живий організм і його функціонування знаходяться в постійній залежності від довкілля . Інтенсивність обміну з зовнішнім середовищем і швидкість внутрішньоклітинних процесів обміну речовин підтримують сталість внутрішнього середовища і цілісність організму .
Як було зазначено, обмін речовин в організмі людини протікає не хаотично; він інтегрований і тонко настроєний. Всі перетворення органічних речовин , процеси анаболізму і катаболізму тісно пов'язані один з одним. Зокрема, процеси синтезу і розпаду взаємопов'язані, координовані і регулюються нейрогормонального механізмами, що додають хімічних процесів потрібний напрямок. В організмі людини, як і в живій природі взагалі, не існує самостійного обміну білків , жирів , вуглеводів і нуклеїнових кислот . Всі перетворення об'єднані в цілісний процес метаболізму , Який підпорядковується діалектичним закономірностям взаємозалежності і взаємозумовленості, що допускає також взаємоперетворення між окремими класами органічних речовин . Подібні взаємоперетворення диктуються фізіологічними потребами організму , А також доцільністю заміни одних класів органічних речовин іншими в умовах блокування будь-якого процесу при патології.
Ще Кребс і Корнберг відзначали, що, незважаючи на величезну різноманітність харчових речовин ( білки , жири , вуглеводи ), Число хімічних реакцій , Що забезпечують їх перетворення (розпад) і утворення енергії, «дивно мало». Ці закономірності властиві як організму тварин і людини, так і мікроорганізмам і рослинам.
В даний час експериментально обгрунтовано існування чотирьох основних етапів розпаду молекул вуглеводів , білків і жирів , Які інтегрують освіту енергії з основних харчових джерел. На I етапі полісахариди розщеплюються до моносахаридів (зазвичай гексоз ); жири розпадаються на гліцерин і вищі жирні кислоти , а білки - на складові їх вільні амінокислоти . Слід підкреслити, що зазначені процеси в основному є гидролитическими, тому що звільняється в невеликій кількості енергія майже повністю використовується організмами як тепла.
На II етапі мономерні молекули ( гексози , гліцерин , жирні кислоти і амінокислоти ) Піддаються подальшому розпаду, в процесі якого утворюються багаті енергією фосфатні сполуки і ацетил-КоА. Зокрема, при гликолизе гексози розщеплюються до піровіноград-ної кислоти і далі до ацетил-КоА. Цей процес супроводжується утворенням обмеженого числа багатих енергією фосфатних зв'язків шляхом субстратного фосфорилювання . На цьому етапі вищі жирні кислоти аналогічно розпадаються до ацетил-КоА, в той час як гліцерин окислюється по гликолитическому шляху до піровиноградної кислоти і далі до ацетил-КоА. для амінокислот ситуація на II етапі дещо відмінна. При переважному використанні амінокислот в якості джерела енергії (при дефіциті вуглеводів або при цукровому діабеті ) Деякі з них безпосередньо перетворюються в метаболіти лімоннокіслого циклу (глутамат, аспартат), інші - опосередковано через глутамат ( пролин , гистидин , аргінін ), Треті - в піруват і далі в ацетил-КоА ( аланин , серин , гліцин , цистеїн ). Нарешті, ряд амінокислот , зокрема лейцин , З-лейцин, розщеплюється до ацетил-КоА, а з фенілаланіну і тирозину , Крім ацетил-КоА, утворюється оксалоацетат через фумаровую кислоту . Як видно, II етап можна назвати етапом освіти ацетил-КоА, що є по суті єдиним (загальним) проміжним продуктом катаболізму основних харчових речовин в клітинах .
На III етапі ацетил-КоА (і деякі інші метаболіти , Наприклад α-кетоглутарат, оксалоацетат) піддаються окислення ( «Згорянню») в циклі ді-і трикарбонових кислот Кребса. окислення супроводжується утворенням відновлених форм НАДН + Н + і ФАДН2.
На IV етапі здійснюється перенесення електронів від відновлених нуклеотидів на кисень (через дихальний ланцюг ). Він супроводжується утворенням кінцевого продукту - молекули води . цей транспорт електронів пов'язаний з синтезом АТФ в процесі окисного фосфо-рілірованія (див. розділ 9).
Необхідно відзначити, що, крім взаємних переходів між різними класами речовин в організмі , Доведено існування більш складних форм зв'язку. Зокрема, інтенсивність і напрямок хімічної реакції визначаються ферментами , Тобто білками , Які безпосередньо впливають на обмін ліпідів , вуглеводів і нуклеїнових кислот . У свою чергу синтез будь-якого білка-ферменту вимагає участі ДНК і всіх 3 типів рибонуклеїнових кислот : тРНК , мРНК і рРНК . Якщо до цього додати вплив гормонів , А також продуктів розпаду якого-небудь одного класу речовин (Наприклад, біогенних амінів ) На обмін інших класів органічних речовин , То стають зрозумілими дивовижна узгодженість і координованість величезного розмаїття хімічних процесів, що відбуваються в організмі . Багато з цих процесів були детально висвітлені при описі обміну окремих класів речовин (Див. Глави 10-12). У цьому розділі коротко представлені приклади взаємних переходів окремих структурних елементів білків , жирів , вуглеводів (Рис. 15.1) і нуклеїнових кислот в процесі їх перетворень і обміну.
Крім прямих переходів метаболітів цих класів речовин один в одного, існує тісний енергетичний зв'язок, коли енергетичні потреби можуть забезпечуватися окисленням якогось одного класу органічних речовин при недостатньому надходженні з їжею інших. важливість білків (зокрема, ферментів , гормонів та ін.) в обміні всіх типів хімічних сполук занадто очевидна і не потребує доказів. Раніше було відзначено велике значення білків і амінокислот для синтезу ряду спеціалізованих з'єднань (пуринові і піримідо-нові нуклеотиди , порфірини , біогенні аміни та ін.). кетогенні амінокислоти , Що утворюють в процесі обміну ацетоуксусную кислоту (Ацетоацетил-КоА), можуть безпосередньо брати участь в синтезі жирних кислот і стеринів . Аналогічно можуть використовуватися гликогенние амінокислоти через ацетил-КоА, але після попереднього перетворення в піруват. Деякі структурні компоненти спеціалізованих ліпідів , Зокрема фосфогліцерінов, мають своїм джерелом амінокислоти і їх похідні, наприклад серин , етаноламін , Сфингозин і холін . Необхідно підкреслити, що перетворення вуглецевих скелетів кетогенних або глікогенних амінокислот в жирні кислоти є незворотнім процесом, хоча не можна виключити можливості часткового синтезу глутамату і опосередковано інших амінокислот з продуктів розпаду жирних кислот - ацетил-КоА - через цикл трикарбонових кислот , Що включає α-кетоглутарат. У той же час з гліцерину нейтральних жирів через піруват повністю здійснюється синтез вуглецевих скелетів деяких глікогенних амінокислот .
Мал. 15.1. взаємозв'язок білків , жирів і вуглеводів .
продукти гідролізу харчових і тканинних триацилгліцеролів, зокрема вищі жирні кислоти , Беруть участь безпосередньо в освіті складних білків - ліпопротеїнів плазми крові . В складі ліпопротеїнів , Є, таким чином, транспортною формою жирних кислот , Вони доставляються в органи-мішені, в яких жирні кислоти служать або джерелом енергії (серцева і поперечно-смугаста мускулатура), або попередниками синтезу тканинних триацилгліцеролів з подальшим їх відкладенням в клітинах ряду органів (депо ліпідів ).
Отримано докази синтезу глюкози з більшості амінокислот . Для деяких амінокислот ( аланин , Аспарагінова і глута-нова кислоти ) зв'язок з глюконеогенезом є безпосередньою, для інших вона здійснюється через побічні метаболічні шляхи. Слід особливо підкреслити, що три α-кетокислот (піруват, оксалоацетат і кето-глутарат), які утворюються відповідно з аланина , Аспартату і глу-Тамата, не тільки служать вихідним матеріалом для синтезу глюкози , Але є своєрідними кофакторами при розпаді ацетильних залишків всіх класів харчових речовин в циклі Кребса для отримання енергії.
синтез незамінних амінокислот з продуктів обміну вуглеводів і жирів в організмі тварин відсутній. клітини тварин не містять ферментних систем, що каталізують синтез вуглецевих скелетів цих амінокислот . В той же час організм може нормально розвиватися виключно при білковому харчуванні, що також свідчить про можливість синтезу вуглеводів з білків . процес синтезу вуглеводів з амінокислот отримав назву глюконеогенезу . Він доведений прямим шляхом в дослідах на тваринах з експериментальним діабетом: більше 50% введеного білка перетворюється в глюкозу . Як відомо, при діабеті організм втрачає здатність утилізувати глюкозу , І енергетичні потреби покриваються за рахунок окислення амінокислот і жирних кислот . Доведено також, що вихідними субстратами для глюконеогенезу є ті амінокислоти , Розпад яких супроводжується утворенням прямо або опосередковано піровиноградної кислоти (Наприклад, аланин , серин , треонин і цистеїн ). Більш того, є докази існування в організмі своєрідного циклічного процесу - глюкозоаланінового циклу, який бере участь в тонкій регуляції концентрації глюкози в крові в тих умовах, коли в період між прийомами їжі організм відчуває дефіцит глюкози . Джерелами пірувату при цьому є зазначені амінокислоти , Що утворюються в м'язах при розпаді білків і що надходять в печінку , В якій вони піддаються дезами-вання. Утворився аміак в печінки знешкоджується, беручи участь в синтезі сечовини , Яка виділяється з організму . дефіцит м'язових білків потім поповнюється за рахунок надходження амінокислот їжі.
Енергетична цінність їжі надає певний вплив на білковий обмін, контрольований баланс азоту. Так, якщо споживана енергія їжі нижче мінімального рівня, то спостерігається збільшення екскреції азоту , І, навпаки, при збільшенні енергетичної цінності їжі екскреція азоту з сечею знижується.
між циклом лимонної кислоти і орнітінового циклом сечовини-освіти є складні зв'язки, що визначають певною мірою швидкість реакцій , Залежну від енергетичних потреб клітини і концентрацій кінцевих продуктів метаболізму . Як було показано (див. Розділ 12), фумарова кислота утворюється в процесі розпаду аргінін-бурштинової кислоти , Синтез якої в свою чергу вимагає наявності амінокислоти аспартату. Новоутворена фумарова кислота (з попередника амінокислоти аспартату) далі вступає в цикл лимонної кислоти і під дією двох ферментів цього циклу: фумаратгідратази і малат-дегідрогенази - перетворюється в оксалоацетат, який за участю специфічної трансамінази знову перетворюється в аспартат, тобто виходить своєрідний аспартат-аргініноянтарний шунт циклу лимонної кислоти , Сполученого з циклом мочевінообразованія (рис. 15.2). Таким чином, за допомогою цього незвичайного зчепленого механізму відбувається переплетення реакцій обох циклів (мочевінообразованія і ді-і Трікар-бонових кислот ). Цей механізм отримав назву «велосипед Кребса» (The "Krebs bicycle").
З наведеної загальної схеми (див. Рис. 15.1) видно також, що є різні шляхи взаємоперетворення жирів і вуглеводів . Практика відгодівлі сільськогосподарських тварин давно підтвердила можливість синтезу жирів з вуглеводів їжі. З енергетичної точки зору, перетворення вуглеводів в жири слід розглядати як накопичення і депонування енергії, хоча синтез жиру супроводжується витратою енергії, яка знову звільняється при окисленні жирів в організмі . гліцерин , що входить
Мал. 15.2. The "Krebs Bicycle". (Друкується з люб'язного дозволу д-ра David L. Nelson і д-ра М.М. Сохнув, 1993.)
до складу триацилгліцеролів і фосфогліцерінов, може легко утворитися з проміжних метаболітів гліколізу , Зокрема з гліцераль-дегід-3-фосфату. Слід, однак, підкреслити, що основним шляхом перетворення вуглеводів в жири є шлях освіти вищих жирних кислот з ацетил-КоА, який утворюється при окислювальному Декар-боксілірованіі пірувату. Остання реакція практично необоротна, тому освіти вуглеводів з вищих жирних кислот майже не відбувається. Таким чином, синтез вуглеводів з жирів в принципі може відбуватися тільки з гліцерину , Хоча в звичайних умовах реакція протікає в зворотну сторону, тобто в сторону синтезу жирів з гліцерину , Що утворюється при окисленні вуглеводів . Ацетил-КоА, що утворюється в процесі обміну вуглеводів , жирів і ряду амінокислот , Служить пусковим субстратом як для синтезу жирних кислот (А отже, і ліпідів взагалі), так і для циклу трикарбонових кислот . для окислення ацетил-КоА в цьому циклі потрібно оксалоацетат, який є другим ключовим субстратом в циклі Кребса . Оксалоацетат може синтезуватися з піровиноградної кислоти і СО2 завдяки реакції карбокси-вання або утворитися з аспарагінової кислоти в процесі транс-амінування з α-кетоглутаратом. дві молекули ацетил-КоА, конденсуючись, утворюють ацетоуксусную кислоту (Ацетоацетат), яка є джерелом інших кетонових тіл в організмі , Зокрема β-оксимасляної кислоти (Β-оксибутират) і ацетону (Див. Розділ 11). Слід підкреслити, що ацетоуксусная і β-оксимасляная кислоти часто розглядаються як транспортні форми активної оцтової кислоти , Що доставляють її для окислення в циклі Кребса в периферичних тканинах . ці ж реакції конденсації двох молекул ацетил-КоА становлять початкові етапи синтезу холестерину , В свою чергу є попередником гормонів стероїдної природи, вітамін А D3, а також жовчних кислот . Останні у вигляді парних жовчних кислот виконують важливу функцію емульгаторів при перетравленні ліпідів їжі в кишечнику, а також функцію транспортерів, сприяючи всмоктуванню вищих жирних кислот . Слід вказати також на використання галактози і частково глюкози для біосинтезу цереброзидів і гликолипидов , Які виконують важливі і специфічні функції в діяльності ЦНС. У цьому синтезі беруть участь не вільні моносахариди , а гексозаміни (Галактозамин і глюкозамін), біосинтез яких в свою чергу вимагає доставки амідного азоту глутаміну , Інтегруючи тим самим обмін вуглеводів , ліпідів і білків .
В останні роки накопичено чимало експериментальних даних, що свідчать про існування в живих організмах безлічі регулюючих механізмів, що здійснюють метаболічний контроль і забезпечують як взаємоперетворення білків , ліпідів і вуглеводів , Так і інтеграцію енергії. Не заперечуючи значення інших типів регуляції метаболізму (Див. Глави 8, 9), слід підкреслити, що рушійною силою у взаимопревращениях речовин і інтенсивності метаболізму , Найімовірніше, є енергетичний стан клітини , Зокрема рівень АТФ (Точніше, ставлення АМФ / АТФ ). Так, при низьких концентраціях АМФ і високих концентраціях АТФ (Стан, який прийнято позначати «енергонасищенностью») в клітинах відбувається різке зниження Глік-литического розпаду глюкози , Обумовлене дією цих нуклеотидів на ключовий фермент гліколізу - фосфофруктокинази і на фосфатазу фруктозо-6-фосфату. В результаті в клітинах накопичується не тільки фруктозо-6-фосфат, але і його попередник - глюкозо-6-фосфат. Останній, будучи позитивним модулятором ферменту глікогенсінтази, стимулює синтез полісахариду - глікогену . при низьких концентраціях АТФ (Відповідно при високому рівні АМФ ) в клітинах відзначаються стимулювання гліколізу і окислення пірувату в лимоннокисле циклі, що сприяє забезпеченню клітин енергією. Однак при низьких концентраціях АМФ має місце зниження швидкості циклу трикарбонових кислот , Обумовлене гальмуванням активності ізоцитратдегідрогенази, відповідно спостерігається зниження швидкості синтезу АТФ і накопичення ізолімонной кислоти . Остання, як відомо, підвищує активність іншого ферменту - ацетил-КоА-карбоксилази, яка в свою чергу каталізує I стадію перетворення ацетил-КоА в жирну кислоту . Завдяки цим обставинам клітина переводить утворилася при гликолизе молекулу ацетил-КоА з енергетичного шляху на шлях синтезу ліпідів і їх відкладення в депо. У той же час при відновленні швидкості утилізації АТФ , Що зазвичай спостерігається при синтезі жирних кислот , Відповідне підвищення рівня АМФ сприяє зниженню концентрації лимонної кислоти і відповідно гальмування синтезу ліпідів .
Перерахованими прикладами абсолютно не вичерпується все різноманіття взаємоперетворення органічних речовин , Які постійно відбуваються в живих організмах . Тут наведено лише головні, магістральні канали і шляхи перетворення загальних класів речовин і вказані ключові субстрати і ферментні системи, що забезпечують сталість хімічних компонентів і тканин і динамічність живих структур.
Таким чином, швидкість розпаду одних поживних речовин і біосинтезу інших перш за все визначається фізіологічним станом і потребами організму в енергії і метаболітах . Завдяки динамічності і координації метаболічної активності забезпечується макро- і мікроскопічне сталість всіх форм живого. З'ясування фундаментальних проблем структури і функцій окремих біомолекул може служити основою для розкриття як молекулярних механізмів хімічних процесів, що лежать в основі складу та функцій окремих клітин і цілісного організму , Так і процесів, що забезпечують біологічну індивідуальність живих організмів . Будь-які порушення цього динамічного статусу організму супроводжуються розвитком патології, тяжкість і тривалість якої будуть визначатися ступенем ушкодження структури і функцій окремих молекулярних і надмолекулярних компонентів клітин .
Попередня сторінка | Наступна сторінка
ЗМІСТ
