РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ ЛЕКЦИЯ 1 1

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ (ЛЕКЦИЯ № 1)

1. В предыдущих лекциях Вы рассмотрели основные типы обмена: белков (аминокислот), нуклеиновых кислот (нуклеотидов), липидов (жирных кислот), углеводов, порфиринов в клетке. 2. Вы также рассмотрели их структурнофункциональную взаимосвязь. 3. Вместе с тем, Вы прекрасно понимаете, что вся эта совокупность биохимических процессов не может протекать не будучи управляемой (регулируемой) даже в отдельно взятой клетке, тем более в многоклеточном организме, в котором ещё и различные типы клеток имеют

4. Необходимость такой многоуровневой регуляции всей совокупности обменных процессов диктуется следующими причинами. 4. 1. Во-первых, клетка, тем более организм – это сложная САМООРГАНИЗУЮЩАЯСЯ СИСТЕМА. Причем обязательными условиями способности к самоорганизации являются: открытость системы биохимических реакций в клетке; их сильная термодинамическая неравновесность и нелинейность, а также обязательное наличие положительных и отрицательных

4. 2. Во-вторых, тем, что жизнедеятельность организма происходит в постоянно изменяющихся условиях среды, к которым он обязан постоянно приспосабливаться (АДАПТИРОВАТЬСЯ)! Жизнь, по определению Г. Селье (1960) - это процесс непрерывной адаптации к постоянно изменяющимся условиям внешней и внутренней среды.

5. Именно эффективность функционирования адаптивных (РЕГУЛЯТОРНЫХ) систем определяет эволюционный потенциал и продуктивность вида, его способность к сохранению и развитию в неадекватных условиях среды, состояние здоровья индивидуального организма. Нарушение процесса адаптации приводит к формированию предпатологических состояний, а в дальнейшем к развитию специфических заболеваний (Меерсон, 1981, 1993).

В этой связи, одна из важнейших задач науки о механизмах регуляции обмена веществ (адаптациях) - выявление ключевых механизмов обуславливающих этот процесс и разработка способов управления, ускоренного и облегченного протекания адаптаций. Определение функциональных характеристик ключевых адаптивных систем даёт возможность получить информацию о благополучии организма, популяции, вида, экосистемы при действии на них неблагоприятных факторов среды. Разработка методов управления активностью ключевых систем адаптации позволяет увеличивать стрессоустойчивость живых систем, оказывать профилактический и лечебный эффект в медицине. Эти задачи приобретают особую актуальность для биологических систем, находящихся в экстремальных экологических (климатических), а для человека и в социальных условиях.

6. Механизмы регуляции обмена веществ (биохимические адаптивные механизмы) можно разделить на две группы: - Во-первых, изменения структуры и функционирования генома, заключающиеся прежде всего даже не в мутациях различных типов и не в перераспределении генетического материала, а в изменениях на уровне экспрессии генома, УПРАВЛЯЮЩИМИ ПАРАМЕТРАМИ которой, помимо эндогенных факторов, являются РАЗДРАЖИТЕЛИ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ. - Во-вторых, функционирование регуляторных и защитных систем клетки и организма, в том числе, обеспечивающих стационарность (НО НЕ РАВНОВЕСНОСТЬ) прооксидантноантиоксидантных и ДНК-репарационных систем. Для многоклеточных организмов – системы эндокринной регуляции; для части высших животных организмов, включая человека – иммунорегуляторной и нервной систем.

7. Вместе с тем, конечным итогом всех этих внутри- и межклеточных механизмов являются изменения относительных скоростей протекания биохимических реакций за счет изменений активности определенных ферментов, т. к. известно, что этот путь в любой биологической системе является единственным способом организации биохимических процессов в саморегулирующуюся систему, другого пути сохранения энантиостаза и гомеостаза просто нет.

Кроме того, энзимы, с одной стороны, - продукт реализации генетической информации в процессах транскрипции-трансляции, а с другой, механизм при помощи которого генетическая информация управляет процессами в клетке. То есть, в основе всех процессов регуляции обмена веществ (адаптации) лежат биохимические структурно-функциональные перестройки, ведущими из которых являются изменения активности тех или иных ферментов за счет следующих возможных модификаций (вариаций) их каталитических свойств:

А. Каталитических свойств уже КМ kкат синтезированных E+S ES E +P молекул ферментов (КМ и kкат), вследствие их ингибирования, kкат[E][S] активации или V 0= посттрансляцион. КМ+[S] ной модификации веществами, находящимися в клетке.

Б. Каталитических КМ kкат свойств ферментов (КМ и kкат), за счет E+S ES E +P изменений в изоферментных спектрах, возникающих при переключеkкат[E][S] ниях в системах ре. V 0= гуляции активности КМ+[S] генома (репрессиидерепрессии определенных генов, кодирующих разные изоформы ферментов).

В. Каталитических свойств ферментов КМ kкат (КМ и kкат), , E+S ES E +P благодаря изменениям физикохимических свойств среды компартментов kкат[E][S] клетки, в которых локализованы V 0= ферменты КМ+[S] (например, вследствие трансформации состава липидной фазы клеточных мембран ее вязкости и свойств).

Г. Концентраций ферментов [E] из-за изменений скорости процессов биосинтеза или необратимой инактивации их молекул. КМ E+S kкат ES E +P kкат[E][S] V 0= КМ+[S]

Д. Концентраций субстратов [S], кофакторов и эффекторов за счет изменений их проницаемости через клеточные мембраны. КМ E+S kкат ES E +P kкат[E][S] V 0= КМ+[S]

8. Т. е. существуют следующие пути внутриклеточной регуляции обмена веществ: - Аллостерические механизмы регуляции активности ферментов: изменением концентрации субстратов и/или продуктов реакции, другими метаболитами, вторичными месенджерами гормонов, путем фосфорелирования или дефосфорелирования ферментов. - Активации зимогенов и высвобождение ферментов.

- - Регуляция управлением концентрацией ферментов (генная регуляция; репрессия и индукция оперонов). Мембранная система регулирования активности ферментов (путем изменения степени погружения энзимов в липидный слой; путем изменения трансмембранной проницаемости для молекул субстратов, коферментов, продуктов реакции; путем изменения трансмембранного потенциала и т. д. )

9. Механизмы межклеточной регуляции обмена веществ n Для нормального функционирования многоклеточного организма необходима взаимосвязь между отдельными клетками, тканями и органами. Эту взаимосвязь осуществляют 4 основные системы регуляции Рис. Системы регуляции метаболизма. А - эндокринная - гормоны секретируются железами в кровь, транспортируются по кровеносному руслу и связываются с рецепторами клеток-мишеней; Б - паракринная - гормоны секретируются во внеклеточное пространство и связываются с мембранными рецепторами соседних клеток; В - аутокринная - гормоны секретируются во внеклеточное пространство и связываются с мембранными рецепторами клетки, секретирующей гормон.

n n Центральная и периферическая нервные системы через нервные импульсы и нейромедиаторы; Эндокринная система через эндокринные железы и гормоны, которые секретируются в кровь и влияют на метаболизм различных клеток-мишеней; Паракринная и аутокринная системы посредством различных соединений, которые секретируются в межклеточное пространство и взаимодействуют с рецепторами либо близлежащих клеток, либо той же клетки (простагландины, гормоны ЖКТ, гистамин и др. ); Иммунная система через специфические белки (цитокины, антитела).

n n n А. Иерархия регуляторных систем Системы регуляции обмена веществ и функций организма образуют 3 иерархических уровня. Первый уровень - ЦНС. Нервные клетки получают сигналы, поступающие из внешней и внутренней среды, преобразуют их в форму нервного импульса и передают через синапсы, используя химические сигналы - медиаторы. Медиаторы вызывают изменения метаболизма в эффекторных клетках. Второй уровень - эндокринная система. Включает гипоталамус, гипофиз, периферические эндокринные железы (а также отдельные клетки), синтезирующие гормоны и высвобождающие их в кровь при действии соответствующего стимула. Третий уровень - внутриклеточный. Его составляют изменения метаболизма в пределах клетки или отдельного метаболического пути. Это мы уже разобрали

n n Роль гормонов в регуляции обмена веществ и функций Интегрирующими регуляторами, связывающими различные регуляторные механизмы и метаболизм в разных органах, являются гормоны. Они функционируют как химические посредники, переносящие сигналы, возникающие в различных органах и ЦНС. Ответная реакция клетки на действие гормона очень разнообразна и определяется как химическим строением гормона, так и типом клетки, на которую направлено действие гормона. В крови гормоны присутствуют в очень низкой концентрации. Для того чтобы передавать сигналы в клетки, гормоны должны распознаваться и связываться особыми белками клетки - рецепторами, обладающими высокой специфичностью. Физиологический эффект гормона определяется разными факторами, например концентрацией гормона (которая определяется скоростью инактивации в результате распада гормонов, протекающего в основном в печени, и скоростью выведения гормонов и его метаболитов из организма), его сродством к белкампереносчикам (стероидные и тиреоидные гормоны транспортируются по кровеносному руслу В комплексе с белками), количеством и типом рецепторов на поверхности клеток-мишеней.

Синтез и секреция гормонов стимулируются внешними и внутренними сигналами, поступающими в ЦНС n Эти сигналы по нейронам поступают в гипоталамус, где стимулируют синтез пептидных рилизинг-гормонов (от англ, release - освобождать) либеринов и статинов, которые, соответственно, стимулируют или ингибируют синтез и секрецию гормонов передней доли гипофиза. Гормоны передней доли гипофиза, называемые тройными гормонами, стимулируют образование и секрецию гормонов периферических эндокринных желёз, которые поступают в общий кровоток и взаимодействуют с клеткамимишенями.

1 - синтез и секреция гормонов стимулируется внешними и внутренними сигналами; n 2 - сигналы по нейронам поступают в гипоталамус, где стимулируют синтез и секрецию рилизинг -гормонов; n 3 - рилизинг-гормоны стимулируют (либерины) или ингибируют (статины) синтез и секрецию тройных гормонов. гипофиза; n 4 - тройные гормоны стимулируют синтез и секрецию гормонов периферических эндокринных желез; n 5 - гормоны эндокринных желез поступают в кровоток и взаимодействуют с клетками-мишенями; n 6 - изменение концентрации метаболитов в клетках-мишенях по механизму отрицательной обратной связи подавляет синтез гормонов эндокринных желез и гипоталамуса; 7 - синтез и секреция тройных гормонов подавляется гормонами эндокринных желез; n n n ⊕ - стимуляция синтеза и секреции гормонов; ⊝ - подавление синтеза и секреции гормонов (отрицательная обратная связь). Рис. 2. Схема взаимосвязи регуляторных систем организма.

n n Поддержание уровня гормонов в организме обеспечивает механизм отрицательной обратной связи. Изменение концентрации метаболитов в клетках-мишенях по механизму отрицательной обратной связи подавляет синтез гормонов, действуя либо на эндокринные железы, либо на гипоталамус. Синтез и секреция тропных гормонов подавляется гормонами эндокринных периферических желёз. Такие петли обратной связи действуют в системах регуляции гормонов надпочечников, щитовидной железы, половых желёз. Не все эндокринные железы регулируются подобным образом. Гормоны задней доли гипофиза (вазопрессин и окситоцин) синтезируются в гипоталамусе в виде предшественников и хранятся в гранулах терминальных аксонов нейрогипофиза. Секреция гормонов поджелудочной железы (инсулина и глюкагона) напрямую зависит от концентрации глюкозы в крови.

В регуляции межклеточных взаимодействий участвуют также низкомолекулярные белковые соединения цитокины. Влияние цитокинов на различные функции клеток обусловлено их взаимодействием с мембранными рецепторами. Через образование внутриклеточных посредников сигналы передаются в ядро, где происходят активация определённых генов и индукция синтеза белков. Все цитокины объединяются следующими общими свойствами: синтезируются в процессе иммунного ответа организма, служат медиаторами иммунной и воспалительной реакций и обладают в основном аутокринной, в некоторых случаях паракринной и эндокринной активностью; действуют как факторы роста и факторы дифференцировки клеток (при этом вызывают преимущественно медленные клеточные реакции, требующие синтеза новых белков); обладают плейотропной (полифункциональной) активностью.

Благодарим за внимание !

Скачать презентацию РЕГУЛЯЦИЯ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ ЛЕКЦИЯ 1 1

Регул_обмен_веществ_1.ppt

Количество слайдов: 25