24. Понятие метаболизма. Стадии метаболизма. Цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса), его роль в обмене углеводов, липидов, аминокислот.
Метаболизм или обмен веществ — набор химических реакций, которые возникают в живом организме для поддержания жизни. Эти процессы позволяют организмам расти и размножаться, сохранять свои структуры и отвечать на воздействия окружающей среды.
По направленности все химические превращения делят на:
а) диссимиляция (катаболизм) – распад веществ до более простых с переходом энергии связей вещества в энергию макроэргических связей (АТФ, НАД•Н, др.);
б) ассимиляция (анаболизм) – синтез более сложных веществ из более простых с затратой энергии.
Биологическое значение этих двух процессов состоит в том, что при расщеплении веществ освобождается заключенная в них энергия, которая обеспечивает все функциональные возможности организма. В то же время, при распаде веществ образуются "строительные материалы" (моносахариды, АК, глицерин и др.), которые затем используются в синтезе специфических организму веществ (белков, жиров, углеводов и др.).
Весь катаболизм условно подразделяется на три этапа:
I этап: Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или в лизосомах при расщеплении уже ненужных молекул. При этом освобождается около 1% энергии, заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла. II этап: Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови, на втором этапе обычно превращаются в пировиноградную кислоту, ацетильную группу (в составе ацетил-S-КоА) и в некоторые другие мелкие органические молекулы. Локализация второго этапа – цитозоль и митохондрии.
Часть энергии рассеивается в виде тепла и примерно 13% энергии вещества усваивается, т.е. запасается в виде макроэргических связей АТФ. III этап: Все реакции этого этапа идут в митохондриях. Ацетил-SКоА включается в реакции цикла трикарбоновых кислот и окисляется до углекислого газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД и восстанавливают их. После этого НАДН и ФАДН2 переносят водород в цепь дыхательных ферментов, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Здесь в результате процесса под названием "окислительное фосфорилирование" образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ.
Часть выделенной на этом этапе энергии молекулы рассеивается в виде тепла и около 46% энергии исходного вещества усваивается, т.е. запасается в связях АТФ и ГТФ.
Ц. Кребса. Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой восемь последовательных реакций.
В первой реакции связываются ацетил и оксалоацетат (щавелевоуксусная кислота) с образованием цитрата (лимонной кислоты), далее происходит изомеризация лимонной кислоты до изоцитрата и две реакции окисления с сопутствующим выделением СО2 и восстановлением НАД.
В пятой реакции образуется ГТФ, это реакция субстратного фосфорилирования.
Последние три реакции составляют так называемый мотив, т.е. набор однотипных преобразований некой молекулы. В данном случае мотив представляет собой окисление, гидратацию и новое окисление, и используется для введения кетогруппы в структуру сукцината. В итоге после восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.
Функции ЦТК:
1. катаболическая – распад белков, жиров, углеводов;
2. интегративная – взаимосвязь обменов Б, Ж, У;
3. анаболическая – использование метаболитов ЦТК в синтезе необходимых организму соединений (напр., альфа-КГ глу ; ЩУК асп);
4. энергетическая – выделение АТФ.
5. водород-генерирующая – образование восстановленных форм коферментов (3 НАД•Н2 + ФАД•Н2 -->4 Н2)
Регуляция цикла трикарбоновых кислот
Главным и основным регулятором ЦТК является оксалоацетат, а точнее его доступность. Наличие оксалоацетата вовлекает в ЦТК ацетил-SКоА и запускает процесс.
Обычно в клетке имеется баланс между образованием ацетил-SКоА (из глюкозы, жирных кислот или аминокислот) и количеством оксалоацетата. Источником оксалоацетата является глюкоза (синтез из пирувата в анаплеротической реакции), поступление из фруктовых кислот самого цикла (яблочной, лимонной), образование из аспарагиновой кислоты в результате трансаминирования.
Примером существенной роли оксалоацетата служит активация синтеза кетоновых тел и кетоацидоз плазмы крови при недостаточном количестве оксалоацетата в печени. Такое состояние наблюдается при инсулинзависимом сахарном диабете, при голодании, алкогольном отравлении или длительной физической нагрузке.
Описанный способ регуляции при участии оксалоацетата является иллюстрацией к красивой формулировке "Жиры сгорают в пламени углеводов". В ней подразумевается, что "пламень сгорания" глюкозы приводит к появлению пирувата, а пируват превращается не только в ацетил-SКоА, но и в оксалоацетат. Наличие оксалоацетата гарантирует включение ацетильной группы (образуемой из жиров и других источников) в первую реакцию ЦТК.
В случае масштабного "сгорания" жирных кислот, которое наблюдается в мышцах при физической работе и в печени при голодании, скорость поступления ацетил-SКоА в реакции ЦТК будет напрямую зависеть от количества оксалоацетата (или окисленной глюкозы).
При мышечной работе глюкоза в миоците используется не только на энергетические нужды, но и на обеспечение постоянного притока оксалоацетата в ЦТК. При этом с увеличением продолжительности нагрузки "энергетическая" роль глюкозы снижается. В печени при голодании глюкоза не в состоянии обеспечить наличие должного количества оксалоацетата, поскольку ее просто нет в клетке. Поэтому при голодании жирные кислоты не сгорают в ЦТК, а уходят в синтез кетоновых тел.
