Метаболизм: Часть 1

Видео

Конспект

Все метаболические процессы, происходящие в организме, можно разделить на две группы.

Катаболизм (диссимиляция, энергетический обмен) Процесс разложения сложных веществ до простых, вплоть до CO_{2} , NH_{3}, H_{2} O , сопровождаются выделением энергии.

Анаболизм (ассимиляция, пластический обмен)

Представляет собой синтез сложных веществ из простых, идёт с затратой энергией.

В данной лекции будет рассмотрен катаболизм на примере клеточного дыхания. Стоит сказать, что термин "клеточное дыхание" имеет разное толкование. Иногда клеточное дыхание рассматривается как синоним всему катаболизму, так как клетки потребляют органические соединения и разлагают их до CO_{2}, H_{2} O и прочих соединений, а энергию запасают в виде АТФ. В других случаях под клеточным дыханием могут подразумеваться катаболические пути исключительно углеводов. В качестве примера здесь рассматривается глюкоза, являющаяся основным источником энергии.

Клеточное дыхание можно разделить на несколько этапов. Начнем их рассмотрение.

Подготовительный этап

Является универсальным этапом, характерен для распада всех органических веществ. В организме многоклеточных животных он протекает в желудочно-кишечном тракте (ЖKT). На уровне отдельной клетки происходит в лизосомах, содержащих гидролитические ферменты для расщепления полимеров. Так как данный этап идет в лизосомах или внеклеточной среде, то вся энергия, получаемая на данном этапе, выделяется в виде тепла. Отделы ЖKT (слюнные железы, желудок, поджелудочная железа, кишечник) выделяют гидролитические ферменты, расщепляющие макромолекулы на более мелкие. Так белки расщепляются до аминокислот, жиры – до глицерина и жирных кислот, углеводы – до моносахаридов, нуклеиновые кислоты – до нуклеотидов. В тонком кишечнике через клетки эпителия продукты расщепления попадают в капилляры: либо в кровеносные (продукты расщепления белков, углеводов, нуклеиновых кислот), либо в лимфатические (продукты липидного обмена). Воротная вена, собирающая кровь от кишечника, идет в печень, где разветвляется и образует капиллярную сеть.

Такая система доставки веществ в печень необходима, так как печень является центром углеводного и белкового обменов и забирает из крови, пришедшей от кишечника, излишки моносахаридов и аминокислот.

Как мы помним, углеводы представляют собой основной быстрый источник энергии. Если человек съел много углеводов, то их избыток будет запасаться в печени в виде гликогена. Конечно, если углеводов слишком много, то какая-то их часть вообще превратится в липиды. В случае потребления избыточного количества белков образуется избыточное количество аминокислот, которые расщепляются в печени. Данный процесс довольно опасен: одним из первых этапов деградации аминокислот является дезаминирование с образованием токсичного (в первую очередь, нейротоксичного) NH_{3} , поэтому в печени существует цикл мочевины, обеспечивающий превращение аммиака в более безопасную мочевину.

При переедании липидов возникает ряд проблем. Аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды являются высоко гидрофильными, растворимыми в воде соединениями, которые легко транспортируются плазмой крови. Липидные соединения гидрофобны, а потому они не могут перемещаться плазмой крови в свободной форме. После всасывания глицерина и жирных кислот в клетки эпителия тонкого кишечника из них там же снова синтезируются триглицериды. Далее триглицериды собираются в своеобразный <<шарик>> – хиломикрон – поверхность которого покрывают амфифильные фосфолипиды и белки, служащие адресной меткой хиломикрона. Такой агрегат далее поступает в лимфатическую систему, которая на уровне полых вен переходит в кровеносное русло. Периодически хиломикрон подходит к клеткам разных тканей, которые могут «выедать» из него определенные липиды.

Почему хиломикроны поступают сначала в лимфатические сосуды? Дело в том, что печень, помимо вышеперечисленных функций, осуществляет детоксикацию ксенобиотиков – чужеродных веществ (от ксенос – чуждый и биос – жизнь). Печень способна нейтрализовать именно гидрофобные ксенобиотики: из них она образует более гидрофильные вещества, которые могут легко выводиться из организма с мочой. Печень не всегда способна отличать чужеродные гидрофобные вещества от собственных, поэтому если бы липиды из кишечника сразу попадали в кровь, то печень оказывалась бы перегруженной, пытаясь сделать из гидрофобных липидов более гидрофильные соединения. Приток липидов мог бы настолько отравить печень, что если бы человек в этот момент отравился гидрофобным ксенобиотиком, печень не смогла бы его нейтрализовать.

Итак, вернемся к биохимии. Различные органы получают из плазмы крови конкретные вещества, необходимые им: аминокислоты как строительные блоки для собственных белков, моносахариды для получения энергии, нуклеотиды для построения нуклеиновых кислот, липиды как запасное вещество или также для получения энергии.

Как мы уже говорили, углеводы представляют собой быстрый источник энергии, тогда как липиды расходуются только при определенных условиях. Основным моносахаридом, образующимся в результате катаболизма углеводов, является глюкоза, поэтому дальнейшие этапы катаболизма будут рассмотрены на ее примере.

Гликолиз

Окисление пирувата

Цикл Кребса

Электрон-транспортная цепь

4 и 5 этапы происходят не только в катаболизме углеводов, но и в катаболизме липидов и аминокислот.

Суммарный баланс всех этапов со 2 по 5 для глюкозы можно представить в виде одного уравнения:

\textbf{C}_{\mathbf{6}} \textbf{H}_{\mathbf{1 2}} \textbf{O}_{\mathbf{6}} \boldsymbol{+} \textbf{6O}_{\mathbf{2}} \boldsymbol{=} \textbf{6} \textbf{CO}_{\mathbf{2}} \boldsymbol{+} \mathbf{6} \textbf{H}_{\mathbf{2}} \textbf{O}

Данная реакция, по сути, представляет собой горение глюкозы. Она является сильно экзотермической, то есть идет с выделением энергии в виде тепла и света. Наши клетки делают ту же реакцию, однако главной целью ее проведения является запасти выделяющуюся энергию в виде АТФ. При горении выделяется много энергии, которую не удается полностью преобразовать в энергию химических связей. Почему? Если клетка хочет запасти энергию, выделяющуюся в виде тепла и света в форме химических связей, то ей необходимо энергопреобразующее устройство. В клетках есть такие энергопреобразователи – ферментативные комплексы. Однако у любого энергопреобразователя есть свой КПД – коэффициент полезного действия – то есть в единицу времени может преобразоваться только какая-то порция энергии. В экзотермических реакциях, как в реакции горения, за короткий промежуток времени выделяется много энергии. Поэтому какой бы эффективный энергопреобразователь мы бы не сделали, часть энергии будет неизбежно теряться в тепло. Как решают эту проблему клетки? Они разбивают процесс окисления глюкозы на несколько стадий так, чтобы на каждой стадии выделялись небольшие количества энергии, тогда КПД преобразователей энергии оказывается достаточен, чтобы запасти энергию в виде АТФ без больших энергопотерь. Основным энергопреобразователем в наших клетках является электрон-транспортная цепь. Однако важно понимать, что сделать эффективный преобразователь тяжело, поэтому вероятность создания двух разных таких устройств в ходе эволюции мала.

Наличие лишь одного эффективного преобразователя накладывает ограничение. Исходно была одна реакция – окисление глюкозы кислородом. Почему она является экзотермической? В целом, все окислительно-восстановительные реакции (ОВР) связаны с перепадом энергии, но есть экзотермические реакции, идущие с выделением энергии, а есть эндотермические, протекающие с поглощением энергии. Определение энергетического выхода реакции связано с окислительно-восстановительными потенциалами участников. Например, в случае окисления глюкозы кислородом, кислород является очень хорошим окислителем, а как глюкоза хорошим восстановителем. Таким образом, между ними имеется большой перепад потенциалов или разность потенциалов. Чем более слабый окислитель мы берем, тем меньше разность потенциалов, а, значит, и энергетический выход реакции.

Итак, клетки дробят исходную реакцию на несколько отдельных процессов, в каждом из которых можно было бы с помощью индивидуальных энергопреобразователей синтезировать АТФ. Но, как мы ранее говорили, все преобразователи работают по одному принципу. Получается, что клетки не способны эффективно преобразовывать выделяющуюся энергию в АТФ на этапе каждой из десятков реакций. Что же делать?

Поменять восстановители нельзя, так как это и есть катаболизируемые органические соединения, но можно заменить окислитель на соединение с меньшим потенциалом, тогда разность потенциалов станет настолько маленькой, что нельзя будет запасти энергию. Такой окислитель получит электроны от глюкозы, а дальше будет переносить электроны на ЭТЦ, где, в свою очередь, будет происходить его окисление кислородом. Разность потенциалов между переносчиком и кислородом будет большая, и пока электроны будут идти по ЭТЦ и преодолевать разность потенциалов, будет синтезироваться АТФ.