09. Основные особенности метаболических процессов: обмен веществ и его пути. Характеристика функций метаболизма

В живых клетках протекает множество ферментативных реакций. Всю совокупность этих реакций объединяют общим понятием метаболизм (обмен веществ). Он выполняет четыре специфические функции:

1. снабжение химической энергией, которая добывается путем расщепления богатых энергией пищевых веществ, поступающих из среды, или путем преобра­зования улавливаемой энергии солнечного света;
2. превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые в дальнейшем используются клеткой для построения макромолекул;
3. сборка белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и прочих клеточных компонентов из этих строительных блоков;
4. синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения каких-либо специфических функций.

Выделяют внешний и промежуточный обмен веществ. Внешний обмен веществ - внеклеточное переваривание веществ на путях их поступления и выделения из организма.

Промежуточный обмен веществ  - превращение веществ внутри клеток с момента их поступления до образования конечных продуктов. Попав внутрь клетки, питательное вещество метаболизируется, т.е. претерпевает ряд химических изменений, катализируемых ферментами. Определённая последовательность таких химических изменений называется метаболическим путём, а образующиеся промежуточные продукты - метаболитами. Большей частью метаболические пути линейны в результате четырех последовательных ферментативных реакций предшественник А превращается в продукт Е, а продукт одной ферментативной реакции служит субстратом следующей:

A ^El > B ^Д2 > C ^ЕЪ > D ^Д4 > E

Кроме линейных выделяют циклические метаболические пути. Обычно они имеют разветвления, в которых какие-нибудь продукты реакций выходят из цепи реакций данного метаболического пути или, наоборот, вливаются в нее.  Именно таким путем происходит окисление ацетильных групп до СО₂ и Н₂О в цикле лимонной кислоты.

Все метаболические пути делят на:

• центральные
• специальные (вто­ричные).

Центральные метаболические пути - пути превращения основных пищевых веществ в клетке (углеводов, жиров, белков и нуклеиновых кислот). На этих путях потоки метаболитов довольно внушительны. Например, в организме взрослого человека ежесуточно окисляется несколько сотен граммов глюкозы до СО₂ и воды. Последовательности химических превращений на каждом из центральных метаболических путей, в принципе, у всех живых форм едины. Кроме центральных путей есть и другие метаболические пути со значительно меньшим потоком метаболитов (ежесуточный синтез или распад при этом измеряется миллиграммами).

Эти специальные метаболические пути составляют так называемый вторичный метаболизм, роль которого - в образовании различных специализированных веществ, требующихся клеткам в малых количествах. К вторичным метаболическим путям принадлежит, например, биосинтез коферментов и гормонов, потому что эти соединения вы­рабатываются и используются только в следовых количествах.

Промежуточный метаболизм складывается из двух фаз:

• катаболизма,
• анаболизма.

Катаболизм - это фаза, на которой происходит расщепление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Углеводы, жиры и белки, поступившие извне с пищей или присутствующие в самой клетке в качестве запасных веществ, распадаются в серии последова­тельных реакций до таких соединений, как молочная кислота, СО₂ и аммиак. Катаболические процессы сопровождаются высвобождением свободной энергии, заключенной в сложной структуре больших органических молекул. На определенных этапах соответствующих катаболических путей значитель­ная часть свободной энергии запасается в форме высокоэнергетического со­единения - АТФ (благодаря сопряженным ферментативным реакциям). Часть ее запасается также в богатых энергией водородных атомах кофермента КЛОН (КАОРН), находящегося в восстановленной форме катаболические пути поставляют химическую энергию в форме АТФ и НАДФH. Эта энергия используется на анаболических путях для биосинтеза макромолекул из небольших молекул - предшествен­ников.

Ферментативное расщепление тех главных питательных веществ, кото­рые служат клетке источником энергии, а именно углеводов, жиров и белков, совершается постепенно, т.е. через ряд последовательных ферментативных реакций. В аэробном катаболизме различают три главные стадии:

1. На первой стадии макромолекулы клетки распадаются на свои основные «строительные блоки»: полисахариды до гексоз или пентоз, жиры □ до жирных кислот, глицерола и других компонентов, белки - до аминокислот.
2. На второй стадии эти «строительные блоки» превращаются в один об­щий продукт - ацетильную группу ацетил-СоА.
3. На третьей стадии различ­ные катаболические пути сливаются в один общий путь - цикл лимонной ки­слоты; в результате всех этих превращений образуются только три конечных продукта.

Все продукты, образовавшиеся на первой стадии катаболизма, на вто­рой стадии превращаются в еще более простые соединения, число которых сравнительно невелико. Гексозы, пентозы и глицерол расщепляются до одно­го и того же трехуглеродного промежуточного продукта (пирувата), а затем до единственной двухуглеродной формы ацетильной группы ацетилкофермента А (ацетил-СоА). Аналогичное превращение претерпевают жирные кислоты и углеродные скелеты большей части аминокислот: их рас­щепление также завершается образованием ацетильных групп в форме аце­тил-СоА. Таким образом, ацетил-СоА представляет собой общий конечный продукт второй стадии катаболизма.

На третьей стадии ацетильная группа ацетил-СоА вступает в цикл ли­монной кислоты - общий конечный путь, на котором почти все виды клеточ­ного «топлива» в конце концов, окисляются до двуокиси углерода. Конеч­ными продуктами метаболизма являются также вода и аммиак (или другие азотсодержащие соединения). Важно отметить, что катаболические пути сходятся, вливаясь на третьей стадии в общий путь - цикл лимонной кислоты.

Анаболизм, называемый также биосинтезом, - та фаза метаболизма, в которой из малых молекул-предшественников, или «строительных блоков», синтезируются белки, нуклеиновые кислоты и другие макромолекулярные компоненты клеток. Поскольку биосинтез - процесс, в результате которого увеличиваются размеры молекул и усложняется их структура, он требует за­траты свободной энергии. Источником энергии служит распад АТФ до АДФ и неорганического фосфата. Для биосинтеза некоторых клеточных компонен­тов требуются также богатые энергией водородные атомы, донором которых является НАДФH.

Анаболизм, или биосинтез, начинающийся с малых молекул - предшественников, протекает также в три стадии:

1. Синтез белков, например, начинается с образования а-кетокислот и других предшественников.
2. На вто­рой стадии происходит аминирование а-кетокислот в реакциях с донорами аминогрупп. Образуются а-аминокислоты.
3. На последней, завершающей, ста­дии анаболизма из аминокислот строятся полипептидные цепи и образуются различные белки.

Сходным образом синтезируются липиды. Их синтез начи­нается с включения ацетильных групп в жирные кислоты и завершается сборкой различных липидных молекул из этих жирных кислот. В отличие от катаболизма для анаболизма характерно расхождение метаболических пу­тей.

Тесная связь между анаболизмом и катаболизмом протекает на уровнях:

• источников атома углерода - продукты катаболизма являются исходными субстратами для анаболических реакций;
• на энергетическом уровне - в процессах катаболизма образуется АТФ и другие макроэргические соединения, энергия которых затрачивается в анаболических процессах;
• на уровне восстановленных эквивалентов - реакции катаболизма в основном окислительные, а анаболические реакции потребляют восстановленные эквиваленты.

Катаболизм сопровождается освобождением энергии, которая может аккумулироваться в виде АТФ. При анаболических процессах происходит потребление энергии, которая освобождается при распаде АТФ до АДФ и фосфорной кислоты или АМФ и пирофосфорной кислоты. Следовательно, АТФ является сопрягающим энергетическим звеном катаболизма и анаболизма. Кроме АТФ связующим звеном могут служить специфические метаболические пути или циклы. Связующий путь (цикл), объединяющий пути распада и синтеза веществ, называется амфиболическим. Примером амфиболического цикла может служить цикл Кребса. Амфиболические пути связаны, как правило, с окислением веществ до углекислого газа и воды.

Функции метаболизма:

1. снабжение энергией, которая выделяется при распаде веществ корма;
2. превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые используются клеткой для синтеза макромолекул;
3. сборку собственных макромолекул из этих строительных блоков;
4. синтез и разрушение биомолекул, необходимых для выполнения специфических функций клетки (гормонов).

Метаболические пути необратимы. Распад никогда не идет по пути, который являлся бы простым обращением реакций синтеза. В нем участвуют другие ферменты и другие промежуточные продукты. Нередко противоположно направленные процессы протекают в разных отсеках клетки. Так, жирные кислоты синтезируются в цитоплазме при участии одного набора ферментов, а окисляются в митохондриях при участии совсем другого набора.