Взаимосвязь и регуляция обменов веществ в организме

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 полисахаридыпреобразуются до моносахаридов или их эфиров с фосфорной кислотой, жиры расщепляются на глицерин и жирные кислоты, белки – нааминокислоты.                                                                            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.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ДОСТУПНОСТЬ  САБСТРАТА КАК

РЕГУЛИРУЮЩИЙ ФАКТОР

Концентрация субстратов влияет на скорость реакции непосредственно или путем воздействия на активность ферментов. Уменьшение концентрации субстрата приводит к снижению скорости реакции. Когда фермент еще насыщен субстратом, это влияние проявляется исключительно через воздействие на активность ферментов. Помере снижения концентрации субстрата наступает фаза, когда фермент перестает насыщаться субстратом. С этого момента преимущественное влияние на скорость реакции оказывает непосредственно концентрация субстрата.

Аналогичным образом, но в противоположном направлении влияет на скорость химической реакции повышение концентрации субстрата.

Регуляция концентрации субстрата может осуществляться на этапе поступления его в клетку. В качестве регулятора проницаемости клеточной оболочки нередко выступают гормоны. Примером может служить один из путей воздействия гормона инсулина на скорость синтеза гликогена в печени. Инсулин, в частности, повышает проницаемость оболочек клеток печени для глюкозы, увеличивая тем самым скорость поступления  глюкозы в клетки, и создает предпосылки для более энергичного синтеза гликогена.

В нормальных условиях жизнедеятельности организма большинство ферментов, участвующих в промежуточных реакциях метаболизма, не проявляет своей максимальной активности из-за отсутствия необходимого количества субстратов реакций. Учитывая это, в практике спорта применяются воздействия на скорость аэробного окисления в период восстановления дополнительным введением промежуточных продуктов цикла трикарбоновых кислот: лимонной, янтарной, яблочной.

Следует, однако, заметить, что относительное постоянство состава внутренней среды всего организма и отдельных клеток в отношении субстратов метаболических путей  дает основания  предполагать, что регуляция за счет изменения доступности субстрата не может изменять скорость химических реакций в широком диапазоне. По-видимому, этот механизм как основной не слишком распространен у высших животных. Однако при спортивной деятельности этот механизм регуляции может играть достаточно серьезную роль. Снижение содержания энергетических субстратов (креатин фосфата, гликогена) при работе может явиться одной из главных причин замедления скорости ресинтеза АТФ и в конечном  итоге падения работоспособности. Непосредственной причиной снижения интенсивности и даже прекращения работы является понижение концентрации АТФ в мышечных волокнах, в клетках центральной нервной системы. АТФ является непосредственным энергетическим субстратом многих энергоемких химических реакций, обеспечивающих формирование двигательного импульса, работу кальциевого насоса, взаимодействие актиновых и миозиновых нитей, приводящее к укорочению мышечного волокна. Концентрация АТФ при ее понижении ниже критического для клетки уровня выступает как главный фактор регуляции скорости этих реакций.