Взаимосвязь и регуляция обменных процессов

Общие принципы взаимосвязи метаболических путей

Совокупность ферментативных химических реакций, которые могут протекать в клетке или в организме, составляет сущность метаболических превращений, т. е. обмена веществ. Для удобства изложения и усвоения материала раздельно рассмотрены обмены основных биомолекул — белков, нуклеиновых кислот, липидов, углеводов и других классов соединений. Очевидно, что все процессы обмена веществ в организме взаимосвязаны во времени и в пространстве, образуя единое целое.

Таким образом, создается единая система метаболических процессов, обусловливающая формирование определенных закономерностей взаимодействия между собой биомолекул, названных А. Ленинджером молекулярной логикой живых организмов, изучением которых и занимается биохимия.

Эти закономерности свойственны всем живым организмам — как человека и животных, так и микроорганизмам и растениям, — и в конечном счете именно они определяют качественно новое образование — жизнь. Однако обмен веществ даже у простого одноклеточного организма не представляет собой нечто неизменное. Функционирование живого организма находится в постоянной зависимости от окружающей среды, и сложная цепь метаболических реакций тонко регулируется и координируется с помощью системы взаимосвязанных механизмов. Проблеме регуляции уделяется в современной биохимии большое внимание, и к настоящему времени можно считать доказанным, что весь обмен и его регуляцию можно прямо или косвенно объяснить, исходя из ферментативного статуса организма.

Обмен веществ живых организмов, определяющий его метаболический статус (рис. 27.1), включает ряд уровней:

поступление веществ в организм из среды с потребляемой пищей, их ферментативный распад (преимущественно гидролиз) до мономеров или простых органических соединений, трансмембранный перенос этих веществ через мембрану кишечного эпителия в кровь или лимфу (см. рис. 27.1; 1—3); это так называемый внешний обмен;

транспорт метаболитов с циркулирующей жидкостью по кровеносным и лимфатическим сосудам в различные органы (см. рис. 27.1; 4, 8, 13, 15);

превращение веществ в тканях, в процессе которого происходит изменение их структуры, т. е. химические процессы, совокупность которых обычно и называют метаболизмом imetabole— превращение, изменение); это так называемый промежуточный обмен, включающий как катаболические, так и анаболические процессы;

образование конечных продуктов — С0₂, Н₂0, мочевины, мочевой кислоты и ряда других небольших органических молекул (очень ограниченное число), которые выводятся из организма.

Углеводы пищи деградируют в желудочно-кишечном тракте до моносахаридов (преимущественно глюкозы), транспортируются кровью в ткани, где окисляются и используются как источники энергии и углерода, необходимые для реакций биосинтеза. В печени и мышцах избыток глюкозы может резервироваться в виде гликогена (см. рис. 27.1; 6, II). В печени глюкоза может также превращаться в триацилглицеролы, которые упаковываются в ЛОНП и транспортируются кровью в адипоциты — клетки жировой ткани (см. рис. 27.1; 7, 12). В адипоцитах жирные кислоты, входящие в эту фракцию, используются для синтеза липидов (27.1; 14).

Липиды пищи представлены в основном триацилглицеролами (ТАГ), которые расщепляются в желудочно-кишечном тракте до жирных кислот и 2-моноацилглицеролов. В эпителиальных клетках тонкого кишечника они ресинтсзируются вновь ло триацилглицеролов, упаковываются в хиломикроны и секретируются через лимфу в кровь (см. рис. 27.1; 2). Жирные кислоты, входящие в хиломикроны, могут резервироваться в адипоцитах в виде триацилглицеролов или, окисляясь, использоваться как источник энергии (см. рис. 27.1; 12).

Пищевые и тканевые белки расщепляются до аминокислот, которые транспортируются кровью в различные ткани, где используются либо для биосинтеза белка и различных азотсодержащих компонентов (пурины, гшримидины, гем, креатин, адреналин и др.), либо могут окисляться и служить источником энергии (см. рис. 27.1; 15).

На приведенном рис. 27.1 отчетливо видна метаболическая специализация отдельных органов, которая определяется в первую очередь наличием в них специфической метаболической регуляции. Метаболизм в мозгу, мышцах, жировой ткани и печени сильно различается. Мышцы, например, используют в качестве источника энергии глюкозу, жирные кислоты, кетоновые тела и синтезируют гликоген в качестве энергетического резерва, в то время как мозговая ткань в качестве энергетического источника использует исключительно глюкозу. Специализация жировой ткани — синтез, запасание и мобилизация триацилглицеролов. Исключительно велика роль печени в обмене практически всех органов. Это мобилизация гликогена и глюконсогснез, которые обсс;

Рис. 27.1. Метаболический статус организма: цифры в кружках указывают приблизительную последовательность метаболических превращений; ТАГ — триаиилглииерол: ЖК — жирные кислоты; АК — аминокислоты печивают потребности организма в глюкозе; синтез и эстсрификация жирных кислот, их упаковка в виде ЛОНП и транспорт в жировую ткань. Печень при голодании способна обеспечить синтез кетоновых тел, которые могут служить источником энергии, в том числе в мозговой ткани. Интеграция метаболических процессов во всех этих органах осуществляется гормонами и в первую очередь инсулином, глюкагоном и адреналином.

Таким образом, именно в процессе метаболизма осуществляются следующие специфические функции живой клетки:

• • извлечение энергии из окружающей среды;
• • превращение экзогенных веществ в «строительные блоки», т. е. предшественники биополимеров;
• • сборка биополимеров из «строительных блоков»;
• • деградация биомолекул, уже выполнивших свои функции.