Наконец, существуют и резервные белки -- некоторые белки плазмы крови, печени и скелетных мышц. В организме человека их около 5 кг. Правда, в основном они служат резервом для синтеза различных функционально важных белков -- структурных и ферментных, но в тяжелых условиях часть образующихся из них аминокислот, теряя свои азотсодержащие аминогруппы, может подвергаться окислению, снабжая организм дополнительно еще около 40 200 кДж (окисление 1 г белка дает 13.7 кДж). Таким образом, запасы энергии организма человека составляют суммарно около 207 030 кДж. По мере уменьшения этих запасов они пополняются за счет продуктов питания, а при полном голодании постепенно используются, поддерживая жизнь в течение того или иного времени. Чем интенсивнее идут процессы обмена веществ, тем быстрее они расходуются.

Интенсивность обмена веществ зависит от массы и относительной поверхности тела: чем масса меньше и отношение поверхности к массе выше, тем обмен веществ интенсивнее. Сравним мышь и слона. Масса тела первой составляет 20 г, а второго -- 3.7 · 106 г. Потребление же кислорода, отражающее интенсивность обмена веществ, у мыши равно 1.70 мл/(г · ч), а у слона -- 0.11 мл/(г · ч), т. е. почти в 15 раз ниже! Еще примеры. При полном голодании человек теряет за 1 сут. 0.6% массы тела, собака -- 1.9, кошка -- 3.1, морская свинка -- 5.2, мышь -- 7.5%. Соответственно этому выживаемость при голодании различна: мышь (масса тела 20--30 г) погибает на 2-4-е сут, морская свинка (300--500 г) -- на 8--10-е, кошка (2.0-2.5 кг) - на 14-21-е, собака (20 кг) - на 30-40-е, а человек (масса тела 70 кг) -- на 40--75-е сут.

В зависимости от условий среды и функциональной активности организма существенно варьирует и интенсивность обмена веществ. Например, при мышечной деятельности максимальной и субмаксимальной мощности расход энергии (а значит, и обмен веществ) может возрастать в 100--150 раз, а при зимней спячке снижаться в 10--15 раз. Соответственно в широком диапазоне активируются и энергопоставляющие процессы: аэробное окисление глюкозы и жирных кислот Может повышаться более чем в 10 раз, а анаэробное использование глюкозы (гликолиз) -- в 100 раз. В большой степени может увеличиваться и транспорт источников энергии из депо в органы потребители: содержание глюкозы в крови -- в 3.5--4 раза, жирных кислот -- в 8 раз. В широких пределах может изменяться и содержание в крови различных регулирующих веществ, прежде всего гормонов: глюкокортикоидов -- в 4 раза, альдостерона -- в 15, адреналина и норадреналина -- почти в 10, глюкагона -- в 2, соматотропина -- в 10 раз. Эти сдвиги напряженности обмена веществ связаны главным образом с активностью ферментов (скоростью катализируемой ими реакции), которая может повышаться в 5--6 раз и более.

Активность фермента зависит прежде всего от количества субстрата, т. е. вещества, подлежащего химическому превращению в процессе реакции. Всякая ферментативная реакция протекает по уравнению Ц + С = ФС = Ц -f-+ Р, где Ц -- фермент, С -- субстрат, ФС -- фермент-субстратный комплекс, Р -- продукт реакции. Началом реакции является образование этого комплекса (ФС) -- присоединение субстрата к активному центру фермента. Затем внутри этого комплекса происходит химическое превращение субстрата в продукт реакции (например, расщепление его на два новых вещества), и комплекс распадается с освобождением продукта реакции и фермента, готового к взаимодействию с новой молекулой субстрата. Естественно, чем больше субстрата, тем полнее насыщены им молекулы фермента и тем большим будет эффект реакции. При полном насыщении всех имеющихся молекул фермента скорость реакции максимальна. Но еще большее увеличение концентрации субстрата может препятствовать расщеплению комплекса ряда ферментов с их субстратами и тем снижать скорость ферментативной реакции. Это явление получило название субстратного угнетения (ингибирования) активности ферментов.

Активность ферментов зависит также от температуры и реакции среды. У каждого фермента определенный температурный оптимум, при котором скорость реакции наивысшая. Для большинства ферментов животного организма термический оптимум лежит в области температуры тела: 35--40 °С. Но для ферментов тканей, соприкасающихся с внешней средой (кожа, дыхательные пути, легкие, слизистые оболочки пищеварительного тракта) он более широк, чем для ферментов внутренних органов, и расположен в области более значительного температурного диапазона. Это одно из проявлений приспособления организма к условиям среды. Так, у птиц, температура тела которых выше (40--41°С), чем у млекопитающих (36 --37 °С), более высокие и термические оптимумы ферментов.

При увеличении температуры выше 45--50 0C ферменты становятся неактивными вследствие денатурации их молекул. При глубоком охлаждении (от --20 до --40°С) они тоже теряют активность, но обратимо. Даже после охлаждения до --196 0C ферменты при оптимальной температуре снова проявляют свою активность в полной мере. Значит, высокие температуры вызывают необратимую, а низкие -- обратимую денатурацию молекул ферментов.

Оптимум реакции среды для разных ферментов варьирует в весьма широких пределах. Реакция среды зависит от соотношения в ней кислых ионов водорода (H+) и щелочных ионов гидроксила (ОН~). Концентрации этих ионов -- величины сопряженные: увеличение концентрации H+ влечет за собой снижение концентрации OH-, и наоборот. Реакция среды измеряется водородным показателем рН от 1 до 14. При нейтральной реакции, когда концентрации H+ и OH- одинаковы, он равен 7, при повышении концентрации H+ -- ниже 7 (кислая реакция), а при увеличении концентрации OH- -- больше 7 (щелочная реакция). Есть ферменты, оптимум активности которых лежит при кислой реакции. Например, оптимум активности пепсина -- фермента желудочного сока, расщепляющего белки, при рН 2. Есть ферменты с нейтральным или щелочным оптимумом. Так, оптимум амилазы -- фермента, расщепляющего крахмал, при рН 7, а щелочной фосфатазы печени -- при рН 10. Для большинства тканевых ферментов оптимум их рН находится в слабощелочной (рН между 7 и 8) или в нейтральной (рН 7) реакции, но некоторые тканевые ферменты (например, кислые гидролазы лизосом) имеют оптимум при кислой реакции среды.

Биологический смысл нахождения оптимума рН тканевых ферментов не в нейтральной, а в слегка кислой или слегка щелочной среде, в том, что при функциональной активности клетки реакция ее внутренней среды может сдвигаться в ту или другую сторону (чаще в кислую) -- и тогда активность ферментов ее против состояния покоя возрастает. На активность ферментов могут влиять и различные активаторы, например ионы металлов: Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Mn2+ и др., а также Cl-.

Особый интерес представляет аллостерическая активация. Установлено, что ряд ферментов наряду с активным каталитическим центром -- участком молекулы, присоединяющим субстрат, имеет еще один центр, способный взаимодействовать с каким-либо другим веществом, отличающимся по своему строению от субстрата, но способствующим такому изменению третичной структуры ферментного белка, какое сопровождается смещением взаиморасположения атомных групп активного центра, приводящим к активации фермента. Такие ферменты получили название аллостерических (от греческих слов Ьллпт -- другой, иной и уфЭсепт -- пространство), связываемое вещество -- аллостерического эффектора, а место связывания -- аллостерического центра. В качестве эффекторов могут выступать многие вещества, содержащиеся в клетке или приносимые к ней кровью: АМФ, глюкозо-6-фосфат, различные продукты обмена веществ, гормоны и пр.

Активность ферментов регулируется не только путем ее повышения, но и угнетения (ингибирования) от сравнительно небольшого до полного. Вещества, при посредстве которых это осуществляется, называются ингибиторами. Ингибирование может быть обратимым и необратимым. Естественные ингибиторы (И), содержащиеся в организме, действуют, как правило, обратимо, т. е. способны не только присоединяться к ферменту (Ф); но и снова отщепляться от него: Ц + И ^ ФИ. Как правило, необратимо действующие ингибиторы -- различные яды, используемые в опытах с изучением структуры и действия ферментов.

Ингибирование может быть конкурентным. Это происходит в том случае, когда ингибитор по своей структуре близок к субстрату и способен вместо него занять активный центр. Такой ингибитор настолько близок по строению к субстрату, что может плотно блокировать активный центр, однако имеющиеся отличия мешают ему подвергнуться тем же превращениям, что и субстрат. Заняв «чужое» место, он уподобляется «собаке на сене»: и сам не претерпевает изменений, и мешает превращениям субстрата. Примером такого конкурентного ингибитора может служить малоновая кислота (I) -- ингибитор

фермента сукцинатдегидрогеназы, катализирующей окисление янтарной кислоты (II):

(I)(H)

Как видим, структура обеих кислот весьма близка, но окисляться, как янтарная кислота -- с образованием фумаровой (III), -- малоновая не может из-за наличия в ней только одной группы = СНг:

(HI)

Ингибирующим может быть и аллостерический эффект, подобный аллостерической активации, с той лишь разницей, что с присоединением к ферменту аллостерического ингибитора активный центр фермента изменяется так, что активность фермента понижается или утрачивается.

Если рассмотренных путей активации ферментов при той или иной ситуации оказывается недостаточно, то это может явиться стимулом усиления синтеза данного фермента. В зависимости от условий скорость синтеза ферментов способна широко варьировать: от нескольких минут до часов. Все находящиеся в клетке ферменты принято разделять на две группы: конститутивные, в том или ином количестве всегда присутствующие в клетке, и адаптивные (или индуцибельные), синтезируемые только в ответ на появление в клетке соответствующего субстрата. Гены адаптивных ферментов находятся в состоянии репрессии и вступают в действие только под влиянием индуктора и дерепрессора -- вещества, удаляющего репрессор с соответствующего участка ДНК. Индукторами могут быть различные вещества, нередко -- продукты обмена веществ (метаболиты) и даже сам субстрат данного фермента. Например, повышение в мышечном волокне концентрации аминокислоты орнитина индуцирует весьма быстрый синтез фермента орнитин декарбоксилазы.

Но повышенно синтезироваться могут и конститутивные ферменты, если того требуют вызванные влиянием внешней среды изменения обмена веществ и если наличная популяция (количество молекул) фермента «не справляется» с потоком субстратов или не обеспечивает необходимого количества продуктов. Дело в том, что белок - синтезирующий аппарат в обычных условиях работает не в полную силу, а при повышении концентрации субстрата той или иной реакции или при недостатке тех или иных продуктов, являющихся субстратами последующих реакций, он дополнительно активируется и обеспечивает увеличение содержания фермента в клетке за счет его повышенного синтеза.

Конечно, это не значит, что синтез конститутивных ферментов происходит лишь при каких-то особых обстоятельствах. То, что было сказано выше, относится к усилению синтеза ферментов, приводящему к повышению содержания их в клетке. Каждому ферменту, как и любому веществу в организме, свойствен определенный «период жизни». Все вещества в организме (а особенно белки) постоянно разрушаются и синтезируются, обновляя свой состав. При этом в обычных условиях сколько вещества расщепляется, столько и синтезируется, и содержание того или иного химического соединения в клетке остается неизменным. Все это в полной мере свойственно и конститутивным ферментам. Как видим, возможности организма в приспособлении его к условиям среды достаточно велики и разнообразны.

Необходимо отметить, что все изменения обмена веществ, вызываемые условиями существования, контролируются нервной системой, интегрирующей их в интересах организма как целого. Это можно наглядно продемонстрировать расчетами немецких физиологов В. Холльмана и Т. Хеттингера. Рассматривая рабочие резервы организма (его мышечной и нервной системы), авторы разделили их на четыре группы: используемые при автоматизированных движениях («15%); физиологические («20%); специальные, расходуемые в различных сложных ситуациях, например при мышечной деятельности очень высокой интенсивности или длительности, охлаждении организма, пребывании его в условиях гипоксии и т. п. («35%), и автоматически защищаемые («30%), снижение которых опасно для жизни. Между расходованием третьей и четвертой группы резервов и стоит на страже центральная нервная система, накладывающая вето на использование «неприкосновенного запаса». Конечно, этот запрет -- охранительное торможение, возникающее в центральной нервной системе и влекущее за собой снижение функциональной активности, в известных условиях может быть преодолен (например, при стремлении животного уйти от преследователя). Однако последствия этого могут не только спасти организм, но и привести его к гибели.

Страницы: 1, 2