Взаємозв'язок і регуляція обміну речовин

Єдність обміну речовий в організмі. У живих тканинах організму, у його окремих клітинах всі обмінні проце­си тісно пов'язані один з одним, залежать один від одного і від­буваються як єдиний багатосторонній процес. Навіть перший етап обміну - перетравлення їжі - являє собою реакції розщеп­лення білків, жирів і вуглеводів у травному каналі, які відбува­ються одночасно.

У живому організмі здійснюється взаємоперетворення вуг­леводів, жирів і білків. Це проявляється в тому, що з вуглеводів їжі утворюються й відкладаються жири, а при їх нестачі пору­шується обмін жирів і збільшується потреба організму в білках.

Взаємозв'язок між обміном білків, жирів і вуглеводів вини­кає на основі спільності речовин, які утворюються при їх розпаді, а також на основі енергетичної залежності. Так, енергія, що ви­діляється при розщепленні одних сполук, використовується клі­тиною для синтезу інших.

Не можна провести також чіткої межі між органічними і мінеральними речовинами. Прикладом може служити метабо­лізм фосфору, який зв'язує в єдине ціле процеси білкового, вуг­леводного, ліпідного, мінерального й енергетичного обмінів в ор­ганізмі. Це ж можна сказати і про сірку, залізо, магній, цинк й інші елементи. Таким чином, мінеральний обмін являє собою одну з ланок загального обміну речовин в організмі.

На перших етапах обмін білків, жирів і вуглеводів здійсню­ється різними шляхами. Проте надалі утворюються однакові або близькі за будовою і властивостями речовини, які окиснюються до вуглекислого газу і води однаковими шляхами. Серед цих шляхів найбільше значення має цикл трикарбонових кислот, за допомогою якого здійснюється основний зв'язок між перетво­ренням білків, жирів і вуглеводів.

У циклі трикарбонових кислот відбувається окиснення ре­човин, що утворилися на перших етапах обміну, до кінцевих продуктів, а також утворення різноманітних сполук, які викори­стовуються для багатьох процесів біосинтезу.

Зв'язок між обміном вуглеводів і жирів. Давно відомо, що в людей, які споживають велику кількість вуглеводів, збільшуєть­ся відкладання жирів. Механізм утворення жирів з вуглеводів можна подати таким чином.

Утворення гліцерину, який є складовою частиною молекули жиру, відбувається при відновленні діоксіацетонфосфату, який утворюється з вуглеводів. У результаті реакції відновлення утво­рюється гліцеринфосфатна кислота, яка легко вступає в реакцію з активованими формами вищих жирних кислот з утворенням молекули жиру.

Біосинтез вищих жирних кислот здійснюється з ацетил-КоА (активної форми оцтової кислоти), яка також є проміжним про­дуктом обміну вуглеводів. Нарешті, джерелом атомів водню, необхідних для утворення вищих жирних кислот з ацетил-КоА, також є вуглеводи.

Таким чином, основними сполуками, що беруть участь у біо­синтезі жирів, є проміжні продукти обміну вуглеводів. Необхід­но підкреслити, що в обміні як вуглеводів, так і жирів спільним продуктом є ацетил-КоА, яка утворюється при окиснювальному декарбоксилюванні піровиноградної кислоти і при розщепленні вищих жирних кислот. Тому з ацетил-КоА можуть синтезува­тися не тільки жири, але й вуглеводи. Проте перетворення жи­рів у вуглеводи в організмі людини відбувається дуже незнач­ною мірою. Цей процес спостерігається у тварин, які впадають у зимову сплячку. В організмі таких тварин перед сплячкою, в осінній період, відкладається багато жиру, який потім поступо­во перетворюється в глікоген.

Зв'язок між обміном вуглеводів і білків. У процесі розщеп­лення вуглеводів у тканинах організму як проміжний продукт утворюється піровиноградна кислота, яка через ряд перетворень утворює щавлево-оцтову і α-кетоглутарову кислоти. Ці три α-ке-токислоти в результаті реакцій переамінуваняя дають відповідні а-амінокислоти: аланін, аспарагінову і глутамінову кислоти. Глутамінова кислота може виступати донатором аміногруп для утво­рення ряду інших амінокислот (проліну, оксипроліну, орнітину й ін.). Інші амінокислоти (замінні) також утворюються з проміж­них продуктів вуглеводного обміну. Проте утворення амінокис­лот в організмі людини за рахунок вуглеводів відбувається в об­межених кількостях і не має біологічного значення.

З іншого боку, амінокислоти, які утворюються при розщеп­ленні білків, шляхом дезамінування перетворюються у відпові­дні кетокислоти і, зокрема, у піровиноградну кислоту. Остання є центральним проміжним продуктом обміну вуглеводів. Таким чином, між обміном вуглеводів і білків також існує взаємозв'я­зок, що здійснюється через піровиноградну кислоту. На підставі сучасних даних можна зробити висновок, що перетворення біл­ків у вуглеводи відбувається головним чином через цю кисло­ту. Піровиноградна кислота утворюється в результаті дезамі­нування серину, аланіну і ряду інших амінокислот.

Крім того, вуглеводи можуть утворюватися з оцтової, янтар­ної і лимонної кислот, які є загальними субстратами обміну біл­ків І вуглеводів, а також жирів.

Зв'язок між обміном білків і жирів. При годівлі тварин їжею, багатою на білки, в їх організмі спостерігається посилене утво­рення жиру. Точний механізм цього процесу не встановлений. З цього питання існує лише припущення, що з продуктів обміну білків утворюються спочатку вуглеводи, а потім із них - жири.

Утворення білків із жирів, як і з вуглеводів, в організмі лю­дини може відбуватися в дуже обмежених кількостях, оскільки основним джерелом азотовмісних сполук у ньому є білки. Для біосинтезу амінокислот із кетокислот необхідний аміак, який звільняється майже винятково при обміні білків. Крім того, із жирів утворюється дуже мало піровиноградної і а-кетоглутарової кислот. Остання обставина також є причиною того, що жири не можуть відігравати істотної ролі в утворенні білків.

Взаємозв'язок основних ланок обміну білків, вуглеводів і жирів можна зобразити схемою:

Зв'язок між обміном вуглеводів і нуклеїнових кислот. Біо­синтез нуклеотидів і нуклеїнових кислот відбувається за раху­нок енергії, акумульованої в АТФ, причому переважно за раху­нок окиснення вуглеводів. Нуклеїнові кислоти, як відомо, необ­хідні для біосинтезу білків, тому обмін вуглеводів і нуклеїнових кислот нерозривно зв'язаний з обміном білків.

Крім того, при розщепленні нуклеїнових кислот і нуклеотидів звільняється певна кількість пентоз, які можуть перетворю­ватися в гексози, зокрема в глюкозу.

Зв'язок між обміном органічних і неорганічних сполук. Обмін органічних сполук нерозривно зв'язаний із водно-мінера­льним обміном. Насамперед, варто пригадати, що всі біохімічні процеси, пов'язані з перетворенням органічних сполук, відбува­ються у водному середовищі. Крім того, багато реакцій обміну відбуваються шляхом гідратації і дегідратації, а основна маса вуглекислого газу, що виділяється з організму, утворюється за рахунок кисню води.

Обмін органічних сполук тісно пов'язаний з обміном солей і окремих елементів. Так, без фосфатної кислоти не може здійсню­ватися синтез АТФ і обмін вуглеводів. Без магнію неможливі про­цеси окиснювального фосфорилювання, обмін нуклеїнових кислот у клітинах, а разом з цим і біосинтез білків. Без заліза не синтезу­ються молекули гемоглобіну, цитохромів, каталази і пероксидази, без міді - цитохромоксидази, тирозинази і ксантиноксидази.

За відсутності іонів магнію не проявляють свою активність АТФ-аза і креатинкіназа, без цинку - карбоангідраза. Тромбін не каталізує перетворення фібриногену у фібрин, якщо відсутні іони кальцію, І т.д.