1 Азотистый обмен — обмен белков нуклеиновых кислот

1. Азотистый обмен - обмен белков, нуклеиновых кислот, нуклеотидов 2. Углеводный обмен 3. Липидный обмен 4. Энергообмен 5. Водно-солевой обмен

Стадии обмена Поступление веществ с пищей, переваривание, всасывание Межуточный обмен – переработка веществ и энергии в клетках Образование конечных продуктов и их выведение

Белки Аминокислоты Полисахариды Липиды Большие молекулы Глюкоза Глицерин, жирные кислоты Молекулы, играющие роль строительных блоков пируват Общий продукт расщепления Ацетил-Со. А Цикл лимонной кислоты NH 3 H 2 O CO 2 Конечные продукты катаболизма

Взаимосвязи липидного, углеводного и азотистого обмена - Общее энергообеспечение (АТФ, НАД(Ф)H) - Общие предшественники и промежуточные продукты (триозы, ацетил-Co. A) - Общий конечный путь (CO 2, мочевина) Липиды Углеводы Глюкоза Триацилглицериды НАДФH Жирные кислоты Гликоген Глюкозо-6 -Ф α-Глицерофосфат Белки АТФ Серин Глицин Триозофосфат НАДH НАДФH Лактат Пируват АТФ Аланин АТФ НАДH НАДФH Ацетоацетат Ацетил-Co. A АТФ Цитрат Стерины Оксалоацетат CO 2 Глутамат α-Кетоглутарат НАДH АТФ Аспартат Аргинин Цитруллин АТФ Мочевина Орнитин CO 2 NH 3

Анаболическая фаза обмена веществ начинается с потреблением пищи Катаболическая фаза обмена веществ через 4 -6 часов после приема пищи Рост инсулина, ЖК пептидов, лептина снижение глюкагона Снижение инсулина, рост глюкагона, катехоламинов запасание энергии, когда потребление калорий превышает потребность в них гликолиз, синтез гликогена, синтез триацилглицеридов, синтез белка переход с экзогенных на эндогенные источники энергии – гликоген, жировые депо, белок мышц гликогенолиз, глюконеогенез, липолиз, кетогенез, протеолиз

Роль печени в регуляции обмена веществ.

Печень получает и перерабатывает метаболическую информацию, играя центральную роль в координации обменных процессов Пе че на но чн е я в на ая ар от ор В Афферентация те ри Кишечник я на Печень Ж П еч ен оч на я ве ел Эфферентация чн ый пр от ок

Структура печеночной дольки Воротная вена Желчный проток Желчный капилляр Центральная вена Печеночная артерия Синусоид Гепатоциты Стрелками указано направление движения жидкостей

Процессы, идущие исключительно или преимущественно в печени Углеводы галактоза фруктоза глюкозо-6 -Ф глюконеогенез глюкоза Липиды холестерин жиры липогенез синтез холестерина желчные кислоты кетоновые тела Азотистые соединения образование мочевины синтез белков сыворотки синтез гема обмен ароматических а-к обмен нуклеотидов перенос метильных групп Печень выполняет важнейшую роль в адаптации обменных процессов к режиму питания, перераспределяя потоки питательных веществ между разными органами и тканями.

Связи печени и жировой ткани Прием пищи Голодание триацилглицериды углеводы пищи глюкоза кетоновые тела – на энергозатраты большинства органов печень гликоген глюкоза триацилглицериды ЛОНП Неэтерифицированные жирные кислоты адипоциты увеличение жировых запасов адипоциты липолиз

Связи печени и мышечной ткани Покой Работа печень глюкоза лактат мышца аэробный процесс окисления ЖК Голодание мышца анаэробный гликолиз глюкоза кетоновые тела аминокислоты мышца кетолиз – утилизация кетоновых тел, образующихся из ЖК

Связи печени и мозга нейромедиаторные аминокислоты мозг аммиак в составе глутамата и глутамина голодание мозг Кетоновые тела глюкоза печень мочевина печень

Связь печени и почек ацидоз, диабет глутамин печень почка выведение H+ в форме NH 4+ глюкоза

Объекты регуляции сигнальных соединений и метаболитов Направленность и интенсивность обменных процессов зависят от: доступности субстратов и энергии, активности транспортеров, активности ферментов. Регуляция активности ферментов: 1) регуляция субстратом и продуктом; 2) аллостерическая регуляция; 3) ковалентная модификация фермента (фосфорилирование); 4) регуляция транскрипции гена; 5) регуляция сплайсинга продуктов транскрипции; 6) регуляция стабильности м. РНК

Рецепторы – все белки, относящиеся к известным классам рецепторов гормонов Сенсоры – рецепторы или аллостерические белки для неспециализированных на сигнальной функции соединений (воспринимают уровень метаболитов) Рецепторы Сенсоры Сродство к лиганду Соединения с исключительно сигнальной функцией (гормоны) Минорные метаболиты Обычные метаболиты Концентрация

Как и гормоны, обычные метаболиты способны генерировать образование вторых посредников Ch. REBP - Carbohydrate-responsive element-binding protein Экспрессия генов Гормон Глюкоза Ch. REBP Рецептор α β γ Аденилатциклазы ц. АМФ G-белок Протеинфосфатаза 2 A Ксилулозо-5 -Ф Фосфолипазы Cβδ IP 3 Эффекты Ca 2+ PF 2 K/Pase Фруктозо-6 -Ф Вторые посредники PFK 1 Фруктозо-1, 6 -Ф 2 Фруктозо-2, 6 -Ф 2

Жирные кислоты глюкоза Минорные метаболиты Ядерные рецепторы группы PPARα PPARβ PPARγ Ядерные рецепторы группы LXRα LXRβ

Как и рецепторные протеинкиназы, сенсоры обычных метаболитов могут действовать на множество мишеней Ch. REBP Fox. O 1 HNF 4 SREBP 1 c TORC 2 Транскрипционные факторы AMPK Ферменты (печень) ACC 1/2 GPAT MCD HMG-Co. A m. TOR TSC 2 редуктаза ACC: ацетил-Co. A карбоксилаза GPAT: глицерол-3 -Ф ацилтрансфераза MCD: малонил-Co. A декарбоксилаза HMG: гидроксиметилглутарил m. TOR: мишень рапамицина у млекопитающих (киназа) TSC: супрессор туберозной склеротической опухоли e. EF 2 киназа

Азотистый обмен

Азотистый баланс – отношение потребленного азота к экскретируемому, важный показатель ростовых и анаболических процессов Срок жизни белков в организме, в среднем составляет 3 недели, варьируя от десятков минут до нескольких месяцев.

Гормоны с анаболической и катаболической направленностью действия Анаболические гормоны Катаболические гормоны СТГ (но: липолиз) Катехоламины Инсулин Глюкагон ИФР Глюкокортикоиды (но: анаболизм в печени) Тироксин (но: липолиз) Резистин Андрогены, эстрогены Адипонектин

Порочный круг при квашиоркоре – последствия недостаточного потребления белков Задержка роста Сывороточный альбумин Синтез собственных белков Переваривание в кишечнике ЛОНП Жировое перерождение печени Гемоглобин Потребление белка Отек Анемия Ферменты поджелудочной железы

Ca 2+ (ХЦК, гастрин, ГРП, Переваривание белков бомбезин, ацетилхолин) H+ Пепсиногены I и II желудка (синтез и Пища Пепсины (основные протеиназы желудка) секреция) ц. АМФ (секретин, ВИП, катехоламины) Глюкокортикоиды 12 -перстная кишка (энтероциты и бокаловидные клетки) энтеропептидаза Трипсины Трипсиногены (1 -3) Поджелудочная железа Химотрипсиноген Прокарбоксипептидазы (1, 2) ХЦК? Пища Ацетилхолин, инсулин, секретин, бомбезин Химотрипсин Карбоксипептидазы

Транспорт олигопептидов в клетки слизистой кишечника Na+, K+-АТФаза Na+/H+-обменник Na+ H+ K+ Просвет кишечника H+ Кровь H+ пептидаза аминокислоты Базолатеральная мембрана Pep. T 1, H+-пептидный котранспортер – низкая субстратная специфичность олигопептид Pep. T 1, H+-пептидный котранспортер Апикальная мембрана Сродство к субстратам: Pep. T 2 > Pep. T 1 Энергия для транспорта обеспечивается работой Na+, K+-АТФаза Инсулин (встраивание), дипептиды, глюкагоноподобный пептид - ГПП, лептин (синтез) Pep. T 2 экспрессируется в легких, мозгу, почках (обеспечивает реабсорбцию олигопептидов из мочи)

Системы транспорта аминокислот в кишечнике, почках, синапсах, других тканях Транспортная система Нейтральные аминокислоты Na+-зависимые A G Bo ASC N β-система y+L Na+-независимые L asc T b 0. + Основные аминокислоты Na+-зависимые B 0. + Na+-независимые y+ b 0. + y+L Кислые аминокислоты Na+-зависимые X-AG Na+-независимые x-c Субстрат Ala, Pro, N-метилированные а. к. Gly, Sar Широкая субстратная специфичность Ala, Ser, Thr, Cys, (Gln) Gln, Asn, His β-Ala, Tau Нейтральные (частичная зависимость от Na+) и основные а. к. Крупные нейтральные а. к. Ala, Ser, Thr, Cys Ароматические а. к. Нейтральные и основные а. к. Основные а. к. Нейтральные и основные а. к. L-Glu, L-/D-Asp Цистин/Glu обменник Другие субстраты: тиреоидные гормоны, биогенные амины

Активный энергозависимый транспорт аминокислот в эпителиальные клетки кишечника и облегченный транспорт из клеток в кровь Щеточная каемка Сопряженный с протонами транспортер аминокислот (PAT 1) а. к. H+ Просвет а. к. кишечника ц. АМФ PKA Na+/H+ обменник (NHE 3) PAT 1 - proton-coupled amino acid transporter 1 NHE 3 - sodium–hydrogen exchanger 3

Варианты зависимых от Na+ транспортеров аминокислот. А: транспортер SN 1 осуществляет совместный транспорт Na+ и аминокислоты (глютамина) в обмен на протон (протон необходим для переориентации SN 1 в мембране). Б: электрогенный транспортер ATA 1 действует сходно с SN 1, но не переносит протон. A Б SN 1 ATA 1 Na+ H+ а. к. H+ SN 1 способен транспортировать аминокислоту в обоих направлениях в зависимости от концентрации субстрата, протонов и мембранного потенциала гепатоциты ток крови глутамин [экскреция] [ацидоз] SN 1 H+ мочевина H+ глутамин синтаза Репрессор через сайленсер интрона 1 блокирует экспрессию глутаминсинтазы в перипортальных гепатоцитах

А: Димерный транспортер аминокислот b 0. + построен из тяжелой цепи rb. AT (красный цвет) и легкой цепи b 0. +AT (синий цвет), связанных дисульфидной связью. Локализован на апикальной поверхности клеток почек, тонкого кишечника, мозга. Б: Транспортер b 0. + осуществляет независимый от Na+ обмен нейтральных и двухосновных аминокислот и совместно с родственным транспортером LAT 2 -4 F 2 hc в кооперации с зависимыми от Na+ транспортерами обеспечивает реабсорбцию цистина, аргинина, лизина, орнитина. Недостаточность транспортера сопровождается цистинурией. [аминокислота] А Б Внеклеточная поверхность цистин Na+ моча -S-S- b 0. + LAT 2 реабсорбция цистина из первичной мочи Зависимые от Na+ транспортеры цистеин COOH Система L - обеспечение трансмембранного перемещения ам. к-т – плохих субстратов для Na+-зависимых транспортеров, путем облегченной диффузии. NH 2 кровь Na+ [аминокислота] (почки) SN 1 Глюкокортикоиды Реабсорбция аминокислот LAT 4 F 2 hc - Full=4 F 2 cell-surface antigen heavy chain; Short=4 F 2 hc

Межуточный обмен, образование конечных продуктов и их выведение

Строительный материал для белков и азотсодержащих соединений; источник энергии

Распад аминокислот Аминотрансферазы переносят аминогруппу на a-кетоглутарат. Образовавшийся глутамат подвергается окислительному дезаминированию. Обратные реакции обеспечивают синтез аминокислот обратимые реакции переаминирования окислительное дезаминирование – удаление избытка аминокислот Баланс между аминокислотами поддерживается за счет взаимопревращений. Обратная реакция – восстановительное аминирование

Взаимопревращения глутамата и глутамина цитозоль Глютамин – источник энергии, предшественник для глюконеогенеза, переносчик аммиака митохондрии Глюкагон, глюкокортикоиды

Регуляция обмена аммиака в печени и почках ГК-Рц ГЧЭ интрона 1 обеспечивает индукцию глюкокортикоидами экспрессии глутаминсинтазы Мышца, легкие [голод, диабет, стресс] Глутаминсинтаза [транскрипция, стабильностьм. РНК, стабильность белка] Кишечник [белковая пища] Печень Глюкагон ц. АМФ CRE GRE Глутаминаза [транскрипция] NH 3 [голод, диабет, стресс, белковая пища] Глутамат NH 3 Почки Стабилизация p. H GR Глутамин Глюкоза NH 3 Глюкокортикоиды Глутаминаза [стабилизация м. РНК] Цикл мочевины [ацидоз] Зета-кристаллин p. HRE 3’-нетранслируемой области Глутамат [cтресс] Глутаматдегидрогеназа [стабилизация м. РНК] [ацидоз] a-Кетоглутарат PEPCK [транскрипция] CRE ATF-2 SAPK p 38 Глюкоза

Сдвиги в метаболических процессах запускают процесс неопластической трансформации? Oncogene (2015), 1– 7

World Journal of Surgical Oncology (2016) 14: 15

Цикл мочевины – основной путь утилизации аммиака, образуюшегося из аминокислот и азотсодержащих соединений. Недостаточность ферментов ( гипераммониемия, цитруллинемия, аргининсукциникэсидурия, аргининемия) - рвота, летаргия, припадки, задержка умственного развития и психомоторной функции, увеличение печени, потери сознания, паралич 4 х конечностей и даже смерть.

Отдаленный энхансер обеспечивает стимуляцию транскрипции гена карбамоилфосфатсинтазы глюкокортикоидами и глюкагоном глюкокортикоид глюкагон C/EBP Энхансер гена аргиназы-1 обеспечивает стимуляцию глюкагоном и [опосредованно] глюкокортикоидами C/EBP – белок, связывающий ССААТ/энхансер HNF 3 глюкагон P 3 ГК-Рц Б А GRU м. РНК карбамоилфосфатсинтазы C/EBP Интрон-15 ГК-Рц C/EBP = CCAAT/enhancer binding protein HNF 3 = hepatocyte nuclear factor 3 ГК-Рц = рецептор глюкокортикоидов GRU = glucocorticoid-response unit Синергичное действие глюкагона и глюкокортикоидов на ферменты цикла мочевины орнитинкарбамоилтрансфераза м. РНК C/EBP глюкокортикоид стабилизация белка карбамоилфосфат синтаза аргининоянтарной кислоты транскрипция м. РНК аргиназы-1 аргиназа аргининсукцинатлиаза транскрипция стабилизация м. РНК

40 -50% от всех компонентов мочи Транспорт и концентрирование мочевины в нефроне UT – транспортеры мочевины; AQP -аквапорин Корковый слой кортикальная собирательна я трубочка восходящий венозный сосуд нисходящий артериальный сосуд AQP-2 Вазопрессин Мозговой слой наружная медуллярная собирательная трубочка UT-B UT-A 2 внутренняя медуллярная собирательная трубочка UT-A 1 UT-A 3 Экскреция

Регуляция циркадных ритмов и метаболизма с участием ядерного рецептора Rev-erbα

Figure. Bidirectional relationship between circadian clock, sleep-wake, and fasting-feeding behavior underlies maintenance of energy balance in the body. Nature and Science of Sleep 2016: 8

Сигналы света с сетчатки через ретиногипоталамический тракт попадают в супрахиазматическое ядро мозга – центральная синхронизация циркадных ритмов. В результате происходит активация генов PER 1, PER 2, PER 3, вызывающих бодрствование или его отмену (изменение физиологических процессов, таких как сердечно-сосудистая активность, деятельность мозга и др, а также метаболизм). Хроническая десинхронизация приводит к депрессии, ожирению, нарушению метаболического гомеостаза. Главный механизм молекулярных часов – петли негативной обратной связи, включающие транскрипционные факторы: CLOCK - circadian locomotor output kaput, BMAL 1 - The Brain and Muscle ARNT (Aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator)-like 1 и их гены - мишени - PERIOD (PER) и CRYPTOCHROME (CRY), а также ядерные рецепторы Rev-erb и ROR ( рецептор ретиноевой кислоты) The rev-Erb-α gene is encoded on the opposite strand of the alpha- TR gene.

Гетеродимер CLOCK- BMAL 1 связывается с энхансером E-box, локализованным в промоторном районе генов PER и CRY, активируя их транскрипцию. После трансляции белки PER и CRY осуществляют транслокацию в ядро и ингибируют CLOCK - BMAL 1, приводя к снижению транскрипции своих генов. Вторая петля обратной связи: гетеродимер CLOCK- BMAL 1 также индуцирует экспрессию Rev-erb и ROR. В свою очередь, ROR активирует транскрипцию CLOCK- BMAL 1, в то время как, Rev-erb репрессирует CLOCK и BMAL 1, связываясь с RORE – чувствительным элементом рецептора ретиноевой кислоты

Rev-erbα координирует циркадные ритмы и метаболизм гем-зависимым путем. Связывающий элемент Rev-erbα - RORE, присутствует не только в генах, отвечающих за биологические часы, но и в важных для метаболизма генах. Гем – физиологический лиганд Rev-erbα, рекрутирует корепрессорный комплекс – корепрессор ядерных рецепторов (NCo. R) и гистондеацетилазу 3 (HDAC 3) в гомодимеры Rev-erbα и усиливает репрессию генов – мишеней. Связывание гема с Rev-erbα вызывает ингибирование его собственного биосинтеза.

Ауторегуляция уровня гема с участием сенсора гема Rev -erbα Низкий уровень гема Rev-erb м. РНК PGC-1α Сукцинил -Co. A PGC-1α NPAS 2 м. РНК ALAS 1 Глицин ALAS 1 δ-аминолевулиновая кислота DR 2 Гем HDAC 3 NCo. R Гем Высокий уровень гема HDAC 3 Гем NCo. R Гем Rev-erb м. РНК PGC-1α NPAS 2 Сукцинил -Co. A м. РНК Глицин ALAS 1 δ-аминолевулиновая кислота Гем Лимитирующим ферментом биосинтеза гема является δ-аминолевулинатсинтаза (ALAS 1). Ее экспрессия стимулируется PPAR-γ коактиватором-1α (PGC-1), экспрессия которого находится под негативным контролем Rev-erbα. Высокий уровень гема в клетке усиливает репрессорную функцию Rev-erbα за счет рекрутирования корепрессора ядерных рецепторов (NCo. R) и гистондеацетилазы 3 (HDAC 3)

В гемопротеинах, таких, как гемоглобин и цитохромы, гем является простетической группой, функционирующей как переносчик кислорода и электронов. Однако, в избытке гем может служить причиной оксидативного стресса, взаимодействуя с О 2, что приводит к повреждению ДНК, окислению липидов и денатурации белков. Поэтому синтез гема очень жестко регулируется. Rev-erbα, таким образом, служит сенсором, чья функция – сохранять внутриклеточный уровень гема в строго ограниченных рамках в нормальных физиологических условиях.