томский государственный университет

кафедра органической химии

ВВЕДЕНИЕ В ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

метаболизм
энергетические циклы в природе
уровни регуляции метаболизма
аденилат-циклазная система
регуляция метаболизма через
ферментативный аппарат

Жизнедеятельность организмов включает:
а) обмен веществ и энергии;
б) передача генетической информации;
в) механизмы регуляции.
Нарушение любого звена приводит к патологии.

МЕТАБОЛИЗМ (ПРОМЕЖУТОЧНЫЙ ОБМЕН ВЕЩЕСТВ) есть совокупность химических реакций, протекающих в клетке.

НАЗНАЧЕНИЕ МЕТАБОЛИЗМА:
1) аккумуляция энергии;
2) синтез мономеров и макромолекул (с запасанием и затратой энергии);
3) совершение работы (механической, осмотической и др.) с затратой энергии;
4) распад элементов клетки для обновления структур;
5) синтез и распад специальных молекул (гормоны, ферменты, кофакторы)

ЦЕПИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ ОБРАЗУЮТ т.н. МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ (ЦИКЛЫ):
ЦЕНТРАЛЬНЫЕ (общие для распада и синтеза макромолекул)
СПЕЦИАЛЬНЫЕ (синтез и распад специальных молекул и макромолекул)

МЕТАБОЛИЗМ представляет собой совокупность процессов синтеза (АНАБОЛИЗМ) и распада (КАТАБОЛИЗМ). Взаимодействие этих процессов в организме чрезвычайно сложно и в высшей степени упорядочено:

При ПАТОЛОГИИ часто наблюдается бесполезный круговорот метаболитов, к тому же в организме обычно существует структурное разделение мест превращения соединений. Например, окисление жирных кислот протекает в митохондриях, а синтез- в микросомах.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЦИКЛЫ В ЖИВОЙ ПРИРОДЕ

АЭРОБНЫЕ и АНАЭРОБНЫЕ (иногда оба типа) разделяются по отношению к кислороду как к акцептору электронов.
^-2DH₂ + ^O0₂ ---- D + H₂^-2O + E (энергия)
Отличие одних процессов от других заключается только в том, что в анаэробных акцептором электронов служит не кислород, а какое-либо другое соединение.

АККУМУЛЯТОРАМИ ЭНЕРГИИ очень часто являются органические фосфаты (ФОСФОЕНОЛПИРУВАТ (66,7 кДж/моль) и АТФ (30,4 кДж/моль):

Энергия химических связей АТФ используется на образование новых химических связей, на совершение работы или выделение теплоты.

УРОВНИ РЕГУЛЯЦИИ МЕТАБОЛИЗМА
Для любого организма характерно состояные высокой УПОРЯДОЧЕННОСТИ.
Следовательно имеются регулирующие метаболизм механизмы, каковых в процессе эволюции выработалась целая цепь.
1. РЕГУЛЯЦИЯ НА УРОВНЕ ОТДЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ (закон масс, простейшими катализаторами и ферментами)
2. РЕГУЛЯЦИЯ СИСТЕМ МНОГИХ СОПРЯЖЕННЫХ РЕАКЦИЙ. У высокоразвитых организмов, кроме того, на уровне НЕРВНОЙ и ЭНДОКРИННОЙ систем. Рецепторы ЦНС расположенные повсюду, посылают в ЦНС сигналы о состоянии клеток, обратно ЦНС регулирует активность клеток желез внутренней секреции, синтезирующих ГОРМОНЫ (щитовидная железа, кора надпочечников, поджелудочная железа и т.д.). Первоначально нервные импульсы воздействуют на ГИПОТАЛАМУС, где синтезируются гормоны, в свою очередь регулирующие активность периферических желез. От места синтеза ГОРМОНЫ достигают клетки-мишени с потоком крови, лимфы. Гормоноподобные вещества синтезируются в клетках, не относящихся к железам внутренней секреции, и действуют в местах образования, проникая к месту действия путем ДИФФУЗИИ (МЕДИАТОРЫ). Гормоны действуют на ткани неодинаково, что обусловлено неодинаковой чувтвительностью тканей к ним. Специфичность гормона по отношению к клеткам-мишеням обусловлена наличием у клеток специфических РЕЦЕПТОРОВ, входящих в состав клеточных мембран. Рецепторы являются ГЛИКОПРОТЕИНАМИ, их специфичность обусловлена углеводным компонентом белка. В зависимости от того, где в клетке происходит передача информации, различают варианты действия гормонов:
1. МЕМБРАННЫЙ
2. МЕМБРАННО-ВНУТРИКЛЕТОЧНЫЙ
3. ЦИТОЗОЛЬНЫЙ.

1. МЕМБРАННЫЙ тип действия реализуется в месте связывания гормона с плазматической мембраной и заключается в избирательном изменении ее проницаемости. Механизм действия- АЛЛОСТЕРИЧЕСКАЯ регуляция. Таким путем обеспечивается трансмембранная регуляция содержания глюкозы ИНСУЛИНОМ.

2. МЕМБРАННО-ВНУТРИКЛЕТОЧНОЕ ДЕЙСТВИЕ заключается в том, что гормон, не проникая в клетку, влияет на обмен в ней через специального посредника. Одними из таковых являются 3'-5'-ц-АМФ и 3'-5'-ц-ГТФ И ЯВЛЯЮТСЯ КОМПОНЕНТАМИ АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНОЙ СИСТЕМЫ..

РАБОТА АДЕНИЛАТЦИКЛАЗНОЙ СИСТЕМЫ

В цитоплазматическую мембрану клетки встроен фермент АДЕНИЛАТЦИКЛАЗА, состоящий из 3 субединиц- УЗНАЮЩЕЙ, СОПРЯГАЮЩЕЙ (N-БЕЛОК) И КАТАЛИТИЧЕСКОЙ. Присоединение гормона к рецептору вызывает активацию сопрягающей части, изменение конфигурации в которой приводит к превращению ГДФ, имеющегося в каталитической части, в ГТФ. Это приводит к активации каталитического центра АДЕНИЛАТЦИКЛАЗЫ и начинается синтез цАМФ из АТФ:

АТФ --> цАМФ + Н₄Р₂О₇ (ФФн)

За время, которое гормон соединен с рецептором, успевает синтезироваться от 10 до 100 молекул цАМФ.

Циклические нуклеотиды активируют протеинкиназы, цАМФ или цГМФ-зависимые. Активированные протеинкиназы фосфорилируют за счет АТФ различные белки, в результате чего меняется их активность и меняется скорость соответствующих обменных процессов в клетке. Одновременно протекают процессы распада циклических нуклеотидов при участии фосфодиэстераз. Фосфорилированные белки (фосфопротеиды) также дефосфорилируются ФОСФОПРОТЕИНФОСФАТАЗАМИ (ФП-фосфатазами). цАМФ и цГМФ-зависимые протеинкиназы фосфорилируют различные белки, следовательно, приводят к различным эффектам в клетке, иногда противоположным.

Характер изменений метаболизма в клетке зависит не от гормона, а от того, какими рецепторами клетка располагает. Процесс, управляемый через аденилатциклазную систему, зависит от соотношения скоростей продукции и распада цАМФ и цГМФ. Возможна модуляция действия гормонов извне, введением соответствующих препаратов, ингибирующих фосфодиэстеразы и приводящих к увеличению концентраций циклических нуклеотидов в клетке. Так, производные ксантинов КОФЕИН, ТЕОФИЛЛИН, ТЕОБРОМИН И ЭУФИЛЛИН ингибируют цАМФ-фосфодиэстеразу, способствуя накоплению цАМФ, а трентал- цГМФ.

ЦИТОЗОЛЬНЫЙ МЕХАНИЗМ ДЕЙСТВИЯ заключается в том, что гормоны липофильной природы способны проникать внутрь клетки через мембрану и образовывать комплекс с рецепторами, находящимися в цитозоле. После этого комплекс проникает внутрь ядра и избирательно влияет на доступность для транскрипции отдельных геномов ДНК, влияя таким образом на синтез мРНК и соответственно, на синтез белков-ферментов, что оказывает воздействие на метаболические процессы.

РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА ЧЕРЕЗ ФЕРМЕНТАТИВНЫЙ АППАРАТ

1.Изменением количества фермента.

2. Изменением АКТИВНОСТИ фермента- более действенное и более тонкое.

Изменение активности ферментов может протекать на различных этапах цепи превращений, эффекторами могут служить промежуточные продукты (метаболиты).

Присоединение метаболита (эффектора) приводит к изменению активности фермента. Об аллостерической регуляции активности ферментативных процессов читайте здесь. Пример РЕТРОИНГИБИРОВАНИЯ (продукты последующих стадий тормозят начальные этапы превращений:

Форактивация (активация процесса предшествующими метаболитами):

Активность ферментов изменяется в результате их фосфорилирования ПРОТЕИНКИНАЗАМИ и дефосфорилирования ФП-ФОСФАТАЗАМИ.

ВЕРНУТЬСЯ НА НАЧАЛЬНУЮ СТРАНИЦУ

БИОЭНЕРГЕТИКА

ГЛИКОЛИЗ

ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ

ОКИСЛЕНИЕ И СИНТЕЗ ЖИРНЫХ КИСЛОТ

ЧЕЛНОЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ТРАНСМЕМБРАННОГО ПЕРЕНОСА NADH