Ainevahetus. Rakkude ainevahetuse põhiprotsessid

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;
• · koordineerida paralleelselt voolavaid ja omavahel seotud metaboolseid radu (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.

Metaboolsete radade reguleerimisega on seotud kolme tüüpi mehhanismid. Neist esimene, mis reageerib kõige kiiremini igale olukorra muutusele, on seotud allosteeriliste ensüümide toimega (joon. 13-15), mille katalüütiline aktiivsus võib muutuda spetsiaalsete ainete mõjul, millel on stimuleeriv või inhibeeriv toime (neid nimetatakse efektoriteks või modulaatoriteks; punkt 9.18).

Reeglina hõivavad allosteerilised ensüümid koha antud multiensümaatilise järjestuse alguses või selle alguses ning katalüüsivad selle etappi, mis piirab kogu protsessi kiirust; Tavaliselt mängib sellise etapi rolli peaaegu pöördumatu reaktsioon.

Riis. 13-15. Kataboolse raja reguleerimine tagasiside tüübi järgi, st allosteerilise ensüümi inhibeerimise tõttu selle protsessi lõppsaaduse poolt. Tähed J, K, L jne tähistavad selle ainevahetusraja vaheprodukte ning tähed E1, E2, E3 jne ensüüme, mis katalüüsivad üksikuid etappe. Esimest etappi katalüüsib allosteeriline ensüüm (ED), mida inhibeerib selle reaktsioonijärjestuse lõpp-produkt. Allosteerilist inhibeerimist tähistab katkendlik punane nool, mis ühendab inhibeeriva metaboliidi allosteerilise ensüümi poolt katalüüsitava reaktsiooniga.

Kataboolsetes protsessides, millega kaasneb ATP süntees ADP-st, toimib see lõpp-produkt ATP sageli katabolismi ühe varajases staadiumis allosteerilise inhibiitorina. Anabolismi ühe varase staadiumi allosteeriline inhibiitor on sageli biosünteesi lõpp-produkt, näiteks mõni aminohape (lk 9.18). Mõnede allosteeriliste ensüümide aktiivsust stimuleerivad spetsiifilised positiivsed modulaatorid. Allosteeriline ensüüm, mis reguleerib üht kataboolse reaktsiooni järjestust, võib olla allutatud näiteks positiivsete modulaatorite-ADP või AMP stimuleerivale toimele ja negatiivse modulaatori-ATP inhibeerivale toimele. Samuti on teada juhud, kui ühe metaboolse raja allosteeriline ensüüm reageerib spetsiifilisel viisil teiste metaboolsete radade vahe- või lõpp-produktidele. See võimaldab koordineerida erinevate ensüümsüsteemide toimekiirust.

Teist tüüpi mehhanismid, mis reguleerivad ainevahetust kõrgemates organismides, on hormonaalne regulatsioon (joon. 13-16). Hormoone nimetatakse spetsiaalseteks kemikaalideks (keemilisteks "vahemeesteks"), mida toodavad erinevad sisesekretsiooninäärmed ja eralduvad otse verre; need kanduvad verega teistesse kudedesse või organitesse ja siin stimuleerivad või pärsivad teatud tüüpi metaboolset aktiivsust. Näiteks hormooni adrenaliini eritab neerupealise medulla ja veri viib selle maksa, kus see stimuleerib glükogeeni lagunemist glükoosiks, mis põhjustab veresuhkru taseme tõusu. Lisaks stimuleerib adrenaliin glükogeeni lagunemist skeletilihastes; see protsess viib laktaadi moodustumiseni ja energia salvestamiseni ATP kujul. Adrenaliin põhjustab neid toimeid, kinnitudes lihas- või maksarakkude pinnal olevate spetsiifiliste retseptorite kohtadesse.

Adrenaliini sidumine toimib signaalina; see signaal edastatakse raku sisemistesse osadesse ja põhjustab siin kovalentse modifikatsiooni, mille mõjul glükogeeni fosforülaas (esimene ensüüm süsteemis, mis katalüüsib glükogeeni muundamist glükoosiks ja muudeks saadusteks; jaotis 9.22) läheb vähemal määral. aktiivsest vormist aktiivsemaks (joon. 13-16 ).

Kolmandat tüüpi ainevahetust reguleerivad mehhanismid on seotud selle ensüümi kontsentratsiooni muutumisega rakus. Mis tahes ensüümi kontsentratsioon igal ajahetkel määratakse selle sünteesi ja lagunemise kiiruste suhtega. Mõnede ensüümide sünteesi kiirus teatud tingimustel suureneb järsult; vastavalt suureneb ka selle ensüümi kontsentratsioon rakus. Kui loom saab näiteks süsivesikuterikast, kuid valguvaest toitu, siis maksas on tal äärmiselt madal ensüümide sisaldus, mis normaalsetes tingimustes katalüüsivad aminohapete lagunemist atsetüül-CoA-ks. Kuna sellise dieediga neid ensüüme praktiliselt ei vajata, ei teki neid ka suurtes kogustes. Loom tasub aga üle viia valgurikkale toidule ja päevaga suureneb tema maksas märgatavalt ensüümide sisaldus, mida on nüüd vaja seeditavate aminohapete lagundamiseks.

Riis. 13-16. Ensümaatilise reaktsiooni hormonaalne reguleerimine. Hormooni adrenaliini kinnitumisel maksarakkude pinnal asuvatele spetsiifilistele retseptoritele moodustub tsükliline adenülaat membraaniga seotud ensüümi (adenülaattsüklaas) osalusel. Viimane toimib allosteerilise aktivaatorina ehk intratsellulaarse vahendajana, mille toimel muutub glükogeeni fosforülaas mitteaktiivsest vormist aktiivseks, mis viib maksa glükogeeni muundamise kiirenemiseni vere glükoosiks. Seda metaboolset rada on üksikasjalikult kirjeldatud peatükis. 25.

Riis. 13-17. ensüümi induktsioon. Substraadi A kõrge rakusisene kontsentratsioon võib stimuleerida ensüümide E1, E2 ja E3 biosünteesi. Nende ensüümide sisaldus rakus suureneb ja seeläbi on võimalik kiirendada neid reaktsioone, mille tulemusena substraadi A liig eemaldatakse. Substraadi A liig toimib seetõttu signaalina raku tuumale, sundides seda "sisse lülitama" geenid, mis kontrollivad ensüümide El, E2 ja E3 moodustumist. Geenide kaasamine tähendab vastava messenger-RNA sünteesi; see siseneb ribosoomidesse ja selle tulemusena toimub neis ensüümide E1, E2 ja E3 süntees.

Seetõttu on maksarakkudel võime sisse või välja lülitada spetsiifiliste ensüümide biosüntees, olenevalt neisse sisenevate toitainete olemusest. Seda nähtust nimetatakse ensüümi induktsiooniks (joon. 13-17).

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 organite reguleerimistasandil, 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

DÜNAAMILINE BIOKEEMIA

PeatükkIV.8.

Ainevahetus ja energia

Ainevahetus ehk ainevahetus – keemiliste reaktsioonide kogum organismis, mis varustavad teda eluks vajalike ainete ja energiaga. Ainevahetuses saab eristada kahte peamist etappi: ettevalmistav - mil seedimise teel saadud aine läbib keemilisi transformatsioone, mille tulemusena võib see vereringesse sattuda ja seejärel rakkudesse tungida ning tegelik ainevahetus, s.o. rakkudesse tunginud ühendite keemilised transformatsioonid.

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

Keeruliste ainete lihtsamateks lagundamise protsessi nimetatakse katabolism. Niisiis lagunevad toidusse sisenevad valgud, rasvad, süsivesikud seedetrakti ensüümide toimel lihtsamateks komponentideks (aminohapped, rasvhapped ja monosahhariidid). See vabastab energiat. Nimetatakse pöördprotsessi, s.t keerukate ühendite sünteesi lihtsamatest anabolism . See tuleb energiaga. Seedimise tulemusena tekkinud aminohapetest, rasvhapetest ja monosahhariididest sünteesitakse rakkudes uued rakuvalgud, membraanifosfolipiidid ja polüsahhariidid.

On olemas kontseptsioon amfibolism kui üks ühend hävib, aga sünteesitakse teine.

metaboolne tsükkel on ainevahetusrada, mille üks lõppproduktidest on identne ühe selles protsessis osaleva ühendiga.

Privaatne metaboolne rada on ühe konkreetse ühendi (süsivesikute või valkude) transformatsioonide kogum. Tavaline metaboolne rada on siis, kui osalevad kahte või enamat tüüpi ühendid (süsivesikud, lipiidid ja osaliselt valgud osalevad energia metabolismis).

Ainevahetuse substraadid - toidust pärinevad ühendid. Nende hulgas on peamised toitained (valgud, süsivesikud, lipiidid) ja väikesed, mida on väikestes kogustes (vitamiinid, mineraalid).

Ainevahetuse intensiivsuse määrab raku vajadus teatud ainete või energia järele, reguleerimine toimub neljal viisil:

1) Teatud metaboolsete radade reaktsioonide kogukiiruse määrab selle raja iga ensüümi kontsentratsioon, söötme pH väärtus, iga vaheprodukti rakusisene kontsentratsioon, kofaktorite ja koensüümide kontsentratsioon.

2) Reguleerivate (allosteeriliste) ensüümide aktiivsus, mis tavaliselt katalüüsivad metaboolsete radade algstaadiume. Enamikku neist inhibeerib selle raja lõpp-produkt ja seda tüüpi inhibeerimist nimetatakse "tagasisideseks".

3) Geneetiline kontroll, mis määrab konkreetse ensüümi sünteesi kiiruse. Ilmekas näide on indutseeritavate ensüümide ilmumine rakus vastusena vastava substraadi sissevõtmisele.

4) Hormonaalne regulatsioon. Paljud hormoonid on võimelised aktiveerima või inhibeerima paljusid metaboolsete radade ensüüme.

Elusorganismid on termodünaamiliselt ebastabiilsed süsteemid. Nende tekkeks ja toimimiseks on vajalik pidev energiavarustus mitmekülgseks kasutamiseks sobival kujul. Energia saamiseks on peaaegu kõik planeedi elusolendid kohanenud hüdrolüüsima üht ATP pürofosfaatsidemetest. Sellega seoses on elusorganismide bioenergeetika üks peamisi ülesandeid kasutatud ATP täiendamine ADP-st ja AMP-st.

Raku peamiseks energiaallikaks on substraatide oksüdeerimine atmosfäärihapnikuga. See protsess viiakse läbi kolmel viisil: hapniku lisamine süsinikuaatomile, vesiniku eemaldamine või elektronide kadu. Rakkudes toimub oksüdatsioon vesiniku ja elektronide järjestikuse ülekandena substraadist hapnikku. Sel juhul mängib hapnik redutseeriva ühendi (oksüdeeriva aine) rolli. Oksüdatiivsed reaktsioonid kulgevad energia vabanemisega.Suhteliselt väikesed muutused energias on iseloomulikud bioloogilistele reaktsioonidele. See saavutatakse oksüdatsiooniprotsessi jagamisega mitmeks vaheetapiks, mis võimaldab säilitada seda väikeste portsjonitena makroergiliste ühendite (ATP) kujul. Hapnikuaatomi redutseerimine interaktsioonil prootonite ja elektronide paariga viib veemolekuli moodustumiseni.

kudede hingamine

See on hapnikutarbimise protsess keha kudede rakkude poolt, mis osaleb bioloogilises oksüdatsioonis. Seda tüüpi oksüdatsiooni nimetatakse aeroobne oksüdatsioon . Kui vesiniku ülekandeahela lõplikuks aktseptoriks ei ole hapnik, vaid muud ained (näiteks püroviinamarihape), siis nimetatakse seda tüüpi oksüdatsiooni. anaeroobne.

See. bioloogiline oksüdatsioon on substraadi dehüdrogeenimine vahepealsete vesinikukandjate ja selle lõpliku aktseptori abil.

hingamisahel (koehingamise ensüümid) on prootonite ja elektronide kandjad oksüdeeritud substraadist hapnikku. Oksüdeeriv aine on ühend, mis on võimeline vastu võtma elektrone. See võime on kvantifitseeritud redokspotentsiaal standardse vesinikelektroodi suhtes, mille pH on 7,0. Mida väiksem on ühendi potentsiaal, seda tugevamad on selle redutseerivad omadused ja vastupidi.

See. iga ühend saab loovutada elektrone ainult suurema redokspotentsiaaliga ühendile. Hingamisahelas on igal järgmisel lülil suurem potentsiaal kui eelmisel.

Hingamisahel koosneb:

1. NAD - sõltuv dehüdrogenaas;

2. FAD-sõltuv dehüdrogenaas;

3. Ubikinoon (Ko Q);

4. Tsütokroomid b , c , a + a 3 .

NAD-sõltuvad dehüdrogenaasid . Sisaldab koensüümina ÜLAL ja NADP. Nikotiinamiidi püridiinitsükkel on võimeline siduma elektrone ja vesiniku prootoneid.

FAD ja FMN-sõltuvad dehüdrogenaasid sisaldab B2-vitamiini koensüümi fosforestrina ( FAD).

Ubikinoon (Co K ) võtab flavoproteiinidest vesinikku ja muutub hüdrokinoon.

Tsütokroomid - kromoproteiinivalgud, mis on võimelised siduma elektrone, kuna nende koostises on proteesrühmad raudporfüriinid. Nad võtavad vastu elektroni veidi tugevamast redutseerivast ainest ja loovutavad selle tugevamale oksüdeerijale. Rauaaatom on seotud histidiini aminohappe imidasoolitsükli lämmastikuaatomiga ühel pool porfüriinitsükli tasapinda ja teiselt poolt metioniini väävliaatomiga. Seetõttu pärsitakse tsütokroomides sisalduva raua aatomi potentsiaalne võime hapnikku siduda.

AT tsütokroom c porfüriini tasand on kovalentselt seotud valguga kahe tsüsteiinijäägi kaudu ja tsütokroomid b ja , see ei ole kovalentselt seotud valguga.

AT tsütokroom a+a 3 (tsütokroomoksüdaas) protoporfüriini asemel sisaldab porfüriin A, mis erineb mitmete struktuuriomaduste poolest. Raua viienda koordinatsioonipositsiooni hõivab aminorühm, mis kuulub aminosuhkru jääki, mis on osa valgust endast.

Erinevalt hemolgobiini heemist võib raua aatom tsütokroomides pöörduvalt muutuda kahest kolmevalentsesse olekusse, see tagab elektronide transpordi (vt lisa 1 "Hemoproteiinide aatom- ja elektrooniline struktuur").

Elektronide transpordiahela töömehhanism

Mitokondrite välismembraan (joonis 4.8.1) on läbilaskev enamikele väikestele molekulidele ja ioonidele, sisemembraan aga peaaegu kõigile ioonidele (v.a H-prootonid) ja enamikule laenguta molekulidele.

Kõik ülaltoodud hingamisahela komponendid on sisse ehitatud sisemembraani. Prootonite ja elektronide transpordi piki hingamisahelat tagab selle komponentide potentsiaalide erinevus. Sel juhul vabaneb iga potentsiaali suurenemine 0,16 V võrra energiat, mis on piisav ühe ATP molekuli sünteesiks ADP-st ja H3RO4-st. Kui üks O2 molekul kulub ära, siis 3 ATP.

ADP-st ja fosforhappest oksüdatsiooni ja ATP moodustumise protsessid s.o. fosforüülimine toimub mitokondrites. Sisemembraan moodustab palju volte – cristae. Ruumi piirab sisemine membraan - maatriks. Sise- ja välismembraani vahelist ruumi nimetatakse intermembraaniks.

Selline molekul sisaldab kolme makroergilist sidet. Makroergiline ehk energiarikas on keemiline side, mille purunemisel eraldub üle 4 kcal/mol. ATP hüdrolüütilise lagunemise ajal ADP-ks ja fosforhappeks vabaneb 7,3 kcal / mol. Täpselt sama palju kulub ADP moodustamiseks ADP-st ja ülejäänud fosforhappest ning see on üks peamisi energia salvestamise viise organismis.

Hingamisahelat mööda elektronide transpordi käigus vabaneb energia, mis kulub ADP-le fosforhappejäägi lisamisele, et moodustuks üks ATP molekul ja üks veemolekul. Ühe elektronpaari ülekandmise protsessis piki hingamisahelat vabaneb 21,3 kcal / mol ja seda hoitakse kolme ATP-molekuli kujul. See on umbes 40% elektroonilisel transpordil vabanevast energiast.

Sellist energia salvestamise viisi rakus nimetatakse oksüdatiivne fosforüülimine või seotud fosforüülimine.

Selle protsessi molekulaarseid mehhanisme selgitab kõige paremini Mitchelli kemoosmootne teooria, mis esitati 1961. aastal.

Oksüdatiivse fosforüülimise mehhanism (joonis 4.8.2.):

1) NAD-sõltuv dehüdrogenaas asub mitokondrite sisemembraani maatrikspinnal ja loovutab vesiniku elektronide paari FMN-sõltuvale dehüdrogenaasile. Sel juhul läheb maatriksist FMN-i ka prootonite paar ja selle tulemusena moodustub FMN H2. Sel ajal surutakse NAD-i kuuluv prootonipaar membraanidevahelisse ruumi.

2) FAD-sõltuv dehüdrogenaas loovutab Co-le elektronide paari K ja surub paar prootonit membraanidevahelisesse ruumi. Võttes vastu elektronid K võtab maatriksist vastu paar prootonit ja muutub Co-ks Q H 2 .

3) Co Q H 2 surub prootonipaari membraanidevahelisse ruumi ning elektronpaar kantakse tsütokroomidele ja seejärel hapnikku, moodustades veemolekuli.

Selle tulemusena, kui elektronide paar viiakse mööda ahelat maatriksist membraanidevahelisse ruumi, pumbatakse 6 prootonit (3 paari), mis põhjustab potentsiaalsete erinevuste ja pH erinevuse tekkimist sisepinna pindade vahel. membraan.

4) Potentsiaalide erinevus ja pH erinevus tagavad prootonite liikumise prootonikanali kaudu tagasi maatriksisse.

5) See prootonite vastupidine liikumine viib ATP süntaasi aktiveerimiseni ja ATP sünteesini ADP-st ja fosforhappest. Ühe elektronpaari (s.o kolme paari prootoneid) ülekandega sünteesitakse 3 ATP molekuli (joon. 4.7.3.).

Hingamise ja oksüdatiivse fosforüülimise protsesside lahtiühendamine tekib siis, kui prootonid hakkavad tungima läbi mitokondrite sisemembraani. Sel juhul pH gradient ühtlustub ja fosforüülimise liikumapanev jõud kaob. Keemilised ained - lahtiühendajaid nimetatakse protonofoorideks, nad on võimelised kandma prootoneid läbi membraani. Need sisaldavad 2,4-dinitrofenool, kilpnäärmehormoonid jne (joonis 4.8.3.).

Saadud ATP viiakse maatriksist tsütoplasmasse translokaasi ensüümide abil, samas kui üks ADP molekul ja üks fosforhappe molekul viiakse maatriksisse vastupidises suunas. On selge, et ADP ja fosfaadi transpordi rikkumine pärsib ATP sünteesi.

Oksüdatiivse fosforüülimise kiirus sõltub eelkõige ATP sisaldusest, mida kiiremini seda tarbitakse, mida rohkem ADP-d koguneb, seda suurem on energiavajadus ja seega ka oksüdatiivse fosforüülimise protsess aktiivsem. Oksüdatiivse fosforüülimise kiiruse reguleerimist ADP kontsentratsiooniga rakus nimetatakse hingamiskontrolliks.

KIRJANDUS PEATÜKI IV.8.

1. Byshevsky A. Sh., Tersenov O. A. Biokeemia arstile // Jekaterinburg: Uurali töötaja, 1994, 384 lk.;

2. Knorre D. G., Myzina S. D. Bioloogiline keemia. - M .: Kõrgem. kool 1998, 479 lk;

3. Lehninger A. Biokeemia. Raku ehituse ja funktsioonide molekulaarsed alused // M.: Mir, 1974, 956 lk.;

4. Pustovalova L.M. Biokeemia töötuba // Rostov Doni ääres: Phoenix, 1999, 540 lk;

5. Stepanov V. M. Molekulaarbioloogia. Valkude struktuur ja funktsioonid // M.: Vysshaya shkola, 1996, 335 lk.;

Moskva Meditsiiniakadeemia nimega I.M. Sechenov

Üldkeemia osakond

Abstraktne töö nr 1

9. rühma 1. kursuse õpilased

VSO kirjavahetuse osakonna teaduskond

Romaškova Jekaterina Dmitrievna

Moskva 2010

Ainevahetusprotsesside reguleerimise mehhanismid

Kõikide ainevahetusradade aktiivsus on pidevalt reguleeritud, mis tagab metaboliitide sünteesi ja lagunemise vastavuse organismi füsioloogilistele vajadustele. Selles jaotises käsitletakse sellise reguleerimise mehhanisme. Täpsemalt käsitletakse rakkude ainevahetuse reguleerimise küsimusi.Metaboliitide voolu ainevahetuses määrab eelkõige aktiivsus. ensüümid.Ühe või teise raja mõjutamiseks piisab kõige aeglasemat sammu katalüüsiva ensüümi aktiivsuse reguleerimisest. Neid ensüüme nimetatakse võtmeensüümid leidub enamikus metaboolsetes radades. Võtmeensüümi aktiivsust reguleeritakse kolmel sõltumatul tasemel,

transkriptsiooni kontroll. Kontrollimine ensüümide biosüntees(1) viiakse läbi geneetilisel tasandil. Esiteks räägime vastava mRNA (mRNA) sünteesist, samuti transkriptsioonid ensüümi kodeeriv geen, st. umbes transkriptsiooni reguleerimine.Osales selles protsessis reguleerivad valgud(RP) (transkriptsioonifaktorid), mille toime on suunatud otse DNA-le. Lisaks on geenides spetsiaalsed reguleerivad piirkonnad - promootorid- ja reguleerivate valkude (regulatiivsete elementide) seondumiskohad. Nende valkude efektiivsust mõjutavad metaboliidid või hormoonid. Kui see mehhanism suurendab ensüümi sünteesi, räägivad nad sellest induktsioon, kui see vähendab või pärsib - oh repressioonid. Induktsiooni ja repressiooni protsessid viiakse läbi ainult teatud aja jooksul.

Interkonversioon. Oluliselt kiirem kui transkriptsioonikontroll, on võtmeensüümide omavaheline muundamine (2). Sel juhul esineb ensüüm rakus inaktiivsel kujul. Metaboolse vajadusega väljastpoolt tuleva signaali järele ja teise sõnumitooja vahendusel aktiveeriv ensüüm(E 1) muudab võtmeensüümi katalüütiliselt aktiivseks vormiks. Kui vajadus selle metaboolse raja järele kaob, inaktiveeriv ensüüm(E 2) muudab võtmeensüümi tagasi passiivseks vormiks. Interkonversiooni protsess seisneb enamikul juhtudel selles ATP-sõltuv fosforüülimine ensümaatilised valgud proteiinkinaas ja vastavalt defosforüülimine fosfataas.Enamasti on ensüümi fosforüülitud vorm aktiivsem, kuid on ka vastupidiseid juhtumeid.

moduleerimine ligandide poolt. Oluline parameeter, mis kontrollib ainevahetusraja voolu, on vajadus esimese reagendi järele (siin on see metaboliit A). Metaboliidi A kättesaadavus suureneb koos metaboolse raja (3), milles A moodustub, aktiivsuse suurenemisega ja väheneb teiste radade (4), milles A tarbitakse, aktiivsuse suurenemisega. A kättesaadavus võib olla piiratud selle transpordi tõttu raku teistesse osadesse.

Sageli on ka piirav tegur koensüümi kättesaadavus(5). Kui koensüüm regenereeritakse teise sõltumatu raja kaudu, võib see rada piirata põhireaktsiooni kiirust. Nii näiteks reguleerib glükolüüsi ja tsitraadi tsüklit NAD + saadavus.Kuna NAD + regenereeritakse hingamisahelas, siis viimane reguleerib glükoosi ja rasvhapete katabolismi Lõpuks saab reguleerida ka võtmeensüümi aktiivsust ligand(substraat, reaktsiooni lõpp-produkt, koensüüm, muu efektor) kui allosteeriline efektor sidudes seda mitte aktiivses kohas endas, vaid ensüümi teises kohas ning selle tulemusena ensümaatilise aktiivsuse muutus.Võtmeensüümi inhibeerimist põhjustavad sageli vastava metaboolse ahela reaktsiooni lõppproduktid ( pärssimine tagasiside tüübi järgi) või mõnel muul teel osalev metaboliit. Reaktsiooniahela esimene reaktant võib samuti stimuleerida ensüümi aktiveerimist.

Ainevahetuse hormonaalne reguleerimine

Vaheainevahetuse võtmeensüümide ensüümide poolt katalüüsitud aktiveerimist ja vastavalt ka inaktiveerimist nimetatakse vastastikused teisendused. Sellised protsessid on erineva kontrolli all, sealhulgas hormonaalsed. Selles jaotises käsitletakse interkonversioonide protsesse, mis reguleerivad glükogeeni metabolismi maksas.

A. Glükogeeni lagunemise hormonaalne regulatsioon

Glükogeen toimib kehas süsivesikute reservina, millest lagunedes tekib maksas ja lihastes kiiresti glükoosfosfaat. glükogeeni fosforülaas(pildil all vasakul). Mõlemad ensüümid toimivad lahustumatute glükogeeniosakeste pinnal, kus nad võivad olenevalt ainevahetuse seisundist olla aktiivsel või mitteaktiivsel kujul. Paastumisel või stressirohketes olukordades (maadlus, jooksmine) suureneb organismi glükoosivajadus. Sellistel juhtudel vabanevad hormoonid adrenaliin ja glükagoon. Need aktiveerivad glükogeeni lagunemist ja pärsivad sünteesi. Adrenaliin toimib lihastes ja maksas, glükagoon aga ainult maksas.

Mõlemad hormoonid seonduvad retseptorid plasmamembraanil (1) ja aktiveeritakse G-valkude kaudu adenülaattsüklaas(2), mis katalüüsib 3,5"-tsüklo-AMP (cAMP) sünteesi ATP-st (ATP). Vastupidine peegel mõjutab seda sekundaarne sõnumitooja » fosfodiesteraas cAMP (3), hüdrolüüsides cAMP AMP-ks (AMP). Maksas indutseerib diesteraasi insuliin, mis seetõttu ei häiri kahe teise hormooni toimet (pole näidatud). cAMP seondub ja seeläbi aktiveerub proteiinkinaas A(4), mis toimib kahes suunas: ühelt poolt abiga fosforüülimine ATP kui koensüümi osalusel muutub see mitteaktiivseks D-vormiks glükogeeni süntaas ja järelikult peatab glükogeeni sünteesi (5); teisest küljest aktiveerib see – ka fosforüülimise teel – teise proteiinkinaasi, fosforülaasi kinaas(kaheksa). Aktiivne fosforülaasi kinaas fosforüleerib inaktiivset b-vormi glükogeeni fosforülaas, muutes selle aktiivseks a-vormiks (7). See viib glükoos-1-fosfaadi vabanemiseni glükogeenist (8), mis pärast fosfoglükomutaasi osalusel glükoos-6-fosfaadiks muundamist kaasatakse glükolüüsi (9). Lisaks moodustub maksas vaba glükoos, mis siseneb verre (10).

Kui cAMP tase väheneb, aktiveeruvad need fosfoproteiini fosfataas(11), mis defosforüülivad kirjeldatud kaskaadi erinevaid fosfoproteiine ja peatavad seeläbi glükogeeni lagunemise ja käivitavad selle sünteesi. Need protsessid toimuvad mõne sekundi jooksul, nii et glükogeeni metabolism kohaneb kiiresti muutunud tingimustega.

B. Glükogeeni fosforülaasi interkonversioon

Struktuurimuutused, mis kaasnevad glükogeeni fosforülaasi interkonversioonidega, tehti kindlaks röntgendifraktsioonianalüüsiga. Ensüüm on dimeer teist järku sümmeetriaga. Igal subühikul on aktiivne sait, mis asub valgu sees ja on b-vormis substraadile halvasti ligipääsetav. Vahetus algab seriinijäägi fosforüülimine(Ser-14) iga alaühiku N-otsa lähedal. Naaberalaühikute arginiinijäägid seonduvad fosfaatrühmadega. Seondumine algatab konformatsioonilisi ümberkorraldusi, mis suurendavad oluliselt ensüümi afiinsust allosteerilise AMP aktivaatori suhtes. AMP toime ja konformatsiooniliste muutuste mõju aktiivsetele kohtadele põhjustavad aktiivsema α-vormi tekkimise. Pärast fosfaadijääkide eemaldamist omandab ensüüm spontaanselt algse b-konformatsiooni.

Rasvhapete metabolismi hormonaalne reguleerimine

ainevahetuse ensüümi hormonaalne regulatsioon

adrenaliin ja glükagoon aktiveerib intratsellulaarse lipaasi. Nende hormoonide toimet vahendab adenülaattsüklaasi reaktsioonide kaskaad, alustades adenülaattsüklaasi aktiveerimisest ja lõpetades lipaasi fosforüülimisega, mis seejärel muutub aktiivseks ja lõhustab TAG-is estersidemeid. Glütserool plasmas lahustuva ainena transporditakse maksa, kus seda kasutatakse glükoneogeneesi reaktsioonides. Rasvhape transporditakse verega seerumi albumiiniga komplekside kujul erinevatesse organitesse ja kudedesse, kus nad osalevad oksüdatsiooniprotsessis.

Hormonaalne regulatsioon Valkude metabolism tagab nende sünteesi ja lagunemise dünaamilise tasakaalu.

· Valgu anabolism kontrollivad adenohüpofüüsi hormoonid ( kasvuhormoon), pankreas ( insuliini), meessoost sugunäärmed ( androgeen). Valkude metabolismi anaboolse faasi tugevdamine nende hormoonide ülejäägiga väljendub suurenenud kasvus ja kaalutõusus. Anaboolsete hormoonide puudumine põhjustab lastel kasvupeetust.

· Valkude katabolism mida reguleerivad kilpnäärme hormoonid türoksiini ja trijodotüronooni), kortikaalne ( glükokortikoidid) ja aju ( adrenaliin) neerupealiste ained. Nende hormoonide liig suurendab kudedes valkude lagunemist, millega kaasneb ammendumine ja negatiivne lämmastiku tasakaal. Hormoonide puudusega, näiteks kilpnääre, kaasneb ülekaalulisus.