Глава 3. Взаимосвязь обменов
3.1. Понятие о метаболизме, его стадиях
Любой живой организм - это открытая система, то есть его жизнедеятельность тесно связана с окружающей средой, откуда он получает питательные вещества и кислород, а выделяет конечные продукты распада. Самые разнообразные преобразования, происходящие в организме с поступившими соединениями, носят название метаболизма, который включает две тесно взаимообусловленные фазы: анаболическую и катаболическую. Первая представляет эндогенный синтез веществ и их поступление извне. Катаболизм – прямо противоположный процесс: распад субстанций и выделение из организма.
Естественно, чтобы организм функционировал нормально, необходимы тесные контакты между физическими и химическими превращениями самых разнообразных по природе соединений.
Особая роль в регулировании этих процессов принадлежит балансу энергии, причем катаболизм обычно сопровождается её высвобождением, а большинство реакций биосинтеза принадлежит к эндэргоническим.
Все известные классы органических веществ, обнаруживаемых в тканях, включают представителей от самых простых, не способных к гидролизу, до очень сложных биополимеров. Поэтому в катаболической фазе выделяют три стадии: гидролитическую, специфическую и неспецифическую.
Гидролитическая стадия характеризуется распадом сложных углеводов, липидов, полинуклеотидов и белков до монопроизводных. Она локализуется в желудочно-кишечном тракте, где в роли субстратов выступают пищевые компоненты, а также в тканях - в этот процесс вовлекаются вышеперечисленные эндогенные представители.
Специфическая стадия - это дальнейший окислительный (аэробный, реже - анаэробный) распад моноструктур. Основная цель - привести специфические превращения к одному знаменателю (чтобы уменьшить количество необходимых ферментов). Такими общими метаболитами служат ацетил-КоА, ацетоацетил-КоА, пируват и некоторые соединения цикла трикарбоновых кислот (схема 1).
После гидролиза полисахаридов образуются моносахариды, в первую очередь, глюкоза. Она поступает в клетку и фосфорилируется под действием фермента гексокиназы. Фосфорный эфир глюкозы (глюкозо-6-фосфат) подвергается гликолизу, конечным продуктом которого является пируват. В митохондриях эта -кетокислота под влиянием мультиферментного комплекса преобразуется в ацетил-КоА (окислительное декарбоксилирование пирувата).
Аналогичные изменения происходят с продуктом гидролиза многих дву- и более компонентных липидов (нейтральных жиров, глицерофосфатидов) - глицеролом. Он также фосфорилируется и после окисления превращается в дигидроксиацетонфосфат, а затем в глицеральдегид-3-фосфат, которые являются метаболитами гликолиза. Конечное соединение последнего в аэробных условиях используется в процессе окислительного декарбоксилирования ПВК. Высшие жирные кислоты - компоненты большинства липидов - служат субстратами β-окисления, в результате образуется ацетил-КоА.
Схема 1. Стадии катаболизма основных биополимеров
Составные части сложных липидов - азотистые основания и продукты гидролиза белков - аминокислоты - в своем составе содержат аминогруппу, что, естественно, обеспечивает им специфичность. Отсюда эти соединения, лишаясь NH2-группы, сохраняют углеродный скелет, который легко преобразуется либо в пируват, либо в ацетил-КоА и метаболиты цикла трикарбоновых кислот.
Для большинства органических структур конечными продуктами распада являются углекислый газ, вода, а для азотсодержащих - ещё и аммиак, который обезвреживается, превращаясь в мочевину. Углекислый газ образуется путем обычного декарбоксилирования.
Рассмотрим синтез эндогенной воды. Дело в том, что кислород в принципе довольно токсичное соединение, поэтому фактически так называемый аэробный распад органических веществ осуществляется обычно не присоединением кислорода к субстрату, а отщеплением от последнего водорода. Электроны и протоны, проходя через ряд промежуточных переносчиков, достигают кислорода с последующим образованием воды (биологическое окисление). В этом процессе происходит ступенчатое высвобождение энергии (чаще три, реже два раза). Почти половина её используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата (окислительное фосфорилирование). Другая часть, выделяясь в виде тепла, обеспечивает постоянство температуры тела теплокровных животных, в том числе человека. В природе есть много веществ, в первую очередь, токсины патогенной микрофлоры, которые нарушают взаимодействие биологического окисления с окислительным фосфорилированием, в результате возрастает количество тепловой энергии (гипертермия) и снижается образование АТФ. Последний является универсальным макроэргом, который используется в мышечном сокращении, передаче нервного импульса, в биосинтезе различных соединений. Поэтому патология биоэнергетических процессов проявляется развитием мышечной слабости, общим недомоганием (симптоматика, характерная для большинства инфекционных заболеваний).
Следует отметить, что главная реакция, ответственная за перенос водорода на кислород, обеспечивается следующими переносчиками: НАД, ФАД или ФМН, коэнзимом Q. Поэтому дефициты витаминов РР (компонент НАД+), В2 (составная часть ФАД, ФМН), провоцируют развитие патологических состояний.
Если сопоставлять обе фазы метаболизма - анаболическую и катаболическую, окажется, что они тесно взаимосвязаны между собой. Продукты расщепления используются в организме для синтеза различных веществ, кроме того, энергия, высвобождающаяся при распаде соединений, необходима для образования макромолекул. И третье связующее звено: в реакциях окисления, характерных для катаболизма, образуются так называемые восстановительные эквиваленты (например, НАДН+Н+, НАДФН+Н+, ФАДН2), водороды которых входят в состав органических соединений.
Таким образом, в анаболической фазе также можно выделить три стадии, причем первая - неспецифическая - общая для обеих фаз. Её продукты могут поставляться для образования продуктов липидного, углеводного и азотистого происхождения. Вторая стадия анаболизма завершается образованием простейших специфических представителей разных классов (моносахаридов, высших жирных кислот, аминокислот и др.). Синтез биополимеров может идти двумя способами. Для получения гликогена или гетерополисахаридов (гиалуроновой кислоты, хондроитинсульфата, гепарина) требуются лишь активированные субстраты (УДФ-глюкоза, УДФ-галактоза и их производные) и соответствующие ферменты. Синтез же полипептидов (белков) называется матричным, так как для обеспечения специфичности протеина необходима матрица, роль которой выполняет информационная РНК, в свою очередь, для синтеза последней матрицей служит транскриптон ДНК.
Следует обратить внимание на то, что все протекающие в клетке процессы тесно связаны между собой, жёстко зависят друг от друга. Поэтому повреждение хотя бы одного звена всегда приводит к глубоким нарушениям самых разных сторон метаболизма. Для иллюстрации данного суждения остановимся на характеристике взаимоотношений углеводного метаболизма с другими видами обменов.