережа реакцій метаболізму. Типова еукаріотична клітина здатна до синтезу близько 30 000 різних білків, що каталізують тисячі реакцій, у яких утворюються сотні метаболітів — багато хто задіяний у кількох метаболічних шляхах. Ілюстрацію взято з бази даних KEGG PATHWAY (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes www.genome.ad.jp/kegg/pathway/map/map0ll00.html).Кожну область можна розглянути докладніше, аж до рівня окремих ферментів та інтермедіатів.

У цьому розділі ми проілюструємо основні засади регулювання метаболізму на прикладі метаболізму глюкози. Ми розпочнемо з розгляду загальної ролі регуляції у досягненні метаболічного гомеостазу та познайомимося з теорією контролю метаболізму, на основі якої можна проводити кількісний аналіз складних метаболічних процесів. Далі ми зупинимося на особливостях регуляції окремих ферментів метаболізму глюкози та розглянемо каталітичну активність ферментів, що беруть участь у гліколізі та глюконеогенезі, описаних у гл. 14. Обговоримо також каталітичні та регуляторні властивості ферментів, що беруть участь у синтезі та руйнуванні глікогену, одного з найбільш вивчених прикладів регуляції метаболізму. Вибравши для ілюстрації принципів метаболічного регулювання метаболізм вуглеводів, ми штучно відокремили його від метаболізму жирних кислот. Насправді ці два процеси у клітині дуже тісно пов'язані, як ми побачимо в гол. 23.

15.1. Регулювання метаболічних шляхів

Реакції катаболізму в метаболізмі глікогену забезпечують енергію, необхідну для подолання сил ентропії, а реакції анаболізму призводять до утворення вихідних молекул для біосинтезу і запасання метаболічної енергії. Ці процеси настільки важливі для життєдіяльності клітин, що в ході еволюції виникли дуже складні регуляторні механізми, що забезпечують пересування метаболітів по правильних шляхах, у потрібному напрямку та з необхідною швидкістю для того, щоб повністю задовольняти поточні потреби клітини або організму; при зміні зовнішніх умов коригується швидкість перетворення метаболітів у відповідних метаболічних шляхах.

Зовнішні умови дійсно змінюються, іноді досить сильно. При великій фізичного навантаженняпотреба м'язів в АТР може зрости за лічені секунди в сотні разів. Доступність кисню може знизитися через гіпоксію (погіршення доставки кисню до тканин) або ішемію (зменшення кровотоку до тканин). Співвідношення вуглеводів, жирів і білків в їжі різниться, і багаті енергією поживні речовини надходять в організм нерегулярно, в результаті чого між прийомами їжі і при голодуванні виникає необхідність корекції метаболічних процесів, що відбуваються. Величезні кількості енергії та молекул потрібні для біосинтезу, наприклад, при загоєнні ран.

Клітини та організми існують у динамічному стаціонарному стані

Багаті енергією молекули, такі як глюкоза, поглинаються клітиною, а відходи метаболізму, наприклад, СО 2 покидають її, але при цьому маса і склад клітини, окремого органу або дорослої тварини практично не змінюються в часі; клітини та організми існують у динамічному стаціонарному стані, але ніяк не в рівновазі з навколишнім середовищем. Субстрат кожної реакції метаболічного шляху надходить від попередньої реакції з такою ж швидкістю, з якою він далі перетворюється на продукт. Іншими словами, хоча швидкість (v) потоку речовини (або просто потік) на даній стадії метаболізму може бути високою та сильно змінюватися, концентрація субстрату залишається постійною. Для двостадійної реакції

при v 1 = v 2 концентрація стала. Наприклад, зміна швидкості надходження глюкози з різних джерел кров компенсується зміною v 2 всмоктування глюкози з крові в тканини, таким чином, концентрація глюкози в крові підтримується близько 5 мМ. Це гомеостазна молекулярному рівні. Людина порушення механізмів гомеостазу часто буває причиною захворювань. Наприклад, при цукровому діабетірегуляція концентрації глюкози в крові порушена через нестачу інсуліну або нечутливість до нього, що і спричиняє згубні наслідки для здоров'я.

Коли зовнішні впливи не обмежуються просто тимчасовим впливом або коли клітина одного типу перетворюється на клітину іншого типу, регулювання складу клітини та метаболізму може виявитися більш значним і зажадати помітних та тривалих змін у розподілі енергії та вихідних речовин для синтезу, щоб акуратно здійснити цей перехід. Уявіть собі, наприклад, процес диференціювання стовбурової клітини кісткового мозку до еритроциту. Вихідна клітина містить ядро, мітохондрії і мало або зовсім не містить гемоглобіну, у той час як у повністю диференційованому еритроциті гемоглобіну величезна кількість, але ні ядра, ні мітохондрій немає. Склад цієї клітини постійно змінювався у відповідь на сигнали, що приходять ззовні, і відповідно змінювався і метаболізм. Диференціювання клітинвимагає точного регулювання концентрацій клітинних білків.

У ході еволюції виник чудовий набір регуляторних механізмів, що дозволяють підтримувати гомеостаз лише на рівні молекул, клітин та цілих організмів. Значення регуляції метаболізму для організму відбивається у відносній кількості генів, що кодують елементи регуляторного апарату: у людини близько 4000 генів (близько 12% всіх генів) кодують регуляторні білки, у тому числі різноманітні рецептори, регулятори експресії генів та близько 500 різних протеїнкіназ! Регуляторні механізми діють у різному часовому діапазоні (від секунд до доби) та відрізняються за чутливістю до змін зовнішнього середовища. У багатьох випадках ці механізми перекриваються: той самий фермент може бути об'єктом регуляції в кількох регуляторних механізмах.

Регулюється не лише кількість ферментів, а й їхня каталітична активність

Інтенсивність ферментативного процесу може регулюватися як шляхом зміни кількості ферментів, і шляхом модуляції каталітичної активності присутніх молекул ферменту. Подібні перетворення відбуваються в часовому діапазоні від декількох мілісекунд до декількох годин і є відповіддю на внутрішньоклітинний або зовнішній сигнал. Дуже швидкі алостеричні зміни ферментативної активності зазвичай ініціюються на місці шляхом зміни локальної концентрації невеликих молекул субстрату даного метаболічного шляху (у реакціях гліколізу - глюкози), продукту шляху (АТР при гліколізі) або ключового метаболіту або кофактора (такого, як NADH), що пов'язано з метаболічною здатністю клітини. Вторинні месенджери (такі, як циклічний АМР і Са 2+), що утворюються всередині клітин у відповідь на позаклітинні сигнали (гормони, цитокіни тощо), також опосередковують алостеричну регуляцію, але дещо повільніше впливаючи на механізми передачі сигналу (див. гл 12).

Позаклітинні сигнали (рис. 15-2, Ф) можуть бути гормональними (інсулін або адреналін), нейрональним (ацетилхолін) або передаватися за допомогою факторів росту або цитокінів. Кількість даного ферменту у клітині визначається співвідношенням між швидкостями його синтезу та деградації. Швидкість синтезу регулюється шляхом активації (у відповідь на якийсь зовнішній сигнал) фактора транскрипції (рис. 15-2, (D; подробиці див. в гл. 28). Фактори транскрипціїце ядерні білки, які після активації зв'язуються зі специфічними ділянками ДНК (Респонсивними елементами)поблизу області промотора гена (точки початку транскрипції) та активують або пригнічують транскрипцію даного гена, що призводить до збільшення або зменшення продукції відповідного білка. Активація фактора транскрипції часто відбувається внаслідок його зв'язування зі специфічним лігандом, а іноді буває спричинена його фосфорилуванням або дефосфорилуванням. Кожен ген контролюється одним або декількома респонсивними елементами, що розпізнаються специфічними факторами транскрипції. Деякі гени містять кілька респонсивних елементів і, отже, контролюються декількома різними факторами транскрипції, що реагують кілька різних сигналів. Групи генів, що кодують білки, дія яких взаємопов'язана, як у разі ферментів гліколізу або глюконеогенезу, часто містять респонсивні елементи з однаковою послідовністю, тому один і той же сигнал, що діє через певний фактор транскрипції, включає або вимикає всю групу генів одночасно. У розд. 15.3 обговорюється регулювання метаболізму вуглеводів під впливом специфічних факторів транскрипції.

Стійкість молекул мРНК до рибонуклеазу (рис. 15-2, (D) може бути різною, так що кількість мРНК даного виду в клітині - функція швидкостей її синтезу та деградації (гл. 26). Нарешті, швидкість трансляції мРНК на рибосомах ( 15-2, (4)) також регулюється і залежить від декількох факторів, описаних детально в розділі 27.

Мал. 15-2. Чинники, що впливають активність ферментів. Загальна активність ферменту може змінюватися через зміну числа молекул даної (кількості) ферменту в клітині, його ефективної активності у певному клітинному відділі ((1)-(6)) або модуляції активності існуючих молекул ферменту, як докладно описано в тексті. Активність конкретного ферменту визначається поєднанням цих чинників.

Зверніть увагу, що збільшення продукції мРНК у n разів не завжди означає n-кратне збільшення синтезу відповідного білка.

Молекула білка, що утворилася, існує обмежений час, а саме, від декількох хвилин до багатьох днів (табл. 15-1). Швидкість деградації ферментів (рис. 15-2, (5)) також різна та визначається внутрішньоклітинними умовами. Деякі білки піддаються деградації в протеасомах (див. гл. 28) в результаті ковалентного зв'язування з убіквітіном (згадайте білок циклін; див. рис. 12-46). Швидкий оборот(синтез з подальшою деградацією) пов'язаний з більшими енергетичними витратами, проте білки з меншим періодом напівжиття (час, за який залишається половина первісної кількості речовини) можуть досягти нового стаціонарного стану за своїм змістом швидше за білки, час напівжиття яких великий, і виграш від такого швидкого реакції повинен врівноважувати або бути більшим за енергетичні витрати клітини.

Таблиця 15-1. Приблизний час напівжиття білків в органах ссавців

Ще один фактор, що впливає на ефективну активність ферменту, – це доступність його субстрату (рис. 15-2, (6)). Гексокіназа з м'язів не може діяти на глюкозу, поки цей цукор не надійде з крові в клітини м'язів, а швидкість проникнення глюкози в клітини залежить від молекул-переносників (див. табл. 11-3) у плазматичній мембрані. Всередині клітини деякі ферменти та ферментні системи містяться у різних обмежених мембраною компартментах; Доставка субстратів у ці відділи може бути лімітуючим фактором для ферменту.

Завдяки наявності цих декількох механізмів регулювання ферментативної активності клітини здатні істотно змінювати набір ферментів у відповідь на зміну умов метаболізму. У хребетних органом, що найбільш пристосовується, є печінка; наприклад, заміна багатої вуглеводами їжі на їжу з високим вмістом ліпідів впливає на транскрипцію сотень генів і, отже, синтез сотень білків. Подібні глобальні зміни в експресії генів можна оцінити на кількісному рівні за допомогою ДНК-мікрочіпів (див. рис. 9-22), що дозволяють аналізувати весь набір мРНК цього типу клітин або органів (транскриптом),або за допомогою двовимірного гель-електрофорезу (див. рис. 3-21) - методу вивчення всіх білків даного типу клітин або конкретного органу (Протеом).Обидва ці методи дуже корисні при дослідженнях регуляції метаболізму. Зміни протеома часто спричиняють зміни всього ансамблю низькомолекулярних метаболітів. - Метаболома.

Після того як в результаті дії регуляторних механізмів, що контролюють синтез і деградацію білка, у клітині утворилася певна кількість кожного ферменту, активність цих ферментів і далі піддається регуляції: шляхом зміни концентрації субстратів; шляхом впливу алостеричних ефекторів; шляхом ковалентної модифікації; або шляхом зв'язування регуляторних білків. Всі ці процеси можуть змінювати активність окремих молекул ферменту (рис. 15-2, (7)-(10)).

Усі ферменти чутливі до концентрації субстратів (рис. 15-2, (7)). Згадайте, що у найпростішому випадку (за умов кінетики Міхаеліса-Ментен) початкова швидкість реакції дорівнює половині максимальної швидкостіпри концентрації субстрату, що дорівнює значенню К м (тобто при напівнасиченні ферменту субстратом). При зменшенні концентрації субстрату швидкість реакції також зменшується, а при «К м швидкість реакції лінійним чином залежить від . Це важливо пам'ятати, оскільки внутрішньоклітинна концентрація субстрату часто близька до м або нижче цього значення. Наприклад, активність гексокінази залежить від концентрації глюкози, а внутрішньоклітинна концентрація глюкози змінюється з концентрацією глюкози у крові. Як ми побачимо далі, різним формам (ізоформ) гексокінази відповідають різні К м, і, отже, присутність різних ізоформ гексокінази залежить від внутрішньоклітинної концентрації глюкози, що має певне фізіологічне значення.

Приклад 15-1. Активність переносника глюкози

Якщо для переносника глюкози в печінці (GLU Т2) Кt (еквівалент К м) = 40 мМ, визначте зміну швидкості надходження (потоку) глюкози до гепатоцитів при підвищенні концентрації глюкози у крові від 3 до 10 мМ.

Рішення.Для визначення початкової швидкості надходження глюкози використовуємо рівняння 11-1 (т. 1, 555).

При 3 мМ глюкози

V 0 = V m ах (3 мМ)/(40 мМ + 3 мМ) = V m ах (3 мМ/43 мМ) = 0,07 V m ах При 10 мМ глюкози

V 0 = V m ах (10 мМ)/(40 мМ + 10 мМ) = V m ах (10 мМ/50 мМ) = 0,20 V m ах

Таким чином, якщо концентрація глюкози в крові збільшилася від 3 до 10 мМ, це означає, що швидкість потоку глюкози в гепатоцити підвищилася майже в 3 рази (0,20/0,07).

Ферментативна активність може збільшуватися або зменшуватися під дією алостеричних ефекторів (рис. 15-2, (8); див. також рис. 6-34). Під впливом алостеричних ефекторів кінетика реакції зазвичай замість гіперболічної стає S-подібною, або навпаки (наприклад, див. рис. 15-14, б). У найбільш крутій частині S-подібної кривої невеликі зміни концентрації субстрату або алостеричного ефектора можуть впливати на швидкість реакції. Як ми обговорювали в гол. 5 (с. 239, т. 1), для опису поведінки алостеричних ферментів користуються коефіцієнтом кооперативності Хілла, причому велике значення цього коефіцієнта означає вищу кооперативність. Для алостеричного ферменту з коефіцієнтом Хілла, рівним 4, триразове збільшення концентрації субстрату призводить до збільшення швидкості реакції від 0,1 Vm ах до 0,9 Vm ах, тоді як для ферменту, що не володіє властивістю кооперативності (коефіцієнт Хілла 1; див. табл. 15-2), для такої ж зміни ферментативної активності потрібно підвищення концентрації субстрату у 81 раз!

Ковалентні модифікації вже існуючого ферменту або іншого білка (рис. 15-2, (9)) відбуваються за секунди-хвилини з моменту надходження сигналу, як правило, позаклітинного. Найпоширеніша модифікація - це фосфорилювання-дефосфорилювання (рис. 15-3); до половини всіх білків в еукаріотичній клітині за певних умов зазнають фосфорилування. Фосфорилювання може змінити електростатичні властивості активного центру ферменту, змістити інгібуючу ділянку білка подалі від активного центру, вплинути на взаємодію даного білка з іншими молекулами або викликати конформаційні зміни, що призводять до змін Vm ах і К м. Для здійснення регуляції необхідно, щоб після ковалентної модифікації клітина могла повернути білок до його вихідного стану. Сімейство фосфопротеїнфосфатаз, деякі члени якого самі знаходяться під контролем, каталізують дефосфорилювання білків, які були фосфорильовані протеїнкіназами.

Таблиця 15-2. Співвідношення між коефіцієнтом Хілла та впливом концентрації субстрату на швидкість реакції для алостеричних ферментів

Мал. 15-3. Фосфорилювання-дефосфорилювання білка. Протеїнкінази переносять фосфорильну групу від АТР на залишки Ser, Thr або Туr у білку. Протеїнфосфатази видаляють фосфорильну групу у вигляді P i .

Нарешті, регулювання багатьох ферментів досягається шляхом зв'язування з регуляторними білками (рис. 15-2, (10)). Наприклад, сАМР-залежна протеїнкіназа (РКА; див. рис. 12-6) залишається неактивною доти, поки в результаті зв'язування сАМР каталітичні та регуляторні субодиниці ферменту розділені.

Розглянуті механізми впливу швидкість певної реакції метаболічного шляху не виключають одне одного. Досить часто той самий фермент піддається регуляції на рівні транскрипції, а також шляхом алостеричних механізмів і ковалентного зв'язування. Поєднання цих механізмів забезпечує швидку та ефективну регуляцію у відповідь на найрізноманітніші зміни в клітині та сигнали, що надходять.

Для подальшого обговорення корисно розглянути зміни ферментативної активності при виконанні двох різних, проте взаємодоповнюючих функцій. Терміном метаболічне регулюваннябудемо позначати процес, спрямований на підтримку гомеостазу на молекулярному рівні, тобто підтримку певних клітинних параметрів (таких як концентрації метаболітів) навіть при зміні потоку метаболітів в даному метаболічному шляху. Терміном метаболічний контрольбудемо називати процеси, які ведуть зміну результату метаболічного шляху у часі у відповідь деякі зовнішні сигнали чи зміна умов. Слід сказати, проте, що чітку межу між цими двома поняттями не завжди легко провести.

Зазвичай у клітині регулюються реакції, далекі стану рівноваги

На деяких стадіях метаболічного шляху реакції наближаються до рівноваги (рис. 15-4). Загальний потік метаболітів у таких реакціях визначається невеликою різницею між швидкостями прямої та зворотної реакцій, які при наближенні до стану рівноваги мають близькі значення. Невеликі зміни концентрації субстрату або продукту реакції можуть сильно змінити загальну швидкість процесу та навіть його напрямок. Ідентифікувати ці майже рівноважні реакції в клітині ми можемо, якщо порівнюватимемо величини відношення діючих мас Q з константою рівноваги реакції К" eq . Згадайте, що для реакції А + В -> С + D Q = [С]/[А][В] . Вважається, що, коли Q і К" eq відрізняються лише на 1-2 порядку, реакція близька до рівноваги. Наприклад, це спостерігається для шести із 10 реакцій гліколізу (табл. 15-3).

Мал. 15-4. Рівноважні та нерівноважні стадії метаболізму. У клітині стадії (2) та (3) даного шляху майже рівноважні; швидкості їх прямих реакцій лише трохи перевищують швидкості зворотних реакцій, отже загальна швидкість (10) досить низька, а зміна вільної енергії ∆G′ кожної із цих стадій близько до нулю. Підвищення внутрішньоклітинної концентрації метаболітів С або D може змінити напрямок цих стадій. Стадія (1) у клітині далека від рівноваги - швидкість прямої реакції набагато перевищує швидкість зворотної реакції. Загальна швидкість стадії (1) (10) набагато більша за швидкість зворотної реакції (0,01) і в стаціонарному стані дорівнює швидкостям стадій (2) і (3). Стадія (1) характеризується великим негативним значенням ∆G′.

Багато реакцій у клітині, однак, далекі від рівноваги. Наприклад, для реакції гліколізу, що каталізується фосфофруктокіназою-1 (РРК-1), К" eq ≈ 1000, а для типової клітини в стаціонарному стані Q = [фруктозо-1,6-бісфосфат][AD Р]/[фруктозо-6- фосфат][АТР]) ≈ 0,1 (табл. 15-3) Саме завдяки тому, що ця реакція така далека від рівноваги, у внутрішньоклітинних умовах даний процес екзергонічний і протікає в прямому напрямку. звичайних внутрішньоклітинних концентраціях субстрату, продукту та ефектора швидкість перетворення фруктозо-6-фосфату на фруктозо-1,6-бісфосфат обмежена активністю PFK-1, що регулюється числом молекул PFK-1 та дією ефекторів.Таким чином, швидкість прямого процесу збігається зі швидкістю загального потоку інтермедіатів гліколізу в інших реакціях даного шляху, а швидкість зворотного потоку реакції за участю PFK -1 практично дорівнює нулю.

Таблиця 15-3. Константи рівноваги, відносини діючих мас та зміни вільної енергії ферментативних реакцій при метаболізмі вуглеводів

	К" eq	Відношення діючих мас Q Печінка Серце		Реакція in vivo близька до рівноваги?	∆G′ (кДж/моль)	∆G′ у серці (кДж/моль)
Гексокіназа
PFK-1		9 . 10 -2	3 . 10 - 2
Альдолаза
Тріозофосфатизомераза
Гліцеральдегід-3-фосфатдегідрогеназа +
фосфогліцераткіназа
Фосфогліцератмутаза
Піруваткиназа
Фосфоглюкоізомераза
Піруваткарбоксилаза + ФЕП-карбооксикіназа
Глюкозо-6-фосфатаза

* Для простоти вважають, що всі реакції, для яких ∆G′<6, близки к равновесию.

Клітина не може припустити, щоб реакції з великими значеннями констант рівноваги наближалися до рівноваги. Якщо при звичайних клітинних концентраціях фруктозо-6-фосфату, АТР і ADP (кілька мілімолей) PFK -1 реакція, що каталізується, могла б досягати рівноваги, то концентрація фруктозо-1,6-бісфосфату виявилася б у молярному діапазоні, що призвело б до загибелі клітини -за високого осмотичного тиску

Розглянемо інший приклад. Якщо в клітині реакція АТР -> ADP + Рi могла б наблизитися до рівноваги, для цієї реакції зміна вільної енергії ∆G' -> 0 (Gp ; див. Приклад 13-2, с. 31); в результаті АТР втратив би свій високий потенціал переносника фосфатних груп, який так необхідний клітині. Тому дуже важливо, щоб ферменти, що каталізують розкладання АТР та інші екзергонічні реакції в клітині, були схильні до регуляції, тобто при зміні метаболічних процесів в результаті зовнішніх впливів реакції за участю цих ферментів коригувалися таким чином, щоб концентрація АТР залишалася набагато вище рівноважного рівня . За таких змін метаболізму відбувається коригування активностей ферментів у всіх взаємопов'язаних метаболічних шляхах, що не дозволяє критичним стадіям досягти рівноваги. Тому не дивно, що багато ферментів (такі як PFK -1), що каталізують реакції з великою негативною зміною вільної енергії, тонко регулюються безліччю різних способів. Ця регуляція відбувається настільки складним шляхом, що при вивченні властивостей лише одного ферменту метаболічного шляху не можна визначити, наскільки великий вплив цей фермент на хід процесу в цілому; для цього треба залучити теорію контролю метаболізму, до якої ми звернемося в розд. 15.2.

Аденінові нуклеотиди відіграють особливу роль у регуляції метаболізму

Можливо, друге за важливістю завдання клітини (після захисту від пошкоджень ДНК) - це підтримка постійних запасів АТР. Багато АТР-залежні ферменти мають К м між 0,1 і 1 мМ, а нормальна концентрація АТР у клітині становить 5 мМ. Якщо концентрація АТР була б значно нижчою, ці ферменти не могли б досягти насичення своїм субстратом (АТР), внаслідок чого знизилася швидкість сотень реакцій, що відбуваються за участю АТР (рис. 15-5). Клітина, ймовірно, не змогла б пережити такого кінетичного впливу на велику кількість реакцій.

З іншого боку, зменшення концентрації АТР має важливі термодинамічні наслідки. Оскільки при виконанні роботи в клітині АТР перетворюється на ADP або АМР, співвідношення / надає глибокий вплив протягом всіх реакцій, в яких задіяні ці кофактори. Це ж стосується й інших кофакторів-NADH / NAD + і NADPH / NADP + .

Мал. 15-5. Вплив концентрації АТР на початкову швидкість реакції, що каталізується типовим АТР-залежним ферментом. На підставі цих експериментальних даних для АТР К м ≈ 5 мМ. У тканинах тварин концентрація [АТР] 5 мМ.

Наприклад, розглянемо реакцію, що каталізується гексокіназою:

Зауважте, що цей вираз вірний тільки в тому випадку, коли вихідні речовини та продукти реакції знаходяться в рівноважних концентраціях, при яких ∆G′ = 0. При будь-яких інших концентраціях ∆G′ ≠ 0. Згадайте (гл. 13), що відношення концентрацій продуктів реакції до концентрацій субстратів (відношення діючих мас Q визначає величину і знак ∆G′ і, отже, рушійну силу (∆G′) реакції:

Оскільки зміна цієї рушійної сили впливає всі реакції з участю АТР, у процесі еволюції організми виробили регуляторні механізми, відповідальні підтримку співвідношення /.

Концентрація АМР набагато чутливіша до енергетичного стану клітини, ніж концентрація АТР. Зазвичай у клітинах концентрація АТР (5-10 мМ) набагато вища, ніж концентрація АМР (<0,1 мМ). При расходовании АТР, например при мышечном сокращении, АМР образуется в результате двустадийного процесса. Сначала при гидролизе АТР образуется ADP , а затем в результате действия аденілаткинази- АМР:

2ADP АМР + АТР

При зменшенні концентрації АТР на 10% відносне збільшення концентрації АМР значно більше, ніж для ADP (табл. 15-4). Тому не дивно, що багато регуляторних процесів пов'язані саме з концентрацією АМР. Важливу роль як медіатор регулювання грає AMP -залежна протеїнкіназа,яка за підвищення концентрації АМР починає фосфорилювати ключові білки, регулюючи цим їх активність. Збільшення [АМР] може бути пов'язане з недостатнім надходженням поживних речовин або з великим фізичним навантаженням. Дія АМР-залежної протеїнкінази (не плутайте з сАМР-залежною протеїнкіназою, див. розд. 15.5) посилює транспорт глюкози, активує гліколіз та окислення жирних кислот, але в той же час пригнічує такі енерговитратні процеси, як синтез жирних кислот, холестерину та 15-6). У гол. 23 ми докладніше обговоримо цей фермент та механізм його дії у зазначених процесах.

Таблиця 15-4. Відносні зміни концентрацій АТР та АМР при витрачанні АТР чи функціональних груп

Мал. 15-6. Роль AMP-залежної протеїнкінази (АМРК) у метаболізмі жирів та вуглеводів. Під час фізичних навантажень АМРК активується у відповідь на збільшення концентрації АМР або зменшення концентрації АТР сигналами від симпатичної нервової системи (СНР) або гормонів жирової тканини (лептин та адипонектин, докладніше див. гл. 23). Активована АМРК фосфорилює ключові білки і цим регулює метаболізм у багатьох тканинах, пригнічуючи такі енерговитратні процеси, як синтез глікогену, жирних кислот і холестерину; спрямовує обмін речовин поза печінкою використання жирних кислот як паливних молекул; а у печінці запускає глюконеогенез для забезпечення мозку глюкозою. У гіпоталамусі АМРК стимулює харчову поведінку те щоб організм отримав більше поживних речовин.

Поряд з АТР у клітині у необхідних концентраціях мають бути присутніми сотні інтермедіатів метаболізму. Наприклад, інтермедіати гліколізу дигідроксиацетонфосфат і 3-фосфогліцерат служать попередниками триацилгліцеринів і серину відповідно. При необхідності швидкість гліколізу повинна коригуватися таким чином, щоб забезпечити необхідну кількість цих речовин без зниження рівня утворення АТР. Ця ж закономірність справедлива для інших важливих кофакторів, таких як NADH і NADPH: зміна відношення їх діючих мас (тобто відношення концентрації відновленої форми кофактора до концентрації його окисленої форми) дуже сильно впливає на метаболізм.

Звичайно, на еволюційний розвиток регуляторних механізмів впливали також пріоритети, що виникають у життєдіяльності організму. У головному мозку ссавців запаси енергії практично відсутні, тому діяльність мозку залежить від надходження глюкози по кровотоку. Коли рівень глюкози крові зменшується у 2 рази порівняно з нормою (4-5 мМ), відбувається порушення мозкової діяльності, а 5-кратне зниження рівня глюкози крові призводить до стану коми та смерті. Підтримувати рівень глюкози крові в нормі допомагають гормони інсулін та глюкагон, що виділяються при підвищеному та зниженому вмісті глюкози відповідно; ці гормони запускають серію метаболічних реакцій, вкладених у нормалізацію рівня глюкози.

Крім того, в ході еволюції мав здійснюватися й інший селективний вплив, що призвів до відбору регуляторних механізмів, спрямованих на вирішення певних завдань.

1. Забезпечення максимальної ефективності використання енергії шляхом запобігання одночасному перебігу реакцій протилежно спрямованих метаболічних шляхів (наприклад, гліколізу та глюконеогенезу).

2. Розподіл метаболітів між альтернативними метаболічними шляхами (такими як гліколіз та пентозофосфатний шлях).

3. Вибір відповідного джерела енергії для вирішення поточних завдань організму (глюкоза, жирні кислоти, глікоген або амінокислоти).

4. Зупинення шляхів біосинтезу при накопиченні його продуктів.

У наступних розділах представлено безліч прикладів регуляторних механізмів кожного типу.

Короткий зміст розділу 15.1. Регулювання метаболічних шляхів

■ У клітині з активним метаболізмом, що знаходиться в стаціонарному стані, інтермедіати метаболізму утворюються та витрачаються з однаковою швидкістю. Якщо внаслідок будь-яких впливів швидкість утворення або витрачання метаболіту змінюється, у клітині відбувається компенсаторна зміна активностей ферментів, що призводить до відновлення стаціонарного стану.

■ Клітини регулюють свій метаболізм за допомогою різних механізмів у часовому діапазоні від мілісекунд до кількох діб, змінюючи активність вже існуючих ферментів або кількість синтезованих молекул специфічного ферменту.

■ Різні сигнали можуть активувати або інактивувати фактори транскрипції, які регулюють експресію генів у ядрі клітини. Зміни у транскриптомі призводять до змін у протеомі та, в результаті, у метаболомі клітини або тканини.

■ У багатостадійних процесах, таких як гліколіз, деякі реакції у стаціонарному стані близькі до рівноваги; швидкості цих реакцій контролюються концентрацією субстрату та зменшуються та збільшуються при її зміні. Інші реакції далекі від рівноваги; зазвичай вони контролюють потоки речовин цілком у цьому метаболічному шляху.

■ Регуляторні механізми спрямовані на підтримку у клітинах практично постійного рівня ключових метаболітів, таких як АТР та NADH, або глюкози крові; при зміні потреб організму використовують запаси глікогену.

ДИНАМІЧНА БІОХІМІЯ

ГлаваIV.8.

Обмін речовин та енергії

Метаболізм або обмін речовин - сукупність хімічних реакцій в організмі, які забезпечують його речовинами та енергією, необхідними для життєдіяльності. В обміні речовин можна виділити два основні етапи: підготовчий - коли надійшла аліментарним шляхом речовина піддається хімічним перетворенням, у яких вона може надійти в кров і далі проникнути в клітини, і власне метаболізм, тобто. хімічні перетворення сполук, що проникли всередину клітин.

Метаболічний шлях - це характер та послідовність хімічних перетворень конкретної речовини в організмі. Проміжні продукти, що утворилися в процесі метаболізму, називаються метаболітами, а остання сполука метаболічного шляху - кінцевий продукт.

Процес розпаду складних речовин на простіші називається катаболізмом. Так, що надходять у їжею білки, жири,вуглеводи під впливом ферментів травного тракту розпадаються більш прості складові (амінокислоти, жирні кислоти і моносахариды). У цьому вивільняється енергія. Зворотний процес, тобто синтез складних сполук з більш простих називається анаболізмом . Він йде із витратою енергії. З амінокислот, жирних кислот і моносахаридів, що утворилися в результаті травлення, в клітинах синтезуються нові клітинні білки, фосфоліпіди мембран і полісахариди.

Існує поняття амфіболізм коли одна сполука руйнується, але при цьому синтезується інша.

Метаболічний цикл - це метаболічний шлях, один із кінцевих продуктів якого ідентичний одному з сполук, залучених до цього процесу.

Приватний шлях метаболізму - сукупність перетворень однієї певної сполуки (вуглеводи чи білки). Загальний шлях метаболізму – коли залучаються два і більше видів сполук (вуглеводи, ліпіди та частково білки залучені до енергетичного метаболізму).

Субстрати метаболізму - сполуки, що надходять з їжею. Серед них виділяють основні харчові речовини (білки, вуглеводи, ліпіди) та мінорні, які надходять у малих кількостях (вітаміни, мінеральні речовини).

Інтенсивність метаболізму визначається потребою клітини в тих чи інших речовинах або енергії, регуляція здійснюється чотирма шляхами:

1) Сумарна швидкість реакцій певного метаболічного шляху визначається концентрацією кожного із ферментів цього шляху, значенням рН середовища, внутрішньоклітинною концентрацією кожного з проміжних продуктів, концентрацією кофакторів та коферментів.

2) Активністю регуляторних (алостеричних) ферментів, які зазвичай каталізують початкові етапи метаболічних шляхів. Більшість з них пригнічується кінцевим продуктом даного шляху і цей вид пригнічення називається "за принципом зворотного зв'язку".

3) Генетичний контроль, визначальний швидкість синтезу тієї чи іншої ферменту. Яскравий приклад - поява у клітині індуцибельних ферментів у відповідь надходження відповідного субстрату.

4) Гормональне регулювання. Ряд гормонів здатні активувати чи інгібувати багато ферментів метаболічних шляхів.

Живі організми є термодинамічно нестійкими системами. Для формування та функціонування необхідне безперервне надходження енергії у формі, придатної для багатопланового використання. Для отримання енергії практично всі живі істоти на планеті пристосувалися гідролізувати одну з пірофосфатних зв'язків АТФ. У зв'язку з цим одне з головних завдань біоенергетики живих організмів – це заповнення використаних АТФ з АДФ та АМФ.

Основне джерело енергії в клітині – окислення субстратів киснем повітря. Цей процес здійснюється трьома шляхами: приєднанням кисню до атома вуглецю, відщепленням водню чи втратою електрона. У клітинах окислення протікає у формі послідовного перенесення водню та електронів від субстрату до кисню. Кисень грає в цьому випадку роль відновлюваного з'єднання (окислювача). Окисні реакції протікають з вивільненням енергії. Для біологічних реакцій характерні порівняно невеликі зміни енергії. Це досягається за рахунок дроблення процесу окиснення на ряд проміжних стадій, що дозволяє запасати її невеликими порціями у вигляді макроергічних сполук (АТФ). Відновлення атома кисню при взаємодії з парою протонів та електронів призводить до утворення молекули води.

Тканинне дихання

Це процес споживання клітинами тканин організму кисню, який бере участь у біологічному окисненні. Такий вид окислення називають аеробним окисненням . Якщо кінцевим акцептором у ланцюзі переносу водню виступає не кисень, а інші речовини (наприклад, піровиноградна кислота), то такий тип окислення називають анаеробним.

Т.о. біологічне окислення - це дегідрування субстрату за допомогою проміжних переносників водню та його кінцевого акцептора.

Дихальний ланцюг (Ферменти тканинного дихання) - це переносники протонів і електронів від окислюваного субстрату на кисень. Окислювач - це з'єднання, здатне приймати електрони. Така здатність кількісно характеризується окисно-відновним потенціалом стосовно стандартного водневого електрода, рН якого дорівнює 7,0. Чим менший потенціал з'єднання, тим сильніше його властивості, що відновлюють, і навпаки.

Т. о. будь-яке з'єднання може віддавати електрони тільки з'єднанню з більш високим окислювально-відновним потенціалом. У дихальному ланцюгу кожна наступна ланка має більший потенціал, ніж попередня.

Дихальний ланцюг складається з:

1. НАД – залежної дегідрогенази;

2. ФАД-залежної дегідрогенази;

3. Убіхінона (К Q);

4. Цитохрмів b, c, a + a 3 .

НАД-залежні дегідрогенази . Як кофермент містять НАДі НАДФ. Піридинове кільце нікотинаміду здатне приєднувати електрони та протони водню.

ФАД та ФМН-залежні дегідрогенази містять як кофермент фосфорний ефір вітаміну В 2 ( ФАД).

Убіхінон (До Q ) забирає водень у флавопротеїдів і перетворюється при цьому на гідрохінон.

Цитохроми - білки хромопротеїди, здатні приєднувати електрони, завдяки наявності у своєму складі як простетичні групи залізопорфіринів. Вони приймають електрон від речовини, що є трохи сильнішим відновником, і передають його сильнішому окислювачу. Атом заліза пов'язаний з атомом азоту кільця імідазольного аміноксилоти гістидину з одного боку від площини порфіринового циклу, а з іншого боку з атомом сірки метіоніну. Тому потенційна здатність атома заліза у цитохромах до зв'язування кисню пригнічена.

У цитохромі з порфіринова площина ковалентно пов'язана з білком через два залишки цистеїну, а в цитохромахb і , вона ковалентно не пов'язана із білком.

У цитохромі а+а 3 (цитохромоксидазе) замість протопорфірину містяться порфірин А, який відрізнятиметься рядом структурних особливостей. П'яте координаційне становище заліза зайнято аміногрупою, що належить залишку аміносахара, що входить до складу самого білка.

На відміну від гема гемолгобіну атом заліза в цитохромах може оборотно переходити з двох у тривалентний стан. Це забезпечує транспорт електронів.

Механізм роботи електротранспортного ланцюга

Зовнішня мембрана мітохондрії (рис. 4.8.1) проникна більшість дрібних молекул і іонів, внутрішня майже всім іонів (крім протонів Н) і більшість незаряджених молекул.

Всі перераховані вище компоненти дихального ланцюга вбудовані у внутрішню мембрану. Транспорт протонів і електронів дихальним ланцюгом забезпечується різницею потенціалів між її компонентами. При цьому кожне збільшення потенціалу на 0,16 звільняє енергію, достатню для синтезу однієї молекули АТФ з АДФ і Н 3 РО 4 . При споживанні однієї молекули 2 утворюється 3 АТФ.

Процеси окислення та утворення АТФ з АДФ та фосфорної кислоти тобто. фосфорилювання протікають у мітохондріях. Внутрішня мембрана утворює безліч складок – христ. Простір органічний внутрішньої мембраною - матриксом. Простір між внутрішньою та зовнішньою мембранами називається міжмембранним.

Така молекула містить у собі три макроергічні зв'язки. Макроергічна або багатою енергією називають хімічний зв'язок, при розриві якого вивільняється понад 4 ккал/моль. При гідролітичному розщепленні АТФ до АДФ та фосфорної кислоти вивільняється 7,3 ккал/моль. Рівно стільки ж витрачається для утворення АТФ з АДФ та залишку фосфорної кислоти і це один із основних шляхів запасання енергії в організмі.

У процесі транспорту електронів дихальним ланцюгом вивільняється енергія, яка витрачається на приєднання залишку фосфорної кислоти до АДФ з утворенням однієї молекули АТФ та однієї молекули води. У процесі перенесення однієї пари електронів з дихального ланцюга вивільняється і запасається у вигляді трьох молекул АТФ 21,3 ккал/моль. Це становить близько 40% енергії, що вивільнилася при електронному транспорті.

Такий спосіб запасання енергії в клітці називається окисним фосфорилюванням або пов'язаним фосфорилюванням.

Молекулярні механізми цього процесу найповніше пояснює хемоосмотична теорія Мітчелла, висунута 1961 року.

Механізм окисного фосфорилювання (Рис.4.8.2.):

1) НАД-залежна дегідрогеназа розташована на матриксній поверхні внутрішньої мембрани мітохондрій віддає пару електронів водню на ФМН-залежну дегідрогеназу. При цьому з матриксу пара протонів переходить також на ФМН і в результаті ФМН утворюється Н 2 . У цей час пара протонів, що належать НАД, виштовхується в міжмембранний простір.

2) ФАД-залежна дегідрогеназа віддає пару електронів на Ко Q а кілька протонів виштовхує в міжмембранний простір. Отримавши електрони Ко Q приймає з матриксу пару протонів і перетворюється на Ко Q Н 2 .

3) До Q Н 2 виштовхує пару протонів у міжмембранний простір, а пара електронів передається на цитохроми і далі на кисень з утворенням молекули води.

У результаті при перенесенні пари електронів по ланцюгу з матриксу в міжмембранний простір перекачується 6 протонів (3 пари), що веде до створення різниці потенціалів і різниці рН між поверхнями внутрішньої мембрани.

4) Різниця потенціалів та різниця рН забезпечують рух протонів через протонний канал назад у матрикс.

5) Такий зворотний рух протонів веде до активації АТФ-синтази та синтезу АТФ з АДФ та фосфорної кислоти. При перенесенні однієї пари електронів (тобто трьох пар протонів) синтезується 3 молекули АТФ (рис. 4.7.3.).

Роз'єднання процесів дихання та окисного фосфорилювання відбувається, якщо протони починають проникати через внутрішню мембрану мітохондрій. В цьому випадку вирівнюється градієнт рН та зникає рушійна сила фосфорилювання. Хімічні речовини - роз'єднувачі називаються протонофорами, здатні переносити протони через мембрану. До таких відносяться 2,4-дінітрофенол, гормони щитовидної залози та ін. (Рис. 4.8.3.).

АТФ, що утворилася, з матриксу в цитоплазму переноситься ферментами транслоказами, при цьому у зворотному напрямку в матрикс переноситься одна молекула АДФ і одна молекула фосфорної кислоти. Зрозуміло, що порушення транспорту АДФ та фосфату гальмує синтез АТФ.

Швидкість окисного фосфорилювання залежить в першу чергу від вмісту АТФ, чим швидше вона витрачається, тим більше накопичується АДФ, тим більше потреба в енергії і, отже, активніше йде процес окисного фосфорилювання. Регуляцію швидкості окисного фосфорилювання концентрацією у клітині АДФ називають дихальним контролем.

ЛІТЕРАТУРА ДО РОЗДІЛУ IV.8.

1. Бишевський А. Ш., Терсенов О. А. Біохімія для лікаря // Єкатеринбург: Уральський робітник, 1994, 384 с.;

2. Кнорре Д. Г., Мизіна С. Д. Біологічна хімія. - М.: Вищ. шк. 1998, 479 с.;

3. Ленінджер А. Біохімія. Молекулярні основи структури та функцій клітини // М.: Світ, 1974, 956;

4. Пустовалова Л.М. Практикум з біохімії / / Ростов-на Дону: Фенікс, 1999, 540 с.;

5. Степанов В. М. Молекулярна біологія. Структура та функції білків // М.: Вища школа, 1996, 335 с.;

Принципи регуляції метаболічних шляхів

Усі хімічні реакції у клітині протікають з участю ферментів. Тому, щоб впливати на швидкість перебігу метаболічного шляху, достатньо регулювати кількість чи активність ферментів. Зазвичай у метаболічних шляхах є ключові ферменти, завдяки яким відбувається регулювання швидкості всього шляху. Ці ферменти (один чи кілька метаболічному шляху) називаються регуляторними ферментами; вони каталізують, як правило, початкові реакції метаболічного шляху, незворотні реакції, швидкість-лімітують реакції (найповільніші) або реакції в місці перемикання метаболічного шляху (точки розгалуження).

Регуляція швидкості ферментативних реакцій здійснюється на 3 незалежних рівнях:

• · Зміною кількості молекул ферменту;
• · Доступністю молекул субстрату та коферменту;
• · Зміною каталітичної активності молекули ферманта.

Регуляція каталітичної активності ферментів

Найважливіше значення зміні швидкості метаболічних шляхів грає регуляція каталітичної активності однієї чи кількох ключових ферментів даного метаболічного шляху. Це високоефективний та швидкий спосіб регуляції метаболізму.

Основні способи регуляції активності ферментів:

• · Алостеричне регулювання;
• · регуляція за допомогою білок-білкових взаємодій;
• · регуляція шляхом фосфорилювання/дефосфорилювання молекули ферменту;
• · Регулювання частковим (обмеженим) протеолізом.

Алостеричне регулювання

Алостеричними ферментами називають ферменти, активність яких регулюється як кількістю молекул субстрату, а й іншими речовинами, званими эффекторами. Ефектори, що беруть участь в алостеричній регуляції - клітинні метаболіти часто саме того шляху, регуляцію якого вони здійснюють.

Алостеричні ферменти відіграють важливу роль у метаболізмі, оскільки вони дуже швидко реагують на найменші зміни внутрішнього стану клітини. Алостеричне регулювання має велике значення у таких ситуаціях:

• · При анаболічних процесах. Інгібування кінцевим продуктом метаболічного шляху та активація початковими метаболітами дозволяють здійснювати регулювання синтезу цих сполук;
• · При катаболічних процесах. У разі накопичення АТФ у клітині відбувається інгібування метаболічних шляхів, які забезпечують синтез енергії. Субстрати у своїй витрачаються на реакції запасання резервних поживних речовин;
• · Для координації анаболічних та катаболічних шляхів. АТФ та АДФ – алостеричні ефектори, що діють як антагоністи;
• · для координації паралельно протікають та взаємопов'язаних метаболічних шляхів (наприклад, синтез пуринових та піримідинових нуклеотидів, що використовуються для синтезу нуклеїнових кислот). Таким чином, кінцеві продукти одного метаболічного шляху можуть бути алостеричними ефекторами іншого метаболічного шляху.

Алостеричні ефектори. Ефект, що викликає зниження (інгібування) активності ферменту, називають негативним ефектором, або інгібітором. Ефект, що викликає підвищення (активацію) активності ферментів, називають позитивним ефектором, або активатором.

Алостеричними ефекторами часто є різні метаболіти. Кінцеві продукти метаболічного шляху – часто інгібітори алостеричних ферментів, а вихідні речовини – активатори. Це так зване гетеротропне регулювання. Такий вид алостеричної регуляції дуже поширений у біологічних системах.

Рідкіший випадок алостеричної регуляції, коли сам субстрат може виступати в якості позитивного ефектора. Така регуляція називається гомотропною (ефектор і субстрат - те саме речовина). Ці ферменти мають кілька центрів зв'язування для субстрату, які можуть виконувати подвійну функцію: каталітичну та регуляторну. Алостеричні ферменти такого типу використовуються в ситуації, коли субстрат накопичується в надлишку і має швидко перетворитися на продукт.

Виявити ферменти з алостеричною регуляцією можна, вивчаючи кінетику цих ферментів.

Особливості будови та функціонування алостеричних ферментів:

зазвичай це олігомерні білки, що складаються з кількох протомерів або мають доменну будову;

вони мають алостеричний центр, просторово віддалений від активного каталітичного центру;

ефектори приєднуються до ферменту нековалентно в алостеричних (регуляторних) центрах;

Алостеричні центри, так само, як і каталітичні, можуть виявляти різну специфічність по відношенню до лігандів: вона може бути абсолютною та груповою. Деякі ферменти мають кілька алостеричних центрів, одні з яких специфічні до активаторів, інші – до інгібіторів.

протомір, на якому знаходиться алостеричний центр, - регуляторний протомір, на відміну від каталітичного протоміра, що містить активний центр, в якому проходить хімічна реакція;

алостеричні ферменти мають властивість кооперативності: взаємодія алостеричного ефектора з алостеричним центром викликає послідовну кооперативну зміну конформації всіх субодиниць, що призводить до зміни конформації активного центру і зміни спорідненості ферменту до субстрату, що знижує або збільшує каталітичну активність ферменту;

регуляція алостеричних ферментів оборотна: від'єднання ефектора від регуляторної субодиниці відновлює вихідну каталітичну активність ферменту;

Алостеричні ферменти каталізують ключові реакції даного метаболічного шляху.

Малюнок 3. Схема, яка пояснює роботу алостеричного ферменту. А – дія негативного ефектора (інгібітора); Б – дія позитивного ефектора (активатора).

Локалізація алостеричних ферментів у метаболічному шляху.

Швидкість метаболічних процесів залежить від концентрації речовин, що використовуються і реакцій, що утворюються в даному ланцюгу. Така регуляція представляється логічною, тому що при накопиченні кінцевого продукту він (кінцевий продукт) може діяти як алостеричний інгібітор ферменту, що найчастіше каталізує початковий етап даного метаболічного шляху:

Фермент, що каталізує перетворення субстрату А на продукт, має алостеричний центр для негативного ефектора, яким служить кінцевий продукт метаболічного шляху F. Якщо концентрація F збільшується (тобто речовина F синтезується швидше, ніж витрачається), інгібується активність одного з початкових ферментів. Таку регуляцію називають негативним зворотним зв'язком, або ретроінгібуванням. Негативний зворотний зв'язок - механізм регуляції метаболізму в клітині, що часто зустрічається.

У центральних метаболічних шляхах вихідні речовини може бути активаторами ключових ферментів метаболічного шляху. Як правило, при цьому алостеричної активації піддаються ферменти, що каталізують ключові реакції заключних етапів метаболічного шляху:

Як приклад можна розглянути принципи регуляції гліколізу – специфічного (початкового) шляху розпаду глюкози (рис. 4). Один із кінцевих продуктів розпаду глюкози – молекула АТФ. При надлишку в клітині АТФ відбувається ретроінгібування алостеричних ферментів фосфофруктокінази та піруваткінази. При утворенні великої кількості фруктозо-1,6-бісфосфату спостерігають алостеричну активацію ферменту піруваткінази.

Малюнок 4. Схема позитивної та негативної регуляції катаболізму глюкози.

Молекула АТФ бере участь у ретроінгібуванні алостеричних ферментів фосфофруктокінази та піруваткінази. Фруктозе-1,6-бісфосфат – активатор метаболічного шляху розпаду глюкози. Плюсами відзначено активацію, мінусами - інгібування ферментів.

Завдяки такій регуляції здійснюється злагодженість перебігу метаболічного шляху розпаду глюкози.