Общие аспекты патофизиологии обмена веществ и регуляции метаболизма

Обмен веществ — сложная система химических реакций, связанных между собой через пластические компоненты, энергетическое обеспечение и общие регуляторы. Целями этих реакций являются извлечение энергии, получение структурных блоков и синтез полимеров, строение которых соответствует индивидуальной генетической программе организма, создание и инактивация сигнальных молекул и разрушение полимерных соединений, сконструированных согласно чужим программам.

Биохимическая схема обмена веществ включает цепи, каскады и циклы химических превращений, связанные метаболическими путями.

Как противоречивая равновесная система разнонаправленных процессов, обмен веществ не может быть весь изменен в каком-то одном направлении, поэтому выражения типа «обмен веществ усилился», «болезнь привела к снижению обмена веществ» хотя и присутствуют в профессиональном жаргоне медицинских работников, являются неточными и неверными.

При любой форме патологии различные химические реакции изменяются разнонаправленно: так при инсулинзависимом сахарном диабете усиливаются глюконеогенез и распад гликогена, но тормозятся цикл Кребса и пентозный путь. При фенилкетонурии тормозится образование меланина, но усиливается продукция фенилэтиламина и т.д.

Для регуляции обмена веществ эволюционно сформировались различные механизмы, влияющие на инструменты метаболизма — то есть на каталитическую активность энзимов и аффинитет распознающих белков.

Эти формы контроля основаны на химической сигнализации субстратами, ионами, гормонами, нейротрансмиттерами, аутакоидами и антителами. Элементарные способы химического контроля метаболизма предусматривают внутреннюю и наружную ау- токринную, юкстакринную и панокринную регуляцию. У многоклеточных на этой основе формируются паракринный и специализированный паракринный тип химической сигнализации. Их дальнейшее развитие приводит к появлению эндокринных, нейромедиаторных и нейроэндокринных регуляторов, взаимодействующих между собой. Регуляторные сигналы и антисигналы образуют информационные сети, такие как идиотип-антиидиотипическая сеть иммунологических взаимодействий.

При осуществлении сигнальной регуляции метаболизма активация и инактивация ферментов может происходить на посттрансляционном уровне, причем аллостерическими регуляторами выступают разные химические сигналы: ионы, гормоны, аутакоиды и сами субстраты. Большое регуляторное значение может иметь адресное закрепление ферментов в тех или иных отсеках клетки и на соответствующих биомембранах. Известную роль играет возможность изменения с помощью гормонов проницаемости клеточных мембран, что позволяет варьировать условия протекания метаболических процессов и доступность метаболитов в различных частях клетки.

Играя первую скрипку в метаболической регуляции одноклеточных, подобные механизмы не исчезают, а сохраняют свою актуальность и у высших организмов. Так, например, именно аллостерическим посттрансляционным путём кортикостероиды активируют у человека триптофаноксигеназу.

Регуляторные сигнальные химические воздействия могут непосредственно или через посредников обращаться и к геному клеток, изменяя репертуар и скорость транскрипции генов. При этом происходит комплементарное взаимодействие химического регулятора с элементами генетического аппарата, воспринимающими и расшифровывающими сигнал. Сигнал способен вызвать изменение транскрипции матриц, обеспечивающих биосинтез ферментов или рецепторов, которые используются в ходе метаболического процесса. Кроме того, могут модулироваться скорость и характер посттранскрипционной обработки матриц и судьба долгоживущих РНК.

Наконец, химические биорегуляторы способны вмешиваться и в процесс трансляции, влияя на его инициацию и эффективность.

Регуляторные механизмы обмена веществ таковы, что при обеспечении поддержания динамической оптимальности внутренней среды (гомеореза) они могут минимальными информационными воздействиями обеспечивать осуществление целого ансамбля запрограммированных материально-энергетических сдвигов. Это позволяет метаболизму быть гибким и достигать технологических целей в разных условиях и при различном сырье, при максимуме кпд и минимуме побочных продуктов.

Интегральным результатом этого является удивительное свойство организма, сформулированное Гераклитом так: «Человек подобен фонтану. Всё та же форма — но всегда новая вода».

Регуляторные стереотипы метаболизма сложились эволюционно. В связи с быстрыми изменениями характера питания и образа жизни современного человека несоответствие между данными стереотипами и требованиями, предъявляемыми к метаболизму, способствует развитию эндокринно-метаболических заболеваний, превратившихся в актуальную проблему медицины XXI века. Их этиологии и патогенезу и посвящен данный учебник.

В самом начале знакомства с патофизиологией обмена веществ, уже в следующем разделе книги, мы рассмотрим наиболее общие показатели метаболизма, которые характеризуют обмен веществ в целом и претерпевают типовые изменения при самых разных формах патологии.