Компартментализация метаболических путей

В клетках контроль за этапами метаболизма осуществляется путем разделения метаболических процессов по отдельным отсекам (компартментам). Примеры такой компартментализации показаны на рисунке:

Возможны некоторые обобщения:

метаболические взаимопревращения и биосинтезы в основном связаны с цитозолем. NADFH, необходимый для реакций восстановления, образуется также в цитозоле в результате окислительного пентозофосфатного пути превращения глюкозы окислительное расщепление, связанное с дыханием, протекает в митохондриях. В качестве коферментов обычно используются NAD+ и флавопротеины.

Интеграция метаболических путей служит основным целям, обеспечивающим жизнедеятельность организма: производство энергии в процессе окислительного распада пищевых веществ (механизмы высвобождения и использования энергии описаны выше) биосинтез веществ и структур. Производство ключевых метаболитов и восстановленных коферментов, необходимых для биосинтезов, обеспечивается интеграцией метаболических путей.

В большинстве случаев единым донором водорода для разных биосинтезов является NADFH, что тоже есть проявление интеграции. Ключевые метаболиты, находящиеся в точках разветвления метаболических путей, обеспечивают переключение метаболизма с одного пути на другой в зависимости от потребностей организма. Эти вопросы частично рассматривались ранее, поэтому приведем лишь некоторые примеры.

Глюкозо-6-фосфат образуется в точке соединения и разветвления таких процессов, как депонирование глюкозы - синтез гликогена, использование запасенного энергетического материала - распад гликогена, синтез NADFH - пентозофосфатный путь, производство энергии - аэробный распад глюкозы.

Пируват начинает общий для углеводов, белков и жиров путь катаболизма и открывает для них вход в цитратный цикл, где образуются метаболиты, используемые для глюконеогенеза и синтеза ряда аминокислот. Пируват тоже может быть субстратом для этих синтезов.

Ацетил-СоА - включает белки, жиры и углеводы в первую реакцию цитратного цикла. Он также служит субстратом для синтеза кетоновых тел, кроме того, в период пищеварения экспортируется в цитозоль в форме цитрата и используется для синтеза жирных кислот. Особенность метаболизма жирных кислот заключается в необратимости превращения ацетил-СоА в пируват и, следовательно, невозможности превращения жирных кислот в глюкозу.

Регуляторные механизмы переключения одного метаболического пути на другой частично рассматривались ранее. Можно заключить, что регуляция включает общие моменты: изменение концентрации ферментов; изменение активности ферментов; изменение концентрации субстратов, продуктов, а также кофакторов. Рассмотрим регуляцию метаболизма углеводов, жиров и белков под влиянием гормонов. Переключение метаболических путей под влиянием гормонов происходит постоянно в зависимости от ритма питания, состава пищи и физиологической активности организма.

В период пищеварения влияние гормонов направлено на запасание веществ-энергоносителей для использования их в последующий период. После всасывания из кишечника глюкозы ее концентрация в крови в период пищеварения увеличивается, и это является стимулом для секреции инсулина. Инсулин стимулирует процессы депонирования всех мономеров, образовавшихся в результате переваривания. Так, инсулин ускоряет синтез гликогена в печени и мышцах, синтез липидов и белков. Инсулин увеличивает поглощение глюкозы клетками и таким образом ускоряет пути ее использования

 

Цикл Рендла

В печени происходит спряжение углеводного и жирового путей обмена посредством ацетил-КоА. Так, в процессе окисления глюкозы и по мере накопления образовавшегося ацетил-КоА, не все соединение вступает в цикл Кребса, частично ацетил-КоА встраивается в цепь реакций, направленных на образование жирных кислот с различной длиной цепи, с последующим образованием триглицеридов при взаимодействии с глицерином. В свою очередь, липолиз и образование свободных жирных кислот способно давать в качестве энергетического субстрата ацетил-КоА и собственно глицерин, которые поступают в цикл трикарбоновых кислот (рис. 9). Сопряжение двух путей обмена получило название цикла Рендла. Рендл показал, что при избыточном поступлении в клетки свободных жирных кислот происходит увеличение содержания ацетил-КоА, которое сопровождается снижением активности прохождения цикла Кребса и увеличением накопления в клетках цитрата. Цитрат ингибирует активность фосфофруктокиназы - ключевого фермента в цикле Эмбдена-Меергофа, в результате чего снижается скорость фос-форилирования глюкозы и значительно замедляется утилизация глюкозы клетками. Следствием замедления транспорта и утилизации глюкозы становятся с одной стороны снижение интенсивности синтеза гликогена в клетках, а с другой - повышение содержания глюкозы в периферической крови. Поскольку мышечная ткань в качестве пластического и энергетического материала может использовать ацетил-КоА «жирового» происхождения, встраивая его в цикл Кребса, циркулирующая глюкоза остается невостребованной. Имеются достоверные данные, подтверждающие наличие прямой корреляции между накоплением липидов в мышцах и формированием инсулинорезистентности.

Физ роль: является одним из механизмов, обеспечивающих гомеостаз глюкозы