"ВЗАИМОСВЯЗЬ И РЕГУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССОВ
ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ"
ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА УГЛЕВОДОВ,
ЖИРОВ, БЕЛКОВ
Взаимосвязь обмена углеводов, жиров, белков проявляется в двух аспектах: а) в наличии единых промежуточных продуктов обмена и б) во взаимопревращениях углеродов, жиров, белков.
В обмене этих веществ можно выделить три основные стадии: 1) подготовительную, стадию универсализации, 3) стадию окисления в цикле трикарбоновых кислот.
В первой стадии представлены реакции гидролиза. Ди- и полисахариды преобразуются до моносахаридов или их эфиров с фосфорной кислотой, жиры расщепляются на глицерин и жирные кислоты, белки – на аминокислоты.
На стадии универсализации из углеводов, глицерина, жирных кислот, некоторых аминокислот образуется один и тот же продукт – КоА. Пути превращения моносахаридов, глицерина, жирных кислот в ацетил КоА достаточно хорошо разобраны в предыдущих разделах курса. Превращения аминокислот в ацетил КоА проходит через стадию дезаминирования и некоторые другие превращения. Например, превращения аланина проходит через стадию образования пировиноградной кислоты (ПВК):
Н -Н2 О -Н2
| -NH3 || -CO2
CH3 – C – COOH ------------- CH3 - C – COOH ----------- ацетил КоА
| +Н2О +КоА
NH2
Превращения других аминокислот смыкаются с превращениями жиров, белков, углеводов на третьей стадии, стадии окисления ацетил КоА в цикле трикарбоновых кислот. Так, глютаминовая кислота в результате дезаминирования превращается в промежуточный продукт цикла:
COOH COOH
| -H2 |
HC – NH2 -NH3 C = O
| -------------------- |
(CH2)2 +H2O (CH2)2
| |
COOH COOH
глютаминовая кислота - кетоглютаровая кислота
Аспарагиновая кислота в результате аналогичных превращений образует другой промежуточный продукт ЦТКК - щавелево-уксусную кислоту:
COOH COOH
| -H2 |
HC – NH2 -NH3 C = O
| -------------------- |
CH2 +H2O CH2
| |
COOH COOH
аспарагиновая кислота ЩУК
Таким образом, процессы распада жиров, белков, углеводов сходятся (в большинстве своем на стадии образования ацетил КоА), образуя в дальнейшем единый метаболический цикл (цикл трикарбоновых кислот), завершающий их превращения. Этим достигается определенная экономия на разнообразии ферментов, на внутриклеточных структурных образованиях, обеспечивающих локализацию ферментных систем и процессов. Немаловажную значение такая организация метаболизма имеет и для ее регуляции.
Особое значение взаимосвязь жиров, белков, углеводов имеет для обеспечения их взаимопревращений. Большинство реакций обмена веществ в организме является обратимыми, направление их зависит от концентрации субстратов , продуктов и других условий. Обратимыми являются и некоторые этапы обмена веществ*. Обратимость отдельных этапов обмена веществ и наличие единых промежуточных продуктов обмена жиров, белков, углеводов и лежит в основе взаимопревращений этих веществ. Так, наряду с распадом гликогена в организме может протекать процесс его синтеза не только из глюкозы и промежуточных продуктов углеводного обмена (пировиноградной, молочной кислот), но и из промежуточных продуктов жирового и белкового обмена.
Наиболее просто происходит в организме взаимопревращение углеводов и жиров, хотя факт превращения жирных кислот в углеводы в организме человека экспериментально не подтвержден, и его целесообразность вызывает сомнение. В условиях истощения углеводных ресурсов организма жиры начинают энергично использоваться в качестве источника энергии. При этом жирные кислоты или непосредственно используются тканями, или превращаются в печени в кетоновые тела, которые поступают в кровь и также утилизируются тканями в качестве энергетического субстрата. Из другого продукта мобилизации жира – глицерина образуется глюкоза , которая поступая в кровь , обеспечивает энергетическим сырьем ткани , предпочитающие глюкозу другим субстратам .
При избыточном поступлении в организм углеводов они могут превращаться в жиры . При этом глицерин образуется из промежуточного продукта гликолиза- фосфоглицеринового альдегида , а непосредственным сырьем для синтеза ж.к. является ацетил КоА , образовавшийся при распаде углеводов .
Значительно сложнее обстоит дело с образованием аминокислот из продуктов углеводного и жирового обмена . Часть аминокислот организма вообще не способен образовывать из других веществ , другие могут быть синтезированы . Но для этого требуется включить в их состав аминогруппу . Источником аминогруппы могут служить другие аминокислоты или свободный аммиак , в свою очередь , образующийся при дизаминировании аминокислот. Т.о. взаимосвязь обмена углеводов, жиров, белков и их взаимопревращения имеет чрезвычайно важное значение для организма человека и животных. Также это обеспечивает возможность создания в организме запаса энергетических субстратов при любом характере питания. Наличие углеводных депо, возможность образования углеводов из продуктов не углеводной природы играет чрезвычайную роль в жизни человека. Благодаря этому обеспечивается относительное постоянство концентрации глюкозы в крови и непрерывное снабжение ею тканей, использующих глюкозу в качестве основного энергетического субстрата (мозговые ткани, почки, эритроциты и пр.).
Конечно, взаимосвязь обменных процессов не исчерпывается связью между превращениями углеводов, жиров, белков. Превращения в организме углеводов, липидов, белков теснейшим образом связаны с обменом минеральных веществ. Последние могут использоваться для образования сложных белков, липидов, оказывать влияние на обменные процессы, выступая в качестве составных частей, активаторов или ингибиторов ферментов.
Большое влияние на состояние обменных процессов оказывает поступление и превращение витаминов, которые, как и минеральные вещества, могут входить в состав ферментов, активировать их деятельность, выполнять роль своеобразных катализаторов.
Очень важное значение для обмена веществ имеет вода. Особенно болезненно отражается на протекании обменных процессов недостаток воды.
РЕГУЛЯЦИЯ ПРОЦЕССОВ ОБМЕНА
ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ
Живой организм представляет собой сложнейшую систему, состоящую из огромного количества клеток (организм человека содержит несколько сот триллионов клеток), являющихся, в свою очередь, сложнейшими образованиями. В каждую секунду в организме происходят сотни разнообразных химических реакций, самостоятельных и объединенных в процессы. Эти химические реакции и процессы составляют основу жизнедеятельности живого организма. И вся эта сложнейшая система работает четко и слаженно, быстро и точно в соответствии с потребностями реагирует изменениями обмена веществ на внешние воздействия, сдвиги во внутренней среде.
Наряду с механизмами активной регуляции обменных процессов, организм характеризуется рядом структурных особенностей и других свойств, способствующих упорядоченности обменных процессов, облегчающих осуществление регуляторных воздействий. К их числу можно отнести прежде всего систему дифференцировки клеток. Клетки одного органа, ткани имеют одинаковое строение, один и тот же набор
* "Обратный" процесс не обязательно является точной копией "прямого" пути, отдельные его этапы могут обеспечиваться совсем другими реакциями.
ферментов, их оболочки проницаемы для одних и тех же веществ. Это обеспечивает доставку поступающих в организм молекул в те клетки, где имеются ферменты для их превращений. Имеющаяся в клетке система перегородок, канальцев способствует избирательному транспорту поступающих в клетку молекул к местам локализации ферментов, обеспечивающих их превращения.
К факторам, способствующим эффективной регуляции обмена веществ, можно отнести объединение отдельных химических реакций в процессы, что достигается соответствующей локализацией ферментов.
Ферменты, катализирующие последовательные реакции процесса, располагаются в непосредственной близости так, что продукт что продукт одной ферментативной реакции сразу становится субстратом другой.
Существует мнение, что в клетках имеются специальные "приспособления", обеспечивающие передачу промежуточных продуктов от одного фермента к другому.
Регуляция обмена веществ в организме осуществляется нервной и гормональной системами, а также системой автоматической регуляции (саморегуляция).
Основной принцип регуляции обмена веществ в организме сводится к избирательному, точно соответствующему потребностям организма изменению скорости отдельных химических реакций, процессов, комплексов процессов.
Хотя этот принцип реализуется в организме достаточно многообразно, в конечном итоге различные механизмы регуляции в подавляющем своем большинстве оказывают влияние на скорость химических реакций путем воздействия на соответствующие ферменты.
Нервная и гормональная системы , системы саморегуляции свое регулирующее влияние на скорость химических реакций осуществляют преимущественно через:
1) доступность субстратов (концентрация реагирующих веществ);
2) изменение активности ферментов;
3) изменение количества ферментов;
4) доступность кофакторов.
Одни из этих путей регулирующих воздействий (доступность субстратов и кофакторов, изменение активности ферментов) можно отнести к механизмам срочной регуляции, способным изменить скорость обменных процессов в организме в считанные секунды или минуты. Другие (изменение количества ферментов) осуществляют свое регулирующее воздействие сравнительно медленно. Для проявления их действия требуется несколько часов или даже дней.