Обмен веществ в организме как единое целое и его регуляция

Обмен веществ  в организме как единое целое и его регуляция 1. Обмен веществ  в организме как единое целое. 2. Общие закономерности взаимосвязи процессов обмена органических веществ клетки. 3. Уровни регуляции обмена веществ. Обмен веществ  в организме как единое целое.В процессе первичного биосинтеза органического   вещества,   первым   стабильным   соединением,   которое   образуется   в результате фиксации С02 на рибулозо­1,5­дифосфате, является 3­фосфо­глицериновая кислота.  От   этого  простейшего  соединения   начинаются  цепи   реакций,  ускоряемых ферментами, в результате которых синтезируются углеводы, аминокислоты, глицерин, высшие   жирные   кислоты,   полиизопреноиды,   стеролы   и   другие   соединения.   Из аминокислот,   СO2  и  NH3  возникают   пуриновые   и   пиримидиновые   основания. Следовательно,   прямым   продолжением   первичной   фиксации   СO2  сразу   являются многообразные   процессы   создания   мономеров,   из   которых   далее   строятся биополимеры   (полисахариды,   белки,   нуклеиновые   кислоты   и   т.   п.),   разнообразные липиды   и   многие   другие   органические   соединения,   входящие   в   состав   растений, животных и микробов. Кроме   первичного   биосинтеза   органических   веществ   в   клетках   осуществляются процессы   новообразования   органических   соединений   одних   классов   за   счет   других классов.  Наиболее   ярко   такие   превращения   выражены   у   гетеротрофов,   в   ходе жизнедеятельности идет перестройка белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и многих других соединений через ключевые метаболиты промежуточного обмена. Основные   ключевые   метаболиты   пировиноградная   кислота   (ПВК),  α­ кетоглутаровая и щавелевоуксусная кислота (ЩУК) и ацетил­КоА. Схема 1. Взаимосвязь обмена главных классов органических соединений Следовательно,   взаимопереходы   между   отдельными   классами   органических соединений   —   естественное,   неизбежное   и   крупномасштабное   явление   в   живой природе. 1 1. ОБЩИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ ВЗАИМОСВЯЗИ ПРОЦЕССОВ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ: БЕЛКОВ, НУКЛЕИНОВЫХ КИСЛОТ, УГЛЕВОДОВ И ЛИПИДОВ. Взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот и белков выражается в том, что  1) новообразование как нуклеозидтрифосфатов, так и самих нуклеиновых кислот зависит  от   наличия   в   клеточном   содержимом   соответствующего   набора  белков­ ферментов  (ДНК­   и   РНК­полимераз,   лигаз,   топоизомераз,   а   также   ферментов биосинтеза пуриновых и пиримидиновых циклов).   2). Аминокислоты (аспарагиновая — в случае пиримидиновых нуклеотидов и глицин, аспарагиновая кислота и глутамин — в случае пуриновых нуклеотидов) служат основными исходными соединениями для построения пиримидинового и пуринового колец. С другой стороны  ­ новообразование белков по матричной схеме невозможно без участия всех видов РНК и ДНК.  Поэтому многие исследователи полагают, что в истории развития жизни на Земле биосинтез белков представлял процесс первичный, а биосинтез нуклеиновых кислот — явление вторичное, призванное в основе своей обслуживать биосинтез белка.  Взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот и углеводов.  1). В процессе апотомического распада углеводов образуется рибозо­5­фосфат, из   которого   возникает   5­фосфорибозил­1­пирофосфат,   который   используется   в биосинтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов (5­фосфорибозил­1­пирофосфат принимает   на   себя   недостроенную   молекулу   пиримидина   и   на   5­фосфорибозил­1­ пирофосфате начинает строиться имидазольный цикл будущего пуринового кольца.). 2) β,D­рибоза и β,D­дезоксирибоза, являются составными частями пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов.  3)   При   распаде   углеводов   в   процессе   субстратного   и   окислительного фосфорилирования АДФ происходит биосинтез АТФ, т.е. от интенсивности распада углеводов зависит образование нуклеозидтрифосфатов, а следовательно, образование субстратов для синтеза нуклеиновых кислот.   С другой стороны  1)   Распад   нуклеиновых   кислот   может   служить   источником   соединений   для биосинтеза углеводов. Рибоза, образующаяся при гидролизе нуклеотидов, включается в общий круговорот углеводов в организме, может переходить в рибозо­5­фосфат, из которого легко строится глюкозо­6­фосфат. Взаимопереходы последнего в фосфорные эфиры других моносахаридов широко известны. 2) Биосинтез углеводов в значительной мере зависит от нуклеинового обмена. Эта зависимость выражается в том, что уридинтрифосфорная кислота используется для биосинтеза УДФ­глюкозы — важнейшего продукта, который переносит гликозид на синтезируемый глюкан. ГДФглюкоза участвует в биосинтезе целлюлозы.  Взаимосвязь   обмена   нуклеиновых   кислот   и   липидов.   При   распаде пиримидиновых оснований возникает β­аланин—аминокислота, используемая для био­ синтеза коэнзима А, необходимого распада и синтеза высших жирных кислот.  β­окисление высших жирных кислот — составных частей большинства липидов — служит источником для поддержания на достаточном уровне синтеза АТФ.  2 Большую   роль   играют нуклеозиддифосфатсоединения ­ для биосинтеза ЦДФ­холина или ЦДФ­коламина — важнейших метаболитов в синтезе фосфатидов — необходим ЦТФ—метаболит нукле­ инового обмена.   некоторых   липидов   в   биосинтезе Взаимосвязь обмена белков и углеводов.  Связующим звеном в обмене белков и углеводов при переходе первых во вторые служит ПВК.  1)   ПВК   является   главным   конечным   продуктом   дихотомического   распада углеводов   и   служит   исходным   веществом   для   биосинтеза   аланина,   валина   и лейцина.   2)   При   карбоксилировании   ПВК   образуется   щавелевоуксусная   кислота,   из которой строится новая группа аминокислот — аспарагиновая кислота, треонин, метионин, изолейцин и лизин.  3) ПВК, вступая в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот, используется для   биосинтеза  α­кетоглутаровой   кислоты,   из   которой   образуются   глутаминовая кислота, пролин и аргинин.  4)   Предшественник   ПВК   —   3­фосфоглицериновая   кислота   —   является исходным соединением для синтеза серина, глицина, цистина и цистеина. 5)   Промежуточные   продукты   апотомического   и   дихотомического   распада углеводов   незаменимы   в   синтезе   остальных   аминокислот:   на   рибозо­5­фосфате строится имидазольное кольцо гистидина,   из  эритрозо­4­фосфата  и фосфоенолпировиноградной  кислоты  синтезируется шикимовая кислота, из которой образуются фенилаланин, тирозин и триптофан.  У аутотрофов из углеводов при наличии источника аммиака в организме могут синтезироваться все аминокислоты, постоянно встречающиеся в белках.  С   другой   стороны  Многие   аминокислоты   (аланин,   фенилаланин,   тирозин, гистидин,   триптофан,   серии,   цистеин)   содержат   в   своем   составе   трехуглеродный фрагмент, из которого в процессе распада аминокислот возникают ПВК и ее дериваты.  Дезаминирование глутаминовой и аспарагиновой кислот ведет к образованию  α­ кетоглутаровой и щавелевоуксусной кислот соответственно, которые при посредстве цикла трикарбоновых  и дикарбоновых  кислот  переходят в ПВК. Такова же судьба пролина,   который   легко   превращается   в   глутаминовую   кислоту,   а   из   нее   —   в пировиноградную.  Следовательно, большинство аминокислот может явиться в организме источником для образования ПВК. От последней несложен переход к углеводам посредством в основном обращения реакций дихотомического распада фруктозо­1,6­дифосфата. Из других форм взаимосвязи обмена белков и углеводов привлекают внимание две. Многочисленные белки­ферменты обслуживают процессы распада и синтеза углеводов в организме. В свою очередь, распад углеводов, сопряженный с синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата, энергетически обеспечивает белковый синтез в клетке. Взаимосвязь обмена белков и липидов.  Распад липидов обеспечивает, с одной стороны, исходные  соединения для биосинтеза  аминокислот (а  из  них  белков)  и,  с другой стороны, поддерживает энергетически образование белков. Одним   из   основных   продуктов   распада   липидов,   в   частности   высших   жирных кислот,   возникающих   при   гидролизе   триглицеридов,   фосфатидов   или   стеридов, 3 является  ацетил­КоА.  Включаясь в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот, он обеспечивает   синтез   ос­кетоглутаровой   кислоты,   превращение   которой   в аминокислоты рассмотрено выше. Поступая в глиоксилевый цикл, ацетил­КоА служит для расширенного воспроизводства в организме щавелевоуксусной кислоты, а из нее — ПВК. Из обеих названных кислот также синтезируются аминокислоты. Обмен глицерина, высвобождаемого при гидролизе триглицеридов, через углеводы ведет   к   таким   аминокислотам,   как   гистидин,   фенилаланин,   тирозин   и   триптофан. Следовательно, аминокислоты могут синтезироваться за счет распадающихся липидов. Установлено, что рибосомальный синтез белка протекает во много раз энергичнее, если рибосомы связаны с липопротеиновыми мембранами. Взаимосвязь   обмена   липидов   и   углеводов.  Углеводы   и   липиды   очень   легко взаимопревращаются в организме; связующими соединениями служат ПВК и  ацетил­ КоА. Пировиноградная   кислота—основной   продукт   дихотомического   распада углеводов,   при   окислительном   декарбоксилировании   дает   ацетил­КоА,   который служит   для   синтеза   высших   жирных   кислот,   стеролов,   каротиноидов   и   других полиизопреноидов.  Ацетил­КоА   и   глицерин  —   главные   продукты   распада   липидов   —   служат исходными   соединениями   для   синтеза   углеводов.   Ацетил­КоА   при   посредстве глиоксилевого   цикла   переходит   в  ПВК,   а  из   нее   —   в   углеводы   путем   обращения реакций дихотомического распада последних. Превращение глицерина в углеводы идет через 3­фосфоглицериновый альдегид. Общеизвестно,   что   реакции   обмена   невозможны   без   специфических   белков­ ферментов, и в этом смысле белковый обмен определяет ход превращений соединений, относящихся   к   другим   классам   –   это   пример   глобальной   взаимозависимости   и взаимообусловленности   обмена   белков,   нуклеиновых   кислот,   углеводов,   липидов   и других соединений.  2. УРОВНИ РЕГУЛЯЦИИ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ. Общий ход биохимических процессов в организме, регулируемый внутренними и внешними факторами, представляет единое неразрывное целое, и сам организм в этом смысле   выглядит   как   самонастраивающаяся,   саморегулирующаяся   система, поддерживающая свое собственное существование путем обмена веществ. Регуляцию   жизненных   процессов   принято   рассматривать   на   метаболитном, оперонном,   клеточном,   организменном   и   популяционном   уровнях.   Каждый   из   них характеризуется   своими   закономерностями   регуляции   обмена   вещества, действующими   в   снятом   виде   на   каждом   последующем   уровне   организации   живой материи.  Метаболитный уровень регуляции. Слаженность обмена веществ в организме, в значительной   мере,   определяется  концентрацией  разнообразных  метаболитов  — низкомолекулярных   соединений,   представляющих   собой   продукты   тех   или   иных химических превращений в биологических объектах или поступающих в них в процессе питания. 4 Формы регуляции обмена веществ при участии метаболитов. Простейшая из них   сводится  к   ускорению  или  замедлению  биохимических   процессов  за   счет недостатка  или  избытка  тех   соединений,   которые   являются   участниками соответствующих   реакций.   Так,   объем   белкового   синтеза   у   гетеротрофов лимитируется   поступлением   незаменимых   аминокислот   и   интенсивностью   синтеза полузаменимых аминокислот.  Более сложный характер носит регуляция обмена веществ за счет конкурентных взаимоотношений  тех   обменных   процессов,   которые   замыкаются   на   общие метаболиты,   относящиеся,   как   правило,   к   категории   ключевых:   пировиноградную, щевелевоуксусную и α­кетоглутаровую кислоты, ацетил­КоА, глюкозо­6­фосфат.  Велика   роль  в   регуляции   обменных   процессов   ряда  низкомолекулярных соединений,  относящихся   к   разряду   биологически   активных,—  витаминов, антивитаминов, коферментов, гормонов, антигормонов, вторичных посредников и др. Ингибирование по принципу обратной связи активности фермента, стоящего в начале многоступенчатого превращения субстрата конечным продуктом реакции. Оперонныи уровень регуляции. Опероном называется упорядоченная компактная совокупность цистронов (вместе со знаками начала и конца), считываемая как единое целое в процессе синтеза мРНК на ДНК. В случае  моноцистронного  оперона на нем синтезируется   мРНК,   предназначенная   для   биосинтеза   в   рибосомальном   аппарате клетки одного единственного белка, в случае полицистронного (до полутора десятков цистронов)   —   ряд   мРНК,   на   которых   рибосомальным   путем   создается  семейство различных  белков  (чаще   всего   ферментов),   необходимых   для   осуществления многостадийного биохимического процесса в клетке.  5 Регуляция на оперонном уровне объема биосинтеза ферментов в клетке происходит по двум путям: индукция и репрессия.  Биосинтез фермента может быть индуцирован низкомолекулярным метаболитом — индуктором,   который,   соединяясь   с  репрессорным   белком  (он   запрещает транскрипцию),   освобождает   зону   оператора   (знак   начала   оперона),   что   со­ провождается присоединением РНК­полимеразы и началом синтеза про­мРНК, а затем, после ее посттранскрипционной модификации, — фермента. Ферменты,   биосинтез   которых   регулируется   этим   путем,   называются  ин­ дуцибельными.   К  ним   относятся  β­галактозидаза,   рибулокиназа,   тирозиназа, аспарагиназа   и   многие   другие.   Добавление   индуктора   (как   правило,   субстрата индуцибельного фермента) резко повышает объем синтеза фермента. Например, при добавлении  β­галактозида   (лактоза)   в   культуральную   среду   кишечной   палочки   у последней синтез β­галактозидазы возрастает в 10000 раз. В   отличие   от   этого   ферменты,   биосинтез   которых   стопорится   под   влиянием низкомолекулярного метаболита — корепрессора (переводит репрессорный белок, не способный в норме оккупировать зону оператора, в активное состояние), называются репрессибельными.  К   их   числу   принадлежат   орнитин­карбамилтрансфераза   (ее корепрессор—аргинин), глутаминсинтетаза, уреаза  (их  корепрессор  —  NH4)  и ряд других. Клеточный уровень регуляции. К  регуляторным процессам на уровне клетки относятся:   ядерно­цитоплазменные   отношения;   посттранскрипционная   и   пост­ трансляционная   модификация   макромолекул;   транспорт   веществ   через   мембраны субклеточных   частиц   и   мембраны   эндоплазматической   сети;   макромолекулярные (белок­белковые,   белково­нуклеиновые,   углеводно­белковые   и   липид­белковые) 6 взаимодействия и др. Все они носят фундаментальный характер в регуляции обмена веществ. Ядерно­цитоплазменные  отношения  сводятся   к   взаимозависимому   контролю синтеза   важнейших   функционально   активных   биополимеров.   Так,   малые,   белковые субъединицы   рибулозо­1,5­дифосфат­карбоксилазы,   при   посредстве   которой осуществляется   важнейший   процесс   акцептирования   СО2  в   растительной   клетке, синтезируются   в   цитоплазме,   а   большие   субъединицы—в   хлоропластах.   Биосинтез первых контролируется ядерным аппаратом клетки, вторых—хлоропластным геномом, локализованным   в   цитоплазме.   В   целом,   из   800—1000   белков,   необходимых   для функционирования хлоропластов, лишь около 15% кодируется геномом этих клеточ­ ных органелл.  Аналогичный ядерно­цитоплазматический контроль характерен также для синтеза белковых   субъединиц   таких   важнейших   каталитически   активных   систем,   как протонная   АТФаза   и   цитохромоксидаза,   белков   внутренней   и   внешней   мембран митохондрий, белков хлоропластных и митохондри­альных рибосом и т. п.  Посттранскрипционная   и   посттрансляциоыиая   модификация   макромолекул — второй важнейший регуляторный процесс на клеточном уровне. Возникающие при транскрипции предшественники рибонуклеиновых кислот после ряда преобразований (метилирование, отщепление и присоединение олигонуклеотидных фрагментов и т. п.) превращаются в функционально активные РНК. Эти процессы детально изучены при созревании   мРНК,   рРНК,   тРНК.   В   целом   они   предопределяют   интенсивность белкового   синтеза   в   клетке.   Однако   и   белки,   образующиеся   при   рибосомальном синтезе,   тоже   подвергаются   посттрансляционной   модификации   (метилирование, отщепление   пептидных   фрагментов,   присоединение   углеводной   составляющей   при биосинтезе глико­протеинов и т. п.). В результате из полипептидов­предшественников получаются активные ферменты, гормоны, биологически активные пептиды и др. Есте­ ственно, что от уровня посттрансляционной модификации прямо или  Организменный   уровень   регуляции.  Главный   механизм   регуляции   обмена веществ на уровне организма ­ гормональный. Осуществляясь гуморальным путем у животных   и   через   системы   проводящих   путей   у   растений,   он,   в   свою   очередь, направляется   сигналами  нервной  системы  у первых  и  внешней среды — у  вторых. Таким образом, здесь осуществляется естественный и логический переход из области биохимии в сферу физиологии. Популяционный   уровень   регуляции.   Суть   его   сводится   к   мощному   влиянию химических соединений, вырабатываемых и выделяемых одними особями, на обмен веществ и поведенческие реакции других особей. Оно реализуется через рецепторные системы или ткани­мишени организма реципиента. Выше приведены соответствующие примеры,   касающиеся   антибиотиков   и   телергонов.   Однако   перечень   веществ, участвующих в химических внутри­ и межвидовых взаимодействиях особей, гораздо более широк и непрерывно возрастает. Среди них: фитонциды — антибактериальные вещества, вырабатываемые здоровыми растениями  (важную роль в их исследовании сыграли работы Б. П. Токина и его учеников); фитоалексины — защитные соединения, образующиеся в растениях в ответ на бактериальное или грибковое заражение; новые виды антибиотиков, фитогормонов, нейрогормонов и т. п. Их всестороннее изучение, 7 глубокое   раскрытие   сути   и   механизмов   существующих   в   природе   биохимических связей   крайне   существенно   для   разработки   экологической   стратегии,   столь необходимой человечеству в наше время. 8