Глава 1

БИОХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦЕРЕБРАЛЬНОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

7. Общие представления об энергетическом обмене

Энергетическое обеспечение мозга и организма, в целом, осуществляется благодаря расщеплению высокомолекулярных веществ. Процесс распада сложных соединений до более простых получил название катаболизма. При катаболизме углеводов, жиров и белков высвобождается энергия, которая частично накапливается в виде макроэргических соединений -аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), креатинфосфата, и частично расходуется в виде тепла. Под макроэргическими понимают соединения, имеющие химические связи, расщепление которых сопровождается выделением большого количества энергии. Эти соединения называют «энергетической валютой клетки» (Р. Марри с соавт., 1993). Их энергия в дальнейшем используется для обеспечения различных видов жизнедеятельности (биосинтетических процессов, создания и поддержания электрических потенциалов клеточных мембран, мышечного сокращения и т.д.). Важнейшие метаболические пути катаболизма это гликолиз (для углеводов), бета-окисление жирных кислот и пути распада аминокислот и цикл Кребса. Катаболизм углеводов включает следующие основные процессы: гликолиз, гликогенолиз и цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот).

Гликолиз и гликогенолиз могут протекать анаэробно, в основном в цитоплазме, и приводят к распаду глюкозы или резервного субстрата гликогена до пировиноградной или молочной (лактат) кислот. При гликолизе высвобождается энергия, которая используется для синтеза АТФ. Из одной молекулы глюкозы образуется 2 молекулы АТФ.

Как анаэробный, так и аэробный процесс превращения глюкозы имеют одинаковые механизмы вплоть до образования пировиноградной кислоты. В дальнейшем пируват транспортируется в

10

митохондрии, где происходит его декарбоксилирование до ацетил-CоА. В митохондриях через цикл Кребса ацетил-CоА окисляется до углекислого газа и воды. При аэробном окислении из одной молекулы глюкозы высвобождается энергия, идущая на формирование АТФ (до 38 молекул).

Катаболизм липидов включает их гидролиз, в результате которого образуются глицерол и жирные кислоты. Свободные жирные кислоты транспортируются в митохондрии, где они расщепляются в процессе бета-окисления. Наконец, ацетил-CоА, образующийся при бета-окислении, катаболизируется в цикле Кребса.

Белки подвергаются гидролитическому окислению, главным образом в лизосомах, с образованием аминокислот. Дальнейший катаболизм многих аминокислот начинается с отщепления аминогруппы, которая в конечном итоге выводится в виде мочевины. Углеродные фрагменты аминокислот метаболизируются в цикле Кребса через ацетил-CоА.

В цикле Кребса образуется углекислый газ и отщепляются атомы водорода, которые передаются в дыхательную цепь, обеспечивающую последовательность реакций переноса водорода и электронов к кислороду. Эта цепь включает NADH-дегидрогеназы, флавопротеиды, негемовые железосодержащие белки, коэнзим Q (убихинон) и цитохромы b, c₁, c, a и a₃. Процессы дыхания сопряжены с окислительным фосфорилированием, во время которого происходит синтез АТФ из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и фосфата. Цикл Кребса протекает внутри митохондрий, последовательность реакций переноса водорода и электронов к кислороду (дыхательная цепь) локализована на внутренней митохондриальной мембране. Энергия, выделяющаяся в ходе переноса водорода и электронов по дыхательной цепи, используется для образования АТФ. Согласно хемиоосмотической теории П. Митчела (1979) в результате переноса электронов и протонов по дыхательной цепи создается градиент протонов по обеим сторонам внутренней мембраны митохондрий. Энергия этого градиента является движущей силой процесса синтеза АТФ.

Дыхательная цепь может быть ингибирована в нескольких местах барбитуратами и антибиотиками. Повреждающее действие на дыхательную цепь также оказывает внутриклеточное закисление, возникающее, например, при усилении гликолиза. В этих случаях электроны ускользают из дыхательной цепи на уровне убихинона и прямо взаимодействуют с кислородом, генерируя свободные радикалы кислорода (H. Nohl, V. Koltover, 1994). Свободные радикалы кислорода, обладая повышенной реакционной способностью, могут вызывать так называемый окислительный стресс, оказывающий повреждающее действие на различные клеточные структуры.

Грубые нарушения

11

окислительного фосфорилирования, как правило, несовместимы с жизнью, что наблюдается, например, при действии цианида.

Если в результате полного окисления одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ, то в результате окисления одной молекулы жирной кислоты, например пальмитата, образуется до 129 молекул АТФ, а выход АТФ при окислении аминокислот примерно соответствует выходу АТФ при окислении глюкозы.