Биохимия нервной и гуморальной регуляции жизнедеятельности организма

Быстрота, темп различных процессов в организме, в том числе выполнения физических упражнений, определяется в конечном счете скоростью процессов метаболизма в соответствующих тканях, т. е. ферментативной кинетикой.

Реакции в разнообразных метаболических путях должны быть согласованы между собой посредством регулирования скоростей этих реакций. В частности, метаболизм должен приспосабливаться к темпу и величине внешних нагрузок, что особенно важно для физической культуры и спорта. Ферменты играют в этом регулировании ключевую роль, как катализаторы обменных реакций.

Нормальное функционирование клетки находится под контролем многочисленных и разнообразных регуляторных систем. Клетка должна осуществлять упорядоченные последовательности химических реакций, точно отслеживая накопление одних и потребление других веществ. Клетке необходимо с определенной периодичностью делиться, а дочерним клеткам — специализироваться на выполнении строго определенных функций. Помимо того клетке необходимо воспринимать сигналы от соседних клеток и адекватно реагировать на них.

Существует несколько видов внутриклеточного регулирования скорости метаболизма.

• 1. Регулирование через концентрации метаболитов в соответствии с уравнением Михаэлиса-Ментен.
• 2. Регулирование активности ферментов через факторы без изменения количества ферментов в клетках.
• 3. Генное регулирование, при котором регулирующие факторы влияют на количество ферментов в клетках.

Важным видом внутриклеточного регулирования активности ферментов является молекулярное взаимодействие фермента с небольшими молекулами — эффекторами.

Присоединение эффектора к ферменту может повышать активность фермента. Такой внутриклеточный регулирующий фактор называется активатором или промотором. Например, фруктозодифосфат активирует пируваткиназу в процессе гликолиза.

Присоединение эффектора к ферменту может понижать активность фермента. Такой эффектор называется ингибитором. В частности, аденозилтрифосфат АТР ингибирует фосфофруктокиназу в процессе гликолиза.

Активность ферментов клетки может регулироваться внешними факторами, например витаминами и гормонами.

Витамины (от лат. «vita» — жизнь) — биоорганические вещества, которые, присутствуя в пище в небольших количествах, участвуют в регуляции обмена во всем организме и тем самым обеспечивают нормальное протекание биохимических и физиологических процессов.

Гормоны — биоорганические вещества, которые синтезируются в клетках специализированных органов (железы внутренней секреции), выделяются (секретируются) в малых количествах и переносятся к другим органам. Там, на расстоянии, гормоны взаимодействуют с клетками-мишенями и регулируют их функции.

У человека и высших животных имеются следующие железы внутренней секреции: гипофиз-гипоталамус, эпифиз, щитовидная железа, паращитовидные железы, островки Лангеранса, надпочечники, яичники, семенники, плацента.

Например, гормоны адреналин и глюкагон активируют фермент аденилатциклазу. Этот фермент находится в клеточной мембране и катализирует образование циклического аденозилмонофосфата сАМР в реакции.

Далее сАМР диффундирует в цитоплазму и активирует там различные ферменты. В клетках надпочечников сАМР стимулирует синтез кортизола, в клетках мышц и печени — фосфорилазу.

Объединение частей организма животных в единое целое осуществляется с помощью двух коммуникационно-регуляторных систем — нервной и гуморальной.

В нервной системе сигналы передаются с помощью электрических импульсов и гормонов.

В гуморальной системе (от лат. «humor» — жидкость) сигналы передаются с помощью гормонов через жидкие среды организма — кровь, межклеточную жидкость, лимфу.

Регуляторная система организма имеет иерархическое строение: низшие составные части организма подчиняются высшим. Соответственно элементарные регуляторные системы отдельных клеток связываются и подчиняются системам регуляции тканей и органов. Последние регулируются нервной и гуморальной системами организма в целом. Каждая система имеет вид замкнутой цепи с обратной связью.

Схема на рис 12.1 отображает регуляторную систему высших организмов. Стрелками на схеме обозначены связи между различными частями. Каждая связь требует для своего функционирования материальных и энергетических затрат.

Рис. 12.1. Схема регуляторной системы высших организмов:

ЦНР — центральная нервная регуляция, IIP — поведенческая регуляция. HP — вегетативная регуляция. ГР — гуморальная регуляция. МР — метаболическая регуляция. Р — результат, РР — рецепция результата Материальными носителями управляющих сигналов в живых регуляторных системах являются гормоны и другие продукты метаболизма этих систем, т. е. потоки информационных сигналов сопряжены с метаболическими потоками.

Энергетика и кинетика метаболических потоков (см. гл. 5 и 11) позволяет рассчитать материальную и энергетическую стоимость регуляторных взаимодействий в различных биосистемах — от клетки до экосистем. Затраты вещества и энергии на перенос количества информации А/ определяют по формулам.

где Am, АЕ — масса и энергия, затраченные на перенос информации А/, К_т, Кц — вещественная и энергетическая затраты в расчете на перенос единицы информации.

С помощью уравнений (12.1) и (12.2) можно определить затраты на информационное обеспечение жизнедеятельности организмов. Например, расчет показывает, что у человека на нервную деятельность (регулирование нервной системой) уходит порядка 30% энергии, поступающей с пищей.