Взаємозв'язок між обміном білків, вуглеводів та ліпідів.

Інтеграція обміну вуглеводів, білків і жирів в організмі.

Життєві процеси організму пов'язані з постійним поглинанням речовин з навколишнього середовища і виділенням продуктів розпаду в це середовище. Усю сукупність цих реакцій об'єднують загальним поняттям метаболізм або обмін речовин. Метаболізм являє собою високо координовану і цілеспрямовану клітинну активність, забезпечуваний участю безлічі взаємопов'язаних ферментних систем і означає перетворення речовин усередині клітин з моменту їх надходження до утворення кінцевих продуктів. Обмін речовин виконує 4 специфічні функції:

Забезпечення органів і систем хімічного енергією, що виробляється в процесі розщеплення багатих енергією харчових речовин.

Перетворення молекул харчових продуктів в будівельні блоки, які використовуються клітиною для побудови макромолекул

Освіта з цих будівельних блоків молекул білків, нуклеїнових кислот, ліпідів, вуглеводів та інших компонентів

Синтез і руйнування тих біомолекул, які необхідні для виконання певних специфічних функцій клітини

Метаболізм складається з протікання сотень різних ферментативних реакцій, проте центральні метаболічні шляху у всіх живих істот мають єдину природу.

Живі організми беруть активну участь у кругообігу вуглецю і кисню. Всі вони поділяються на дві великі групи залежно від того, в якій хімічній формі вони здатні засвоювати надходить з навколишнього середовища вуглець. Клітини листя зелених рослин (фотосинтезуючі клітини) використовують в якості єдиного джерела вуглець атмосфери у вигляді вуглекислого газу, з якого вони будують всі свої углеродсодержащие біомолекули. Клітини вищих тварин не мають здатність засвоювати атмосферний вуглекислий газ і отримують вуглець у вигляді складних органічних сполук, розщеплюючи їх для отримання необхідної енергії (наприклад до глюкози). Таким чином, в біосфері одні організми споживають вуглекислий газ і виділяють при цьому в атмосферу кисень, а інші споживають кисень, повертаючи вуглекислий газ в атмосферу. Усім живим організмам, крім джерел вуглецю кисню та енергії, необхідний ще джерело азоту. Майже всі вищі тварини повинні отримувати необхідний їм азот у вигляді амінокислот, причому з 20 АК - 10 є незамінними, оскільки організм не здатний їх синтезувати. Рослини можуть використовувати як джерело азоту аміак або розчинні нітрати.

Таким шляхом відбувається безперервний кругообіг вуглецю, кисню та азоту між тваринним і рослинним світом. Джерелом енергії для цього процесу служить сонячне світло.

Метаболізм включає процеси розпаду речовин (катаболізм) і процеси синтезу (анаболізм)

Катаболізм - це фаза, в якій відбувається розщеплення складних органічних молекул до більш простих кінцевих продуктів. Вуглеводи, жири і білки, що надійшли ззовні з їжею або присутні в самій клітині в якості запасних речовин, розпадаються в серії послідовних реакцій до таких сполук як молочна кислота, вуглекислий газ і аміак. Катаболічні процеси супроводжуються виділенням вільної енергії, укладеної в складній структурі органічних молекул, наприклад, АТФ, НАДФН.

Анаболізм - це фаза обміну речовин, в якій з малих молекул попередників або будівельних блоків, синтезуються білки, нуклеїнові кислоти, жири, вуглеводи і інші компоненти клітин. Так як біосинтез призводить до збільшення і ускладнення молекул і структур, то він вимагає витрати вільної енергії. Джерелом цієї енергії служать розпад АТФ до АДФ і неорганічного фосфору і багаті енергією водневі зв'язки.

Катаболічні і анаболічні процеси протікають в клітинах одночасно, проте їх швидкості регулюються незалежно. Ферментативне розщеплення головних поживних речовин, які служать клітині джерелом енергії (вуглеводи, жири і білки) відбувається поступово через ряд послідовних реакцій.

У аеробному катаболізмі (з участю кисню):

На першій стадії полісахариди (вуглеводи) розпадаються до гексоз і пентоз, жири до жирних кислот, гліцерину, білки - до амінокислот.

На другій стадії розпаду речовин всі ці продукти перетворюються на ще більш прості з'єднання. Так, гексози, пентози і гліцерин розщеплюються до одного і того ж проміжного продукту ацетил коензиму А. Аналогічні перетворення зазнають жирні кислоти і амінокислоти. Їх розщеплення також завершується утворенням ацетілкоензіма А. Таким чином, ацетілкоензім А являє собою загальний кінцевий продукт другої стадії катаболізму.

На третій стадії ацетільная група ацетил КоА вступає в цикл Кребса (цикл лимонної кислоти) - загальний кінцевий шлях, на якому майже всі види клітинного палива окислюються до вуглекислого газу, води й аміаку.

Анаболічні шляху (синтез речовин) розходяться, і утворюється багато різноманітних молекул. Біосинтез починається з малих молекул попередників і протікає також в три стадії.

Катаболічний і відповідний йому, але протилежний за напрямом, анаболічний шлях розрізняються по проміжних продуктів реакцій. Проте їх пов'язує загальна стадія, яка включає в себе цикл лимонної кислоти. На цій стадії завершується не тільки розпад молекул (катаболізм), але відбувається і процес анаболізму, що полягає в постачанні молекул попередників для біосинтезу молекул амінокислот, жирних кислот і вуглеводів. У дорослої здорового організму процеси розпаду і синтезу відповідають один одному і в такий спосіб установлюється динамічна рівновага. У організмі, що росте переважають процеси біосинтезу над розпадом.

Таким чином, майже всі метаболічні реакції в кінцевому рахунку зв'язані між собою. Регуляція метаболізму здійснюється на 3 рівнях:

Перший з них, найбільш швидко реагує на будь-яка зміна пов'язаний з дією ферментів, що володіють не тільки каталітичної, але і регуляторної активністю. Вони як би диригенти, що задають темп метаболічним процесам.

Другий рівень регуляції метаболізму здійснюється під дією гормонів, що виробляються різними ендокринними залозами і виділяються безпосередньо в кров. Гормони переносяться кров'ю до інших органів і тканин, де стимулюють або гальмують певні види обміну речовин.

Третій рівень регуляції метаболізму пов'язаний зі зміною процесів біосинтезу ферменту внаслідок збільшення або зменшення того чи іншого субстрату в клітці. Так, якщо в організмі надлишок вуглеводів, то в печінці синтезуються ферменти, що каталізують розпад вуглеводів. Якщо ж збільшується кількість білків, то в печінці помітно підвищиться вміст ферментів, необхідних для розщеплення АК.

Шляхи перетворення білків, жирів і вуглеводів взаємозв'язані. Існує тісний енергетичний зв'язок між ними, коли енергетичні потреби організму забезпечуються окисленням будь-якого класу органічних речовин, при недостатньому надходженні інших. Так білки і амінокислоти використовуються для синтезу ряду сполук (пуринових і піримідинових нуклеотидів, біогенних амінів). Амінокислоти, які утворюються в процесі обміну ацетоацетіл КоА беруть участь в синтезі жирних кислот. Глюкоза може також синтезуватися з амінокислот. Ацетил КоА, який утворюється в процесі обміну вуглеводів, жирів, білків та ряду амінокислот служить пусковим субстратом у циклі Кребса.

Таким чином, переважання розпаду ряду одних поживних речовин і біосинтезу інших перш за все визначається фізіологічним станом і потребами організму в енергії і метаболітів. Цими факторами в значній мірі може бути пояснено існування постійного динамічного стану хімічних складових компонентів організму як єдиного цілого. В організмі людини як і в живій природі взагалі не існує самостійного обміну білків, жирів, вуглеводів і нуклеїнових кислот. Всі вони об'єднані в єдиний процес метаболізму, що допускає взаємоперетворення між окремими класами органічних речовин.

Живий організм і умови його існування знаходяться в постійній залежності від умов навколишнього середовища. Обмін речовин в організмі людини протікає не хаотично, а " тонко" налаштований. Всі перетворення органічних речовин, процеси анаболізму і катаболізму тісно пов'язані один з одним. Синтез і розпад взаємопов'язані, координовані і регулюються нейрогуморальними механізмами, що додають хімічних процесів потрібний напрямок. Інтенсивність, напрямок будь-якої реакції визначається ферментами, які мають прямий вплив на обмін ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот. Синтез будь-якого ферменту-білка - вимагає участі ДНК і майже всіх 3-х типів рибонуклеїнових кислот (транспортної, матричної і Хвороби) Якщо до цього додати вплив гормонів і різних продуктів розпаду (біогенних амінів), то видно узгодженість і коодінірованность величезного розмаїття хімічних процесів, що відбуваються в організмі, що визначається фізіологічним станом і потребами організму.

Проблема регуляції обміну речовин займає особливе місце серед інших проблем патології, так як будь-яка патологія і є порушення регуляторних процесів. Характерною особливістю регуляторних механізмів у живій природі є автоматизм. Саморегуляція біохімічних процесів обміну речовин - одне з невід'ємних властивостей живої матерії. Хвороба - це такий стан при якому ті чи інші системи саморегуляції зазвичай виведені за межі їх фізіологічної адаптації. Механізми саморегуляції обміну речовин живого організму розгортаються на різних рівнях: молекулярному, клітинному, органному і цілісного організму.

Відомо, що в основі всіх процесів обміну лежать ті чи інші хімічні реакції. Тому витоки регуляторних механізмів слід шукати, починаючи з факторів, що регулюють швидкості окремих хімічних реакцій. На молекулярному рівні розрізняють такі елементи регулювання: концентрація вихідних і кінцевих продуктів. Хімічні процеси, що протікають в живих організмах, звичайно можуть підтримуватися в стаціонарному стані тільки при наявності зовнішніх джерел енергії.

У хімічних реакціях обміну речовин обов'язково беруть участь біологічні каталізатори - ферменти, яким належить вирішальна роль у визначенні швидкості реакції. Швидкість протікання ферментативних реакцій залежить від:

1) Агентів, що регулюють рН, температуру, іонну силу, окислювально-відновний потенціал.

2) Сполук, що специфічно взаємодіяли з активним центром ферменту (субстрати, коферменти).

3) Сполук, взаємодіючих специфічно з ферментом поза його активного центру.

У результаті взаємодії цих речовин з ферментами відбувається зміна просторової конфігурації ферментного білка (конформаційні зміни) на рівні третинної або четвертинної структури.

1. рН, t і т.д. підтримуються постійними у вузьких, оптимальних для життєдіяльності клітини межах. 2. Підвищення концентрації субстратів і коферментів зазвичай прискорює ферментативні реакції

Аллостеріческого взаємодія - це взаємодія метаболіту або іншого регуляторного фактора з ділянкою ферментативного білка, в результаті змінюється конформація білкової молекули ферменту і фермент втрачає свої каталітичні властивості.

У порівнянні з молекулярним, клітина значно вищий якісно інший рівень організації біохімічних процесів. Тут є компактна саморегулююча система. Найбільш характерна її особливість - це структурна впорядкованість. Детальне поділ функцій між окремими органоидами. Роль найважливішого компонента виконує біологічна мембрана. Головний зміст регуляції на клітинному рівні - координація різних метаболічних процесів:

Спряженість процесів субстратного дегидрирования і транспорту водопологів і електронів у ланцюзі дихальних каталізаторів, пару окислення і фосфорилювання, освіта макроергічних сполук та їх витрата, здатність переключати метаболізм з аеробного режиму на анаеробний, координація процесів біосинтезу білків і нуклеїнових кислот. У зв'язку з цим особливо важливі ферментативні реакції та метаболізм вузлових етапів обміну.

На рівні цілісного організму багато клітини набувають спеціалізовані функції, пов'язані із взаємодією організму з зовнішнім середовищем і підтримання сталості внутрішнього середовища. Регуляція обміну речовин при участі нервової і гуморальної систем на рівні цілісного організму має досконалістю і дає можливість складного багатоклітинного організму на цьому рівні організації придбати максимальну ступінь автономності по відношенню до мінливих факторів зовнішнього середовища. Кінцева мета регулювання на рівні цілісного організму - підтримка оптимального значення основних параметрів і " внутрішнього середовища", в якій живуть клітини організму. Об'єктом регулювання є ті ж самі метаболічні процеси, як і на клітинному рівні регуляції. Різниця полягає в тому, що на рівні цілісного організму вибірковість дії регуляторного агента проявляється у ставленні всього органу або тканини, в яких процес піддається зміні. Система регулювання пристосована до вибору такого варіанту регулювання, який дозволяє максимально використовувати специфічну роль того чи іншого органу в адаптації обміну цілісного організму в нових умовах.

Регуляція обміну речовин на рівні цілісного організму не тільки підвищує адаптаційні можливості клітин організму, а й впливає на власний метаболізм кожної клітини. Якщо на перших етапах метаболічний апарат клітини працює відповідно до генетичної програми, то в міру ускладнення зв'язків клітини з усім організмом все більшого значення набувають фактори нейрогуморального характеру. Для збереження життєдіяльності організму особливе значення має підтримання стабільного хімічного складу крові як тканини, яка об'єднує всю внутрішню середу організму в єдине ціле.

Це забезпечується узгодженої роботою органів безпосередньо регулюють синтез і надходження в кров ряду речовин, а з іншого - виведення її кінцевих продуктів обміну. Подібний механізм регуляції клітинного обміну за типом зворотного зв'язку з включенням ЦНС, еферентних нервів, гуморальних ланок і органів-регуляторів внутрішнього середовища, мабуть, лежить в основі регуляторних відносин в цілісному організмі.

Таким чином, організм людини нескінченно більш складний ніж простий конгломерат або сукупність різного типу клітин.

Клітини, диференційовані для здійснення специфічних, біохімічних і фізіологічних функцій, взаємодіють один з одним, утворюючи тканини, які, у свою чергу, структурно організовані у вигляді органів. Така організація забезпечує раціональне розподіл функціональної активності, але вимагає участі контролюючих і погоджувальних роботу різних органів і тканин, з тим, щоб вона гармонійно відповідала потребам організму.

Цю інтегруючу роль грають 3 найважливіші системи:

Нервова система - є центром обробки інформації та прийняття рішень, що сприймає імпульси (недостатність кисню, голод, спрага, біль), а також передавальний відповідні команди іншим органам.

Ендокринна система - фабрика і сховище хімічних передавачів (посередників) надають різноманітні дії на ріст, розмноження та розвиток, а також на інші найважливіші функції організму (підтримання у крові сталості концентрації глюкози, ліпідів, кальцію, забезпечення оптимального співвідношення синтезу та розпаду компонентів тканин).

Судинна система - яка служить для перенесення всіх хімічних сполук в організмі.

У нормі всі ці 3 системи взаємодіють безперебійно.

Вплив гормонів ендокринної системи здійснюється через потік крові і залежно від концентрації їх регулює секрецію цих гормонів за принципом негативного зворотного зв'язку. Взаємозв'язок між перетвореннями вуглеводів, жирів і білків у процесі обміну речовин здійснюється наступним чином:

Вуглеводи, білки і ліпіди можуть утворюватися в результаті процесів, що мають подібне енергетичне забезпечення, із загальних попередників і проміжних продуктів, загальних кінцевих шляхів окислення вуглецю і водню. При біосинтезі різноманітних органічних сполук або макромолекул як джерела енергії використовуються або АТФ, або НАДН або НАДФН, що поставляють відновну енергію. Якщо в клітці здійснюється синтез певного класу сполук, це повинно відбуватися за рахунок катаболізму іншої речовини. Наприклад, коли від печінки потрібна збільшення синтезу глюкози, вона не може одночасно синтезувати білки і жири, навпаки виникає необхідність здійснити гідроліз частини наявних білків і жирів для забезпечення синтезу НАДН і АТФ для потреб глюконеогенезу. Загальні попередники і проміжні продукти обміну є передумовою виникнення ще одного рівня взаємозв'язків метаболічних шляхів. Загальний фонд вуглеводів впливає на процеси синтезу ліпідів і білків. Найбільш важливим загальним проміжним продуктом обміну речовин, що становлять вирішальне сполучна ланка, є ацетил КоА. Загальним кінцевим шляхом для всіх систем метаболізму є цикл лимонної кислоти і реакції дихальної ланцюга. Ці протікають у мітохондріях процеси використовуються для координації цілого ряду метаболічних реакцій на різних рівнях. Цикл лимонної кислоти є в клітці головним джерелом двоокису вуглецю для реакцій карбоксилювання, з яких починається синтез жирних кислот і глюконеогенез. Та ж двоокис вуглецю поставляє вуглець для сечовини і деяких ланок пуринових і піримідинових кілець.

Взаємозв'язок між процесами вуглеводного та азотистого обміну також досягаються за допомогою проміжних продуктів циклу лимонної кислоти. Існує кілька шляхів, за якими проміжні продукти циклу лимонної кислоти включаються в процес липогенеза. Розщеплення цитрату призводить до утворення ацетил КоА, що грає роль попередника у біосинтезі жирних кислот.

Ізоцітрат і малат забезпечують утворення НАДФ, який витрачається в наступних відновлювальних етапах синтезу жирів.

Роль ключового чинника, що визначає перетворення НАДН відіграє стан аденіннуклеотідов. Високий вміст АДФ і низьке АТФ свідчить про малий запасі енергії. При цьому НАДН втягується в реакції дихальної ланцюга, посилюючи пов'язані з запасанием енергії процеси окисного фосфорилювання. Зворотне явище спостерігається при низькому вмісті АДФ і високому АТФ. Обмежуючи роботу системи перенесення електронів, вони сприяють використанню НАДН в інших відновних реакціях, таких як синтез глутамату і глюконеогенез. У деяких випадках біохімічні процеси в клітинах вузькоспеціалізовані і функції клітин досить обмежені, в інших випадках клітини мають здатність здійснювати найрізноманітніші ферментативні перетворення.

По різноманіттю і пристосовності жоден інший орган не може зрівнятися з печінкою, в якій відбуваються складні взаємопов'язані процеси обміну речовин, що впливають на весь організм. Печінка як залоза наділена і екзокринними і ендокринними функціями. Продуктом зовнішньої секреції є жовч, виділяється в желудочнокішечний тракт. Продуктами внутрішньої секреції печінки є не гормони, а метаболіти, які розносяться струмом крові і використовуються іншими клітинами, змінюючи їх функції. Це: глюкоза, яка використовується для гліколізу, триацилгліцеридів - для липогенеза. Кетонові тіла - використовуються в м'язовій і нервовій тканинах як джерела енергії. Печінка відповідальна за синтез альбуміну, сироваткових ліпопротеїдів та факторів згортання крові. Процеси обміну жирів в печінці і жировій клітковині нерозривно пов'язані між собою. Існує взаємозв'язок між процесами обміну речовин у м'язовій і печінкової тканинах на декількох рівнях. Процес глюконеогенезу здійснюється як у печінці, так і в нирках і вони взаємозалежні. Нарешті, тісно пов'язані між собою і процеси обміну в тканинах мозку і печінки, перш за все через те, що нервова тканина цілком залежить від безперебійної доставки глюкози, яка забезпечується печінкою.

Таким чином здоровий організм перебуває в рівновазі з навколишнім середовищем.