ВВЕДЕНИЕ В МЕТАБОЛИЗМ. ЦЕНТРАЛЬНЫЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ.

Метаболизм — совокупность химических реакций, протекающих в клетках организма с момента поступления пищевых веществ в организм до образования конечных продуктов обмена.

Функции метаболизма:

• cнабжение клеток химической энергией;

• превращение молекул пищи в строительные блоки;

• сборка из этих блоков компонентов клетки (белки, липиды, нуклеиновые кислоты);

• синтез и разрушение специализированных биологических молекул (гем, холин).

Метаболический путь — последовательность химических превращений вещества. Метаболические пути многоэтапны, взаимосвязаны, регулируемы, скоординированы в пространстве. Они бывают линейными (распад и синтез гликогена, гликолиз и др.) и циклическими (цикл трикарбоновых кислот, орнитиновый цикл):

E₁ E₂ E₃ E₄ E₅

S  A  B  C  D  P — пример линейного метаболического пути, где S — исходный субстрат, Р — конечный продукт, А, В, С, D — метаболиты (промежуточные продукты).

Ферменты (фермент), которые определяют скорость всего процесса в целом, называются ключевыми, катализируют необратимые реакции, имеют четвертичную структуру и легко регулируются.

2 Стороны метаболизма

1. Катаболизм — процесс расщепления сложных молекул до более простых, идущий с выделением энергии.

2. Анаболизм — процесс синтеза сложных веществ из более простых, идущий с затратой энергии в виде АТФ.

Анаболизм и катаболизм тесно взаимосвязаны:

• на уровне субстратов (источников углерода);

• на уровне источников энергии:

катаболизм  АТФ  анаболизм.

Прямое преобразование химической энергии субстратов в энергию макроэргических связей АТФ невозможно. Этот процесс разбит на две стадии:

1 2

S  химическая энергия  АТФ

Высвобождение Преобразование

Рассмотрим 1 этап — высвобождение энергиина примере общей схемы катаболизма.

Конечные продукты обмена:

• NН₃ — образуется путем дезаминирования;

• СО₂ — образуется путем декарбоксилирования;

• Н₂О — образуется путем окисления водорода кислородом в дыхательной цепи (тканевое дыхание).

 этап катаболизма происходит в желудочно-кишечном трактеи сводится к реакциям гидролиза пищевых веществ. Химическая энергия рассеивается в виде тепла.

 этап (внутриклеточный катаболизм) происходит в цитоплазме и митохондриях.Химическая энергия частично рассеивается в виде тепла, частично накапливается в виде восстановленных коферментных форм, частично запасается в макроэргических связях АТФ (субстратное фосфорилирование).

 заключительный этап катаболизма протекает в митохондриях и сводится к образованию конечных продуктов обмена СО₂ и Н₂О. Химическая энергия частично рассеивается в виде тепла, 40–45 % ее запасается в виде АТФ (окислительное фосфорилирование).

Общая схема катаболизма пищевых веществ атф и адениловая система клетки

В энергетическом обеспечении клетки важнейшую роль играет адениловая система, которая включает АМФ, АДФ, Н₄Р₂О₇ (пирофосфат), Н₃РО₄ (неорганический фосфат)ицАМФ (циклический АМФ).Вопрос об адениловой системе сводится к процессам распада, синтеза АТФ и ее значению для процессов жизнедеятельности клетки. Главным компонентом адениловой системы клетки являетсяАТФ.Это макроэргическое соединение. Как известно, к макроэргическим относятся соединения, при гидролизе которых высвобождается не менее, чем 5 ккал/моль. В ряду макроэргов клетки АТФ отводится главная роль.

Две фосфоангидридные связи в молекуле АТФ являются макроэргическими.Свободная энергия гидролиза каждой из них равна 7,3 ккал/моль (32 кДж/моль). АТФ обладает высоким потенциалом переноса фосфатных групп на другие вещества (глюкоза, глицерол), тем самым активируя их. С другой стороны, макроэрги, которые имеют больший энергетический потенциал, чем АТФ (например, креатинфосфат), могут переносить свою фосфатную группу на АДФ с образованием АТФ. Таким образом, АТФ занимает центральное положение в ряду других фосфорилированных соединений клетки и является универсальным макроэргом клетки. Это так называемая клеточная энергетическая валюта.

АТФ используется клетками для процессов биосинтеза (анаболические реакции), активации многих молекул (глюкоза, глицерол), выполнения механической работы, переноса веществ через мембраны, обеспечивает точную передачу генетической информации и др. При этом АТФ может гидролизоваться двумя способами:

1. АТФ + Н₂О = АДФ + неорганический фосфат + энергия (32 кДж\моль);

2. АТФ + Н₂О = АМФ + пирофосфат + энергия (32 кДж\моль).

Синтез АТФ носит название фосфорилированияи описывается уравнением:

АДФ + Н₃РО₄ = АТФ + Н₂О.

Эта реакция происходит при условии обеспечения энергией в количестве не менее 32 кДж/моль.

Если источником этой энергии является транспорт электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны митохондрий, говорят об окислительном фосфорилировании. Это главный путь синтеза АТФ в аэробных клетках.

Если источником энергии является гидролиз макроэргической связи субстрата, говорят о субстратном фосфорилировании. Такой механизм имеет место в цитозоле и митохондриях и может происходить в анаэробных условиях.

У растений существует фотосинтетическое фосфорилированиев хлоропластах. Источником энергии в данном случае являются кванты солнечного света.

Следует особо подчеркнуть, что процесс окислительного фосфорилированиятесно связан (сопряжен) сокислительно-восстановительными реакциями (ОВР), а именно среакцией окисленияводорода кислородом до воды — тканевым дыханием.Реакция образования водыinvitro(в пробирке) сопровождается одномоментным выделением около 230 кДж /моль энергии и описывается как реакция взрыва гремучего газа. В живой клетке такой путь термодинамически невозможен, поэтому окисление водорода до водыinvivo(в организме) характеризуется двумя важными особенностями.

Во-первых, газообразный водород в клетках не образуется. Он входит в состав субстратов и отделяется от них путем дегидрирования. Ферменты, которые катализируют эти реакции, —дегидрогеназы (ДГ). Это двухкомпонентные ферменты; они делятся напиридиновые (ПДГ),которые в качестве кофермента используют производные витамина РР —НАД⁺ и НАДФ⁺, ифлавиновые,которые в качестве кофермента используют производные витамина В₂—ФМН и ФАД. В ходе ОВР субстраты окисляются, а коферменты восстанавливаются:

_{Дегидрогеназа}

SH₂ S+ восстановленный кофермент(НАДН Н⁺, НАДФН Н⁺, ФМН·Н₂ , ФАД Н₂)

^{Кофермент}

Во-вторых, выделение энергии происходит постепенно, порциями, для чего процесс окисления водорода осуществляется в несколько стадий с участием ферментов дыхательной цепи. Часть этой энергии запасается в виде АТФ в реакции окислительного фосфорилирования.

Восстановленные субстраты, поставляющие атомы водорода для дыхательной цепи, это небольшие молекулы (карбоновые кислоты, кетокислоты, аминокислоты и др.). Основными поставщиками восстановленных субстратов являются центральные метаболические пути — окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты и цикл лимонной кислоты.Оба локализованы в матриксе митохондрий, в ходе этих процессов происходят реакции декарбоксилирования (большая часть всей углекислоты, образующейся в клетках, образуется именно здесь). Кроме того, как уже говорилось, в ходе этих процессов происходят реакции дегидрирования субстратов, образуются восстановленные коферментные формы НАДН·Н⁺и ФАДН₂, водород которых поступает в дыхательную цепь внутренней мембраны митохондрий, где происходит его окисление кислородом до воды и синтез АТФ.

Переходим к рассмотрению центральных метаболических путей.