Основы биохимии - А. А. Анисимов 1986

Интеграция и регуляция метаболизма
Уровни и принципы регуляции метаболизма

Для любого живого организма характерно состояние высокой степени упорядоченности, т. е. тонкое согласование всех биохимических процессов. Оно наблюдается в самых различных условиях существования живой материи: активности и покоя, индукции и репрессии, аэробиоза и анаэробиоза и т. д. Во всех этих случаях действуют регулирующие механизмы, обеспечивающие высокую степень приспособляемости живых организмов к соответствующей ситуации, благоприятное и целесообразное течение всех жизненных процессов.

В процессе эволюции в зависимости от условий жизни и уровня организации отдельных таксономических групп выработалась целая сеть регуляторных и контролирующих механизмов. Следует различать разные уровни систем регуляции. Наиболее простая из них — регуляция на уровне отдельных реакций. Можно предполагать, что уже на самых ранних этапах возникновения жизни из неорганической природы была «заимствована» элементарная система регуляции реакций, описываемая законом действующих масс: скорость реакции пропорциональна произведению концентраций реагирующих веществ. Для обратимых реакций это означает, что накопление продуктов реакции приводит к замедлению ее скорости. Таким путем у протобионтов (предшественники живых клеток) могли затормаживаться реакции, в результате которых произошло достаточное накопление того или иного вещества.

В дальнейшем в систему регуляции включались, видимо, небиологические катализаторы: катионы металлов, амины (катализируют декарбоксилирование) и т. д. Их каталитическое действие на следующих этапах эволюции усилилось в результате усложнения молекул, образования комплексов с белками, возникли ферменты — мощные катализаторы и регуляторы.

Следующий уровень регуляции — системы многих сопряженных реакций, целая клетка. На этом уровне первостепенное значение в регуляции имеет согласованно действующий ферментативный аппарат клетки с системой положительных и отрицательных обратных связей, включением в регуляцию генетического аппарата. Важно подчеркнуть, что на уровне систем ферментативных реакций уже достаточно хорошо функционирует саморегуляция, «биоавтоматика» — в этом смысл обратных связей. В регуляторных процессах на клеточном уровне велик удельный вес клеточных мембран, процессов компартментализации.

Высокоразвитые организмы в отличие от низших форм обладают дополнительными регуляторными механизмами. Природа их многообразна. Они могут, например, выражаться в том, что отдельные клетки в тканях и органах теряют свою автономность; их обмен веществ, скорость деления, секреция подчинены функциям органа. Появились факторы, включающие многоклеточные структуры в жизнь всего организма, согласовывающие и контролирующие в нем метаболизм и функции отдельных органов и тканей — нервная и эндокринная система.

В организме многоклеточных животных роль непосредственных, первичных посредников (мессенджеров) действия факторов внешней и внутренней среды выполняют гормоны и нервные импульсы.

Передача нервных импульсов от одного нейрона к другому и на иннервируемые ими клетки, ткани и органы осуществляется с помощью особой группы веществ — нейромедиаторов, или нейротрансмиттеров. Они секретируются нервными окончаниями и при передаче импульса выделяются в синаптическую щель; взаимодействуют со специфическими рецепторами на постсинаптической мембране. В результате взаимодействия медиатора с рецепторами мишени изменяется постсинаптическая мембрана и меняется ее ионная проницаемость. Выход в синаптическую щель управляется потенциалом пресинаптических мембран. Запускается ряд реакций, заставляющих постсинаптическую нервную клетку или клетку иннервируемой ткани, органа выполнять свои специфические функции. Длительность действия медиаторов регулируется определенными механизмами.

Типичными нейромедиаторами являются ацетилхолин и норадреналин. К этой группе веществ относят также адреналин, дофамин, серотонин, ГАМК, глицин и глутамат. Перечисленные соединения представляют различные классы химических веществ, поскольку понятие нейромедиаторы функциональное, а не химическое. Медиаторы в отличие от гормонов являются агентами контактного, а не дистантного действия, они проникают от места секреции к месту действия посредством диффузии, тогда как гормон, чтобы достигнуть клетки-мишени, должен попасть в подвижную жидкую среду организма (кровь, лимфа).

Рис. 12.1. Система двух посредников (мессенджеров) регуляции клеточных процессов:

1 и 2 - регуляторные субъединицы аденилатциклазы, тесно связанные с гормональным рецептором или являющиеся его составной частью, 3 — сопрягающая субъединица («сцепщик»), 4 — каталитическая субъединица

Таким образом система кровотока, по которой гармоны доставляются к тканям-мишеням, и нервная система служат в организме основными путями передачи информации. Именно они, в основном, обеспечивают в каждом органе или ткани и в целом организме согласованную интеграцию большого числа разнообразных реакций, процессов, создавая их гармоничный баланс в ответ на действие внешних и внутренних факторов. Анатомической и биохимической основой интеграции обоих путей потока информации является гипоталамус.

У человека и животных нервная система играет важнейшую роль в регуляции и интеграции обменных процессов. Расположенные во всех тканях многочисленные рецепторы постоянно информируют ЦНС о воздействии внешних факторов, состоянии обменных процессов. Затем осуществляется обратная связь между ЦНС и органами, тканями, протекает регуляция в них метаболизма. Денервация мышц, печени и других органов всегда приводит к глубоким нарушениям интенсивности и направленности метаболизма в денервированных тканях. Клинические исследования И. П. Павлова убедительно показали ведущую роль ЦНС в регуляции процессов пищеварения. В ЦНС расположены специальные центры, регулирующие отдельные виды обмена (например, «сахарный», см. разд. 6.8). Хорошо известны случаи угнетения обменных процессов при сильных нервных потрясениях (потеря аппетита, снижение основного обмена, выброс сахара в кровь и мочу). Достоверно показано, что чисто условно-рефлекторным путем можно изменять интенсивность углеводного, белкового и водного обмена.