Общая характеристика метаболизма

Метаболизм — это совокупность биохимических реакций, непрерывно протекающих в каждой клетке организма в течение его жизни, скорость и направленность которых регулируется ферментами. Органические катализаторы — ферменты (энзимы) обеспечивают высокую скорость биохимических реакций метаболизма. Активность каждого фермента, т. е. выраженность его влияния на скорость протекания определенной биохимической реакции в клетке, регулируется различными механизмами, в том числе и при участии веществ-регуляторов.

В метаболизме для удобства его описания выделяют два сопряженных, но разнонаправленных процесса: катаболизм и анаболизм. Под сопряжением анаболизма и катаболизма понимают тесную взаимосвязь, одновременность протекания этих процессов в клетках организма. Для протекания анаболизма необходимы вещества, образующиеся в ходе катаболизма. Эти процессы являются разнонаправленными. Катаболизм — это процессы разупорядочения сложных веществ как экзогенных, так и эндогенных. При этом сложные вещества превращаются в более простые. Сложные экзогенные вещества начинают разупорядочиваться в пищеварительном тракте и включаются в процессы катаболизма в клетках организма. Эндогенные биополимеры разупорядочиваются в лизосомах клеток. В клетках организма часть веществ, образовавшихся на первых этапах катаболизма, т. е. при расщеплении биополимеров, используется для извлечения энергии и ее аккумуляция в клетке в виде энергетических валют (АТФ, трансмембранных потенциалов). Другая часть веществ, образовавшихся на этом этапе катаболизма, — это исходные вещества, или строительные блоки, для биохимических реакций анаболизма. Анаболизм — это процесс упорядочивания, обеспечивающий поддержание структуры организма. В клетках организма из неизмененных или преобразованных в ходе катаболизма экзогенных веществ при затрате энергии, запасенной в клетке в процессе катаболизма, синтезируются эндогенные вещества, включаемые в структуру организма.

В ходе метаболизма образуются некоторые вещества, которые могут повреждать биомолекулы клетки. Такими веществами являются, например, перекись (пероксид) водорода и аммиак. Обезвреживание этих веществ обеспечивают ферменты, катализирующие реакции их превращения в безопасные для организма вещества, которые или выводятся из организма, или вновь включаются в метаболизм. Так, фермент каталаза расщепляет перекись водорода на кислород и воду, а аммиак и углекислый газ включаются в процесс биосинтеза мочевины, вещества, выводимого из организма.

Для катаболизма, как совокупности процессов разупорядочивания веществ, наиболее значимыми являются химические реакции гидролиза экзогенных и эндогенных биополимеров и сложных веществ, а также окислительно-восстановительные реакции.

Гидролиз — это взаимодействие веществ с водой, при котором из сложных веществ образуются более простые. Ферменты, катализирующие в организме реакции гидролиза, относятся к 3-му классу ферментов — гидролазы. В результате гидролиза экзогенные и эндогенные биополимеры и сложные вещества «расщепляются» на их строительные блоки. В организме человека и животных гидролиз экзогенных веществ происходит в пищеварительном тракте, а эндогенные вещества, например, поврежденные молекулы белков клетки, гидролизуются в лизосомах всех клеток организма.

Гидролиз АТФ, происходящий в клетках организма, обеспечивает энергией процессы анаболизма. Гидролиз АТФ приводит или к образованию АДФ и фосфорной кислоты, что сопровождается освобождением 30,5 кДж (7,3 ккал), или к образованию АМФ и пирофосфата — двух остатков фосфорной кислоты, соединенных друг с другом. В последнем случае энергии выделяется приблизительно вдвое больше. Энергия, выделяемая при гидролизе АТФ, расходуется на биосинтез эндогенных веществ, а также на конформацию белков, обеспечивающую активный транспорт и мышечное сокращение.

Окислительно-восстановительные реакции — это «сопряженные» друг с другом, одновременно протекающие процессы окисления одних веществ и восстановления других. Окисление — это присоединение к веществу кислорода или отсоединение от него атомов водорода или электронов. При восстановлении происходит присоединение атомов водорода или электронов или отсоединение кислорода.

Совокупность окислительно-восстановительных реакций в организме называется биологическим окислением.

Основное значение окислительно-восстановительных реакций в метаболизме — это трансформация энергии в клетках организма. Окислительно-восстановительные реакции в клетках организма сопровождаются выделением химической энергии окисляемых субстратов. В митохондриях в процессе окислительного фосфорилирования (ОКФОС) эти реакции сопряжены с биосинтезом АТФ, которая образуется из АДФ и фосфорной кислоты. То есть окислительно-восстановительные реакции обеспечивают извлечение энергии окисляемого субстрата и ее аккумуляцию в клетке в виде такой энергетической валюты, как АТФ.

Кроме того, окислительно-восстановительные реакции включены в процессы, обеспечивающие выведение из метаболизма «излишков» веществ и обезвреживание некоторых веществ, опасных для жизнедеятельности. Так, фермент моноаминооксидаза (МАО) разрушает излишки таких нейромедиаторов, как биогенные амины. Ферменты пероксидаза и каталаза катализируют окислительно-восстановительные реакции, в ходе которых обезвреживается пероксид водорода. Это вещество, как одна из активных форм кислорода (АФК), способно инициировать в клетках организма неферментативный, а значит, неуправляемый процесс перекисного окисления веществ структуры клетки: липидов, белков, нуклеиновых кислот. В результате этого процесса может происходить повреждение фосфолипидов биологических мембран, структуры белков и нуклеиновых кислот, что приводит к трудно обратимым или необратимым повреждениям клетки.

Биологическое окисление имеет значение в анаболизме, реакции синтеза некоторых веществ — это окислительно-восстановительные реакции. Например, в ходе формирования структуры белка соединительной ткани коллагена происходит окисление лизина, включенного в молекулу проколлагена. Такие вещества-регуляторы, как эйкозаноиды и адреналин, также образуются в результате протекания в клетках ферментативных окислительно-восстановительных реакций.

Для включения в метаболизм многие вещества, попадая в клетки организма или образуясь в них, должны «активироваться», т. е. повысить свою реакционную способность. Известны несколько способов активации молекул. Во-первых, это фосфорилирование, то есть присоединение к молекуле остатка фосфорной кислоты. Этот процесс катализируют ферменты 2-го класса (трансферазы) — киназы. Как правило, активация молекул фосфорилированием сопряжена с гидролизом АТФ, при котором образуется АДФ, а остаток фосфорной кислоты соединяется с активируемой молекулой. Считается, что фосфорилирование ослабляет связи между атомами углерода в молекуле, что облегчает их разрыв. Активация молекулы путем фосфорилирования происходит перед окислением глюкозы как в гликолизе, так и в пентозофосфатном цикле. Причем в ходе гликолиза фосфорилирование молекул гексоз происходит дважды.

Во-вторых, некоторые молекулы активируются, взаимодействуя с нуклеозидтрифосфатом (АТФ, УТФ, ЦТФ, ГТФ). При этом происходит гидролиз нуклеозидтрифосфата, и азотистое основание, соединенное с двумя или одним остатком фосфорной кислоты, присоединяется к активируемой молекуле, освобождается одна молекула фосфорной кислоты или два ее остатка, соединенных друг с другом, — пирофосфат. Таким способом активируются, например, жирные кислоты. Перед их окислением они взаимодействуют с АТФ, при этом образуется Ациладенилат и пирофосфат. Также активируются аминокислоты в ходе биосинтеза белка. Перед их соединением с транспортной РНК (тРНК) аминокислоты взаимодействуют с АТФ и образуется аминоациладенилат.

В-третьих, при активации молекул, происходящей перед биосинтезом сложных веществ из их строительных блоков, наблюдается сочетание фосфорилирования активируемой молекулы и присоединения ее к нуклеозиддифосфатам. Оба этапа активации сопряжены с гидролизом «макроэргов» — нуклеозидтрифосфатов (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ). Так, например, происходит при биосинтезе гликогена. Молекула глюкозы сначала фосфорилируется при затрате АТФ. Затем происходит гидролиз УТФ, в результате которого освобождается пирофосфат, а к фосфорилированной глюкозе присоединяется уридинмонофосфат (УМФ), и образуется УДФ-глюкоза. Это соединение взаимодействует с гликогеном, в результате чего глюкоза присоединяется к гликогену. Многократное повторение этого процесса приводит к удлинению цепи молекулы гликогена. Аналогично при биосинтезе фосфолипида лецитина (фосфотидилхолина) аминоспирт холин сначала фосфорилируется и превращается в фосфохолин. К нему присоединяется ЦМФ, который получается в результате гидролиза ЦТФ, и образуется цитидилдифосфатхолин. Затем ЦДФ-холин взаимодействует с молекулой диацилглицерола, то есть молекулой глицерина, соединенной с двумя остатками жирных кислот, ЦМФ освобождается и образуется фосфотидилхолин.

Для описания метаболизма в катаболизме и анаболизме различных биомолекул выделяют 3 последовательных этапа. Многие реакции катаболизма и анаболизма — это обратимые реакции, то есть прямая реакция — это реакция катаболизма, а обратная ей реакция относится к анаболизму. Конечные продукты 1-го этапа катаболизма — это строительные блоки биомолекул, образующиеся при гидролизе биополимеров. Они являются исходными веществами для 2-го этапа катаболизма и для 3-го этапа анаболизма как процесса биосинтеза эндогенных биополимеров и сложных веществ.

Реакции 2-го этапа катаболизма — это окисление и трансформация строительных блоков биополимеров до активной уксусной кислоты — ацетилкоэнзима А, т. е. остатка уксусной кислоты, соединенного с коферментом ацилтрансфераз — коэнзимом, А (КоА); 2-й этап анаболизма — это пути образования из активной уксусной кислоты и других веществ строительных блоков биомолекул. Это, в частности, происходящие с затратой энергии процессы трансформации карбоновых кислот цикла Кребса в пировиноградную кислоту, образование заменимых аминокислот, предшественников нуклеотидов, биосинтез мочевины.

3-й этап катаболизма рассматривают как заключительный этап трансформации энергии, связанный с протеканием таких процессов, как цикл Кребса и окислительное фосфорилирование (ОКФОС).

Соответственно 1-ом этапом анаболизма можно считать процесс аккумуляции энергии в клетке, то есть биосинтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, который в ОКФОС сопряжен с переносом протонов из межмембранного пространства митохондрий в их матрикс.

Вещества, образуемые в метаболическом потоке одних веществ, например, в ходе метаболизма углеводов, могут включаться в другие метаболические потоки других биомолекул. Например, 3-фосфоглицериновый альдегид, образующийся в ходе пентозофосфатного пути окисления глюкозы, может включаться в процесс гликолиза, а может переходить в метаболический поток липидов, превращаясь в глицерин, необходимый для синтеза триглицеридов и фосфолипидов.

В метаболизме как совокупности катаболизма и анаболизма выделяют взаимосвязанные друг с другом метаболические «потоки» основных «биомолекул» белков, аминокислот, нуклеиновых кислот и нуклеотидов, липидов и углеводов. Без понимания сущности процессов метаболизма затруднительно анализировать многие аспекты регуляции жизнедеятельности организма. Поэтому в данной работе содержится краткое описание современной модели метаболизма различных биомолекул: белков, углеводов, липидов, нуклеиновых кислот. Для анализа процессов метаболизма необходимо понять их биологическое значение, знать исходные вещества и конечные продукты основных процессов, суммарное уравнение процесса и его основные стадии, энергетический баланс и взаимосвязь с другими метаболическими процессами и потоками, а также место протекания процесса и ферменты основных «ключевых» реакций. Химические формулы, описывающие процессы метаболизма, можно найти в любом учебнике по биохимии и метаболических атласах, поэтому в данной работе они не приводятся. Вместе с тем, для понимания красоты, взаимосвязанности и динамики превращений веществ в организме очень полезно сопровождать работу с текстом, описывающим превращение различных биомолекул, изображением схем процессов метаболизма, в которых приведены химические формулы веществ или даже просто их названия.