содержание      ..     25      26      27      28     ..

ИНТЕГРАЦИЯ КЛЕТОЧНОГО МЕТАБОЛИЗМА

Обмен веществ в живых организмах протекает не хаотично; он интегрирован и тонко настроен, благодаря чему поддерживаются постоянство внутренней среды и целостность организма. Процессы обмена белков, нуклеиновых кислот, липидов и углеводов тесно взаимосвязаны. Эта связь выражается во взаимном превращении одних веществ в другие, которое диктуется физиологическими потребностями организма. Таким образом, все превращения составляют целостный процесс метаболизма.

На рис.28.1 представлена упрощенная схема интеграции основных метаболических путей, общих для большинства клеток и организмов. Видно, что процессы катаболизма и биосинтеза сложных органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов) связаны между собой, в первую очередь, благодаря пирувату, ацетил-СоА, промежуточным соединениям цикла лимонной кислоты ‒ оксалоацетату и α-кетоглутарату.

Рис.28.1. Взаимосвязь основных клеточных процессов. 1 ‒ гликолиз; 2 ‒ пентозофосфатный путь; 3 ‒ глюконеогенез; 4 ‒ цикл Кальвина; 5 ‒ окисление жирных кислот; 6 ‒ дезаминирование; 7 ‒ аминирование кетокислот; 8 ‒ цикл мочевины; ЦТК ‒ цикл трикарбоновых кислот

Пируват ‒ трехуглеродная α-кислота. Она находится в точке перекреста ряда метаболических путей. Пируват связывает гликолиз и глюконеогенез, а также обмен углеводов с обменом липидов, белков, изопреноидов, кетоновых тел. Он образуется в клетке в основном при катаболизме гексоз, при окислении лактата, который накапливается в мышцах при анаэробном гликолизе. В этом случае образование лактата позволяет организму быстро регенерировать NAD⁺, необходимый для запасания АТР в гликолизе (процесс сокращения и расслабления мышечных волокон требует гидролиза АТР).

Накапливающийся в мышцах лактат поступает в кровь и переносится в печень, где вновь окисляется в пируват. Вступая на путь глюконеогенеза, пируват может превратиться в глюкозу. Эта последовательность реакций известна как цикл Кори.

Аланин является продуктом трансаминирования пирувата с аминокислотами, образованными в ходе протеолиза белков. С током крови аланин поступает в печень, где снова превращается в пируват, выполняя роль переносчика аммонийного азота, который в печени включается в цикл образования мочевины. Кроме того, образующийся из пирувата аланин может включаться в состав пептидов.

Пируват участвует также в реакциях карбоксилирования и декарбоксилирования. В первом процессе, (идущем в митохондриях), образуется оксалоацетат, который может включаться в цикл лимонной кислоты (одна из важнейших анаплеротических реакций) либо преобразовываться в фосфоенолпируват, а затем – в глюкозу (глюконеогенез). Во втором случае пируват подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-СоА, который также является ключевым метаболитом для еще более разветвленных метаболических путей.

Ацетил-СоА – активированная форма уксусной кислоты. Является связующим звеном в обмене белков, жиров и углеводов. Ацетил-СоА образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата – промежуточного продукта обмена углеводов, глицерола и аминокислот. Жирные кислоты и практически все аминокислоты превращаются в ацетил-СоА, который, конденсируясь с оксалоацетатом, вступает в цикл лимонной кислоты. В этот цикл включаются и некоторые аминокислоты после превращения их в α-кетоглутарат, оксалоацетат, сукцинат и фумарат.

Цикл лимонной кислоты – основной путь, по которому происходит окислительный распад в тканях белков, жиров и углеводов до углекислого газа и воды. Все интермедиаты этого цикла являются общими промежуточными продуктами превращения белков, жиров и углеводов. Одновременно отдельные интермедиаты цикла лимонной кислоты могут быть участниками разнообразных процессов биосинтеза. Так, например, оксалоацетат и α-кетоглутарат, вступая в процесс переаминирования, образуют соответственно аспартат и глутамат, которые используются для биосинтеза белков, участвуют в детоксикации аммиака.

Судьба ацетил-СоА, как и других ключевых метаболитов, зависит от потребностей клетки: он может быть полностью окислен в цикле лимонной кислоты, являясь его субстратом; может подвергаться последовательной конденсации с образованием β-гидрокси-β-метил-глутарил-СоА – предшественника холестерола, терпеновых соединений (изопреноидов), кетоновых тел (ацетоацетат, β-гидроксибутират, ацетон); может превращаться в жирные кислоты (рис.28.2). В организме млекопитающих ацетил-СоА не способен превращаться в углеводы. В то же время в клетках растений и микроорганизмов возможен синтез предшественников глюконеогенеза, а значит, и углеводов из ацетил-СоА.

Кроме перечисленных реакций, ацетил-СоА принимает участие в синтезе аминокислот, в частности аргинина, лейцина, лизина (в клетках грибов), цистеина (у некоторых микроорганизмов).

Рис.28.2.Основные превращения пирувата и ацетил-СоА в клеточном метаболизме

Подводя итог вышесказанному, необходимо отметить, что все метаболические процессы, протекающие в клетке, связаны между собой с помощью промежуточных метаболитов, которые являются продуктами одних метаболических путей и субстратами других. Такая взаимосвязь и взаимозависимость метаболических процессов позволяет клетке координировать свои возможности с потребностями и быстро настраивать уровень обмена веществ в соответствии с меняющимися условиями. Понятно, что интеграция клеточного обмена была бы невозможна без регуляции метаболических путей.

Основные аспекты регуляции метаболизма

Метаболические пути регулирутся на трех уровнях.

Первый – количество ферментов, доступное через транскрипцию, трансляцию и оборот белков (протеолитическая деградация). Второй – каталитическая активность ферментов, контролируемая аллостерическими модуляторами, активаторами, конкурентными ингибиторами (агонистами и антагонистами соответственно) и посттрансляционными модификациями, такими, как фосфорилирование, ацетилирование и гликозилирование под контролем гормонов, ростовых факторов и нейротрансмиттеров.

Третий – субстратная доступность (концентрация), контролируемая стационарными условиями и компартментализацией. Последняя зависит от систем активного мембранного транспорта (помпы, транспортеры, требующие затраты энергии) и пассивной диффузии через субстратспецифические мембранные белки (ионные каналы). Диффузия контролируется только концентрационными градиентами.

Химические реакции, протекающие в клетках, катализируются ферментами. Поэтому неудивительно, что большинство способов регуляции обмена веществ основаны на двух ведущих процессах: изменении концентрации ферментов и их активности. Эти способы регуляции метаболизма характерны для всех клеток и осуществляются с помощью разнообразных механизмов в ответ на сигналы разного рода. Кроме того, в клетках могут осуществляться и другие способы регуляции метаболизма.

Регуляция на уровне транскрипции

Транскрипционный уровень регуляции необходим для изменения количества мРНК, определяющих структуру ферментов, а кроме того – белков-гистонов, рибосомальных, транспортных белков. Группа последних, не обладая каталитической активностью, также принимает большое участие в изменении скорости соответствующих процессов (формирование хромосом и рибосом, транспорт веществ через мембраны), а значит, и в метаболизме в целом.

Чаще всего процесс транскрипции регулируется на уровне инициации транскрипции, но, кроме того, могут регулироваться скорость элонгации транскрипции и частота ее преждевременной терминации. Это достаточно медленный путь регуляции обменных процессов путем индукции-репрессии соответствующих генов. (Более детально транскрипционный уровень регуляции метаболических путей рассмотрен в лекции 30).

Аллостерическая регуляция активности ферментов

Аллостерическая регуляция является одним из самых быстродействующих и гибких типов модуляции активности ключевых метаболических ферментов. Она осуществляется с помощью молекул-эффекторов, взаимодействующих с аллостерическим центром фермента. В любом биосинтетическом или катаболическом процессе есть одна скорость-лимитирующая реакция, катализируемая ключевым ферментом. Иногда их бывает несколько.

Аллостерическими эффекторами могут выступать самые различные вещества: субстраты и конечные продукты метаболических путей, иногда – промежуточные метаболиты; в катаболических процессах ‒ нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифосфаты, а также переносчики восстановительных эквивалентов; в каскадных реакциях сАМР и сGMP, которые регулируют активность ферментов (например, протеинкиназ), участвующих в ковалентной модификации белков; ионы металлов и множество иных соединений (рис.28.3).

Рис.28.3. Регуляция активности пируватдегидрогеназы: А – аллостерическая регуляция пируватдегидрогеназы; Б – аллостерическая регуляция киназы пируватдегидрогеназы; ковалентная модификация пируватдегидрогеназы (+) – положительный эффект; (‒) ‒ отрицательный

Эффекторы могут осуществлять активацию либо ингибирование фермента. Примеры аллостерической регуляции активности ферментов: фосфофруктокиназа (гликолиз); пируватдегидрогеназа (окислительное декарбоксилирование пирувата); аспартаткарбамоилтрансфераза (синтез пиримидиновых нуклеотидов) и др.

Ковалентная модификация ферментов

Еще одним способом изменять активность ферментов и таким образом, направленность метаболических процессов, является ковалентная или химическая модификация. Суть данного типа регуляции состоит в превращении активных форм ферментов в неактивные, и наоборот. Осуществляется такое взаимопревращение форм фермента путем ковалентного присоединения небольшой химической молекулы (фосфорной кислоты, АМР, уксусной кислоты) к определенным аминокислотным остаткам в молекуле фермента. Такими аминокислотами являются серин, треонин и тирозин. Процессы ковалентной модификации находятся под разнообразным контролем, в том числе и гормональным. Классическим примером такого рода регуляции является регуляция метаболизма гликогена в печени. Например, метаболизм гликогена определяется активностью гликогенфосфорилазы (мобилизация гликогена) и гликоген-синтазы (гликогеногенез). Активность этих ферментов регулируется координированно, т.е. если активна гликогенфосфорилаза, неактивна гликоген-синтаза. Следовательно, при определенных условиях в клетке будет превалировать либо расщепление, либо синтез гликогена (рис.28.4).

Рис.28.4. Регуляция активности гликогенфосфорилазы ковалентной модификацией (фосфорилирование-дефосфорилирование)

Ковалентная модификация  регуляторных ферментов – заключительная стадия каскада реакций, передающих и усиливающих регуляторное действие некоторых гормонов непосредственно на обмен веществ в клетке.

Гормональная регуляция

Гормоны – сигнальные вещества, образующиеся в клетках эндокринных желез; поэтому гормональная регуляция свойственна только высшим организмам. Гормоны могут регулировать активность ферментов на уровне ковалентной модификации. Кроме того, они способны оказывать воздействие на скорость транскрипции (транскрипционная регуляция).

Из специализированных клеток, в которых происходит синтез гормонов, последние поступают в кровь и переносятся к клеткам-мишеням, имеющим рецепторы, способные связывать гормоны и тем самым воспринимать гормональный сигнал. Связывание гормона рецептором запускает каскад реакций с участием молекул-посредников. Этот процесс завершается клеточным ответом.

Липофильные гормоны связываются с внутриклеточным рецептором (белок) и регулируют транскрипцию определенных генов.

Гидрофильные гормоны действуют на клетки-мишени за счет связывания с рецепторами на плазматической мембране (рис.28.4).

Кроме гормонов аналогичным действием обладают другие сигнальные вещества: медиаторы, нейромедиаторы, ростовые факторы. Четкой границы, позволяющей отличать гормоны от перечисленных веществ, нет. Медиаторами называют сигнальные вещества, которые продуцируются не железами внутренней секреции, а различными типами клеток. К ним относят гистамин, простагландины, которые обладают гормоноподобным действием. Нейромедиаторами считают сигнальные вещества, продуцируемые клетками центральной нервной системы.

Посттранскрипционная и посттрансляционная

модификация макромолекул

Модификация и/или процессинг первичных РНК-транскриптов осуществляются с разной скоростью, от чего зависит концентрация зрелых молекул РНК, способных транслироваться, а значит, и интенсивность белкового синтеза. В свою очередь полипептиды синтезированные на рибосомах, прежде чем превратиться в зрелый белок, также должны модифицироваться (см. лекцию31). В случае ферментов речь идет об их ковалентной модификации.

Изменение концентрации метаболитов

Важным условием, обеспечивающим высокую скорость того или иного метаболического пути, является концентрация субстратов. Она может зависеть от интенсивности протекания других процессов, в которых также расходуются эти субстраты (конкуренция), или скорости транспорта данных веществ через мембраны (плазматическую или органелл). Кроме того, скорость метаболических процессов определяется концентрацией кофакторов. Например, гликолиз и ЦТК регулируются доступностью АDР на уровне изменения активности ключевых аллостерических ферментов.

У эукариотических клеток важную роль в регуляции и интеграции клеточного обмена играет компартментализация, т.е. разграничение метаболизма в пространственно разделенных мембраной участках клетки (компартментах). Избирательная проницаемость мембран определяет судьбу ряда метаболитов. Скорость трансмембранного переноса веществ, их взаимодействие с мембраной служат сигналом изменения состояния клетки, направленности в ней метаболических путей (табл. 28.1).

Таблица 28.1

Компартментализация основных метаболических

процессов в эукариотической клетке

Мембранная регуляция

Важнейшими функциями мембраны являются: барьерная, транспортная, осмотическая, электрическая, структурная, энергетическиеая, биосинтетическиеая, рецепторно-регуляторная и др. Такое многообразие функций мембраны возможно в силу ее мобильной структуры.

Мембраны формируются из двойного слоя фосфолипидов с некоторым количеством других липидов (галактолипидов, стеринов, жирных кислот и др.). Основную роль в их формировании играют гидрофобные связи (липид-липид, липид-белок, белок-белок). В состав мембран входят хемо-, фото- и механорецепторы белковой природы, чувствительные к действию химических и физических факторов. Эти рецепторы воспринимают сигналы, поступающие из внешней и внутренней среды, обеспечивая адаптивные ответы клеток на изменения условий существования. Составные компоненты мембран синтезируются под контролем генного аппарата и, в свою очередь, контролируют его работу.

В основе мембранной регуляции лежит неравновесное состояние, поддерживаемое в каждой клетке на определенном стационарном уровне благодаря работе ионных насосов (помп). Примером может служить влияние мембранной регуляции на изменение концентрации внутриклеточного Са²⁺. Его концентрация в цитоплазме поддерживается на очень низком уровне (10^-7 М). Повышение концентрации кальция до 10^-6 М влияет на активность Са²⁺-зависимых протеинкиназ, фосфорилирующих белки, состояние цитоскелета, сократительную активность актомиозинового комплекса цитоплазмы, секреторную и митотическую активность и др. Эти процессы кальций регулирует, связываясь с кальмодулином и другими кальцийсвязывающими белками.

Таким образом, совокупность реакций, составляющих обмен веществ, в живом организме строго скоординирована и приспособлена к его потребностям. Эти потребности в значительной мере определяются составом среды, в которой находится данный организм. Кроме того, у высших организмов они зависят от сигналов, которые получает данная клеточная популяция либо непосредственно, либо опосредованным путем (через лимфу и кровь, нервную систему и др.). Регуляция метаболизма через изменение концентрации и активности ферментов характерна для всех клеток и реализуется с помощью разнообразных механизмов.

Как известно, активность ферментов зависит от физико-химических условий среды: концентрации субстрата и конечных продуктов реакции, значений рН, ионной силы, окислительно-восстановительного потенциала, изменений содержания коферментов (NAD, NADP и др.) и кофакторов (ионов металлов). В процессе фосфорилирования протеинкиназами или дефосфорилировании фосфатазами, при ацетилировании, метилировании происходит модификация ферментов и изменение их активности.

Ферментативная активность регулируется также в процессе связывания и освобождения ферментов мембранами, блокирования специфическими белковыми ингибиторами и в результате их распада. Оперативный способ изменения активности ферментов – аллостерическая регуляция, которая осуществляется специфическими эффекторами ‒ активаторами или ингибиторами, в качестве которых могут выступать трофические факторы, промежуточные метаболиты, гормоны и другие, физиологически активные вещества.

содержание      ..     25      26      27      28     ..