Низкомолекулярные белки межклеточного общения (факторы роста и другие цитокины) и их клеточные рецепторы.

Основные уровни регуляции процессов метаболизма:

- автономная саморегуляция ферментативной активности;

- нейро-гормоналъная регуляция;

- регуляция на генетическом уровне (контроль скорости биосинтеза ферментов и других белков, а также расщепляющих их ферментов - протеиназ).

Автономная саморегуляция как проявление способности белка соче­тать выполнение своей функции (например, катализ) с регулированием ее интенсивности, реализуемым за счет самих участников процесса (например: фермент, его субстрат и/или продукт). Фундаментальные принципы автономной саморегуляции ферментов: кинетические свойства фермента (характеризуемые величинами К_м и У_тах); аллостерические эффекты субстрата и/или продукта (непосредственного либо отдаленного). Саморегуляция простейшей ферментной системы (один фермент, один субстрат, один продукт). Возможные регуляторные проявления в системе из одного субстрата, двух ферментов и двух разных или одинаковых продуктов. Понятие об альтернативных путях метаболизма одного субстрата. Зависимость соотношения интенсивности этих путей от концентрации субстрата; от кинетических параметров обоих ферментов; от аллостерических влияний субстратов (продуктов) на "свой" или альтернативный фермент. Резервные пути метаболизма как способ защиты клетки от нежелательного накопления общего субстрата или одного из продуктов. Роль изоферментов в обеспечении специфики метаболизма в разных типах клеток. Мультиферментные системы - линейные и разветвленные. Особенности их автономной саморегуляции: стабильность концентраций промежуточных метаболитов при колебаниях скорости процесса в целом; ключевой фермент как лимитирующее звено метаболической цепи, чувствительное к аллостерическим влияниям ее метаболитов; пункты вторичного контроля. Представление о метаболических сетях.

Нейро-гормональная регуляция. Медиаторы и гормоны. Эндокринная система. Мембранный и внутриклеточный механизмы действия гормонов. Рецепторы гормонов как ферменты, лишенные каталитического центра и потому готовые лишь к обратимому связыванию лиганда, приводящему к изменению конформации (аналогия с первым этапом ферментативного катализа). Системы трансмембранного преобразования гормонального сигнала. Аденилатциклазная система. Циклические нуклеотиды и другие вторичные посредники между внешним стимулом и внутриклеточными исполнителями. Роль протеинкиназ в обеспечении специфики клеточного ответа. Стероидные и тиреоидные гормоны как регуляторы экспрессии генов, действующие в альянсе с ядерными белками. Локальные системы сигнальных молекул: паракринная, аутокринная и юкстакринная регуляция. Низкомолекулярные белки межклеточного общения (факторы роста и другие цитокины) и их клеточные рецепторы. Активация белков цитоплазмы, избирательно регулирующих транскрипцию генов, как механизм влияния цитокинов на развитие и дифференциацию клеток. Сочетанное воздействие разных цитокинов как фактор, определяющий фенотипическое состояние клетки.

Регуляция на генетическом уровне. Биосинтез белков (в том числе ферментов) как процесс реализации наследственной информации. Репликация ДНК. Молекулярные механизмы выявления и устранения дефектов в структуре ДНК. Ферменты и сигналы транскрипции. Биосинтез информационной (матричной) РНК; ее дозревание (процессинг). Механизмы трансляции: роль рибосомных и транспортных РНК; генетический код, его свойства. Посттрансляционная модификация белка. Молекулярные механизмы регуляции синтеза белка. Экспрессия генов и клеточная дифференцировка. Расшифровка генома человека (2001 г). Механизмы генетической изменчивости. Полиморфизм белков. Генные мутации. Наследственные болезни. Возможности коррекции врожденных дефектов метаболизма. Применение технологиий рекомбинантных и комплементарных ДНК для выявления и идентификации "минорных" белков и в картировании генов. Единство механизмов регуляции всех трех уровней.

 

 

43. Катаболизм и анаболизм. Эндэргонические и экзэргонические реак-ции в живой клетке. Макроэргические соединения. Дегидрирование субстратов и окисление водорода (образование воды), как источник энергии для синтеза АТФ.

Катаболизм - процесс расщепления органических молекул до конечных продуктов. Конечные продукты превращений органических веществ у животных и человека - СО₂, Н₂О и мочевина. В процессы катаболизма включаются метаболиты, образующиеся как при пищеварении, так и при распаде структурно-функциональных компонентов клеток. Реакции катаболизма сопровождаются выделением энергии (экзергонические реакции).

Анаболизм объединяет биосинтетические процессы, в которых простые строительные блоки соединяются в сложные макромолекулы, необходимые для организма. В анаболических реакциях используется энергия, освобождающаяся при катаболизме (эндергонические реакции).

Направление химической реакции определяется значением ΔG.

Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно и сопровождается уменьшением свободной энергии. Такие реакции называют экзергоническими.

Если при этом абсолютное значение ΔG велико, то реакция идёт практически до конца, и её можно рассматривать как необратимую.

Если ΔG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне; такие реакции называют эндергоническими.

Если абсолютное значение ΔG велико, то система устойчива, и реакция в таком случае практически не осуществляется. При ΔG, равном нулю, система находится в равновесии.

В биологических системах термодинамически невыгодные (эндергонические) реакции могут протекать лишь за счёт энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряжёнными. Многие из этих реакций происходят при участии аденозинтрифосфата (АТФ), играющего роль сопрягающего фактора.

Реакция фосфорилирования глюкозы свободным фосфатом с образованием глюкозо-6-фосфата является эндергонической:

(1) Глюкоза + Н₃РО₄ → Глюкозо-6-фосфат + Н₂О (ΔG = +13,8 кДж/моль).

Для протекания такой реакции в сторону образования глюкозо-6-фосфата необходимо её сопряжение с другой реакцией, величина свободной энергии которой больше, чем требуется для фосфорилирования глюкозы.

(2) АТФ → АДФ + Н₃РО₄
(ΔG = -30,5 кДж/моль).

При сопряжении процессов (1) и (2) в реакции, катализируемой гексокиназой, фосфорилирование глюкозы легко протекает в физиологических условиях; равновесие реакции сильно сдвинуто вправо, и она практически необратима:

(3) Глюкоза + АТФ → Глюкозо-6-фосфат + АДФ (ΔG = -16,7 кДж/моль).

В живых организмах существует целая группа органических фосфатов, гидролиз которых приводит к освобождению большого количества свободной энергии. Такие соединения называют высокоэнергетическими фосфатами (макроэргические соединения)

Соединение	Продукты реакции	- ΔG^0', ккал/моль	- ΔG^0', кДж/моль
Фосфоенолпируват	Пируват + Н3РО4	14,8	61,86
1,3-Бисфосфоглицерат	3-фосфоглицерат + Н3РО4	13,0	54,34
Карбамоилфосфат	Карбамат + Н3РО4	12,0	51,83
Креатинфосфат	Креатин + Н3РО4	10,3	43,05
Ацетилфосфат	Уксусная кислота + Н3РО4	10,3	43,05
АТФ	АДФ + Н3РО4	7,3	30,51
АДФ	АМФ + Н3РО4	6,6	27,59
Дифосфат(Н4Р2О7)	2 Н3Р04	6,6	27,59
Глюкозо- 1 -фосфат	Глюкоза + Н3РО4	5,0	20,90
Фруктозо-6-фосфат	Фруктоза + Н3РО4	3,8	15,88
Глюкозо-6-фосфат	Глюкоза + Н3РО4	3,3	13,79
Глицеролфосфат	Глицерин + Н3РО4	2,2	8,36

 

АТФ - молекула, богатая энергией, поскольку она содержит две фосфоаншдридные связи (β, γ). При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и ортофосфат Рi При этом изменение свободной энергии составляет -7,3 ккал/моль. При условиях, существующих в клетке в норме (рН 7,0, температура 37 °С), фактическое значение ΔG0' для процесса гидролиза составляет около -12 ккал/моль. Величина свободной энергии гидролиза АТФ делает возможным его образование из АДФ за счёт переноса фосфатного остатка от таких высокоэнергетических фосфатов, как, например, фосфоенолпируват или 1,3-бисфосфоглицерат; в свою очередь, АТФ может участвовать в таких эндергонических реакциях, как фосфорилирование глюкозы или глицерина. АТФ выступает в роли донора энергии в эндергонических реакциях многих анаболических процессов. Некоторые биосинтетические реакции в организме могут протекать при участии других нуклеозидтрифосфатов, аналогов АТФ; к ним относят гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ) и цитидинтрифосфат (ЦТФ). Все эти нуклеотиды, в свою очередь, образуются при использовании свободной энергии концевой фосфатной группы АТФ. Наконец, за счёт свободной энергии АТФ совершаются различные виды работы, лежащие в основе жизнедеятельности организма, например, такие как мышечное сокращение или активный транспорт веществ.

Таким образом, АТФ - главный, непосредственно используемый донор свободной энергии в биологических системах. В клетке молекула АТФ расходуется в течение одной минуты после её образования. У человека количество АТФ, равное массе тела, образуется и разрушается каждые 24 ч.

Использование АТФ как источника энергии возможно только при условии непрерывного синтеза АТФ из АДФ за счёт энергии окисления органических соединений. Цикл АТФ-АДФ - основной механизм обмена энергии в биологических системах, а АТФ - универсальная "энергетическая валюта".