Метаболизм представляет собой совокупность биохимических процессов, обеспечивающих поддержание гомеостаза, рост, синтез макромолекул и энергетический баланс организма. Его регуляция осуществляется на нескольких уровнях: ферментативном, гормональном, тканевом и клеточном. Центральное значение имеют механизмы обратной связи, позволяющие адаптировать скорость реакций к потребностям организма.
Ферментативная регуляция основана на изменении активности ключевых ферментов, участвующих в основных путях обмена веществ. Эти ферменты могут быть аллостерически модулированы, подвергаться ковалентной модификации (например, фосфорилированию) или изменять свою концентрацию за счёт регулированного синтеза и деградации. Ключевые ферменты часто действуют как контрольные точки метаболических путей.
Гормональная регуляция координирует обмен веществ между различными органами и тканями. Основные гормоны, участвующие в метаболизме, включают инсулин, глюкагон, адреналин, кортизол и тиреоидные гормоны. Инсулин стимулирует синтез гликогена, липидов и белков, активируя анаболические процессы, тогда как глюкагон и адреналин усиливают катаболизм и мобилизацию энергетических запасов.
Нейрогуморальная регуляция обеспечивает интеграцию сигналов от нервной системы и гормонов, регулируя кратковременные и долговременные изменения метаболизма в ответ на стресс, физическую нагрузку или голод.
Гликолиз и глюконеогенез находятся под строгим контролем аллостерических эффекторов и гормональных сигналов. Фосфофруктокиназа-1, ключевой фермент гликолиза, активируется АМФ и фруктозо-2,6-бисфосфатом, тормозится цитратом и АТФ. Фруктозо-1,6-бисфосфатаза, критический фермент глюконеогенеза, регулируется обратным образом. Гормональная регуляция обеспечивает переключение между синтезом и распадом глюкозы: инсулин стимулирует гликолиз и гликогенез, а глюкагон и адреналин — глюконеогенез и гликогенолиз.
Гликогенолиз и гликогенез регулируются через фермент фосфорилазу и синтазу гликогена. Фосфорилаза активируется глюкагоном и адреналином посредством каскада киназ, что способствует расщеплению гликогена до глюкозы-1-фосфата. Синтаза гликогена активируется инсулином и ингибируется катаболическими гормонами.
Липолиз в жировой ткани активируется адреналином и кортизолом через систему цАМФ-зависимых киназ, стимулирующих гормон-чувствительную липазу. Это обеспечивает мобилизацию свободных жирных кислот в периферические ткани для окисления и производства АТФ.
Синтез жирных кислот и триглицеридов активируется инсулином и происходит преимущественно в печени и жировой ткани. Ацетил-КоА карбоксилаза, ключевой фермент липогенеза, регулируется аллостерически (активируется цитратом, ингибируется пальмитоил-КоА) и ковалентно (фосфорилирование — ингибирование).
Окисление жирных кислот происходит в митохондриях и регулируется доступностью коферментов и уровнем малонил-КоА, который блокирует транспорт жирных кислот в митохондрии, предотвращая одновременный синтез и распад липидов.
Протеолиз активируется катаболическими гормонами (глюкагоном, кортизолом) и стрессовыми факторами. Основными механизмами являются лизосомный путь и убиквитин-протеасомная система, обеспечивающие направленное разрушение белков с образованием аминокислот, используемых для синтеза глюкозы и новых белков.
Синтез белка стимулируется инсулином и аминокислотами (особенно лейцином) через активацию мТор-сигнального пути. Метаболизм аминокислот тесно связан с энергетическим обменом, обеспечивая как катаболическую отдачу энергии, так и участие в глюконеогенезе и синтезе биомолекул.
Покое характеризуется балансом между окислением глюкозы и жирных кислот, минимальным потреблением энергии и поддержанием гомеостаза глюкозы, липидов и аминокислот.
Физическая нагрузка вызывает усиление гликолиза, окисления жирных кислот и мобилизацию гликогена мышц. Интенсивная работа активирует катехоламиновые механизмы, увеличивает циркуляцию АТФ и ускоряет потребление энергетических субстратов.
Голодание сопровождается поэтапной перестройкой метаболизма: сначала используется печёночный гликоген, затем активируются глюконеогенез и кетогенез. Протеолиз и мобилизация аминокислот увеличиваются при длительном голодании, а синтез кетоновых тел в печени обеспечивает альтернативный источник энергии для мозга и периферических тканей.
Стрессовые состояния активируют гипоталамо-гипофизарно-надпочечниковую ось, увеличивая концентрацию кортизола и катехоламинов, что приводит к усилению глюконеогенеза, липолиза и мобилизации аминокислот для поддержания энергетического баланса и адаптации организма.
Эффективная интеграция этих уровней позволяет организму поддерживать энергетический и биохимический гомеостаз, адаптируясь к изменяющимся условиям окружающей среды и внутренним потребностям тканей.