Гуморальные механизмы регуляции в организме осуществляются с помощью химических веществ, которые образуются в процессе различных биохимических реакций. Биохимические процессы в организме основываются на молекулярном строении вещества, атомы которого соединены разными связями. При этом атомы одних веществ несут на себе положительный заряд, другие – отрицательный. При определенных условиях, делающих возможным течение химических реакций, молекулы веществ обмениваются своими составляющими (атомами или ионами).
В результате комбинации атомов и молекул образуются тысячи новых химических веществ. При этом может создаться впечатление, что вещества в клетке находятся в относительном покое. Однако молекулы веществ, подобно персонажам какого-нибудь светского бала, перемещаются в заданных направлениях, периодически обмениваясь между собой партнерами.
При рассмотрении функционирования клетки и ее составляющих (мембраны, цитоплазмы, органелл, ядра), в том числе генетического аппарата с биохимической точки зрения все происходящие в них процессы сводятся к разрыву одних химических связей и образованию других. Это дает возможность клетке поддерживать свою жизнедеятельность получая энергию, необходимую для поддержания подсистемы жизнеобеспечения, и выполняя специфические функции. Биохимические процессы являются основой обмена веществ. Обмен веществ обеспечивает самосохранение, рост, развитие и самовоспроизведение клеток организма.
Питательные вещества, поступающие в клетку через один из ее функциональных входов, превращаются в вещества, необходимые для поддержания жизнедеятельности клетки и выполнения ею специфических функций. Остаточные продукты обмена выводятся через выходы системы.
Конечной целью всех биохимических реакций, протекающих в организме, является выполнение двух основных функций. Первая из них – обеспечение постоянства внутренней среды (гомеостаза), непосредственное поддержание стабильности “подсистемы жизнеобеспечения”. Вторая – выполнение специальных функций, заключающихся в реагировании на определенные внешние воздействия (например, проведение нервного импульса нейроном, выработка гормона, перенос кислорода эритроцитом, сокращение мышечной клетки). Обе эти задачи решаются с использованием механизма обратной связи, который описан в предыдущем разделе.
Его суть состоит в том, что клетка помнит (часто на генетическом уровне) нормальное значение параметра и меняет значение текущего параметра до тех пор, пока оно не достигнет нормального. В этом смысле часто нельзя сказать, когда и где начался биохимический процесс. Можно назвать только параметр, который регулируется, и определить его нормальное значение.
Как же реализуется обмен веществ?
Для того чтобы вещество поступило к клеткам, оно должно сначала попасть в кровь. Только после этого, преодолев ряд внутренних барьеров, оно сможет дойти до цели, связаться с клетками-мишенями, вызвать нужные изменения в функционировании тканей, органов и систем (что и является проявлением его биологического действия) и, наконец, подвергнувшись превращениям (биотрансформации), или в неизмененном виде покинуть организм. При этом, как правило, происходит выделение энергии, в некоторых случаях – ее поглощение.Какими путями питательные вещества могут попадать в кровоток? Из желудочно-кишечного тракта питательные вещества проникают в кровь, которая переносит их по организму и доставляет в различные ткани органов и систем. Этот процесс обозначают термином всасывание (абсорбция). При поступлении белки, углеводы и липиды преобразуются в желудочно-кишечном тракте при участии активных ферментов, которые выделяются железами желудка, кишечника, поджелудочной железой и поступают с желчью. При всасывании вещества проходят через клеточные мембраны, играющие основную роль в процессах транспорта веществ.
Именно их ионные каналы и поры (“ворота” клетки структурно отражают понятие функциональных входов и выходов, участвующих в выполнении основных задач клетки. В дальнейшем из кровяного русла питательные вещества проникают в ткани, где подвергаются различным биохимическим процессам, в ходе которых превращаются в необходимые для клетки формы химических соединений.
Течение биохимических процессов в клетки. Источниками материалов для обновления структур и энергообеспечения служат пищевые продукты, в составе которых организм получает углеводы, липиды, белки, некоторые биологически активные соединения (например, витамины) и минеральные вещества.
Исходные соединения поступают в клетку не в готовом виде, а в виде “заготовок” из питательных веществ, которые она, по мере необходимости, перерабатывает для своих нужд и нужд организма. Изготовление “заготовок” происходит в процессе пищеварения, когда пища в желудочно-кишечном тракте подвергается расщеплению: белки – до аминокислот, углеводы – до моносахаридов (глюкозы и других соединений), жиры – до жирных кислот и моноглицеридов.
Низкомолекулярные биологически активные и минеральные вещества всасываются во внутреннюю среду преимущественно без какой-либо предварительной химической трансформации. Химические соединения с током крови поступают к клеткам, где включаются в процессы синтеза (образование специфических белков, углеводов, липидов и регуляторных соединений для клетки) процессы окислительно-восстановительных реакций, в ходе которых высвобождается энергия химических связей.
Следующий это этап, на котором питательные вещества подвергаются дальнейшему расщеплению и/или биотрансформации с целью получения в процессе биосинтеза собственных веществ. Основными реакциями, которые при этом протекают, являются окисление, восстановление, отщепление, гидролиз, синтез. Полученные соединения либо сразу расходуются “на строительные, ремонтные и хозяйственные нужды” клетки, либо аккумулируются в ней для последующего использования. Запасаются главным образом высокоэнергетические соединения – жиры, глюкоза в виде полимера (гликогена), которые при расщеплении высвобождают большое количество энергии.
Другие соединения, синтезированные “на экспорт” (гормоны, медиаторы и другие) выделяются (секретируются) за пределы клетки с целью коммуникации с соседними или отдаленно расположенными клетками. Например, оптимальная концентрация белков в клетке обеспечивается их синтезом из имеющихся в клетке аминокислот “по мере необходимости”. Реакции биосинтеза белка “запускаются” по механизму обратной связи, о котором рассказывалось в предыдущем разделе. Это касается в первую очередь выработки гормонов, медиаторов и других сигнальных молекул. Синтез белка на нужды самой клетки регулируется иначе – без включения механизмов гуморальной и нервной регуляции. Вероятно, клетка каким-то образом ощущает нехватку определенного белка (например компонента клеточной мембраны), сравнивает с генетически запрограммированной должной величиной, и это становится пусковым моментом для его выработки.
При рассмотрении механизмов биохимических процессов, протекающих в клетке, и их механизмов возникает много вопросов. Что заставляет клетку вырабатывать определенный белок? Как образуется такое многообразие белковых молекул? Давайте попробуем проследить на следующем примере. Предположим, мы съели шоколадку. Не углубляясь в последствия этого опрометчивого шага, скажем, что после такой углеводной нагрузки клеткам срочно потребуется переработать углеводы. “Нужен инсулин!” – кричат клетки, и мозг посылает указание бета-клеткам поджелудочной железы: “Прошение удовлетворить. Выработать инсулин!” Дальше начинается самое интересное.
Как клетки вырабатывают белок, в частности инсулин? Белки, согласно определению, – это сложные высокомолекулярные вещества, состоящие из аминокислот, которые, в свою очередь, являются органическими кислотами, содержащими одну или более аминогрупп. Всего аминокислот 20 (представим их бусинами разных цветов), а белки – это бусы, собранные в нужном порядке. Сколько же число белковых молекул (бус) можно составить, при условии, что количество аминокислот (бусин) в одной белковой цепи может достигать нескольких сотен!
Это определяет колоссальное разнообразие белков. Основной процесс, который лежит в основе начала синтеза белка, довольно сложен и до сих пор не изучен. Ученые считают, что в ответ на воздействие внешнего фактора (в данном случае избыток углеводов) сигнал каким-то образом поступает к ядру клетки, который и является инициирующим и основополагающим в запуске синтеза белка. Считается, что синтез белка начинается в ядре клетки. ДНК – основной носитель генетической информации, и, как вы уже знаете, представляет собой двойную спираль, закрученную вокруг общей оси. Ген – это участок ДНК, содержащий программу построения только одного определенного белка, например выше упомянутого инсулина. Афористическая формула “Один ген – один белок” была открыта всего полвека назад. Чтобы “прочитать” информацию, касающуюся синтеза данного белка, надо расплести и разъединить нити ДНК на участке нужного гена.
Транскрипция (первый этап биосинтеза белка) Важно отметить, что считывание информации с ДНК или с РНК возможно только в одном направлении. Этот механизм позволяет предупредить ошибки считывания (помните – Оля и Яло из сказки “Королевство кривых зеркал”). Итак, ген на матричной нити ДНК готов. За дело берется другой фермент (РНК-полимераза), и, как мозаику, достраивает РНК напротив гена. Помните принцип “ключ – замок”? Процесс переписывания информации с ДНК и одновременного достраивания РНК в биологии называется транскрипцией. Полученную РНК называют первичным (неактивным) транскриптатом. Процесс “созревания”, активации РНК проходит в ядре с участием ферментов, как ножницами вырезающим интроны (не несущие информации, “молчащие” участки РНК) и сшивающим оставшиеся “куски”.
Биологическое значение интронов до сих пор не выяснено, и очередная Нобелевская премия ждет своего обладателя. После всех этих преобразований мы имеем готовую матричную, или информационную мРНК. Надо заметить, что в одной клетке с одного гена можно переписывать последовательно несколько копий м-РНК, что позволяет, в конечном итоге, значительно увеличить объемы выработки нужного белка. В цитоплазму мРНК выходит и начинается новый этап – непосредственно синтез белковой цепи, или трансляция. Как только мРНК оказалась в цитоплазме, ее “принимает” в свои “объятья” рибосома. Напомним, что рибосома состоит из большой и малой субъединиц, между которыми имеется желобок, своеобразный канал, по которому и протягивается мРНК. Информация, записанная в мРНК подвергается переводу в другую систему знаков – на “язык белков” (его “алфавит” – аминокислоты). Рибосома перемещается на один шаг (кодон) по цепи мРНК, в ее активном центре оказывается новый триплет (кодон), к которому подходит транспортная РНК, прикрепляется к рибосоме и передает цепочку из аминокислот, рибосома вновь делает шаг и так далее.
Этот процесс проще изобразить, чем описать. Для повышения “производительности” процесса биосинтеза белка клетка образует полирибосомы), представляющие собой несколько рибосом, последовательно считывающих информацию с мРНК.
Образовавшаяся белковая молекула не остается в клетке в виде нити бус (это всего лишь первичная структура), она компактно “упаковывается” благодаря химическим и физическим связям, возникающим между аминокислотами, по мере удлинения белковой цепи. Вторичная структура белка похожа на спираль, а третичная – на плотный шарик (глобулу). Так называемая четвертичная структура образуется при объединении нескольких белковых молекул между собой и/или с другими молекулами. Пока вы вникали в материал предыдущего абзаца, в реальной клетке уже собрана значительная по размерам белковая цепь: синтез молекулы белка, состоящей из 100 аминокислот, занимает около 2 мин. Заканчивается сборка конкретной молекулы белка, когда в активный (“считывающий”) центр рибосомы попадает стоп-кодон мРНК, и белковая цепь обрывается .
Описывая биохимические реакции, мы опустили одну важную деталь. Многие реакции могут протекать и без помощи катализатора, но это займет колоссальное время (с учетом времени жизни конкретной клетки). А реакции в клетке идут с такими скоростями, которые недостижимы, при проведении их в пробирке. Здесь работает еще одно изобретение природы – ферменты, о которых мы упоминали, говоря о химическом строении клетки. Фермент – это катализатор, ускоряющий только одну химическую реакцию. Скорость протекания катализируемой ферментом реакции в организме увеличивается в сотни тысяч или миллионы раз (до 1014 раз).
Например, образование всего лишь одной водородной связи и сопряженное с этим изменение энергии активации может ускорить реакцию в 106 раз. Ферменты ускоряют протекание биохимических реакций в сотни тысяч или миллионы раз. Название фермента чаще всего состоит из двух частей, отражающих субстрат и выполняемую им функцию. Например, сукцинатдегидрогеназа – это фермент, который от субстрата – соединения янтарной кислоты (сукцинат) – отнимает атом водорода (дегидроген). Липаза – фермент, расщепляющий жиры.
Окончание “аза” говорит лишь о том, что данное слово обозначает фермент, который в 100% случаев является белком. Часть веществ, которые образуются в клетке, являются “отходами” метаболизма, они с током крови транспортируются к печени и почкам, а затем выводятся из организма. Образующиеся продукты, как правило, лишены не только специфической активности, но и, что очень важно, – токсичности. Напомним, что интенсивность протекания биохимических реакций в клетке варьирует на различных этапах жизненного цикла клетки. Во время деления клетки она минимальна, в период активного функционирования клетки процессы метаболизма и энергетического обмена протекают с максимальной скоростью. Таким образом, биохимические процессы, протекающие в организме, подчинены главному генетическому алгоритму – жизненному циклу и нацелены на выполнение основных задач.
