Глава 12. Взаимосвязь путей метаболизма и их регуляция

Превращения различных классов органических веществ в клетке взаимосвязаны друг с другом и с состоянием энергетического обеспечения. Так, биосинтез белка тесно связан с образованием аминокислот. В свою очередь, синтез аминокислот находится в неразрывных отношениях с превращениями углеводов в процессах гликолиза и апотомического окисления, а также с метаболизмом ди- и трикарбоновых кислот в цикле Кребса. В то же время для обеспечения цикла Кребса его исходным субстратом (ацетил-КоА) используются предпочтительно моносахариды и жирные
кислоты.

Прослеживается и обратная взаимосвязь: при распаде белков освобождаются свободные аминокислоты, которые разными путями превращаются в промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот и таким образом используются в качестве предшественников синтеза углеводов, липидов, простетических групп ферментов и др.

Превращения различных классов органических веществ в клетке взаимосвязаны друг с другом и состоянием энергетического обеспечения

Цикл трикарбоновых кислот выполняет роль центрального связующего звена обменных процессов в клетках

Как следует из приведенных примеров, роль центрального связующего звена обменных процессов выполняет цикл трикарбоновых кислот, который объединяет различные пути метаболизма в единое целое (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Взаимоотношения между превращением различных классов веществ в клетке

Важную роль в обеспечении взаимосвязи между путями метаболизма играют ключевые промежуточные продукты обмена веществ (ключевые метаболиты). К ним относятся такие вещества, которые могут использоваться в разных обменных процессах. Представляя собой продукты одного пути обмена веществ, ключевые метаболиты выступают в роли субстратов для других путей. Так, образующаяся в гликолизе пировиноградная кислота далее может использоваться в качестве предшественника глюкозы (в глюконеогенезе), заменимых аминокислот (аланина), жиров (триацилглицеролов), в процессе окислительного декарбоксилирования, для образования исходного субстрата цикла трикарбоновых кислот, а также для синтеза высших жирных кислот, участвовать в образовании яблочной кислоты и т.д. (рис. 12.2). Таким образом, через пировиноградную кислоту оказываются взаимосвязанными различные пути метаболизма в клетке.

Рис. 12.2. Ключевая роль пировиноградной кислоты в обмене веществ

Помимо пировиноградной кислоты к ключевым метаболитам относятся:

• глюкозо-6-фосфат;
• ацетил-КоА;
• 2-оксоглутаровая кислота;
• глутаминовая кислота;
• изопентинилпирофосфат и многие другие.

Пировиноградная кислота — ключевой метаболит

К ключевым метаболитам относятся:

◊ глюкозо-6-фосфат;

◊ пируват;

◊ ацетил-КоА;

◊ 2-оксоглутаровая кислота;

◊ глутаминовая кислота;

◊ изопентинилпирофосфат

Ключевые метаболиты обеспечивают взаимосвязь различных путей обмена веществ в клетке

Ключевые метаболиты обеспечивают взаимосвязь различных путей обмена веществ в клетке. При этом возникает закономерный вопрос: если промежуточный продукт обмена способен использоваться в различных химических превращениях, то что будет приобретать решающее значение в определении направленности его превращений? С этим вопросом тесно связан вопрос о причинах существования тканеспецифических особенностей обмена ключевых метаболитов в клетках разных тканей организма человека.

Направленность метаболических потоков определяется величиной активности соответствующих ферментов, а также особенностями экспрессии их генов

Ответы на данные вопросы кроются в каталитической природе подавляющего числа химических превращений в клетках. Ввиду того что обменные процессы обеспечиваются соответствующими энзимами, направленность метаболических потоков (т.е. путей использования промежуточных продуктов обмена веществ) определяется величиной каталитической активности соответствующих ферментов, а также особенностями экспрессии кодирующих их генов.

Одновременно активность ферментов находится под жестким контролем большого числа факторов, оказывающих непосредственное влияние на скорость метаболических потоков в клетках. Существует несколько основных путей регуляции метаболических потоков, связанных с воздейст­вием на энзимы.