Биологическая химия - часть 135

Глава 15

ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ

ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ

Живой организм и его функционирование находятся в постоянной за-

висимости от окружающей среды. Интенсивность обмена с внешней средой

и скорость внутриклеточных процессов обмена веществ поддерживают

постоянство внутренней среды и целостность организма.

Как было указано, обмен веществ в организме человека протекает не

хаотично; он интегрирован и тонко настроен. Все превращения орга-

нических веществ, процессы анаболизма и катаболизма тесно связаны друг

с другом. В частности, процессы синтеза и распада взаимосвязаны, ко-

ординированы и регулируются нейрогормональными механизмами, при-

дающими химическим процессам нужное направление. В организме че-

ловека, как и в живой природе вообще, не существует самостоятельного

обмена белков, жиров, углеводов и нуклеиновых кислот. Все превращения

объединены в целостный процесс метаболизма, подчиняющийся диалекти-

ческим закономерностям взаимозависимости и взаимообусловленности,

допускающий также взаимопревращения между отдельными классами ор-

ганических веществ. Подобные взаимопревращения диктуются физиоло-

гическими потребностями организма, а также целесообразностью замены

одних классов органических веществ другими в условиях блокирования

какого-либо процесса при патологии.

Еще Кребс и Корнберг отмечали, что, несмотря на огромное разно-

образие пищевых веществ (белки, жиры, углеводы), число химических

реакций, обеспечивающих их превращения (распад) и образование энергии,

«удивительно мало». Эти закономерности свойственны как организму

животных и человека, так и микроорганизмам и растениям.

В настоящее время экспериментально обосновано существование че-

тырех главных этапов распада молекул углеводов, белков и жиров, которые

интегрируют образование энергии из основных пищевых источников. На

I  э т а п е полисахариды расщепляются до моносахаридов (обычно гексоз);

жиры распадаются на глицерин и высшие жирные кислоты, а белки – на

составляющие их свободные аминокислоты. Следует подчеркнуть, что

указанные процессы в основном являются гидролитическими, поэтому

освобождающаяся в небольшом количестве энергия почти целиком ис-

пользуется организмами в качестве тепла.

На II  э т а п е мономерные молекулы (гексозы, глицерин, жирные

кислоты и аминокислоты) подвергаются дальнейшему распаду, в процессе

которого образуются богатые энергией фосфатные соединения и ацетил-

КоА. В частности, при гликолизе гексозы расщепляются до пировиноград-

ной кислоты и далее до ацетил-КоА. Этот процесс сопровождается об-

разованием ограниченного числа богатых энергией фосфатных связей путем

субстратного фосфорилирования. На этом этапе высшие жирные кислоты

аналогично распадаются до ацетил-КоА, в то время как глицерин окисля-

545

ется по гликолитическому пути до пировиноградной кислоты и далее до

ацетил-КоА. Для аминокислот ситуация на II этапе несколько отлична. При

преимущественном использовании аминокислот в качестве источника энер-

гии (при дефиците углеводов или при сахарном диабете) некоторые из них

непосредственно превращаются в метаболиты лимоннокислого цикла

(глутамат, аспартат), другие – опосредованно через глутамат (пролин,

гистидин, аргинин), третьи – в пируват и далее в ацетил-КоА (аланин, серин,

глицин, цистеин). Наконец, ряд аминокислот, в частности лейцин, изо-

лейцин, расщепляется до ацетил-КоА, а из фенилаланина и тирозина,

помимо ацетил-КоА, образуется оксалоацетат через фумаровую кислоту.

Как видно, II этап можно назвать этапом образования ацетил-КоА,

являющегося по существу единым (общим) промежуточным продуктом

катаболизма основных пищевых веществ в клетках.

На III этапе ацетил-КоА (и некоторые другие метаболиты, например

α-кетоглутарат, оксалоацетат) подвергаются окислению («сгоранию») в

цикле ди- и трикарбоновых кислот Кребса. Окисление сопровождается

образованием восстановленных форм НАДН + Н

+

 и ФАДН

2

.

На IV этапе осуществляется перенос электронов от восстановленных

нуклеотидов на кислород (через дыхательную цепь). Он сопровождается

образованием конечного продукта – молекулы воды. Этот транспорт

электронов сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфо-

рилирования (см. главу 9).

Необходимо отметить, что, помимо взаимных переходов между раз-

ными классами веществ в организме, доказано существование более слож-

ных форм связи. В частности, интенсивность и направление любой хи-

мической реакции определяются ферментами, т.е. белками, которые ока-

зывают непосредственное влияние на обмен липидов, углеводов и нук-

леиновых кислот. В свою очередь синтез любого белка-фермента требует

участия ДНК и всех 3 типов рибонуклеиновых кислот: тРНК, мРНК

и рРНК. Если к этому добавить влияние гормонов, а также продуктов

распада какого-либо одного класса веществ (например, биогенных аминов)

на обмен других классов органических веществ, то становятся понятными

удивительная согласованность и координированность огромного разно-

образия химических процессов, совершающихся в организме. Многие из

этих процессов были подробно освещены при описании обмена отдельных

классов веществ (см. главы 10-12). В данной главе кратко представлены

примеры взаимных переходов отдельных структурных элементов белков,

жиров, углеводов (рис. 15.1) и нуклеиновых кислот в процессе их превра-

щений и обмена.

Помимо прямых переходов метаболитов этих классов веществ друг

в друга, существует тесная энергетическая связь, когда энергетические

потребности могут обеспечиваться окислением какого-либо одного класса

органических веществ при недостаточном поступлении с пищей других.

Важность белков (в частности, ферментов, гормонов и др.) в обмене всех

типов химических соединений слишком очевидна и не требует доказа-

тельств. Ранее было отмечено большое значение белков и аминокислот для

синтеза ряда специализированных соединений (пуриновые и пиримиди-

новые нуклеотиды, порфирины, биогенные амины и др.). Кетогенные

аминокислоты, образующие в процессе обмена ацетоуксусную кислоту

(ацетоацетил-КоА), могут непосредственно участвовать в синтезе жирных

кислот и стеринов. Аналогично могут использоваться гликогенные амино-

кислоты через ацетил-КоА, но после предварительного превращения в

пируват. Некоторые структурные компоненты специализированных липи-

546

Рис. 15.1. Взаимосвязь белков, жиров и углеводов.

дов, в частности фосфоглицеринов, имеют своим источником амино-

кислоты и их производные, например серин, этаноламин, сфингозин и

холин. Необходимо подчеркнуть, что превращение углеродных скелетов

кетогенных или гликогенных аминокислот в жирные кислоты является

необратимым процессом, хотя нельзя исключить возможности частичного

синтеза глутамата и опосредованно других аминокислот из продуктов

распада жирных кислот – ацетил-КоА – через цикл трикарбоновых кислот,

включающий α-кетоглутарат. В то же время из глицерина нейтральных

жиров через пируват полностью осуществляется синтез углеродных ске-

летов некоторых гликогенных аминокислот.

Продукты гидролиза пищевых и тканевых триацилглицеролов, в част-

ности высшие жирные кислоты, участвуют непосредственно в образовании

сложных белков – липопротеинов плазмы крови. В составе липопротеинов,

являющихся, таким образом, транспортной формой жирных кислот, они

доставляются в органы-мишени, в которых жирные кислоты служат или

источником энергии (сердечная и поперечно-полосатая мускулатура), или

предшественниками синтеза тканевых триацилглицеролов с последующим

их отложением в клетках ряда органов (депо липидов).

Получены доказательства синтеза глюкозы из большинства амино-

кислот. Для некоторых аминокислот (аланин, аспарагиновая и глутами-

новая кислоты) связь с глюконеогенезом является непосредственной, для

других она осуществляется через побочные метаболические пути. Следует

особо подчеркнуть, что три α-кетокислоты (пируват, оксалоацетат и кето-

глутарат), образующиеся соответственно из аланина, аспартата и глу-

тамата, не только служат исходным материалом для синтеза глюкозы, но

являются своеобразными кофакторами при распаде ацетильных остатков

всех классов пищевых веществ в цикле Кребса для получения энергии.

547

Липиды

Углеводы

Жирные

кислоты

Глицерин

Глюкоза

Ацетоацетил-КоА

Ацетил-КоА

Пируват

Кетогенные

АМК

Н

2

O

СO

2

ЦТК

Гликогенные

АМК

Аминокислоты

Белки

NН

3

Синтез незаменимых аминокислот из продуктов обмена углеводов

и жиров в организме животных отсутствует. Клетки животных не содержат

ферментных систем, катализирующих синтез углеродных скелетов этих

аминокислот. В то же время организм может нормально развиваться

исключительно при белковом питании, что также свидетельствует о воз-

можности синтеза углеводов из белков. Процесс синтеза углеводов из

аминокислот получил название  г л ю к о н е о г е н е з а . Он доказан прямым

путем в опытах на животных с экспериментальным диабетом: более 50%

введенного белка превращается в глюкозу. Как известно, при диабете

организм теряет способность утилизировать глюкозу, и энергетические

потребности покрываются за счет окисления аминокислот и жирных кис-

лот. Доказано также, что исходными субстратами для глюконеогенеза

являются те аминокислоты, распад которых сопровождается образованием

прямо или опосредованно пировиноградной кислоты (например, аланин,

серин, треонин и цистеин). Более того, имеются доказательства существо-

вания в организме своеобразного циклического процесса – г л ю к о з о -

а л а н и н о в о г о цикла, участвующего в тонкой регуляции концентрации

глюкозы в крови в тех условиях, когда в период между приемами пищи

организм испытывает дефицит глюкозы. Источниками пирувата при этом

являются указанные аминокислоты, образующиеся в мышцах при распаде

белков и поступающие в печень, в которой они подвергаются дезами-

нированию. Образовавшийся аммиак в печени обезвреживается, участвуя

в синтезе мочевины, которая выделяется из организма. Дефицит мышечных

белков затем восполняется за счет поступления аминокислот пищи.

Энергетическая ценность пищи оказывает определенное влияние на

белковый обмен, контролируемый азотистым балансом. Так, если по-

требляемая энергия пищи ниже минимального уровня, то наблюдается

увеличение экскреции азота, и, наоборот, при увеличении энергетической

ценности пищи экскреция азота с мочой снижается.

Между циклом лимонной кислоты и орнитиновым циклом мочевино-

образования имеются сложные связи, определяющие в известной степени

скорость реакций, зависимую от энергетических потребностей клетки и

концентраций конечных продуктов метаболизма. Как было показано (см.

главу 12), фумаровая кислота образуется в процессе распада аргинино-

янтарной кислоты, синтез которой в свою очередь требует наличия амино-

кислоты аспартата. Образовавшаяся фумаровая кислота (из предшествен-

ника аминокислоты аспартата) далее вступает в цикл лимонной кислоты

и под действием двух ферментов этого цикла: фумаратгидратазы и малат-

дегидрогеназы – превращается в оксалоацетат, который при участии спе-

цифической трансаминазы вновь превращается в аспартат, т.е. получается

своеобразный аспартат-аргининоянтарный шунт цикла лимонной кислоты,

соединенного с циклом мочевинообразования (рис. 15.2). Таким образом,

при помощи этого необычного сцепленного механизма происходит пере-

плетение реакций обоих циклов (мочевинообразования и ди- и трикар-

боновых кислот). Этот механизм получил название «велосипед Кребса»

(The "Krebs bicycle").

Из приведенной общей схемы (см. рис. 15.1) видно также, что имеются

различные пути взаимопревращений жиров и углеводов. Практика откорма

сельскохозяйственных животных давно подтвердила возможность синтеза

жиров из углеводов пищи. С энергетической точки зрения, превращение

углеводов в жиры следует рассматривать как накопление и депонирование

энергии, хотя синтез жира сопровождается затратой энергии, которая вновь

освобождается при окислении жиров в организме. Глицерин, входящий

548