154

Топик к лекции
ЛИНЕЙНЫЕ И ЦИКЛИЧЕСКИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ.
КАТАБОЛИЗМ, АНАБОЛИЗМ, ВЗАИМОСВЯЗЬ ПУТЕЙ
2 слайд. ОБМЕН ВЕЩЕСТВ или метаболизм - совокупность всех химических
изменений и всех видов превращений веществ и энергии в организмах.
Метаболизм состоит из двух противоположных, одновременно протекающих
процессов. Катаболизм - процесс метаболического распада, разложения на более
простые вещества или окисления какого-либо вещества, обычно протекающий с
высвобождением энергии в виде тепла и в виде АТФ. Анаболизм - совокупность
химических процессов, направленных на синтез собственных органических
соединений из полученных питательных веществ, идёт с потреблением энергии,
полученной при окислении. Анаболические и катаболические процессы
осуществляются путем последовательных химических реакций с участием
ферментов.
3 слайд. Метаболические пути многоэтапны, взаимосвязаны, регулируемы,
скоординированы в пространстве. Они бывают линейными и циклическими
(цикл трикарбоновых кислот, орнитиновый цикл). В линейном мет.пути субстрат
S превращается в продукт Р в результате пяти
последовательных
ферментативных реакций. Продукт одной ферментативной реакции служит при
этом субстратом следующей (распад и синтез гликогена, гликолиз и др.).
Циклический путь метаболизма: где вещество Е начинает цикл, а в конце цикла
регенерирует, S — второй исходный субстрат. Именно таким путем происходит
окисление ацетильных групп до СО2 и Н2О в цикле лимонной кислоты, где
оксалоацетат является одним из исходных субстратов и одновременно конечным
продуктом этого цикла, а вторым субстратом служит ацетил-СоА.
Известно, что одни и те же реакции протекают при обмене различных групп
соединений. Их объединили в одно понятие – центральные пути обмена,
сходные у всех живых организмов, а образующиеся при этом равноценные
метаболиты получили название ключевых. В настоящее время принято выделять
три главных этапа превращения основных биомолекул – белков, углеводов,
липидов, - в процессе которых происходит генерация АТФ и образование
структурных блоков, необходимых для реакций биосинтеза.
4 слайд. Рассмотрим превращение веществ на основных этапах метаболизма.
На первом этапе крупные молекулы (биополимеры) распадаются на
основные структурные блоки (мономеры). Деградация молекул происходит
преимущественно гидролитическим путем, реакции являются экзергоническими,
но освобождающаяся энергия трансформируется преимущественно в тепловую
форму, и генерации АТФ при этом не происходит. Первый этап является
специфичным для каждого класса соединений, соответственно катализируется
специфичными ферментными системами и завершается образованием
мономерных молекул – гексоз, аминокислот, глицерола, жирных кислот.
На втором этапе происходит превращение упомянутых выше мономерных
веществ с образованием общих, равнозначных для всех групп соединений 3- или
2-углеродных фрагментов, а именно пирувата (С3) или ацетил-СоА (С2). Эти
метаболиты получили название ключевых метаболитов, поскольку именно через
них осуществляется взаимосвязь между обменом различных веществ в организме
на втором этапе метаболических превращений веществ. Метаболические
превращения второго этапа сопровождаются генерацией энергии в форме АТФ
или генерированием восстановительных эквивалентов НАДФН, необходимых для
реакций биосинтеза многих соединений. Незначительная часть АТФ при этом
синтезируется путем субстратного фосфорилирования (гликолиза); основная
часть - путем окислительного фосфорилирования.
5 слайд. Пируват лежит в точке пересечения ряда метаболических путей.
В процессе гликолиза молекула глюкозо-6-фосфата превращается в две
молекулы пирувата, последний в анаэробных условиях восстанавливается до
лактата. Третья важная реакция – окислительное декарбоксилирование пирувата,
которое завершается образование ацетил-СоА, который затем вовлекается в цикл
трикарбоновых кислот. Через реакцию трансаминирования пируват связан с
аминокислотами, а при окислении глицерола (метаболит липидов) образуются
триозы (3-фосфогдицериновый альдегид или 3-фосфодиоксиацетон), который
далее вовлекается в процесс гликолиза. Еще один путь метаболизма пирувата –
его карбоксилирование и превращение в оксалоацетат. В дрожжах он способен
метаболизировать также с образованием этилового спирта. Реакция
карбоксилирования позволяет
пирувату либо включиться в процесс
глюконеогенеза, либо образующийся из него оксалоацетат участвует в
пополнении пула промежуточных метаболитов цикла ТКК, если клетка
испытывает недостаток.
6 слайд. Ацетил-СоА представляет еще более разветвленный узел
метаболических путей. Через ацетил-СоА перекидывается мостик от
моносахаридов и аминокислот к липидам. Основным источником его является
окислительное декарбоксилирование пирувата и β-окисление жирных кислот.
Таким образом, на втором этапе образуется практически единственный общий
метаболит катаболизма биомолекул различных классов в клетках –
активированная форма уксусной кислоты. Катаболизм ацетил-СоА – это его
полное окисление до СО2 в цикле ТКК, реакции же анаболического характера синтез холестерола, кетоновых тел и жирных кислот.
7 слайд. Третий этап – это реакции цикла трикарбоновых кислот (ЦТК),
процесса, наглядно демонстрирующего единство метаболических превращений.
Это основной амфиболический путь, обеспечивающий, с одной стороны, полное
окисление ацетил-СоА, образовавшегося при распаде веществ разных классов
(аминокислоты, углеводы, липиды) до СО2 и Н2О, и, с другой стороны, предоставляющий исходные соединения для биосинтеза различных соединений.
ЦТК играет также центральную роль в энергетическом обмене,
восстановительные эквиваленты окислительных реакций депонируются в форме
НАДН и ФАДН2, окисление которых в дыхательной цепи митохондрий
сопровождается синтезом АТФ – универсальной энергетической валюты в
организме. Промежуточные соединения цитратного цикла включаются во многие
процессы биосинтеза, например в биосинтез глюкозы (глюконеогенез;
оксалоацетат и малат), синтез порфиринов (сукцинил-КоА) и синтез
аминокислот (2-оксоглутарат, оксалоацетат). Кроме того, цитратный цикл
поставляет в цитоплазму ацетил-КоА, необходимый для синтеза жирных кислот
и изопреноидов
8 слайд. Связь между анаболизмом и катаболизмом проявляется на трех уровнях
– источников углерода, энергетическом и восстановительных реакций
анаболизма. На уровне источников углерода. Промежуточные продукты
центральных метаболических путей катаболизма становятся субстратами для
анаболических реакций, в процессе которых образуются структурные блоки,
необходимые для синтеза макромолекул.
9 слайд. На энергетическом уровне. В процессе катаболизма вырабатывается
метаболическая энергия в форме АТФ; анаболические же процессы, как правило,
являются эндергоническими и потребляют АТФ. На уровне восстановительной
способности. Катаболические процессы являются в основном окислительными и
служат донорами высокоэнергетических электронов, для анаболизма же
характерно обратное. Основным донором электронов в восстановительных
реакциях биосинтеза является НАДФН, восстановление которого происходит в
реакциях катаболизма, большей частью в пентозофосфатном пути окисления
глюкозы.
10 слайд. Основное различие в реакциях путей катаболизма и анаболизма
заключается в том, что они редко повторяют друг друга. Это совершенно
очевидно, когда продукт катаболизма не идентичен тому источнику углерода,
который используется в процессе анаболизма. Например, при обмене жирных
кислот. Катаболизм завершается образованием ацетил-СоА, а биосинтез
начинается с того же самого промежуточного продукта и идет по пути, который
на первый взгляд представляется простым повторением катаболической
последовательности реакций в обратном порядке. Но это далеко не так. Вопервых, ацетил-СоА должен сначала превратиться в более реакционноспособный
малонил-СоА, который не является промежуточным продуктом при катаболизме;
во-вторых, весь набор ферментов, ответственных за превращение малонил-СоА в
ацилпроизводные с более длинной цепью, отличается от набора ферментов,
участвующих в катаболизме, и, наконец, в-третьих, эти ферменты локализованы
совсем в другом компартменте клетки. Разделение путей биосинтеза и распада
имеет важное значение для эффективной регуляции метаболизма.
11 слайд. Таким образом, в конечном счете можно говорить об определенной
взаимосвязи различных по характеру метаболических реакций, а метаболизм
организма в целом представить в виде чрезвычайно сложной сети
ферментативных процессов, в которой нарушение потока питательных веществ в
какой-нибудь части непременно вызывает изменения в другой ее части сети для
уравновешивания и компенсирования первично возникших изменений обмена.