Raku metaboolse aktiivsuse reguleerimise viisid. Ainevahetus ja energia

2. jagu 1. Allosteeriline modulatsioon

Allosteerilise modulatsiooni korral on regulatoorse ensüümi struktuuris üks või mitu allosteerilist tsentrit, mis võivad väga selektiivselt interakteeruda madala molekulmassiga ühenditega kui allosteeriliste modulaatoritega. Selle interaktsiooni tulemusena muutub valgu-ensüümi konformatsioon, sealhulgas mõned muutused aktiivse keskuse struktuuris, millega kaasneb katalüüsi efektiivsuse muutus. Kui sel juhul ensüümi katalüütiline aktiivsus suureneb, on tegemist allosteerilise aktivatsiooniga; kui ensüümi aktiivsus langeb, siis räägime allosteerilisest inhibeerimisest. Allosteerilise modulaatori seondumine ensüümi allosteerilise tsentriga toimub nõrkade interaktsioonide tõttu, seetõttu on see kergesti pöörduv: modulaatori kontsentratsiooni vähenemisel keskkonnas ensüümi-modulaatori kompleks dissotsieerub ja ensüüm taastab oma. algupärane konformatsioon ja sellest tulenevalt selle katalüütiline aktiivsus.

Allosteeriliste modulaatoritena rakus toimivad tavaliselt ühe või teise ainevahetusraja vahemetaboliidid või lõpp-produktid. Allosteerilise regulatsiooni kõige levinumat varianti nimetatakse retroinhibeerimiseks või negatiivse tagasiside pärssimiseks. Sel juhul pärsib metaboolse raja lõpp-produkt allosteerilise mehhanismi abil regulatoorse ensüümi aktiivsust, mis katalüüsib sama metaboolse raja ühte algreaktsiooni: Nii hakkavad puriini või puriini sünteesi eest vastutavad metaboolsed rajad. pürimidiini nukleotiide reguleeritakse rakkudes.

Allosteerilise regulatsiooni teise variandina võib viidata prekursorite aktiveerimise mehhanismile. Sel juhul toimib üks ainevahetusraja alguses moodustunud vahemetaboliitidest ühe või teise ensüümi allosteerilise aktivaatorina, katalüüsides sama metaboolse raja ühte lõppreaktsiooni: .... Näiteks on püruvaatkinaasi aktiveerimine fruktoos-1,6-bisfosfaadi poolt glükoosi oksüdatiivse lagunemise metaboolses rajas.

Loomulikult ei ole üldse vajalik, et sama metaboolse raja vahe- või lõpp-metaboliit toimiks reguleeriva ensüümi allosteerilise modulaatorina. Seotud allosteerilise modulatsiooni näiteid on palju, kui allosteeriliseks modulaatoriks on ühend, mis moodustub mõnes teises metaboolses rajas. Seega pärsib ATP akumuleerumine rakus, mille põhikogus moodustub oksüdatiivse fosforüülimise käigus hingamisteede ensüümide ahelas, allosteerilise mehhanismi kaudu glükolüüsi ensüümi fosforuktokinaasi aktiivsust, pärsib ensüümi glutamaatdehüdrogenaasi aktiivsust transdeaminatsioonist. süsteem ja inhibeerib Krebsi tsükli ensüümi isotsitraatdehüdrogenaasi aktiivsust. Tuleb vaid märkida, et selliste metaboolsete radade vahel on võimalik jälgida üht või teist funktsionaalse seose taset. Varem toodud näites on kõik kolm ainevahetusprotsessi omavahel seotud sellega, et nende toimimine on otseselt seotud ATP tootmisega rakus, s.t. et varustada rakku olemasoleva energiaga.

2. Kovalentne modifikatsioon

Kovalentne modifikatsioon on mehhanism ensüümide aktiivsuse reguleerimiseks, ühendades aatomrühma kovalentse sideme abil ensüümi regulatoorses keskuses või eraldades selle rühma. Täiendava rühma kinnitumine ensüümile kovalentse sidemega viib valgu-ensüümi konformatsiooni muutumiseni, millega kaasneb aktiivse keskuse struktuuri muutumine ja katalüüsi efektiivsuse muutus. Selle rühma lõhustamine tagab ensüümi esialgse konformatsiooni taastamise ja sellest tulenevalt naasmise selle katalüütilise aktiivsuse algtasemele. Sellised modifitseerivad rühmad võivad olla adenüülhappe jäägid, glükosüüli jäägid, kuid kõige sagedamini on fosforüülimine fosforhappe jääkide lisamine. Kuna kovalentse modifikatsiooni käigus tekib kovalentne side ensüümi ja modulaatorrühma vahel, on selle mehhanismi efektiivseks toimimiseks vaja kahte täiendavat ensüümi: üks ensüüm tagab modulaatorrühma kinnitumise reguleeriva ensüümiga, teine ​​ensüüm tagab selle rühma eemaldamise. Ilmselt tagavad need lisaensüümid modulaatorrühma kinnitumise reguleeriva ensüümi polüpeptiidahela rangelt määratletud aminohappejäägi külge, samuti selle selektiivse lõhustamise. Selliste regulatsioonimehhanismide töö näideteks on: glükogeeni fosforülaasi aktiveerimine selle fosforüülimise teel, glutamaatdehüdrogenaasi aktiveerimine selle adenüülimise teel, püruvaatdehüdrogenaasi kompleksi aktiivsuse vähenemine selle fosforüülimise tagajärjel ja glükogeeni süntetaasi aktiivsuse vähenemine. selle fosforüülimise kaudu. Ensüümi aktiivsuse reguleerimise täielikku tsüklit selle kovalentse modifikatsiooniga saab illustreerida hepatotsüütide glükogeeni fosforülaasi näitega.

3. Valk-valgu interaktsioon

Kaasaegsete kontseptsioonide kohaselt kombineeritakse üksikute metaboolsete radade ensüümid rakkudes enamasti metaboolsete multiensüümide kompleksideks. Selliste metaboloonide koostises on iga ensüüm kontaktis ühe või mitme selle metaboolse raja ensüümiga. Seetõttu sõltub iga üksiku ensüümi konformatsioon ja seega ka katalüütiline aktiivsus teiste sellega kokkupuutuvate ensüümide olekust. Seega kaasneb ainevahetuse osaks oleva regulatoorse ensüümi katalüütilise aktiivsuse muutusega, mis on põhjustatud näiteks allosteerilise modulaatori lisamisest sellele, teiste metaboolsete ensüümide aktiivsuse muutus, kuna nende teatud muutused toimuvad ka supramolekulaarse valgukompleksi konformatsioonis. Rakud ja rakuväline vedelik sisaldavad valke, mis võivad interakteeruda ensüümvalkudega, reguleerides nende aktiivsust. Neid valke nimetatakse modulaatorvalkudeks.

Seega hõlmavad vereplasma lipoproteiinid apo-C-II ja apo-C-I apoproteiine, mis interakteerudes vastavalt ensüümidega lipoproteiini lipaas ja letsitiinkolesterooli atsüültransferaas suurendavad nende aktiivsust. Vereplasmas on ka valk-modulaator antitrombiin-III, mis interakteerudes vere hüübimissüsteemi ensüümiga trombiiniga inaktiveerib viimase.

Intratsellulaarse modulaatorvalgu näide on kalmoduliin. See esineb vabas inaktiivses olekus erinevate elundite ja kudede rakkude tsütosoolis. Ca2+ ioonide kontsentratsiooni suurenemisega tsütosoolis moodustub Ca-kalmoduliini kompleks, kalmoduliini konformatsioon muutub ja Ca-kalmoduliini kompleks omandab võime interakteeruda erinevate rakusiseste ensüümidega. Selle interaktsiooni käigus muutub valgu-ensüümi konformatsioon ja sellest tulenevalt muutub ka selle katalüütiline aktiivsus. Ca2+ kontsentratsiooni vähenemisega tsütosoolis Ca-kalmoduliini kompleks laguneb, vaba kalmoduliin kaotab molekuli konformatsiooni muutumise tõttu afiinsuse ensüümi suhtes. Selle tulemusena vabaneb ensüüm kompleksist ja selle katalüütiline aktiivsus taastub algsele tasemele. See meetod reguleerib selliste ensüümide katalüütilist aktiivsust nagu guanülaattsüklaas, tsükliliste nukleotiidide fosfodiesteraas, püruvaatkarboksülaas, NAD-kinaas jne (vt diagrammi järgmisel leheküljel).

4. Konkureeriva ja mittekonkureeriva inhibeerimise roll ensüümi aktiivsuse reguleerimisel rakus

Neid ensüümide aktiivsuse reguleerimise mehhanismide variante rakkudes kasutatakse äärmiselt harva. Rakus oma ainevahetuse reguleerimiseks kasutatava konkureeriva inhibeerimise näiteks peetakse trikarboksüülhappe tsükli suktsinaatdehüdrogenaasi ensüümi aktiivsuse pärssimist oksaloäädikhappe või malaadi kõrge kontsentratsiooniga, mis on sama ainevahetuse vaheproduktid. rada. Nende kontsentratsiooni vähenemine mitokondriaalses maatriksis, kus see metaboolne rada toimib, eemaldab inhibeerimise, st. regulatiivne mõju on pöörduv.

Tuleb meeles pidada, et ravimid on sageli erinevate ensüümide konkureerivad või mittekonkureerivad inhibiitorid. Seega on podagra ravis kasutatav ravim allopurinool tüüpiline konkureeriv ensüümi ksantiinoksüdaasi inhibiitor, mis toimib rakus kusihappe sünteesi metaboolse raja lõppfaasis. Selle ensüümi aktiivsuse vähenemine viib kusihappe kontsentratsiooni languseni veres ja kudedes ning takistab podagrale iseloomulikku kusihappekristallide uuesti ladestumist kudedesse.

Ravim strofantiin G, mida kasutatakse ägeda südamepuudulikkuse ravis, on müokardotsüütide välimiste rakumembraanide K,Na-ATPaasi mittekonkureeriv inhibiitor. Arvatakse, et selle ravimi terapeutiline toime on tingitud müokardotsüütide sisekeskkonna ioonse koostise normaliseerumisest selle membraaniensüümi aktiivsuse korrigeerimise tulemusena.

Paljude rakus leiduvate ensüümide hulgas ei ole kõik reguleerivad. Peaaegu iga ainevahetusrada sisaldab aga ühte või mitut (2, mõnikord isegi 3) ensüümi, mis kontrollivad metaboliitide voolu intensiivsust mööda üht või teist ainevahetusrada. Need ensüümid katalüüsivad tavaliselt termodünaamiliselt pöördumatuid reaktsioone; sageli on need ensüümid, millel on antud metaboolsete radade kõigist ensüümidest madalaim katalüütiline aktiivsus ja mis seetõttu kontrollivad aine voolukiirust mööda seda metaboolset rada tervikuna; need katalüüsivad tavaliselt antud metaboolse raja ühte esimestest reaktsioonidest, mis takistab ensüümi aktiivsuse vähenemisel metaboolse raja vaheühendite kuhjumist rakus. Selliseid ensüüme, mis kontrollivad metaboliitide liikumist mööda metaboolset rada ja on võimelised reageerima aktiivsuse muutustega reguleerivatele mõjudele, nimetatakse "võtmeensüümideks"; mõnikord nimetatakse neid ka "stimulaatori ensüümideks". Selliste ensüümide näideteks on aspartaatkarbamoüültransferaas (pürimidiini nukleotiidide sünteesi metaboolne rada), fosfofruktokinaas (glükolüüs) või isotsitraatdehüdrogenaas (Krebsi trikarboksüülhappe tsükkel).

5. Ainete ülekanne läbi rakumembraanide

Rakk saab oma metabolismi reguleerimiseks kasutada muutusi membraani läbilaskvuses, sealhulgas nii välismembraani kui ka selle üksikuid sektsioone eraldavate membraanide läbilaskvust. Seega on nii substraatide kontsentratsioon ühe või teise metaboolse raja jaoks (näiteks atsetüül-CoA kontsentratsioon tsütosoolis mitokondriaalsest maatriksist tulevate kõrgemate rasvhapete sünteesiks) kui ka ühest rakuosast tulevate kofaktorite kontsentratsioon. teine ​​(näiteks ADP tsütosoolist mitokondriaalsesse maatriksisse).

Ainete ülekandmist läbi rakumembraanide saab läbi viia kolme peamise protsessitüübi kaudu:

a) lihtne difusioon,

b) hõlbustatud difusioon,

c) aktiivne transport.

Lihtdifusiooni intensiivsus, s.o. Ainete ülekandumist läbi membraani kontsentratsioonigradienti mööda lipiidide kaksikkihi või lipiidide kaksikkihi kanalite kaudu reguleeritakse esiteks membraani konformatsioonilise oleku või selle mikroviskoossuse muutmisega ja teiseks ülekantud metaboliidi kontsentratsiooni muutmisega. membraani vastaskülgedel. Membraani olekut saab muuta selle koostist muutes, näiteks kolesteroolisisaldust membraanides ning metaboliidi kontsentratsioonigradienti membraani suhtes saab muuta selle tootmise või kasutamisega ühes rakus. sektsioonid.

Sisustatud difusiooni reguleerimine, s.o. Ainete ülekandmine läbi membraani piki kontsentratsioonigradienti kandja osalusel toimub nii eelnevalt näidatud tegurite toimel kui ka kahe uue mehhanismi tõttu: kandja sisalduse muutused membraanis või olemasolevate kandjate oleku funktsionaalse seisundi muutus. Seega, kui insuliin toimib rakkudele, millel on selle hormooni retseptorid, suureneb nende välismembraanides glükoosi kandvate valkude arv. Aktiivse transpordi intensiivsuse muutus, s.o. Ainete ülekandmine läbi membraanide kandja osalusel energiakuludega kaasneva kontsentratsioonigradiendi vastu toimub esiteks hõlbustatud difusiooniprotsesse reguleerivate mehhanismide toimimise tõttu ja teiseks koguse muutumise tõttu. saadaolevast energiast. Energia tarnitakse omakorda kas ATP energiatranspordi mehhanismide kaudu või raku poolt tekitatud transmembraansete elektrokeemiliste gradientide kaudu, näiteks H+ gradient või Na+ ioonigradient.

Nii lõi loodus evolutsiooni käigus mitmesuguseid mehhanisme, mis võimaldavad rakkudel reguleerida nii metaboolsete protsesside intensiivsust üldiselt kui ka ühe või teise ainevahetusraja töö selektiivse reguleerimise mehhanisme. Kõik organismis toimivad regulatsioonimehhanismid võib jagada kaheks tasandiks: 1. Mehhanismid, mis tagavad regulatsiooni üksikute rakkude või rakusiseste regulatsioonimehhanismide tasandil.

2. Mehhanismid, mis tagavad ainevahetusprotsesside reguleerimise kogu organismi tasandil - rakuülesed regulatsioonimehhanismid.

Kõik need tasemed võib jagada alamtasanditeks. Seega saab intratsellulaarse reguleerimise taseme raames eristada alamtasemeid:

üksikute keemiliste reaktsioonide alatase,

metaboolsete radade alatase,

raku organellide alamtase,

metaboolsete radade võrgustiku alatasand. Ja rakuülese reguleerimise taseme võib jagada alamtasanditeks:

teatud koe alamtase

elundi alamtasand

organsüsteemi alatasand

kogu organismi alatasand.

3. jagu 1.

Klassifikatsiooni teine ​​versioon põhineb hormoonide keemilisel olemusel. Vastavalt nende keemilisele olemusele jagunevad hormoonid 4 klassi:

1. Valgulised hormoonid ja selles klassis võib eristada kahte alamklassi:

a) hormoonid on lihtvalgud (insuliin, somatotropiin);

b) hormoonid on kompleksvalgud (kilpnääret stimuleeriv hormoon, gonadotroopsed hormoonid), keemilise olemuselt on nad glükoproteiinid)

2. Hormoonide polüpeptiidid (hüpotalamuse liberiinid ja statiinid, vasopressiin ja oksütotsiin, glükagoon, kortikotropiin).

3. Aminohapete (melatoniin, adrenaliin, jodeeritud türoniinid) hormoonide derivaadid.

4. Steroidhormoonid (kortisool, aldosteroon, progesteroon, östradiool, testosteroon).

2. Sihtrakud ja hormooniretseptorid

Rakke, mis on võimelised ühel või teisel viisil reageerima hormooni toimele, nimetatakse selle hormooni sihtrakkudeks. Omakorda nimetatakse elundeid või kudesid, milles hormooni toime põhjustab spetsiifilise biokeemilise või füsioloogilise reaktsiooni, selle hormooni sihtorganiteks ehk sihtkudedeks. Tuleb vaid meeles pidada, et konkreetne kude sisaldab tavaliselt mitut tüüpi diferentseerunud rakke ja mitte kõik neist ei reageeri konkreetse hormooni toimele.

Selleks, et rakk reageeriks hormooni või muu signaalmolekuli ilmumisele oma keskkonda, peab see sisaldama spetsiaalseid struktuure, mis on võimelised neid signaalmolekule ära tundma. Rakuretseptorid on sellised spetsiaalsed struktuurid. Keemilise olemuselt on rakulised retseptorid komplekssed glükoproteiinivalgud, mille struktuuris on spetsiifilised funktsionaalsed keskused, mis on võimelised selektiivselt suhtlema ühe või teise signaalmolekuliga.

Kõik retseptorid on polüdomeenvalgud. Ühel domeenil on signaalmolekuli sidumiskeskus, see on nn äratundmisdomeen. Retseptorid sisaldavad lisaks äratundmisdomeenile alati domeeni, mis vastutab rakusiseste mehhanismide käivitamise eest, mis tagavad raku vastuse välisele regulatoorsele signaalile, see on nn konjugatsioonidomeen. Retseptori sidumissaidi interaktsioon selle signaalmolekuliga, näiteks hormooniga, muudab äratundmisdomeeni konformatsiooni, konformatsiooniliste muutuste laine haarab ka konjugatsioonidomeeni, mis viib retseptori "aktiveerumiseni" ja inklusioonini. rakusisesed mehhanismid välise regulatiivse signaali rakendamiseks.

3. Vabastavad hormoonid (liberiinid)

1. Türoliberiin (TRH) stimuleerib kilpnääret stimuleeriva hormooni (TSH) vabanemist hüpofüüsist.

2. Kortikoliberiin (CRH) stimuleerib adrenokortikotroopse hormooni (ACTH) vabanemist hüpofüüsist.

3. Gonadoliberiin (GnRH) stimuleerib luteiniseerivate (LH) ja folliikuleid stimuleerivate (FSH) hormoonide vabanemist hüpofüüsist.

4. Somatoliberiin (STH-RG) stimuleerib somatotroopse hormooni (STH) vabanemist hüpofüüsist.

Eeldatakse ka prolaktoliberiini (PRL-RG) ja liberiini melanotsüüte stimuleeriva hormooni (MSH-RG) olemasolu hüpotalamuses, kuid seni pole õnnestunud neid kõrgelt puhastatud kujul saada. b). Statiinid 1. Somatostatiin (SS), mis pärsib kasvuhormooni vabanemist hüpofüüsist; lisaks pärsib TSH vabanemist.

2. Gonadoliberiiniga seotud peptiid (GAP), mis pärsib prolaktiini (PRL) vabanemist hüpofüüsist; lisaks pärsib dopamiin tugevalt PRL vabanemist. Mõnikord kombineeritakse HAP-i ja dopamiini prolaktiini inhibeerivate hormoonide (PIH) nime all. Samuti kahtlustatakse melanostatiini (MSH-S) olemasolu, kuid selle olemasolu pole kinnitatud.

Kolmas hüpotalamuse hormoonide rühm koosneb kahest hormoonist oksütotsiin ja vasopressiin, mis hüpotalamuses sünteesituna sisenevad hüpofüüsi tagumisse osasse, kus nad ajutiselt kogunevad ja seejärel vereringesse. Hüpofüüsi hormoonid võib samuti jagada kolme rühma. Esimesse rühma kuuluvad hüpofüüsi eesmise osa hormoonid, mis stimuleerivad perifeersete endokriinsete näärmete aktiivsust. Need sisaldavad:

1. TSH, mis stimuleerib tetrajodotüroniini (T4) ja trijodotüroniini (T3) sünteesi kilpnäärmes.

2. ACTH, mis stimuleerib glükokortikoidide sünteesi neerupealiste koore poolt.

3. LH ja FSH, mis stimuleerivad suguhormoonide sünteesi munandites ja munasarjades.

4. Regulatiivsete mehhanismide töös, mis kasutavad cAMP-d, cGMP-d või inositoolfosfatiidide hüdrolüüsiprodukte teise sõnumikandjana, on süsteemides üks ühine punkt, kaasatud on signaali võimendusmehhanismid. Hormoon või muu signaalmolekul aktiveerib retseptoriga kombineerituna ensüümi, mis tekitab rakus paljude molekulide moodustumist, mis toimivad teise sõnumitoojana. Teine sõnumitooja omakorda aktiveerib ka ensüümi, mis on võimeline kiiresti muutma suure hulga erinevate valgumolekulide funktsionaalset aktiivsust, mis vastutavad otseselt rakkude metaboolse vastuse tekkimise eest. Hormoonide toimemehhanism sõltub suuresti hormoonmolekulide füüsikalis-keemilistest omadustest. Valguhormoonid, peptiidhormoonid, aminohapete derivaathormoonid, välja arvatud jooditud türoniinid, samuti muud keemilise olemusega seotud hüdrofiilsete omadustega signaalmolekulid ei suuda tungida läbi raku välismembraanide. Nende bioregulaatorite retseptorid paiknevad raku välismembraani välisküljel, mistõttu on vaja spetsiaalset mehhanismi, mis tagab rakuvälise regulatoorse signaali transformatsiooni rakusiseseks signaaliks. Reeglina on see seotud rakusiseste või "teiseste sõnumitoojatena" toimivate ühendite sünteesiga rakus, mis tagavad rakkude metaboolse vastuse moodustumise välisele regulatsioonisignaalile.

5. Steroidhormoonid ja jodeeritud türoniinid, millel on hüdrofoobsed omadused, võivad tungida läbi välismembraani rakkudesse ja seondudes tsütosoolis või tuumas oma retseptoritega, osalevad ise rakkude metaboolse vastuse moodustamises välisele regulatoorsele signaalile ja seetõttu ei vaja need bioregulaatorid vahendajaid nagu "teised sõnumitoojad".Esimese rühma hormoonide reguleeriv toime põhineb eelkõige rakus juba olemasolevate valkude funktsionaalse aktiivsuse muutusel, samas kui steroidide regulatoorsel toimel. hormoonid ja jodeeritud türoniinid on eelkõige geeniekspressiooni efektiivsuse muutus ja selle põhjal valkude hulga muutus rakus. Loomulikult võib hormoonide-valkude, hormoonide-peptiidide ja hormoonide-aminohapete derivaatide mõjul toimuda ka muutus geeniekspressiooni efektiivsuses, kuid see on tingitud modifitseeritud regulatoorsete valkude mõjust raku genoomile. mille struktuur muutub tavaliselt rakusiseste sõnumitoojate kaudsel osalemisel. Need ühendid on tuntud kui rakusisesed sõnumitoojad või sekundaarsed sõnumitoojad, mille tuntuimad esindajad on cAMP, cGMP, Ca+ ioonid, inositoolfosfatiidi lõhusaadused, inositooltrifosfaat ja diatsüülglütserool.

Jaotis 4. 1. INSULIIN

Insuliin on valguhormoon. Seda sünteesivad kõhunäärme b-rakud. Insuliin on üks tähtsamaid anaboolseid hormoone. Insuliini seondumine sihtrakkudega viib protsessideni, mis suurendavad valgusünteesi kiirust, aga ka glükogeeni ja lipiidide akumuleerumist rakkudes, mis on plast- ja energiamaterjali varu. Insuliin, võib-olla tänu oma anaboolsele toimele, stimuleerib rakkude kasvu ja paljunemist.

Insuliini molekul koosneb kahest polüpeptiidahelast, A-ahelast ja B-ahelast. A-ahel sisaldab 21 aminohappejääki, B-ahel 30. Need ahelad on omavahel ühendatud kahe disulfiidsillaga: üks on A7 ja B7 vahel (aminohapete arv, alates polüpeptiidahelate N-otsast), teine A20 ja B19 vahel. Kolmas disulfiidsild on ahelas A, mis ühendab A6 ja A11.

Peamine füsioloogiline stiimul insuliini vabanemiseks b-rakkudest verre on vere glükoosisisalduse tõus.

Insuliini mõju süsivesikute ainevahetusele võib iseloomustada järgmiste mõjudega:

1. Insuliin suurendab rakumembraanide läbilaskvust glükoosi jaoks nn insuliinist sõltuvates kudedes.

2. Insuliin aktiveerib rakkudes glükoosi oksüdatiivset lagunemist.

3. Insuliin pärsib glükogeeni lagunemist ja aktiveerib selle sünteesi hepatotsüütides.

4. Insuliin stimuleerib glükoosi muundumist reservtriglütseriidideks.

5. Insuliin pärsib glükoneogeneesi, vähendades mõnede glükoneogeneesi ensüümide aktiivsust.

Insuliini mõju lipiidide metabolismile seisneb lipolüüsi pärssimises lipotsüütides triatsüülglütseroollipaasi defosforüülimise ja lipogeneesi stimuleerimise tõttu.

Insuliinil on anaboolne toime valkude metabolismile: see stimuleerib aminohapete sisenemist rakkudesse, stimuleerib paljude geenide transkriptsiooni ja vastavalt sellele stimuleerib paljude valkude, nii rakusisese kui ka rakuvälise sünteesi.

2.TÜRONIINID

Kilpnääre toodab kahte hormooni 3,5,3-trijodotüroniini (T3) ja 3,5,3,5-tetrajodotüroniini (türoksiin, T4), millel on oluline roll üldise ainevahetuse, kudede arengu ja diferentseerumise reguleerimisel. Nende hormoonide moodustumine toimub spetsiifilise valgu türeoglobuliini transkriptsioonijärgsel töötlemisel, mille käigus toimub kilpnäärme rakkudesse akumuleeruva joodi organiseerimine. Järgnev jodeeritud türeoglobuliini rakusisene proteolüüs viib hormoonide vabanemiseni.

Jodeeritud türoniinide süntees toimub kilpnäärme türotsüütides jodotüroglobuliini valgu osana.

Türeoglobuliini süntees toimub türotsüütide ribosoomidel raku basaalosas, seejärel krobelise endoplasmaatilise retikulumi tsisternides ja seejärel Golgi aparaadis molekuli polüpeptiidahelate glükosüülimine, millele on lisatud umbes kaks. tosin oligosahhariidi plokki.

Kilpnäärmehormoone inaktiveeritakse mitmel viisil: need võivad läbida dejodeerimise, deaminatsiooni ja dekarboksüülimise. Kõigil neil juhtudel kaotavad hormoonid oma bioloogilise aktiivsuse. Maksas võivad kilpnäärmehormoonide lagunemissaadused konjugeerida ja seejärel sapiga erituda.

Kilpnäärmehormoonide retseptoreid leidub erinevate elundite ja kudede rakkudes. Madala afiinsusega retseptorid asuvad rakkude tsütosoolis, kõrge afiinsusega retseptorid aga samade rakkude tuumades. Türoksiini kasutuselevõtuga katseloomadele kaasneb positiivse lämmastiku tasakaalu kujunemine, see suurendab soojuse tootmist ja toob kaasa paljude ensüümsüsteemide aktiivsuse suurenemise. Praeguseks on tõestatud, et hormooni sissetoomine toob kaasa enam kui 100 ensüümi aktiivsuse suurenemise. See suure hulga ensüümide aktiivsuse suurenemine peegeldab tõenäoliselt hormooni tugevat stimuleerivat toimet valgusünteesile paljudes elundites ja kudedes.

Kilpnäärmehormoonide kasutuselevõtt toob tõepoolest kaasa soojuse tootmise suurenemise, kuid see soojuse tootmise suurenemine ei tulene mitte mitokondrites toimuva oksüdatsiooni ja fosforüülimise lahtiühendamisest, vaid ATP tarbimise suurenemisest rakkudes energiast sõltuvates protsessides.

3. ADRENALIIN

Neerupealise medulla kromafiinirakud toodavad rühma bioloogiliselt aktiivseid aineid katehhoolamiine, mille hulka kuuluvad adrenaliini, norepinefriini ja dopamiini, mis mängivad olulist rolli keha kohanemisel ägeda ja kroonilise stressiga, eriti keha reaktsioonide kujunemisel. võitle või põgene" tüüpi. Selle reaktsiooni arenemise ajal kehas toimub energiaressursside erakorraline mobilisatsioon: kiireneb lipolüüs rasvkoes, aktiveeritakse glükogenees maksas ja stimuleeritakse glükogenolüüsi lihastes.

Kõik katehhoolamiinid sünteesitakse aminohappest türosiinist, kusjuures adrenaliin moodustab ligikaudu 80% neerupealise medullas toodetud katehhoolamiinidest. Süntees algab türosiini muundamisega dihüdroksüfenüülalaniiniks (DOPA), reaktsiooni katalüüsib ensüüm türosiinhüdroksülaas. Ensüümi proteesrühm on tetrahüdrobiopteriin. Järgmise reaktsiooni käigus läbib DOPA dekarboksüülimise ensüümi DOPA dekarboksülaasi osalusel, selle ensüümi proteesrühmaks on püridoksaalfosfaat.

Dopamiini toodetakse. Oksüdatsiooni käigus kasutatakse askorbiinhapet elektronidoonorina (reaktsiooni kosubstraat). Lõppreaktsioonis metüülitakse norepinefriin aminorühmas, muutudes adrenaliiniks; S-adenosüülmetioniini kasutatakse metüülrühma doonorina.

Tsöliaakia kaudu neerupealise medullasse sisenevate närviimpulsside mõjul ühinevad kromafiini graanulid plasmamembraaniga koos katehhoolamiinide vabanemisega vereringesse. Adrenaliin, mis siseneb vereringesse albumiiniga halvasti seotud kompleksina, kandub koos verevooluga teistesse organitesse ja kudedesse.

Adrenaliini olemasolu kestust vereringes mõõdetakse ajaga suurusjärgus 10 30 sekundit; selle kontsentratsioon vereplasmas ei ületa tavaliselt 0,1 µg/l (alla 0,55 nM/l). Adrenaliini, nagu ka teiste katehhoolamiinide, inaktiveerimine võib toimuda kas nende oksüdatiivse deamineerimise või O-metüülimise teel. Peamised uriiniga eritunud adrenaliini inaktiveerimise lõppsaadused on metanefriin ja vanilliinmandelhape.

Kui hormoon seondub retseptoritega b1 ja b2, aktiveerub adenülaattsüklaas, mida vahendab aktiveeritud retseptorite interaktsioon Gs valkudega, millega kaasneb cAMP kontsentratsiooni tõus rakus. Kui hormoon interakteerub a2 retseptoriga Gi valgu osalusel, inhibeeritakse adenülaattsüklaas ja cAMP kontsentratsioon rakus väheneb.

Adrenaliini toimel b2 retseptorite kaudu stimuleeritakse glükogeeni lagunemist maksas glükoosi vabanemisega vereringesse, samal ajal kui hepatotsüütides toimub glükoneogeneesi kerge stimulatsioon. Lihastes stimuleerib adrenaliin glükogenolüüsi b2-retseptorite kaudu. Seda tüüpi retseptorite kaudu suurendab epinefriin insuliini ja glükagooni sekretsiooni kõhunäärmes või reniini sekretsiooni neerudes.

4. Glükagoon

Glükagoon on polüpeptiidhormoon, mida eritavad kõhunäärme a-rakud. Selle hormooni põhiülesanne on säilitada keha energia homöostaasi endogeensete energiaressursside mobiliseerimise kaudu, mis seletab selle üldist kataboolset toimet.

Glükagooni polüpeptiidahela koostis sisaldab 29 aminohappejääki, selle molekulmass on 4200, see ei sisalda tsüsteiini. Glükagoon sünteesiti keemiliselt, mis lõpuks kinnitas selle keemilise struktuuri.

Peamiseks glükagooni sünteesikohaks on kõhunäärme α-rakud, kuid üsna suurtes kogustes tekib seda hormooni ka teistes seedetrakti organites. Glükagoon sünteesitakse a-rakkude ribosoomidel pikema prekursori kujul, mille molekulmass on umbes 9000. Töötlemise käigus toimub polüpeptiidahela oluline lühenemine, mille järel glükagoon eritub verre. Veres on see vabal kujul, selle kontsentratsioon vereseerumis on 20-100 ng/l. Selle poolväärtusaeg on ligikaudu 5 minutit. Põhiosa glükagoonist inaktiveeritakse maksas 2 aminohappejäägi hüdrolüütilise lõhustamise teel molekuli N-otsast.

Glükagooni sekretsiooni pankrease a-rakkude poolt pärsib kõrge veresuhkru tase, samuti pankrease D-rakkude poolt eritatav somatostatiin. Võimalik, et glükagooni sekretsiooni pärsib ka insuliin või IGF-1. Sekretsiooni stimuleerib glükoosi kontsentratsiooni langus veres, kuid selle toime mehhanism on ebaselge. Lisaks stimuleerivad glükagooni sekretsiooni hüpofüüsi kasvuhormoon, arginiin ja Ca2+.

Glükagooni toimemehhanism on hästi teada. Hormooni retseptorid paiknevad raku välismembraanis. Hormooni retseptori komplekside moodustumisega kaasneb adenülaattsüklaasi aktiveerimine ja cAMP kontsentratsiooni suurenemine rakkudes, millega kaasneb proteiinkinaasi aktiveerimine ja valkude fosforüülimine koos viimaste funktsionaalse aktiivsuse muutumisega.

Glükagooni toimel hepatotsüütides kiireneb glükogeeni mobilisatsioon koos glükoosi vabanemisega verre. See hormooni toime tuleneb glükogeeni fosforülaasi aktiveerimisest ja glükogeeni süntetaasi inhibeerimisest nende fosforüülimise tulemusena. Tuleb märkida, et erinevalt adrenaliinist ei mõjuta glükagoon glükogenolüüsi kiirust lihastes.

Glükagoon aktiveerib hepatotsüütides glükoneogeneesi protsessi: esiteks kiirendab see valkude lagunemist maksas ja saadud aminohappeid kasutatakse glükoneogeneesi substraatidena; teiseks suureneb mitmete ensüümide aktiivsus, näiteks fruktoos-1,6-bisfosfataas, fosfoenoolpüruvaadi karboksükinaas, glükoos-6-fosfataas, mis osalevad glükoneogeneesis nii olemasolevate ensüümide aktiveerimise kui ka nende sünteesi indutseerimise tõttu. Glükoneogeneesi aktiveerumise tõttu suureneb ka glükoosi vool verre. Glükoneogeneesis kasutatavate aminohapete kiirenemisega kaasneb uurea sünteesi mahu suurenemine ja uriiniga erituva uurea koguse suurenemine.

Glükagoon stimuleerib lipolüüsi lipotsüütides, suurendades seeläbi glütserooli ja kõrgemate rasvhapete voolu verre. Maksas pärsib hormoon rasvhapete ja kolesterooli sünteesi atsetüül-CoA-st ning kogunenud atsetüül-CoA-d kasutatakse atsetoonikehade sünteesiks. Seega stimuleerib glükagoon ketogeneesi.

Neerudes suurendab glükagoon glomerulaarfiltratsiooni, mis ilmselt seletab naatriumi, kloriidi, kaaliumi, fosfori ja kusihappe ioonide eritumise suurenemist, mida täheldati pärast glükagooni manustamist.

5. KORTISOOL

Inimese peamine glükokortikoid on kortisool: päevas sünteesitakse neerupealistes 10-30 mg kortisooli ja 2-4 mg teist glükokortikoidi, kortikosterooni. Raske stressiga kohanemisel mängivad olulist rolli neerupealiste koore hormoonid, eriti glükokortikoidid.

Kõigi steroidhormoonide struktuur põhineb tsüklopentaanperhüdrofenantreeni tuumal, milles on 17 süsinikuaatomit ja mis sisaldab nelja tsüklit või tsüklit, mida tähistatakse tähtedega A, B, C ja D.

Kortisooli süntees toimub neerupealiste koore fascikulaarsete ja retikulaarsete tsoonide rakkudes. Kortisooli sünteesi algühend on kolesterool, see satub verest neerupealiste koore rakkudesse, vaid väike osa sellest moodustub rakkudes atsetüül-CoA sünteesil.

Kortisooli sekretsiooni mõjutavad suuresti füüsiline ja emotsionaalne stress, ärevus, hirm jne, kuid kõiki neid mõjusid vahendab närvisüsteem hüpotalamuse regulatsioonilüli kaudu.

Kortisooli sissetoomine toob kaasa kõrgemate rasvhapete sisalduse suurenemise vereplasmas. Osaliselt võib see olla rasvkoe rakkude lipolüüsi stimuleerimise tulemus. Huvitav on see, et liigne kortisooli kogus stimuleerib lipolüüsi jäsemete rasvkoes, kuid samal ajal stimuleeritakse lipogeneesi kehatüve ja näo rasvkoes. Glükoosi perifeersete kudede rakkudesse sisenemise pärssimine annab teatud panuse kõrgemate rasvhapete taseme tõusule: esiteks põhjustab perifeersete kudede rakkudes glükoosipuudus reservtriglütseriidide mobilisatsiooni suurenemist ja teiseks, glükoosipuudus lipotsüütides viib neis triglütseriidide sünteesiks vajaliku fosfodihüdroksüatsetooni puuduseni, lipotsüütidest tulevad verre ka kasutamata kõrgemad rasvhapped.

Keskkonnaga pidevas kontaktis ja vahetuses olevates elusorganismides toimuvad pidevad keemilised muutused, mis moodustavad nende ainevahetuse (paljud ensümaatilisi reaktsioone). Ainevahetusprotsesside ulatus ja suund on väga mitmekesine. Näited:

a) Lihtsas glükoosi ja anorgaaniliste sooladega söötmes võib E. coli rakkude arv bakterikultuuris kahekordistuda 2/3 võrra 20 minutiga. Need komponendid imenduvad, kuid kasvav bakterirakk satub keskkonda vaid väheseid ja see koosneb ligikaudu 2,5 tuhandest valgust, 1 tuhandest orgaanilisest ühendist, erinevatest nukleiinhapetest koguses 10-3 * 10 molekuli. Ilmselgelt osalevad need rakud suurejoonelises bioloogilises vaatemängus, millesse plaanitakse tarnida tohutul hulgal rakkude kasvuks vajalikke biomolekule. Vähem muljetavaldav pole ka täiskasvanud inimese ainevahetus, kes hoiab sama kehakaalu ja kehakoostist umbes 40 aastat, kuigi selle aja jooksul kulub umbes 6 tonni tahket toitu ja 37 850 liitrit vett. Kõik organismis leiduvad ained muudetakse (keerulistest lihtsateks ja vastupidi) 2/3 järjestikuste ühendite seeriat, millest igaüht nimetatakse metaboliidiks. Iga transformatsioon on ainevahetuse etapp.

Selliste järjestikuste etappide kogumit, mida katalüüsivad üksikud ensüümid, nimetatakse metaboolseks rajaks. Kujundlike metaboolsete radade, nende ühise toimimise, ainevahetuse kogumikust moodustub. Seda tehakse järjestikku ja mitte juhuslikult (aminohapete süntees, glükoosi, rasvhapete lagundamine, puriini aluste süntees). Teame väga vähe, järelikult on ravimainete toimemehhanism väga läbipaistev!!!

Kogu metaboolset rada kontrollib tavaliselt ainevahetuse esimene - teine ​​etapp (piirav tegur, allosteerilise tsentriga ensüümid - regulaator).

Selliseid etappe nimetatakse võtmemetaboliitideks ja nendes etappides olevaid metaboliite nimetatakse võtmemetaboliitideks.

Ristmetaboolsete radade kaudu toimuvaid metaboliite nimetatakse sõlmede metaboliitideks.

On olemas tsüklilised vahetusviisid a) tavaliselt on kaasatud ja kaob mõni muu aine b) rakk saab hakkama vähese hulga metaboliitidega – kokkuhoid. Oluliste toitainete muundamise kontrolli teed

Albinismi endeemiline struuma

homogeenne pigment. selle türoksiini juurde

melaniin

Alcapturia

süsinikdioksiid ja vesi

Metaboolne regulatsioon

Iga reaktsioon kulgeb kiirusega, mis vastab raku vajadustele ("targad" rakud!). Need spetsiifilised määravad ainevahetuse reguleerimise.

I. Metaboliitide rakku sisenemise kiiruse reguleerimine (ülekannet mõjutavad veemolekulid ja kontsentratsioonigradient).

a) lihtne difusioon (näiteks vesi)

b) passiivne transport (ilma energiatarbimiseta, näiteks pentoosid)

c) aktiivne transport (kandjasüsteem, ATP)

II. Teatud ensüümide hulga kontrollimine Ensüümide sünteesi pärssimine ainevahetuse lõpp-produkti poolt. See nähtus on ainevahetuse jäme kontroll, näiteks GIS-i sünteesivate ensüümide süntees surutakse alla GIS-i juuresolekul söötmes, bakterikultuuris. Karm kontroll - kuna seda rakendatakse pikka aega, kuni valmis ensüümi molekulid hävitatakse. Ühe või mitme ensüümi indutseerimine substraatide poolt (spetsiifilise ensüümi kontsentratsiooni tõus). Imetajatel täheldatakse sarnast nähtust mitu tundi või päeva hiljem vastusena induktiivpoolile.

III. Katalüütilise aktiivsuse juhtimine a) kovalentne (keemiline) modifikatsioon b) sideme allosteeriline modifikatsioon (+/-), kuidas see koheselt reageerib rakusisese keskkonna muutusele. Need regulatiivsed mehhanismid on tõhusad raku- ja subtsellulaarsel tasemel, rakkudevahelisel ja organitevahelisel reguleerimisel, mida teostavad hormoonid, neurotransmitterid, rakusisesed vahendajad ja prostaglandiinid.

Ainevahetusteed:

1) kataboolne

2) anaboolsed

3) amfolüütiline (seovad kaks esimest)

Katabolism- ensümaatiliste reaktsioonide jada, mille tulemusena toimub hävimine peamiselt suurte molekulide (süsivesikud, valgud, lipiidid, nukleiinhapped) oksüdatsioonireaktsioonide tõttu kopsude moodustumisega (piim- ja äädikhape, süsinikdioksiid ja vesi) ja erinevate ühendite kovalentsetes sidemetes sisalduva energia vabanemine, osa energiast salvestub makroergiliste sidemete kujul, mida seejärel kasutatakse mehaaniliseks tööks, ainete transpordiks ja suurte molekulide biosünteesiks.

Katabolismil on kolm etappi:

I etapp – seedimine. Suured toidumolekulid lagunevad seedetraktis seedeensüümide mõjul ehitusplokkideks, mille käigus vabaneb 0,5-1% sidemetes sisalduvast energiast.

II etapp – ühendamine. Suur hulk 1. etapis moodustunud tooteid annab 2. etapis lihtsamaid tooteid, mille arv on väike, samas vabaneb umbes 30% energiast. See etapp on väärtuslik ka seetõttu, et energia vabanemine selles etapis põhjustab anoksilistes (anaeroobsetes) tingimustes ATP sünteesi, mis on keha jaoks oluline hüpoksilistes tingimustes.

III etapp - Krebsi tsükkel. (trikarboksüülhapped / sidrunhape). Sisuliselt on see protsess, mille käigus muundatakse kahe süsiniku ühend (äädikhape) 2 mooliks süsinikdioksiidiks, kuid see tee on väga keeruline, tsükliline, multiensümaatiline, peamine hingamisahela elektronide tarnija ja vastavalt ATP molekulid oksüdatiivse fosforüülimise protsessis. Peaaegu kõik tsükli ensüümid asuvad mitokondrites; seetõttu loovutavad TCA elektronidoonorid elektrone vabalt otse mitokondriaalse membraanisüsteemi hingamisahelasse.

Trikarboksüülhappe tsükli skeem.

Succinyl CoA – sisaldab makroergilist tioeetri sidet, mis on võimeline muutuma GTP makroergiliseks sidemeks (substraadi fosforüülimine).

FAD - edastab elektronid hingamisahela CoQ-le: elektron

alfaketoglutaraat vesi isotsitraat

alfaketoglutaraatsuktsinüül-CoA CO2

Lisaks kõigile TTK-le on samal ajal ka anabolismi 1. staadium.

1) erinevad ensüümsüsteemid.

2) protsesside lokalisatsioon on erinev (näiteks rasvhapete oksüdatsioon toimub mitokondrites, süntees aga tsütoplasmas).

3) allosteerilise ja geneetilise regulatsiooni erinevad mehhanismid.

4) anabolismi lõpp-produktide erinev kvalitatiivne koostis.

5) energiakulu anabolismi ajal ja vabanemine katab ajal

Kehas on ka amfiboolsed rajad (samal ajal toimub lagunemis- ja sünteesiprotsess). Suurima:

a) fosfotrioosatsetüül-CoA glükolüüs

b) CTK atsetüül CoA CO2 + H2O

Lagunemine on lahti võetud, kuid paljudest TCA toodetest võib moodustuda erinevaid ühendeid:

A) oksaloäädikhape asp, asn, glu

B) alfaketoglutaraat glu, hln, glu

C) sidrunhape tsütoplasmasse atsetüül-CoA

rasvhape,

steroidid

D) suktsinüül-CoA heem

Kogu Maal elavate organismide mitmekesisuse võib jagada kahte põhirühma, mis erinevad erinevate energiaallikate kasutamise poolest – autotroofsed ja heterotroofsed organismid. Esimesed (autotroofid) on eeskätt rohelised taimed, mis on võimelised fotosünteesi protsessis vahetult ära kasutama Päikese kiirgusenergiat, luues anorgaanilistest orgaanilisi ühendeid (süsivesikuid, aminohappeid, rasvhappeid jne). Ülejäänud elusorganismid assimileerivad valmis orgaanilisi aineid, kasutades neid energiaallikana või plastmaterjalina oma keha ehitamiseks. Tuleb märkida, et enamik mikroorganisme on ka heterotroofid. Siiski ei suuda nad terveid toiduosakesi omastada. Nad eritavad oma keskkonda spetsiaalseid seedeensüüme, mis lagundavad toiduaineid, muutes need väikesteks lahustuvateks molekulideks ja need molekulid tungivad rakkudesse. Ainevahetuse tulemusena muudetakse toiduga tarbitud ained oma aineteks ja raku struktuurideks ning lisaks saab organism energiat välistööks. Isepaljunemine ehk kehastruktuuride pidev uuenemine ja paljunemine on elusorganismide ainevahetuse kõige iseloomulikum tunnus, mis eristab seda eluta looduse ainevahetusest.

Ainevahetus, mis on lahutamatult seotud energiavahetusega, on elussüsteemides mateeria ja energia muundumise loomulik järjekord, mille eesmärk on nende säilimine ja isepaljunemine. F. Engels märkis elu tähtsaima omadusena ainevahetust, mille lõppemisega elu ise lakkab. Ta rõhutas selle protsessi dialektilist olemust ja juhtis sellele tähelepanu

Vene füsioloogia rajaja I. M. Sechenov käsitles ainevahetuse rolli organismide elus järjekindlalt materialistlikust positsioonist. K. A. Timirjazev järgis järjekindlalt ideed, et elusorganisme iseloomustav peamine omadus on pidev aktiivne vahetus keha moodustava aine ja keskkonna aine vahel, mida keha pidevalt tajub, assimileerib, sarnaseks muudab, jällegi. muutused ja esiletõstmised dissimilatsiooni protsessis. IP Pavlov pidas ainevahetust elutegevuse avaldumise aluseks, keha füsioloogiliste funktsioonide aluseks. Olulise panuse eluprotsesside keemia tundmisse andis AI Oparin, kes uuris ainevahetuse evolutsiooni põhimustreid elu tekkimise ja arengu käigus Maal.

PÕHIMÕISTED JA TINGIMUSED

Või ainevahetus on keemiliste reaktsioonide kogum organismis, mis varustavad teda eluks vajalike ainete ja energiaga: enesesäilitamine ja -paljunemine. Enesepaljumise all mõistetakse väljast tuleva aine muundumist organismi enda aineteks ja struktuurideks, mille tulemusena toimub pidev kudede uuenemine, kasv ja paljunemine.

Ainevahetuses erituvad:

• väline vahetus- hõlmab ainete rakuvälist transformatsiooni nende sisenemisel kehasse ja ainevahetusproduktide väljutamist sellest [saade] .

  Ainete kehasse sattumine ja ainevahetusproduktide vabanemine moodustavad koos ainevahetuse keskkonna ja keha vahel ning seda defineeritakse kui välist vahetust.

  Ainete (ja energia) väline vahetus toimub pidevalt.

  Väliskeskkonnast satuvad inimkehasse hapnik, vesi, mineraalsoolad, toitained, vitamiinid, mis on vajalikud rakkude ja kudede struktuurielementide ehitamiseks ja uuendamiseks ning energia tootmiseks. Kõiki neid aineid võib nimetada toiduaineteks, millest osa on bioloogilist päritolu (taimsed ja loomsed saadused) ja väiksem osa mittebioloogilised (selles lahustunud vesi ja mineraalsoolad).

  Toiduga saadavad toitained lagunevad aminohapete, monosahhariidide, rasvhapete, nukleotiidide ja muude ainete moodustumisega, mis segunedes samade ainetega, mis tekivad raku struktuursete ja funktsionaalsete komponentide pideva lagunemise käigus, moodustavad üldise keha metaboliitide fond. Seda fondi kulutatakse kahes suunas: osa kasutatakse raku lagunenud struktuursete ja funktsionaalsete komponentide uuendamiseks; teine ​​osa muundatakse ainevahetuse lõpptoodeteks, mis väljutatakse organismist.

  Ainete lagunemisel ainevahetuse lõpptoodeteks vabaneb energiat, täiskasvanul 8000-12000 kJ (2000-3000 kcal) ööpäevas. Seda energiat kasutavad keharakud erinevate tööde tegemiseks, samuti kehatemperatuuri ühtlasel tasemel hoidmiseks.

• vahevahetus- hõlmab ainete muundamist bioloogilistes rakkudes nende sisenemise hetkest kuni lõpptoodete moodustumiseni (näiteks aminohapete metabolism, süsivesikute metabolism jne)

Ainevahetuse etapid. On kolm järjestikust etappi.

Rohkem selle kohta

• tarbimine (toitumine on ainevahetuse (ainete sattumine keskkonnast kehasse) lahutamatu osa)
• seedimine (Seedimise biokeemia (toitainete seedimine))
• imendumine (Seedimise biokeemia (toitainete imendumine))

II. Ainete liikumine ja muundumine kehas (vahepealne ainevahetus)

Vaheainevahetus (ehk ainevahetus) - ainete muundumine kehas alates nende sisenemisest rakkudesse kuni ainevahetuse lõpp-produktide moodustumiseni, st elusrakkudes toimuvate keemiliste reaktsioonide kogum, mis varustavad keha ainete ja energiaga. selle elutähtis tegevus, kasv, paljunemine. See on ainevahetuse kõige raskem osa.

Rakku sattudes metaboliseerub toitaine – see läbib rea keemilisi muutusi, mida katalüüsivad ensüümid. Selliste keemiliste muutuste teatud järjestust nimetatakse metaboolseks rajaks ja tekkivaid vaheprodukte nimetatakse metaboliitideks. Ainevahetusteid saab kujutada metaboolse kaardi kujul.

Toitainete ainevahetus
süsivesikuid	lipiidid	Belkov
Süsivesikute kataboolsed rajad glükolüüs Glükogenolüüs Need on abiteed energia moodustumiseks glükoosist (või muudest monosahhariididest) ja glükogeenist, kui need lagunevad laktaadiks (anaeroobsetes tingimustes) või CO 2 -ks ja H 2 O-ks (aeroobsetes tingimustes). Pentoosfosfaadi rada (heksoosmonofosfaadi või fosfoglükonaadi šunt). Selle kirjeldamisel olulist rolli mänginud teadlaste järgi nimetatakse pentoosfosfaadi tsüklit Warburgi-Dickensi-Horeckeri-Engelhardi tsükliks. See tsükkel on glükolüüsi haru (või šunt) glükoos-6-fosfaadi staadiumis. Anaboolsete süsivesikute rajad Glükoneogenees (glükoosi uus moodustumine). See on võimalik kõigis keha kudedes, peamine koht on maks. Glükogenees (glükogeeni biosüntees). Esineb kõigis kehakudedes (erandiks võib-olla erütrotsüüdid), eriti aktiivne skeletilihastes ja maksas.	lipiidide kataboolne rada Lipiidide rakusisene hüdrolüüs (koe lipolüüs) glütserooli ja vabade rasvhapete moodustumisega Glütserooli oksüdatsioon Rasvhapete oksüdatsioon Knoop-Lineni tsüklis Anaboolsete lipiidide rada Rasvhapete (küllastunud ja küllastumata) süntees. Imetajate kudedes on võimalik ainult monoeenrasvhapete moodustumine (steariin-oleiinhape, palmitiin-palmitooleiinhape). See süntees toimub maksarakkude endoplasmaatilises retikulumis monooksügeense oksüdatsiooniahela kaudu. Ülejäänud küllastumata rasvhapped ei moodustu inimkehas ja need tuleb varustada taimse toiduga (polüküllastumata rasvhapped tekivad taimedes). Polüküllastumata rasvhapped on imetajate jaoks asendamatud toidufaktorid. Triatsüülglütseroolide süntees. Tekib siis, kui lipiidid ladestuvad rasvkoesse või teistesse kehakudedesse. Protsess on lokaliseeritud rakkude hüaloplasmas. Sünteesitud triatsüülglütserool koguneb rakkude tsütoplasmas rasvade lisanditena.	Valkude kataboolne rada Valkude intratsellulaarne hüdrolüüs Oksüdatsioon lõpptoodeteks (uurea, vesi, süsinikdioksiid). Tee eesmärk on ammutada energiat aminohapete lagunemisest. Anaboolsete aminohapete rada Valkude ja peptiidide süntees – peamine aminohapete tarbimise tee Mittevalguliste lämmastikku sisaldavate ühendite süntees - puriinid, pürimidiinid, porfüriinid, koliin, kreatiin, melaniin, mõned vitamiinid, koensüümid (nikotiinamiid, foolhape, koensüüm A), koeregulaatorid (histamiin, serotoniin), mediaatorid (adrenaliin, norepinefriin, atsetüülkoliin) Süsivesikute süntees (glükoneogenees) aminohapete süsinikskelettide abil Lipiidide süntees, kasutades aminohapete süsiniku skelettide atsetüüljääke
Fosfolipiidide süntees. See kulgeb kudede hüaloplasmas, on seotud membraanide uuenemisega. Sünteesitud fosfolipiidid kantakse tsütoplasma lipiide ülekandvate valkude abil membraanidele (rakuline, intratsellulaarne) ja ehitatakse vanade molekulide asemele. Fosfolipiidide ja triatsüülglütseroolide sünteesiteede vahelise konkurentsi tõttu tavaliste substraatide jaoks takistavad kõik fosfolipiidide sünteesi soodustavad ained triatsüülglütseroolide ladestumist kudedesse. Neid aineid nimetatakse lipotroopseteks teguriteks. Nende hulka kuuluvad fosfolipiidide struktuurikomponendid: koliin, inositool, seriin; aine, mis hõlbustab seriinfosfatiidide dekarboksüülimist - püridoksaalfosfaat; metüülrühma doonor - metioniin; foolhape ja tsüanokobalamiin, mis osalevad metüülrühma ülekande koensüümide (THFK ja metüülkobalamiin) moodustamises. Neid saab kasutada ravimitena, mis takistavad triatsüülglütserooli liigset ladestumist kudedesse (rasva infiltratsioon). Ketoonkehade süntees. Esineb maksa mitokondrites (teistes organites ketogenees puudub). On kaks rada: hüdroksümetüülglutaraadi tsükkel (kõige aktiivsem) ja deatsülaasi tsükkel (kõige vähem aktiivne). Kolesterooli süntees. Kõige aktiivsem täiskasvanud inimese maksas. Maks osaleb kolesterooli jaotumises teistesse organitesse ja kolesterooli eritumisel sapiga. Kolesterooli kasutatakse rakkudes biomembraanide ehitamiseks, samuti sapphapete (maksas), steroidhormoonide (neerupealise koores, naiste ja meeste sugunäärmetes, platsentas), D3-vitamiini või kolekaltsiferooli (nahas) moodustamiseks.

Tabel 24. Inimese päevane ainevahetus (ümardatud väärtused; täiskasvanu kehakaaluga ca 70 kg)
Ained	Sisu kehas, g	Päevane tarbimine, g	Päevane jaotus
O2	-	850	-
CO2	-	-	1000
Vesi	42 000	2200	2600
orgaaniline aine:
oravad	15 000	80	-
lipiidid	10 000	100	-
süsivesikuid	700	400	-
nukleiinhapped	700	-	-
uurea	-	-	30
mineraalsoolad	3 500	20	20
Kokku	71 900	3650	3650

Kõigis kehaosades toimuva metaboolse tegevuse tulemusena tekivad kahjulikud ained, mis satuvad vereringesse ja tuleb eemaldada. Seda funktsiooni täidavad neerud, mis eraldavad kahjulikud ained ja suunavad need põide, kust need seejärel organismist väljutatakse. Ainevahetuse protsessis osalevad ka teised organid: maks, pankreas, sapipõis, sooled, higinäärmed.

Inimene eritab uriini, väljaheidete, higi, väljahingatavas õhus ainevahetuse peamised lõpp-produktid - CO 2, H 2 O, uurea H 2 N - CO - NH 2. H 2 O kujul eritub orgaaniliste ainete vesinik ja kehast eraldub rohkem vett, kui kulub (vt tabel 24): orgaaniliste ainete vesinikust moodustub organismis ligikaudu 400 g vett ööpäevas ja sissehingatava õhu hapnik (ainevahetusvesi). Orgaaniliste ainete süsinik ja hapnik eemaldatakse CO 2 kujul ning lämmastik karbamiidi kujul.

Lisaks eraldub inimesest palju muid aineid, kuid väikestes kogustes, nii et nende panus üldisesse ainevahetuse tasakaalu organismi ja keskkonna vahel on väike. Siiski tuleb märkida, et selliste ainete vabanemise füsioloogiline tähtsus võib olla märkimisväärne. Näiteks heemi lagunemissaaduste või võõrühendite, sealhulgas ravimite ainevahetusproduktide vabanemise rikkumine võib põhjustada tõsiseid ainevahetushäireid ja kehafunktsioone.

Ainevahetuse substraadid- toiduga kaasas olevad keemilised ühendid. Nende hulgas võib eristada kahte rühma: põhitoitained (süsivesikud, valgud, lipiidid) ja vähemtähtsad toitained, mida on väikestes kogustes (vitamiinid, mineraalsed ühendid).

Toitaineid on tavaks eristada vahetatavate ja asendamatute vahel. Asendamatud on need toitained, mida keha ei saa sünteesida ja seetõttu tuleb neid toiduga varustada.

metaboolne rada- see on teatud aine keemiliste muundumiste olemus ja järjestus kehas. Konversiooniprotsessi käigus tekkivaid vaheprodukte nimetatakse metaboliitideks ja lõpp-produktiks on ainevahetusraja viimane ühend.

Keemilised muutused toimuvad kehas pidevalt. Keha toitumise tulemusena toimuvad algained metaboolsed muutused; ainevahetuse lõpp-produktid väljutatakse organismist pidevalt. Seega on organism termodünaamiliselt avatud keemiline süsteem. Lihtsaim näide metaboolsest süsteemist on üks hargnemata metaboolne ahel:

--> a --> b --> c --> d -->

Pideva ainete vooluga sellises süsteemis luuakse dünaamiline tasakaal, kui iga metaboliidi moodustumise kiirus on võrdne selle tarbimise kiirusega. See tähendab, et iga metaboliidi kontsentratsioon hoitakse konstantsena. Sellist süsteemi olekut nimetatakse statsionaarseks ja ainete kontsentratsioone selles olekus statsionaarseteks kontsentratsioonideks.

Elusorganism ei vasta mingil hetkel antud statsionaarse seisundi definitsioonile. Arvestades selle parameetrite keskmist väärtust suhteliselt pika aja jooksul, võib aga märkida nende suhtelist püsivust ja seeläbi õigustada statsionaarse süsteemi mõiste rakendamist elusorganismide suhtes. [saade] .

Joonisel fig. 64 näitab hargnemata metaboolse ahela hüdrodünaamilist mudelit. Selles seadmes simuleerib vedelikusamba kõrgus silindrites vastavalt metaboliitide a-d kontsentratsioone ja silindrite vaheliste ühendustorude läbilaskevõime vastavate ensümaatiliste reaktsioonide kiirust.

Süsteemi siseneva vedeliku konstantsel kiirusel jääb vedelikusamba kõrgus kõigis silindrites muutumatuks: see on statsionaarne olek.

Kui vedeliku sissevoolu kiirus suureneb, suureneb nii kõigis silindrites oleva vedelikusamba kõrgus kui ka kogu süsteemi läbiva vedeliku voolu kiirus: süsteem on läinud uude statsionaarsesse olekusse. Sarnased üleminekud toimuvad elusraku metaboolsetes protsessides.

Metaboliitide kontsentratsiooni reguleerimine

Tavaliselt toimub metaboolses ahelas reaktsioon, mis kulgeb palju aeglasemalt kui kõik teised reaktsioonid – see on raja kiirust piirav etapp. Joonisel on selline etapp modelleeritud kitsa ühendustoruga esimese ja teise silindri vahel. Kiirust piirav etapp määrab lähteaine metaboolse ahela lõppsaaduseks muutumise üldise kiiruse. Sageli on piiravat reaktsiooni katalüüsiv ensüüm reguleeriv ensüüm: selle aktiivsus võib rakuliste inhibiitorite ja aktivaatorite toimel muutuda. Nii on tagatud ainevahetusraja regulatsioon. Joonisel fig. 64 Esimese ja teise silindri vahelise siibriga üleminekutoru simuleerib reguleerivat ensüümi: siibrit tõstes või langetades on võimalik viia süsteem uude statsionaarsesse olekusse, kus on erinev üldine vedeliku voolukiirus ja erinevad vedelikutasemed. silindrid.

Hargnenud metaboolsetes süsteemides katalüüsivad reguleerivad ensüümid tavaliselt esimesi reaktsioone hargnemiskohas, nagu reaktsioonid b -> c ja b -> i joonisel fig. 65. See tagab metaboolse süsteemi iga haru iseseisva reguleerimise võimaluse.

Paljud metaboolsed reaktsioonid on pöörduvad; nende voolu suuna elusrakus määrab produkti tarbimine järgnevas reaktsioonis või produkti eemaldamine reaktsioonisfäärist, näiteks eritumise teel (joonis 65).

Keha seisundi muutustega (söömine, üleminek puhkeolekust motoorsele aktiivsusele jne) muutub metaboliitide kontsentratsioon kehas, st tekib uus statsionaarne seisund. Kuid samadel tingimustel, näiteks pärast öist und (enne hommikusööki), on need kõigil tervetel inimestel ligikaudu ühesugused; regulatiivsete mehhanismide toime tõttu säilib iga metaboliidi kontsentratsioon talle iseloomulikul tasemel. Nende kontsentratsioonide keskmised väärtused (koos kõikumiste piiride näitamisega) on üks normi tunnuseid. Haiguste korral muutuvad metaboliitide statsionaarsed kontsentratsioonid ja need muutused on sageli spetsiifilised konkreetsele haigusele. Sellel põhinevad paljud haiguste laboratoorse diagnostika biokeemilised meetodid.

Ainevahetuse teel on kaks suunda – anabolism ja katabolism (joonis 1).

• Anaboolsete reaktsioonide eesmärk on muuta lihtsamad ained keerukamateks, moodustades raku struktuurseid ja funktsionaalseid komponente, nagu koensüümid, hormoonid, valgud, nukleiinhapped jne. Need reaktsioonid on valdavalt redutseerivad, millega kaasneb vaba keemilise energia kulutamine ( endergoonilised reaktsioonid). Nende jaoks on energiaallikaks katabolismi protsess. Lisaks kasutatakse katabolismi energiat raku (motoorse jt) funktsionaalse aktiivsuse tagamiseks.
• Kataboolsed muundumised on protsessid, mille käigus jaotatakse komplekssed molekulid, nii toiduga kaasas olevad kui ka raku osad, lihtsateks komponentideks (süsinikdioksiid ja vesi); need reaktsioonid on tavaliselt oksüdatiivsed, millega kaasneb vaba energia vabanemine (eksergoonilised reaktsioonid).

Amfiboolne viis(kahekordne) - tee, kus kombineeritakse kataboolseid ja anaboolseid transformatsioone, s.t. koos ühe ühendi hävimisega sünteesitakse teine.

Amfiboolsed rajad on seotud ainete lõpp- ehk lõpliku oksüdatsioonisüsteemiga, kus need põlevad lõppsaaduseks (CO 2 ja H 2 O) ning moodustuvad suurel hulgal energiat. Lisaks neile on ainevahetuse lõpp-produktideks uurea ja kusihape, mis tekivad aminohapete ja nukleotiidide vahetumise erireaktsioonides. Skemaatiliselt on ATP-ADP süsteemi kaudu toimuva metabolismi ja metaboliitide amfiboolse tsükli kaudu näidatud joonisel fig. 2.

ATP-ADP süsteem(ATP-ADP tsükkel) - tsükkel, mille käigus toimub pidev ATP molekulide moodustumine, mille hüdrolüüsienergiat kasutab organism erinevat tüüpi töödel.

See on selline ainevahetusrada, mille üks lõpp-produkt on identne ühe selles protsessis osaleva ühendiga (joonis 3).

Anaplerootiline tee- metaboolne, mille lõpp-produkt on identne mis tahes tsüklilise raja ühe vaheproduktiga. Anaplerootiline tee joonise fig. 3 täiendab tsüklit tootega X (anapleroos – täiendamine).

Kasutame seda näidet. Linnas sõidavad bussid markidega X, Y, Z. Nende marsruudid on näidatud diagrammil (joonis 4).

Selle näite põhjal määratleme järgmise.

• Privaatne metaboolne rada on transformatsioonide kogum, mis on iseloomulik ainult konkreetsele ühendile (näiteks süsivesikud, lipiidid või aminohapped).
• Tavaline metaboolne rada on transformatsioonide kogum, mis hõlmab kahte või enamat tüüpi ühendeid (näiteks süsivesikuid ja lipiide või süsivesikuid, lipiide ja aminohappeid).

Metaboolsete radade lokaliseerimine

Eukarüootsete indiviidide kataboolsed ja anaboolsed rajad erinevad rakus paiknemise poolest (tabel 22).

See jagunemine on tingitud ensüümsüsteemide piiramisest raku teatud piirkondadega (kompartmentaliseerimine), mis tagab nii rakusiseste funktsioonide eraldamise ja integreerimise kui ka sobiva kontrolli.

Praeguseks on tänu elektronmikroskoopilistele ja histokeemilistele uuringutele ning diferentsiaaltsentrifuugimise meetodile saavutatud märkimisväärseid edusamme ensüümide rakusisese lokaliseerimise määramisel. Nagu näha jooniselt fig. 74, võib rakus leida raku- või plasmamembraani, tuuma, mitokondrid, lüsosoomid, ribosoomid, tuubulite ja vesiikulite süsteemi - endoplasmaatilise retikulumi, lamellkompleksi, mitmesuguseid vakuoole, rakusiseseid inklusioone jne. raku tsütoplasma diferentseerumata osa on hüaloplasma (või tsütosool).

On kindlaks tehtud, et RNA polümeraasid ehk ensüümid, mis katalüüsivad mRNA moodustumist, paiknevad tuumas (täpsemalt tuumas). Tuum sisaldab DNA replikatsiooniprotsessis osalevaid ensüüme ja mõnda muud (tabel 23).

Tabel 23. Mõnede ensüümide lokaliseerimine rakus
Tsütosool	Glükolüüsi ensüümid Pentoosi raja ensüümid Aminohappeid aktiveerivad ensüümid Ensüümid rasvhapete sünteesiks Fosforülaas glükogeeni süntaas
Mitokondrid	Püruvaatdehüdrogenaasi kompleks Krebsi tsükli ensüümid Rasvhapete oksüdatsioonitsükli ensüümid Bioloogilise oksüdatsiooni ja oksüdatiivse fosforüülimise ensüümid
Lüsosoomid	Happe hüdrolaasid
Mikrosomaalne fraktsioon	Valkude sünteesi ribosomaalsed ensüümid Ensüümid fosfolipiidide, triglütseriidide, aga ka mitmete kolesterooli sünteesis osalevate ensüümide sünteesiks Hüdroksülaasid
plasmamembraan	Adenülaattsüklaas, Na+-K+-sõltuv ATPaas
Tuum	DNA replikatsioonis osalevad ensüümid RNA polümeraas NAD süntetaas

Ensüümide seos rakustruktuuridega:

• Mitokondrid. Mitokondrid on seotud bioloogilise oksüdatsiooniahela (koehingamise) ja oksüdatiivse fosforüülimise ensüümidega, samuti püruvaadi dehüdrogenaasi kompleksi ensüümidega, trikarboksüülhappe tsükliga, uurea sünteesiga, rasvhapete oksüdatsiooniga jne.
• Lüsosoomid. Lüsosoomid sisaldavad peamiselt hüdrolüütilisi ensüüme, mille optimaalne pH on umbes 5. Ensüümide hüdrolüütilise seotuse tõttu nimetatakse neid osakesi lüsosoomideks.
• Ribosoomid. Valgu sünteesi ensüümid lokaliseeruvad ribosoomides, neis osakestes toimub mRNA translatsioon ja aminohapete sidumine polüpeptiidahelateks koos valgumolekulide moodustumisega.
• Endoplasmaatiline retikulum. Endoplasmaatiline retikulum sisaldab lipiidide sünteesi ensüüme, samuti ensüüme, mis osalevad hüdroksüülimisreaktsioonides.
• Plasma membraan. ATP-aasi transportiv Na + ja K +, adenülaattsüklaas ja mitmed teised ensüümid on peamiselt seotud plasmamembraaniga.
• Tsütosool. Tsütosoolis (hüaloplasmas) paiknevad glükolüüsi, pentoositsükli, rasvhapete ja mononukleotiidide sünteesi, aminohapete aktiveerimise ensüümid, samuti paljud glükoneogeneesi ensüümid.

Tabelis. 23 võtab kokku andmed olulisemate ensüümide lokaliseerimise ja üksikute metaboolsete etappide kohta erinevates rakuvälistes struktuurides.

Multiensüümsüsteemid paiknevad organellide struktuuris nii, et iga ensüüm paikneb antud reaktsioonide järjestuses järgmise ensüümi vahetus läheduses. Tänu sellele väheneb reaktsiooni vaheproduktide difusiooniks kuluv aeg ning kogu reaktsioonide jada on ajas ja ruumis rangelt kooskõlastatud. See kehtib näiteks püroviinamarihappe ja rasvhapete oksüdatsioonis, valgusünteesis osalevate ensüümide, aga ka elektronide ülekande ja oksüdatiivse fosforüülimise ensüümide kohta.

Osadeks jaotamine tagab ka keemiliselt kokkusobimatud reaktsioonide üheaegse toimumise, s.t. katabolismi ja anabolismi radade sõltumatus. Seega võib rakus üheaegselt toimuda pika ahelaga rasvhapete oksüdatsioon atsetüül-CoA staadiumisse ja vastupidine protsess - rasvhapete süntees atsetüül-CoA-st. Need keemiliselt kokkusobimatud protsessid toimuvad raku erinevates osades: rasvhapete oksüdatsioon toimub mitokondrites ja nende süntees väljaspool mitokondreid toimub hüaloplasmas. Kui need teed langeksid kokku ja erineksid vaid protsessi suuna poolest, siis tekiksid vahetuses nn kasutud või asjatud tsüklid. Sellised tsüklid toimuvad patoloogias, kui metaboliitide kasutu ringlus on võimalik.

Erinevate taimede, loomade ja mikroorganismide klasside ainevahetuse üksikute seoste väljaselgitamine näitab eluslooduse biokeemiliste transformatsioonide radade põhimõttelist ühisosa.

AINEVAHETUSE REGULEERIMISE PÕHISÄTTED

Toimub ainevahetuse reguleerimine rakulisel ja subtsellulaarsel tasemel

1. reguleerides ensüümide sünteesi ja katalüütilist aktiivsust.

   Need regulatiivsed mehhanismid on

   • ensüümide sünteesi pärssimine ainevahetusraja lõpp-produktide poolt,
   • ühe või mitme ensüümi sünteesi indutseerimine substraatide poolt,
   • juba olemasolevate ensüümmolekulide aktiivsuse moduleerimine,
   • metaboliitide rakku sisenemise kiiruse reguleerimine. Siin on juhtiv roll protoplasmat ümbritsevatel bioloogilistel membraanidel ja selles paiknevatel tuumal, mitokondritel, lüsosoomidel ja muudel subtsellulaarsetel organellidel.
2. reguleerides hormoonide sünteesi ja aktiivsust. Niisiis, valkude ainevahetust mõjutavad kilpnäärme hormoonid - türoksiin, rasvade ainevahetust - kõhunäärme ja kilpnäärme hormoonid, neerupealised ja hüpofüüsi hormoonid, süsivesikute metabolismi - kõhunäärme hormoonid (insuliin) ja neerupealised (adrenaliin) . Eriline roll hormoonide toimemehhanismis on tsüklilistel nukleotiididel (cAMP ja cGMP).

   Loomadel ja inimestel on ainevahetuse hormonaalne regulatsioon tihedalt seotud närvisüsteemi koordineeriva tegevusega. Näide närvisüsteemi mõjust süsivesikute ainevahetusele on Claude Bernardi nn suhkrusüst, mis põhjustab hüperglükeemiat ja glükosuuriat.

3. Ajukoorel on kõige olulisem roll ainevahetuse integreerimise protsessides. Nagu märkis I. P. Pavlov: „Mida täiuslikum on loomaorganismi närvisüsteem, mida tsentraliseeritum see on, seda kõrgemal on tema osakond üha enam kogu organismi tegevuste juht ja jagaja ... See kõrgem osakond sisaldab endas tema jurisdiktsiooni alla kuuluvad kõik kehas esinevad nähtused".

Seega eriline kombinatsioon, range järjepidevus ja metaboolsete reaktsioonide kiirus agregaadis moodustavad süsteemi, mis paljastab tagasisidemehhanismi omadused (positiivsed või negatiivsed).

KESKMISE AINEVAHETUSE UURIMISE MEETODID

Ainevahetuse uurimiseks kasutatakse kahte lähenemisviisi:

• kogu keha uuringud (in vivo katsed) [saade]

  Klassikaline näide meie sajandi alguses läbi viidud kogu organismi uurimisest on Knoopi katsed. Ta uuris, kuidas rasvhapped organismis lagunevad. Selleks toitis Knoop koertele erinevaid paaris (I) ja paaritu (II) süsinikuaatomite arvuga rasvhappeid, milles üks vesinikuaatom metüülrühmas asendati fenüülradikaaliga C 6 H 5:

  Esimesel juhul eritus koerte uriiniga alati fenüüläädikhape C 6 H 5 -CH 2 -COOH ja teisel juhul bensoehape C 6 H 5 -COOH. Nende tulemuste põhjal järeldas Knoop, et rasvhapete lagunemine organismis toimub kahe süsiniku fragmendi järjestikuse elimineerimise kaudu, alustades karboksüüli otsast:

  CH3-CH2-|-CH2-CH2-|-CH2-CH2-|-CH2-CH2-|-CH2-COOH

  Seda järeldust kinnitasid hiljem ka teised meetodid.

  Sisuliselt rakendas Knoop nendes uuringutes molekulide märgistamise meetodit: ta kasutas märgisena fenüülradikaali, mis ei muutu kehas. Alates umbes XX sajandi 40ndatest. laialt on levinud selliste ainete kasutamine, mille molekulid sisaldavad elementide radioaktiivseid või raskeid isotoope. Näiteks katseloomadele erinevate radioaktiivset süsinikku (14 C) sisaldavate ühendite söötmisel leiti, et kõik kolesterooli molekuli süsinikuaatomid pärinevad atsetaadi süsinikuaatomitest:

  

  Tavaliselt kasutatakse kas elementide stabiilseid isotoope, mis erinevad massilt kehas laialt levinud elementidest (tavaliselt rasked isotoobid) või radioaktiivseid isotoope. Stabiilsetest isotoopidest vesiniku isotoobid massiga 2 (deuteerium, 2 N), lämmastik massiga 15 (15 N), süsinik massiga 13 (13 C) ja hapnik massiga 18 (18 C) ) kasutatakse kõige sagedamini. Radioaktiivsetest isotoopidest vesiniku isotoobid (triitium, 3 H), fosfor (32 P ja 33 P), süsinik (14 C), väävel (35 S), jood (131 I), raud (59 Fe), naatrium (54) Na) ja jne.

  Olles stabiilse või radioaktiivse isotoobi abil märgistanud uuritava ühendi molekuli ja viinud selle organismi, siis määratakse neid sisaldavad märgistatud aatomid või keemilised rühmad ning avastades need teatud ühendites, tehakse järeldus märgistatud aine muundamise viisid kehas. Isotoobimärgise abil saab määrata ka aine organismis viibimise aja, mis teadaoleva lähendusega iseloomustab bioloogilist poolestusaega, st aega, mille jooksul isotoobi või märgistatud ühendi kogus poole võrra või saada täpset teavet üksikute rakkude membraanide läbilaskvuse kohta. Isotoope kasutatakse ka selleks, et teha kindlaks, kas antud aine on mõne teise ühendi eelkäija või lagunemissaadus, ja määrata kudede uuenemise kiirus. Lõpuks, kui metaboolseid teid on mitu, on võimalik kindlaks teha, milline neist domineerib.

  Tervete organismide uuringutes uuritakse ka organismi toitainete vajadust: kui mõne aine väljajätmine toidust toob kaasa organismi kasvu- ja arengu- või füsioloogiliste funktsioonide rikkumise, siis on see aine asendamatu toitumisfaktor. Vajalikud toitainete kogused määratakse kindlaks sarnaselt.

• ja uuringud isoleeritud kehaosadel – analüütilis-lagundamismeetodid (in vitro katsed, st väljaspool keha, katseklaasis või muudes laboratoorsetes anumates). Nende meetodite põhimõte on keeruka bioloogilise süsteemi järkjärguline lihtsustamine või pigem lagunemine, et eraldada üksikud protsessid. Kui vaadelda neid meetodeid kahanevas järjekorras, st keerukamatest lihtsamatele, saab neid järjestada järgmises järjekorras:
  • üksikute elundite eemaldamine [saade]

    Elundite eemaldamisel on kaks uurimisobjekti: eemaldatud elundita organism ja isoleeritud organ.

    isoleeritud elundid. Kui isoleeritud organi arterisse süstida mingi aine lahus ja aineid analüüsida veenist voolavas vedelikus, siis on võimalik kindlaks teha, milliseid muundumisi see aine elundis läbib. Näiteks sel viisil on leitud, et maks on peamine ketokehade ja uurea moodustumise koht.

    Sarnaseid katseid saab läbi viia organitega ilma neid kehast isoleerimata (arterio-venoosne diferentsiaalmeetod): nendel juhtudel võetakse veri analüüsiks elundi arterisse ja veeni sisestatud kanüülide või süstlaga. Nii saab näiteks kindlaks teha, et töötavatest lihastest voolavas veres suureneb piimhappe kontsentratsioon ja maksa kaudu voolates vabaneb veri piimhappest.

  • koelõike meetod [saade]

    Sektsioonid on õhukesed koetükid, mis on valmistatud mikrotoomi või lihtsalt habemenuga. Sektsioone inkubeeritakse lahuses, mis sisaldab toitaineid (glükoosi või muud) ja ainet, mille muundumine seda tüüpi rakkudes tuleb määrata. Pärast inkubeerimist analüüsige inkubatsioonivedelikus leiduvaid uuritava aine ainevahetusprodukte.

    Kudede lõikamise meetodi pakkus esmakordselt välja Warburg 1920. aastate alguses. Seda tehnikat kasutades on võimalik uurida kudede hingamist (hapnikutarbimist ja süsinikdioksiidi vabanemist kudede poolt). Oluliseks piiranguks ainevahetuse uurimisel koelõikude kasutamise korral on rakumembraanid, mis - sagedamini toimivad barjäärina raku sisu ja "toitainete" lahuse vahel.

  • homogenaadid ja subtsellulaarsed fraktsioonid [saade]

    

    Homogenaadid on rakuvabad preparaadid. Need saadakse rakumembraanide hävitamisel, hõõrudes kudesid liivaga või spetsiaalsetes seadmetes - homogenisaatorites (joonis 66). Homogenaatides ei ole lisatud substraatide ja ensüümide vahel mitteläbilaskvusbarjääri.

    Rakumembraanide hävitamine võimaldab otsest kontakti raku sisu ja lisatud ühendite vahel. See võimaldab kindlaks teha, millised ensüümid, koensüümid ja substraadid on uuritava protsessi jaoks olulised.

    Homogenaatide fraktsioneerimine. Homogenaadist saab eraldada subtsellulaarseid osakesi, nii supramolekulaarseid (rakuorganellid) kui ka üksikuid ühendeid (ensüümid ja muud valgud, nukleiinhapped, metaboliidid). Näiteks saab diferentsiaaltsentrifuugimise abil saada tuumade, mitokondrite ja mikrosoomide fraktsioone (mikrosoomid on endoplasmaatilise retikulumi fragmendid). Need organellid erinevad suuruse ja tiheduse poolest ning seetõttu sadestuvad erinevatel tsentrifuugimiskiirustel. Eraldatud organellide kasutamine võimaldab uurida nendega seotud ainevahetusprotsesse. Näiteks kasutatakse eraldatud ribosoome valgusünteesi radade ja mehhanismide uurimiseks ning mitokondrite abil Krebsi tsükli või hingamisteede ensüümide ahela oksüdatiivseid reaktsioone.

    Pärast mikrosoomide settimist jäävad raku lahustuvad komponendid supernatantvedelikku - lahustuvad valgud, metaboliidid. Kõiki neid fraktsioone saab erinevate meetoditega täiendavalt fraktsioneerida, eraldades nende koostisosad. Eraldatud komponentidest on võimalik rekonstrueerida biokeemilisi süsteeme, näiteks lihtsat "ensüüm + substraat" süsteemi ja selliseid keerukaid süsteeme nagu valkude ja nukleiinhapete sünteesi süsteemid.

  • ensüümsüsteemi osaline või täielik rekonstrueerimine in vitro, kasutades ensüüme, koensüüme ja muid reaktsioonikomponente [saade]

    Kasutage kõrgelt puhastatud ensüümide ja koensüümide integreerimiseks. Näiteks sai selle meetodi abil võimalik täielikult taastoota kääritussüsteemi, millel on kõik pärmkääritamise põhiomadused.

Loomulikult on need meetodid väärtuslikud vaid ülima eesmärgi – kogu organismi toimimise mõistmise – saavutamiseks vajaliku sammuna.

INIMESE BIOKEEMIA ÕPPIMISE TUNNUSED

Erinevate Maal asustavate organismide molekulaarsetes protsessides on kaugeleulatuvaid sarnasusi. Sellised põhiprotsessid nagu maatriksi biosüntees, energia muundamise mehhanismid, ainete metaboolse muundamise peamised viisid on organismides bakteritest kõrgemate loomadeni ligikaudu samad. Seetõttu on paljud E. coli-ga tehtud uuringute tulemused rakendatavad ka inimeste puhul. Mida suurem on liikide fülogeneetiline seos, seda tavalisem on nende molekulaarsetes protsessides.

Valdav enamik teadmisi inimese biokeemia kohta saadakse sel viisil: teistes loomades teadaolevate biokeemiliste protsesside põhjal püstitatakse hüpotees selle protsessi kõige tõenäolisema variandi kohta inimkehas ning seejärel kontrollitakse hüpoteesi otseuuringutega. inimrakkudest ja kudedest. Selline lähenemine võimaldab läbi viia uuringuid väikeses koguses inimestelt saadud bioloogilist materjali. Kõige sagedamini kasutatakse kirurgiliste operatsioonide käigus eemaldatud kudesid, vererakke (erütrotsüüdid ja leukotsüüdid), aga ka in vitro kultuuris kasvatatud inimese koerakke.

Inimese pärilike haiguste uurimine, mis on vajalik nende ravi tõhusate meetodite väljatöötamiseks, annab samaaegselt palju teavet inimkehas toimuvate biokeemiliste protsesside kohta. Eelkõige põhjustab ensüümi kaasasündinud defekt selle substraadi akumuleerumist kehas; selliste ainevahetushäirete uurimisel avastatakse vahel uusi ensüüme ja reaktsioone, mis on kvantitatiivselt ebaolulised (seetõttu jäid need normi uurimisel tähele panemata), mis aga on elulise tähtsusega.

Metaboolsete radade reguleerimise põhimõtted

Kõik keemilised reaktsioonid rakus toimuvad ensüümide osalusel. Seetõttu piisab ainevahetusraja kiiruse mõjutamiseks ensüümide hulga või aktiivsuse reguleerimisest. Tavaliselt on metaboolsetes radades võtmeensüümid, mis reguleerivad kogu raja kiirust. Neid ensüüme (üks või mitu metaboolses rajas) nimetatakse reguleerivateks ensüümideks; need katalüüsivad reeglina ainevahetusraja algreaktsioone, pöördumatuid reaktsioone, kiirust piiravaid reaktsioone (kõige aeglasemad) või reaktsioone ainevahetusraja ümberlülitumispunktis (harupunktid).

Ensümaatiliste reaktsioonide kiiruse reguleerimine toimub kolmel sõltumatul tasemel:

• ensüümi molekulide arvu muutus;
• substraadi ja koensüümi molekulide kättesaadavus;
• ensüümmolekuli katalüütilise aktiivsuse muutus.

Ensüümide katalüütilise aktiivsuse reguleerimine

Teatud metaboolse raja ühe või mitme võtmeensüümi katalüütilise aktiivsuse reguleerimine mängib metaboolsete radade kiiruse muutmisel otsustavat rolli. See on väga tõhus ja kiire viis ainevahetuse reguleerimiseks.

Peamised viisid ensüümide aktiivsuse reguleerimiseks:

• allosteeriline regulatsioon;
• reguleerimine valk-valk interaktsioonide kaudu;
• reguleerimine ensüümmolekuli fosforüülimise/defosforüülimise teel;
• reguleerimine osalise (piiratud) proteolüüsiga.

Allosteeriline regulatsioon

Allosteerilised ensüümid on ensüümid, mille aktiivsust ei reguleeri mitte ainult substraadimolekulide arv, vaid ka teised ained, mida nimetatakse efektoriteks. Allosteerilises regulatsioonis osalevad efektorid on sageli nende reguleeritava raja rakulised metaboliidid.

Allosteerilistel ensüümidel on oluline roll ainevahetuses, kuna nad reageerivad ülikiiresti vähimatele muutustele raku sisemises seisundis. Allosteeriline regulatsioon on väga oluline järgmistes olukordades:

• anaboolsete protsesside ajal. Inhibeerimine metaboolse raja lõpp-produkti poolt ja aktiveerimine algsete metaboliitide poolt võimaldab reguleerida nende ühendite sünteesi;
• kataboolsete protsesside ajal. ATP akumuleerumise korral rakus on energiasünteesi tagavad metaboolsed rajad inhibeeritud. Sel juhul kulutatakse substraadid varutoitainete säilitamise reaktsioonidele;
• anaboolsete ja kataboolsete radade koordineerimiseks. ATP ja ADP on allosteerilised efektorid, mis toimivad antagonistidena;
• Paralleelselt voolavate ja omavahel seotud ainevahetusradade koordineerimiseks (näiteks nukleiinhapete sünteesiks kasutatavate puriini ja pürimidiini nukleotiidide süntees). Seega võivad ühe metaboolse raja lõpp-produktid olla teise metaboolse raja allosteerilised efektorid.

allosteerilised efektorid. Efektorit, mis põhjustab ensüümi aktiivsuse vähenemist (inhibeerimist), nimetatakse negatiivseks efektoriks või inhibiitoriks. Efektorit, mis põhjustab ensüümi aktiivsuse suurenemist (aktiveerumist), nimetatakse positiivseks efektoriks või aktivaatoriks.

Erinevad metaboliidid toimivad sageli allosteeriliste efektoritena. Metaboolse raja lõpp-produktid on sageli allosteeriliste ensüümide inhibiitorid ja lähteained on aktivaatorid. See on nn heterotroopne regulatsioon. Seda tüüpi allosteeriline regulatsioon on bioloogilistes süsteemides väga levinud.

Harvem allosteerilise regulatsiooni juhtum on siis, kui substraat ise võib toimida positiivse efektorina. Sellist regulatsiooni nimetatakse homotroopseks (efektor ja substraat on sama aine). Nendel ensüümidel on mitu substraadi sidumissaiti, millel on kaks funktsiooni: katalüütiline ja reguleeriv. Seda tüüpi allosteerilisi ensüüme kasutatakse olukorras, kus substraati koguneb liigselt ja see tuleb kiiresti tooteks muuta.

Allosteerilise regulatsiooniga ensüüme saab tuvastada nende ensüümide kineetikat uurides.

Allosteeriliste ensüümide struktuuri ja toimimise tunnused:

tavaliselt on need oligomeersed valgud, mis koosnevad mitmest protomeerist või millel on domeeni struktuur;

neil on katalüütilisest aktiivtsentrist ruumiliselt kaugel asuv allosteeriline kese;

efektorid kinnituvad ensüümile mittekovalentselt allosteerilistes (regulatiivsetes) keskustes;

allosteerilised keskused, aga ka katalüütilised tsentrid, võivad omada ligandide suhtes erinevat spetsiifilisust: see võib olla absoluutne ja rühmaspetsiifiline. Mõnel ensüümil on mitu allosteerilist tsentrit, millest mõned on spetsiifilised aktivaatoritele, teised inhibiitoritele.

protomeer, millel allosteeriline tsenter asub, on reguleeriv protomeer, erinevalt katalüütilisest protomeerist, mis sisaldab aktiivset tsentrit, milles keemiline reaktsioon toimub;

allosteerilistel ensüümidel on kooperatiivsuse omadus: allosteerilise efektori interaktsioon allosteerilise tsentriga põhjustab järjepideva kooperatiivse muutuse kõigi subühikute konformatsioonis, mis viib aktiivse tsentri konformatsiooni muutumiseni ja ensüümi afiinsuse muutumiseni. substraadile, mis vähendab või suurendab ensüümi katalüütilist aktiivsust;

allosteeriliste ensüümide regulatsioon on pöörduv: efektori eraldumine reguleerivast allüksusest taastab ensüümi esialgse katalüütilise aktiivsuse;

allosteerilised ensüümid katalüüsivad selle metaboolse raja võtmereaktsioone.

Joonis 3. Allosteerilise ensüümi tööd selgitav skeem. A - negatiivse efektori (inhibiitori) toime; B - positiivse efektori (aktivaatori) toime.

Allosteeriliste ensüümide lokaliseerimine metaboolses rajas.

Ainevahetusprotsesside kiirus sõltub antud reaktsiooniahelas kasutatud ja moodustunud ainete kontsentratsioonist. Selline reguleerimine tundub loogiline, kuna lõpp-produkti akumuleerumisel võib see (lõpp-produkt) toimida ensüümi allosteerilise inhibiitorina, mis kõige sagedamini katalüüsib selle metaboolse raja algfaasi:

Ensüüm, mis katalüüsib substraadi A muundamist produktiks B, omab allosteerilist keskust negatiivse efektori jaoks, mis on ainevahetusraja F lõpp-produkt. Kui F kontsentratsioon suureneb (st aine F sünteesitakse kiiremini kui seda tarbitakse) , on ühe algse ensüümi aktiivsus pärsitud. Seda regulatsiooni nimetatakse negatiivseks tagasisideks või retroinhibeerimiseks. Negatiivne tagasiside on tavaline mehhanism rakkude metabolismi reguleerimiseks.

Tsentraalsetes metaboolsetes radades võivad lähteained olla metaboolsete radade võtmeensüümide aktivaatorid. Reeglina läbivad ensüümid, mis katalüüsivad metaboolse raja viimaste etappide võtmereaktsioone, allosteerilist aktivatsiooni:

Näitena võime vaadelda glükolüüsi reguleerimise põhimõtteid, mis on spetsiifiline (esialgne) glükoosi lagunemise rada (joonis 4). Üks glükoosi lagunemise lõppprodukte on ATP molekul. Kui rakus on liiga palju ATP-d, toimub allosteeriliste ensüümide fosfofruktokinaasi ja püruvaatkinaasi retroinhibeerimine. Suure koguse fruktoos-1,6-bisfosfaadi moodustumisel täheldatakse püruvaatkinaasi ensüümi allosteerilist aktivatsiooni.

Joonis 4. Glükoosi katabolismi positiivse ja negatiivse regulatsiooni skeem.

ATP molekul osaleb allosteeriliste ensüümide fosfofruktokinaasi ja püruvaatkinaasi retro-inhibeerimises. Fruktoos-1,6-bisfosfaat on glükoosi lagunemise metaboolse raja aktivaator. Plussid märgistatud aktiveerimine, miinused - ensüümide pärssimine.

Tänu sellele regulatsioonile viiakse läbi glükoosi lagunemise metaboolse raja voolu sidusus.

1. Kõik keemilised reaktsioonid rakus toimuvad ensüümide osalusel. Seetõttu piisab metaboolse raja kiiruse mõjutamiseks (mõnede ainete järjestikune muundumine teisteks) ensüümi molekulide arvu või nende aktiivsuse reguleerimisest. Tavaliselt on metaboolsetes radades võtmeensüümid, mille tõttu reguleeritakse kogu tee kiirust. Neid ensüüme (üks või mitu metaboolses rajas) nimetatakse reguleerivad ensüümid. Ensümaatiliste reaktsioonide kiiruse reguleerimine toimub kolmel sõltumatul tasandil: ensüümi molekulide arvu muutmise, substraadi ja koensüümi molekulide kättesaadavuse, ensüümi molekuli katalüütilise aktiivsuse muutmise kaudu (tabel 2.6).

Tabel 2.5. Ensümaatiliste reaktsioonide kiiruse reguleerimise viisid

Reguleerimise viis	Iseloomulik
Ensüümide molekulide arvu muutus	Ensüümmolekulide arv rakus määratakse kahe protsessi suhtega: süntees ja lagunemine. Enim uuritud ensüümi sünteesi reguleerimise mehhanism transkriptsiooni tasemel (mRNA süntees), mida reguleerivad teatud metaboliidid, hormoonid ja mitmed bioloogiliselt aktiivsed molekulid
Substraadi ja koensüümi molekulide kättesaadavus	Oluline parameeter, mis kontrollib ensümaatilise reaktsiooni kulgu, on substraadi ja koensüümi olemasolu. Mida suurem on algse substraadi kontsentratsioon, seda suurem on reaktsioonikiirus
Ensüümi molekuli katalüütilise aktiivsuse muutus	Ensüümide aktiivsuse reguleerimise peamised meetodid on: - allosteeriline regulatsioon; - reguleerimine valk-valk interaktsioonide abil; - reguleerimine ensüümi molekuli fosforüülimise-defosforüülimise teel; - reguleerimine osalise (piiratud) proteolüüsiga

Vaatleme võimalusi ensümaatiliste reaktsioonide kiiruse reguleerimiseks, muutes ensüümi molekuli katalüütilist aktiivsust.

2. Allosteeriline regulatsioon. Allosteerilised ensüümid helistas ensüümid, aktiivsus mis saab reguleerida kasutades aine efektorid. Allosteerilises regulatsioonis osalevad efektorid on rakulised metaboliidid, mis osalevad sageli selles, mida nad reguleerivad.

Efektor, mis kutsub vähenemine (inhibeerimine) ensüümi aktiivsust nimetatakse inhibiitor. Efektor, mis kutsub võimendus (aktiveerimine) ensüümi aktiivsust nimetatakse aktivaator.

Allosteerilistel ensüümidel on teatud struktuurilised omadused:

Tavaliselt on oligomeersed valgud. koosneb mitmest protomeerist;

On allosteeriline keskus, katalüütilisest aktiivkohast ruumiliselt kaugel;

Efektorid kinnituvad ensüümile mittekovalentselt allosteerilistes (regulatiivsetes) kohtades.

Allosteerilistel tsentritel, aga ka katalüütilistel keskustel, võib ligandide suhtes olla erinev spetsiifilisus: see võib olla absoluutne ja rühmaspetsiifiline. Mõnel ensüümil on mitu allosteerilist tsentrit, millest mõned on spetsiifilised aktivaatoritele, teised inhibiitoritele.

Kutsutakse protomeeri, millel allosteeriline keskus asub regulatiivne protomeer Erinevalt katalüütiline protomeer, mis sisaldab aktiivset keskust, milles toimub keemiline reaktsioon.

Allosteerilistel ensüümidel on omadus koostöövõime: allosteerilise efektori interaktsioon allosteerilise tsentriga põhjustab kooperatiivse muutuse kõigi alaühikute konformatsioonis, mis viib aktiivse tsentri konformatsiooni muutumiseni ja ensüümi afiinsuse muutumiseni substraadi suhtes, mis vähendab või suurendab ensüümi katalüütiline aktiivsus. Kui allosteerilisele tsentrile on kinnitunud inhibiitor, siis kooperatiivsete konformatsiooniliste muutuste tulemusena muutub aktiivse tsentri konformatsioon, mis põhjustab ensüümi afiinsuse vähenemist substraadi suhtes ja vastavalt sellele ka ensüümi afiinsuse vähenemist. ensümaatiline reaktsioon. Ja vastupidi, kui allosteerilise tsentri külge on kinnitatud aktivaator, suureneb ensüümi afiinsus substraadi suhtes, mis põhjustab reaktsioonikiiruse suurenemist. Sündmuste jada allosteeriliste efektorite toimel on näidatud joonisel fig. 2.26.

Allosteeriliste ensüümide reguleerimine pööratav: efektori eraldumine reguleerivast allüksusest taastab ensüümi esialgse katalüütilise aktiivsuse.

Allosteerilised ensüümid katalüüsida peamisi reaktsioone see metaboolne rada.

Allosteerilised ensüümid mängivad olulist rolli erinevates metaboolsetes radades, kuna reageerivad ülikiiresti vähimatele muutustele raku sisemises koostises. Ainevahetusprotsesside kiirus sõltub nii kasutatavate kui ka antud reaktsiooniahelas tekkivate ainete kontsentratsioonist. Lähteained võivad olla metaboolsete radade allosteeriliste ensüümide aktivaatorid. Samal ajal, kui mis tahes ainevahetusraja lõpp-produkt koguneb, võib see toimida ensüümi allosteerilise inhibiitorina. See reguleerimismeetod on kehas tavaline ja seda nimetatakse "negatiivseks tagasisideks":

Riis. 2.26. Allosteerilise ensüümi struktuuri ja toimimise skeem:

A - negatiivse efektori (inhibiitori) toime. Inhibiitor (I) kinnitub allosteerilisele tsentrile, mis põhjustab kooperatiivseid konformatsioonilisi muutusi ensüümi molekulis, sealhulgas ensüümi aktiivses kohas. Ensüümi afiinsus substraadi suhtes väheneb, mistõttu väheneb ka ensümaatilise reaktsiooni kiirus; B - positiivse efektori (aktivaatori) toime. Aktivaator (A) kinnitub allosteerilise keskusega, mis põhjustab kooperatiivse konformatsioonimuutuse. Ensüümi afiinsus substraadi suhtes suureneb ja ensümaatilise reaktsiooni kiirus suureneb. On tõestatud nii inhibiitori kui ka aktivaatori pöörduv toime ensüümi aktiivsusele.

Mõelge glükoosi katabolismi protsessi allosteerilisele regulatsioonile, mis lõpeb ATP molekuli moodustumisega (joonis 2.27). Juhul, kui rakus olevaid ATP molekule ei tarbita, on see selle metaboolse raja allosteeriliste ensüümide inhibiitor: fosfofruktokinaasi ja püruvaatkinaasi. Samal ajal on glükoosi katabolismi vahemetaboliit fruktoos-1,6-bisfosfaat püruvaatkinaasi ensüümi allosteeriline aktivaator. Inhibeerimine metaboolse raja lõpp-produkti poolt ja aktiveerimine algsete metaboliitide poolt võimaldab

Riis. 2.27. Glükoosi katabolismi allosteeriline regulatsioon.

ATP molekul on metaboolse raja ensüümide - fosfofruktokinaasi ja püruvaatkinaasi - allosteeriline inhibiitor. Fruktoos-1,6-bisfosfaadi molekul on püruvaatkinaasi ensüümi allosteeriline aktivaator

ainevahetusraja kiiruse reguleerimiseks. Allosteerilised ensüümid katalüüsivad reeglina ainevahetusraja algreaktsioone, pöördumatuid reaktsioone, kiirust piiravaid reaktsioone (kõige aeglasemaid) või reaktsioone metaboolse raja hargnemispunktis.

3. Reguleerimine valk-valk interaktsioonide kaudu. Mõned ensüümid muudavad oma aktiivsust valkude ja valkude koostoime tulemusena. Ensüümi aktiivsuse sellisel muutmisel saab eristada vähemalt kahte mehhanismi: ensüümide aktiveerimine aktivaatorvalkude lisamise tulemusena (adenülaattsüklaasi ensüümi aktiveerimine G-valgu α-subühiku poolt, vt moodul 4) ja katalüütilise aktiivsuse muutus protomeeride assotsieerumise ja dissotsiatsiooni tagajärjel.

Näitena ensüümide katalüütilise aktiivsuse reguleerimisest protomeeride assotsieerumise või dissotsiatsiooni kaudu võime vaadelda ensüümi proteiinkinaasi A regulatsiooni.

Proteiini kinaas A(cAMP-sõltuv) koosneb neljast kahte tüüpi subühikust: kahest reguleerivast (R) ja kahest katalüütilisest (C). Sellel tetrameeril ei ole katalüütilist aktiivsust. Reguleerivatel alaühikutel on sidumissaidid tsüklilise 3,5"-AMP (cAMP) jaoks (kaks iga subühiku kohta). Nelja cAMP molekuli kinnitumine kahe regulatoorse alaühiku külge viib regulatoorsete protomeeride konformatsiooni muutumiseni ja tetrameerse kompleksi dissotsiatsioonini; see vabastab kaks aktiivset katalüütilist subühikut (joonis 2.28). Aktiivne proteiinkinaas A katalüüsib fosforhappejäägi ülekannet ATP-st valkude aminohappejääkide spetsiifilistesse OH-rühmadesse (st põhjustab valgu fosforüülimist).

Riis. 2.28. Proteiinkinaasi A (PKA) aktiivsuse reguleerimine valk-valgu interaktsioonide kaudu.

PKA-d aktiveerivad neli cAMP molekuli, mis kinnituvad kahe regulatoorse alaühiku külge, mis viib regulatoorsete protomeeride konformatsiooni muutumiseni ja tetrameerse kompleksi dissotsiatsioonini. See vabastab kaks aktiivset katalüütilist subühikut, mis on võimelised indutseerima valgu fosforüülimist.

cAMP molekulide lõhustamine reguleerivatest subühikutest viib protenkinaasi A regulatoorsete ja katalüütiliste subühikute seostumiseni inaktiivse kompleksi moodustumisega.

4. Ensüümide katalüütilise aktiivsuse reguleerimine fosforüülimise-defosforüülimise teel. Bioloogilistes süsteemides on sageli olemas mehhanism ensüümide aktiivsuse reguleerimiseks nende kovalentse modifikatsiooni abil. Kiire ja laialt levinud ensüümide keemilise modifitseerimise meetod on nende fosforüülimine-defosforüülimine.

Fosforüülimist viivad läbi ensüümi OH rühmad, mida teostavad ensüümid proteiinkinaasid(fosforüülimine) ja fosfoproteiini fosfataasid(defosforüülimine). Fosforhappe jäägi lisamine põhjustab muutuse aktiivse saidi konformatsioonis ja selle katalüütilises aktiivsuses. Sel juhul võib tulemus olla kahekordne: mõned ensüümid aktiveeruvad fosforüülimise käigus, teised vastupidi, muutuvad vähem aktiivseks (joonis 2.29). Proteiinkinaaside ja fosfoproteiinfosfataaside aktiivsust reguleerivad hormoonid, mis võimaldab kiiresti varieerida metaboolsete radade võtmeensüümide aktiivsust sõltuvalt keskkonnatingimustest.

Riis. 2.29. Ensüümide aktiivsuse reguleerimise skeem fosforüülimise-defosforüülimise teel.

Ensüümide fosforüülimine toimub proteiinkinaasi ensüümi abil. Fosforhappejäägi doonoriks on ATP molekul. Ensüümi fosforüülimine muudab selle konformatsiooni ja aktiivse saidi konformatsiooni, mis muudab ensüümi afiinsust substraadi suhtes. Samal ajal mõned ensüümid aktiveeritakse fosforüülimise ajal, teised aga inhibeeritakse. Pöördprotsessi – defosforüülimise – põhjustavad fosfoproteiini fosfataasi ensüümid, mis lõhustavad ensüümist fosforhappejäägi ja viivad ensüümi tagasi algsesse olekusse.

5. Ensüümide katalüütilise aktiivsuse reguleerimine osalise (piiratud) proteolüüsi teel. Mõned ensüümid, mis toimivad väljaspool rakke (seedetraktis või vereplasmas), sünteesitakse mitteaktiivsete lähteainetena ja aktiveeruvad ainult ühe või mitme spetsiifilise peptiidsideme hüdrolüüsi tulemusena, mis viib molekuli osa lõhustumiseni. Valgu molekuli ülejäänud osas toimub konformatsiooniline ümberkorraldus ja moodustub ensüümi aktiivne kese (joon. 2.30). Osaline proteolüüs on näide reguleerimisest, kus ensüümi aktiivsus muutub

Riis. 2.30. Pepsiini aktiveerimine osalise proteolüüsi teel.

Pepsinogeeni (inaktiivse molekuli) ühe või mitme peptiidsideme hüdrolüüsi tulemusena lõhustub osa molekulist ja moodustub pepsiini ensüümi aktiivne kese.

pöördumatult. Sellised ensüümid toimivad reeglina lühikest aega, mille määrab valgu molekuli eluiga. Osaline proteolüüs on seedetrakti proteolüütiliste ensüümide (pepsiin, trüpsiin, kümotrüpsiin, elastaas), peptiidhormoonide (insuliin), vere hüübimisvalkude ja paljude teiste valkude aktiveerimise aluseks.