Интеграция и нейрогуморальная регуляция обмена веществ

ИНТЕГРАЦИЯ И РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ, РОЛЬ ГОРМОНОВ

В организме человека и животных не существует самостоятельного обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения веществ объединены в целостный процесс метаболизма, подчиняющийся диалектическим закономерностям взаимозависимости и взаимообусловленности, допускающей взаимопревращения между отдельными классами органических веществ.

Подобные взаимопревращения диктуются физиологическими потребностями организма, а также целесообразностью замены одних классов органических веществ другими в условиях блокирования какого-либо процесса. Помимо прямых переходов метаболитов различных классов веществ друг в друга существует тесная энергетическая связь между ними, когда энергетические потребности могут обеспечиваться окислением какого-либо класса органических веществ при недостаточном поступлении с пищей других. Более того, существует представление, что движущей силой взаимопревращения веществ и интенсивности метаболизма, вероятнее всего, является энергетическое состояние клетки, в частности, уровень в ней отношения АМФ/АТФ.

Обмен различных веществ протекает как единое целое, одновременно и совместно, хотя и в разном объеме. Уже первый этап обмена – пищеварение, - представляет собой одновременное расщепление белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот и др. веществ.

Еще большая общность обмена различных соединений имеется при внутриклеточном обмене. Такие реакции, как переаминирование, переметилирование, переамидирование, пересульфирование, окисление-восстановление и др. путем межмолекулярного переноса атомных групп обеспечивают возможность перехода одних химических веществ в другие. В процессе питания и в ходе промежуточного обмена идет перестройка белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, и других соединений через ключевые метаболиты промежуточного обмена, в первую очередь, через пировиноградную кислоту (ПВК), альфакетоглутаровую кислоту, щавелево-уксусную кислоту (ЩУК) и ацетил-КоА.

Одним из важнейших промежуточных продуктов расщепления углеводов, липидов, углеродной цепочки аминокислот является ацетил-КоА. В момент образования одного и того же промежуточного вещества – ацетил-КоА, углеводный, липидный и белковый обмены сливаются воедино. Далее ацетил-КоА независимо от своего происхождения расщепляется в лимоннокислом цикле, сопряженном с цепью дыхательных ферментов до одних и тех же продуктов конечного обмена - углекислоты и воды. Именно в лимонно-кислом цикле происходит полное и окончательное объединение процессов обмена всех видов органических веществ и именно отсюда идут пути взаимных превращений этих веществ.

В качестве примера конкретного взаимоперехода между классами органических веществ рассмотрим взаимосвязь обмена углеводов и липидов.

Взаимосвязь обмена углеводов и липидов хорошо известна и даже используется в народнохозяйственной практике. Углеводы и липиды очень легко взаимопревращаются в организме; связующими соединениями при этих переходах служат ацетил-КоА и ПВК.

ПВК – основной метаболит дихотомического распада углеводов, при окислительном декарбоксилировании ПВК образуется ацетил-КоА, который служит исходным веществом для синтеза высших жирных кислот, стеролов, каротиноидов и др. Столь же легко осуществляется переход от углеводов к фосфоглицерину, необходимому для синтеза простых и сложных липидов путем восстановления фосфодиоксиацетона.

Апотомический распад углеводов служит основным источником НАДФ-Н₂ - кофермента, необходимого в реакциях синтеза жирных кислот и стеролов.

С другой стороны, ацетил-КоА и глицерин – главные продукты распада липидов - могут служить исходными соединениями для синтеза углеводов.

Ацетил-КоА у ряда организмов при посредстве глиоксилевого цикла переходит в ПВК, а из нее – в углеводы путем обращения реакций гликолиза. Однако надо иметь ввиду, что глиоксилатный (глиоксилевый) цикл не функционирует в организме человека.

В клетках человека отсутствуют два ключевых фермента цикла, поэтому синтез углеводов из жиров в принципе может происходить только из глицерина, хотя в обычных условиях реакция протекает в обратную сторону – т.е. в сторону синтеза жиров из углеводов.

Описанные взаимосвязи в обмене веществ не исчерпывают всего многообразия этого процесса. Между обменами белков, липидов, углеводов, нуклеиновых кислот существуют более сложные формы взаимосвязи, нежели простое использование в качестве субстратов их метаболитов. Об этом говорят процессы передачи генетической информации, специфическая роль ферментных белков, интеграция энергетических реакций.

Таким образом, изучение различных видов обмена веществ свидетельствует, что обмен веществ представляет собой стройный ансамбль многочисленных и тесно связанных друг с другом химических процессов, в которых ключевыми метаболитами служат ПВК, альфа-глицерофосфат, ацетил-КоА, альфа-кетоглутаровая кислота, ЩУК и другие метаболиты лимоннокислого цикла, а лимитирующими факторами являются незаменимые аминокислоты и незаменимые полиеновые жирные кислоты.

Ведущая роль в этом сложнейшем ансамбле многочисленных и тесно связанных друг с другом химических реакций принадлежит белкам. Благодаря их каталитической функции осуществляется все множество химических реакций распада и синтеза веществ. С помощью нуклеиновых кислот поддерживается строгая специфичность при биосинтезе макромолекул, т.е. в конечном итоге - видовая специфичность в строении важнейших биополимеров. Благодаря, главным образом, обмену углеводов и липидов в организме постоянно возобновляются запасы АТФ, являющиеся универсальным источником для биохимических преобразований. Эти вещества поставляют также простейшие органические молекулы, из которых строятся биополимеры и другие соединения, включающиеся в состав организма в процессе непрерывного самообновления живой материи.

В каждой клетке организма одновременно протекает огромное количество реакций обмена углеводов, липидов, белков и других веществ. В то же время в любой клетке соблюдается строгий порядок течения биохимических процессов, строгая их направленность на поддержание постоянства внутренней среды (гомеостаз). Такое состояние обменных реакций достигается тем, что в процессе эволюции в живых организмах сформировалась определенная, свойственная только живому, организация биохимических процессов, с одной стороны; а с другой – выработалась стройная система регуляции обмена веществ на различных уровнях.

Регуляцию жизненных процессов принято рассматривать на:

1) метаболитном;

2) оперонном;

3) клеточном;

4) организменном;

5) популяционном уровнях.

При метаболитном уровне регуляции исходят из того, что слаженность обмена веществ прежде всего определяется концентрацией различных метаболитов, представляющих собой продукты биохимических превращений в организме, или поступающих в него в процессе питания. Формы регуляции сводятся к изменению биохимических процессов за счет недостатка или избытка участников соответствующих реакций, или за счет конкурентных взаимоотношений в процессах, связанных с участием ключевых метаболитов или, наконец, зависящих от присутствия биологическиактивных низкомолекулярных соединений – витаминов, антивитаминов, гормонов, антигормонов, вторичных посредников, взаимодействие которых с ферментами может активировать или ингибировать их активность.

Оперонный уровень регуляции связан с функционированием генетического аппарата клетки и предусматривает, главным образом, объем биосинтеза ферментных белков.

Клеточный уровень предусматривает ядерно-цитоплазматические отношения, посттранскрипционные и посттрансляционные модификации макромолекул, транспорт веществ через мембраны, макромолекулярные взаимодействия и др.

Организменный уровень представляет регуляцию обмена веществ на уровне организма, где главный механизм регуляции определяется гормональной системой, направляемой сигналами нервной системы.

Наконец, популяционный уровень - это уровень регуляции метаболизма в экосистемах, т.е. влияние химических соединений, вырабатываемых и выделяемых одними особями, на обмен веществ и поведенческие реакции других особей, реализуемое через рецепторные системы или ткани- мишени с использованием феромонов, нейропептидов, фитоалексинов, гормонов, антибиотиков, нейрогормонов.

При нормальном функционировании многоклеточного организма прослеживаются все уровни регуляции жизненных процессов и при этом функционируют 4 основные системы регуляции:

1. Паракринная и аутокринная системы регуляции.

В этой системе регуляции используются различные соединения, которые секретируются в межклеточное пространство и взаимодействуют с рецепторами либо близлежащих клеток, либо той же клетки (эйкозаноиды, феромоны, гормоны желудочно-кишечного тракта, гистамин, цитокинины и др.).

2. Иммунная система регуляции.

Регуляция с использованием специфических белков (иммуноглобулины IgG, IgM, I’d, IgE, Т - рецепторы, белки главного комплекса гистосовместимости).

3. Эндокринная система регуляции.

Используются эндокринные железы и гормоны, которые секретируются в кровь и влияют на метаболизм различных клеток-мишеней.

4. Центральная и периферическая нервная система регуляции.

Регуляция осуществляется через нервные импульсы и нейромедиаторы.

Дата добавления: 2014-01-05