11.13. Процессы обмена веществ регулируются множеством различных механизмов
Даже в простейшей бактериальной клетке может протекать более тысячи взаимозависимых реакций. Очевидно, что эта сложная система должна строго регулироваться. Более того, регуляция обмена веществ должна быть гибкой в силу непостоянства условий внешней среды. Исследование широкого круга организмов показало, что существует много различных механизмов регуляции метаболизма. Следует подчеркнуть, что хотя центральные метаболические пути в настоящее время почти полностью установлены, изучение механизмов их регуляции до сих пор находится в зачаточном состоянии. Немногие вопросы современной биохимии представляют собой настолько важную и захватывающую проблему.
Главный механизм регуляции метаболизма - контроль количества некоторых ферментов. Этот механизм широко исследовался у бактерий. Регуляция скорости синтеза 
галактозидазы и других белков, необходимых для использования лактозы, представляет собой классический пример, который детально рассматривается в гл. 28. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что регуляции подвержена также скорость расщепления некоторых ферментов. Регуляция метаболизма достигается и путем контроля каталитической активности определенных ферментов. Общий и важный механизм регуляции - обратимый аллостерический контроль. Например, во многих биосинтетических процессах имеет место аллостерическое ингибирование первой реакции конечным продуктом процесса; это взаимодействие называют ингибированием по принципу обратной связи, или ретроингибированием. Активность некоторых ферментов модулируется также путем ковалентных модификаций, таких, как фосфорилирование специфического серинового остатка.
Важный общий принцип метаболизма состоит в следующем: пути биосинтеза и
Рис. 11.14. Стадии извлечения энергии из пищевых веществ.
Рис. 11.15. Влияние энергетического заряда на относительную скорость типичного генерирующего АТР (катаболического) пути и типичного использующего АТР (анаболического) пути.
распада почти всегда разобщены. Это разобщение, как будет показано в последующих главах, необходимо по энергетическим причинам. Оно также способствует регуляции метаболизма. У эукариот возможности метаболической регуляции и ее гибкость усиливаются благодаря наличию компартментации. Например, окисление жирных кислот протекает в митохондриях, а их синтез - в цитозоле (растворимой части цитоплазмы). Компартментация пространственно разобщает эти противоположно направленные реакции.
Многие метаболические реакции отчасти регулируются энергетическим статусом клетки. Показателем энергетического статуса служит энергетический заряд, который пропорционален сумме молярной фракции АТР и половины молярной фракции ADP (учитывая, что АТР содержит две, а ADP - одну ангидридную связь). Отсюда энергетический заряд вычисляется по формуле
Значение энергетического заряда может колебаться от 
(в системе присутствует только AMP) До 1 (в системе присутствует только АТР). Дэниел Аткинсон (Daniel Atkinson) показал, что метаболические пути, ведущие к синтезу АТР, ингибируются высоким энергетическим зарядом, тогда как пути использования АТР стимулируются высоким энергетическим зарядом. При графическом изображении зависимости между скоростью этих процессов (генерирования и использования АТР) и энергетическим зарядом кривые идут наиболее круто вблизи значения энергетического заряда 0,9, при котором они обычно пересекаются (рис. 11.15). Очевидно, что регуляция этих путей метаболизма направлена на поддержание энергетического заряда в сравнительно узких пределах. Другими словами, энергетический заряд, так же как рН клетки, забуферен. Его значение в большинстве клеток находится в диапазоне 0,80-0,95. Другой показатель энергетического статуса - это потенциал фосфорилирования, который определяется уравнением
Потенциал фосфорилирования в противоположность энергетическому заряду зависит от концентрации 
и прямо связан со свободной энергией, высвобождаемой при. расщеплении АТР.
Заключение
Клетки извлекают энергию из окружающей среды и превращают питательные вещества в клеточные компоненты при помощи высокоинтегрированной системы химических реакций, называемой обменом веществ, или метаболизмом. Наиболее ценная для понимания энергетики метаболизма термодинамическая концепция - это концепция свободной энергии, являющейся критерием способности системы выполнять полезную работу при постоянном давлении и постоянной температуре. Реакция может протекать спонтанно только при отрицательном значении изменения свободной энергии 
не зависит от пути, по которому идет реакция, и зависит только от природы реагирующих веществ и их активности (которую можно иногда примерно определять по их концентрации). Изменение свободной энергии реакции в условиях, когда активность реагирующих веществ и образующихся
продуктов равна единице, называется изменением стандартной свободной энергии 
Биохимики обычно используют символ 
обозначающий изменение стандартной свободной энергии при 
универсальная энергетическая валюта в биологических системах, представляет собою богатую энергией молекулу, что обусловлено наличием в ней двух ангидридных связей. Электростатическое отталкивание между этими отрицательно заряженными группами уменьшается при гидролизе АТР. ADP и 
стабилизируются под действием резонанса в большей степени, чем АТР. Гидролиз АТР сдвигает равновесие сопряженной реакции примерно в 108 раз.
Основная стратегия метаболизма состоит в образовании АТР, NADPH и предшественников макромолекул. АТР потребляется при мышечном сокращении и других видах двигательной активности клеток, в активном транспорте и в различных процессах биосинтеза. NADPH, являющийся носителем двух электронов с высоким потенциалом, обеспечивает восстановительные эквиваленты для биосинтеза клеточных компонентов из более окисленных предшественников. АТР и NADPH непрерывно образуются и потребляются. Извлечение энергии из питательных веществ у аэробных организмов происходит в три стадии. На первой стадии крупные молекулы распадаются на более мелкие, такие, как аминокислоты, сахара и жирные кислоты. На второй стадии эти небольшие молекулы расщепляются до нескольких простых компонентов, играющих повсеместную роль в метаболизме. Одним из таких компонентов является ацетильная часть ацетил-СоА, носителя активированных ацильных групп.
Рис. 11.16. Модель аденозинтрифосфата (АТР).
Третья стадия метаболизма представлена циклом трикарбоновых кислот и окислительным фосфорилированием, в ходе которых молекулы, играющие роль топлива, полностью окисляются до 
что сопровождается образованием АТР при переносе электронов на 
конечный их акцептор.
Регуляция метаболизма осуществляется различными путями. Количество некоторых лимитирующих ферментов контролируется скоростью синтеза и распада белка. Кроме того, каталитическая активность ряда ферментов регулируется аллостерическими взаимодействиями (как при ингибировании по принципу обратной связи) и ковалентными модификациями. Компартментация и разобщение путей биосинтеза и расщепления также вносят определенный вклад в регуляцию обмена веществ. Энергетический заряд, зависящий от относительных количеств АТР, ADP и AMP, также участвует в механизмах регуляции. Высокий энергетический заряд ингибирует процессы, связанные с генерированием АТР (катаболиче-ские пути), но стимулирует использование АТР (анаболические пути).
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
(см. скан)
