6. Метаболизм
Совокупность ферментативных реакций, протекающих в живых клет-ках, называется метаболизмом. Метаболические процессы решают четыре основных задачи:
Генерирование в клетках свободной химической энергии за счёт преоб-разования энергии солнечного света или за счёт превращения богатых энергией веществ.
Превращение веществ в строительные блоки, используемые клетками для синтеза макромолекул и других биогенных веществ.
Биосинтез белков, полисахаридов, нуклеиновых кислот и других кле-точных элементов из этих строительных блоков.
Синтез новых веществ, разложение лишних веществ, поступающих в клетку, а также разложение выполнивших свою роль биомолекул.
Метаболические процессы сопровождаются выделением тепла, под-держивающего оптимальный температурный интервал для протекания биохимических превращений, хотя у теплокровных есть ещё специальный механизм окислительного превращения субстратов, предназначенный только для регуляции температуры тела.
Таким образом, метаболические превращения включают обмен веществ и биоэнергетические процессы.
Высокая скорость и избирательность ферментативных реакций подра-зумевают, что метаболизм основан на высокоорганизованной и согласо-ванной работе взаимосвязанных мультиферментных систем. Простые, единичные превращения веществ в биохимии редки. Чаще всего речь идёт о линейных или циклических путях превращений, протекающих при согла-сованном катализе многими ферментами (мультиферментными система-ми), и дирижерами при этом являются регуляторные ферменты, называе-мые также аллостерическими ферментами:
Часто метаболические превращения организованы как циклические процессы, и они отличаются от этой схемы тем, что конечный и начальный продукты в такой цепочке представляют собой одно и то же вещество, например:
В обеих схемах символом Е1 обозначен регуляторный фермент. Про-дукты последовательных превращений называются метаболитами. Метабо-лизм включает две основных составляющих – катаболизм и анаболизм. Катаболические превращения протекают с упрощением структур исход-ных молекул. Катаболизм – это основа биоэнергетики, так как превраще-ние сложных молекул в более простые чаще всего сопровождается выиг-рышем в энергии. В живой природе эта энергия аккумулируется в опреде-лённых веществах, главным образом в аденозинтрифосфате (АТФ) и его аналоге гуанозинтрифосфате (ГТФ), а также в никотинамидадениндинук-леотиде(фосфате) в восстановленной форме (NADH или NADPH), которые образуются в ходе катаболических процессов. У аэробных организмов для биосинтеза АТФ может быть также использован энергетический выход реакции окисления NADH или NADPH. Богатые химической энергией вещества лежат в основе анаболических превращений, когда из простых веществ с затратой энергии получаются более сложные.
Метаболизм слагается из различных ферментативных реакций, но центральные пути превращений углеводов, аминокислот, жирных кислот и биогенных фосфатов немногочисленны и, что самое главное, едины для всего живого (см. схему):
Левая нисходящая ветвь на этой схеме представлена катаболическими процессами, правая – анаболическими. Катаболические пути сходятся: из всего разнообразия вовлеченных в них веществ образуется сравнительно немного одинаковых молекул. Так, например, всё разнообразие белков при ферментативном гидролизе сводится к двадцати белковым аминокислотам, тогда как катаболические превращения сахаров, жирных кислот и неко-торых аминокислот приводят к образованию одного вещества – ацетил-кофермента А (СоАS-СОСН3).
Анаболические пути расходятся: небольшое число аминокислот, саха-ров, жирных кислот, нуклеотидов, а также одно- и двухуглеродных блоков являются исходными продуктами для всего разнообразия структурных эле-ментов живой природы.
Все ферментативные процессы обратимы, но, несмотря на это, пути синтеза и деградации биомолекул в многостадийных превращениях раз-личаются на одном или на нескольких этапах. Вторичной причиной тому служат термодинамические ограничения. Так, например, для более или менее разумной скорости протекания реакций при полной обратимости в цепи превращений
потребовались бы достаточно высокие значения стационарных концент-раций метаболитов, а рост концентрации конечного продукта привёл бы и к росту концентрации исходного продукта (аналогия с кладкой стены: если нет подвоза кирпичей, то надо прекратить работу, оставив запас). Более существенна необходимость раздельной регуляции катаболических и ана-болических процессов, поскольку иначе блокировка одного из этапов ката-болического превращения привела бы к остановке и соответствующего анаболического процесса. Различие может состоять во включении обход-ных путей, иных промежуточных стадий, а также к появлению новых ферментов на одной или на нескольких стадиях прямых и обратных превращений. Важно также, что катаболические и анаболические пути должны быть разделены по месту их протекания (локализации), т.е. разде-лены пространственно. Это необходимо для того, чтобы исключить холос-тые циклы. Так, например, в процессе катаболизма глюкозы с участием АТФ образуется 6‑фосфоглюкоза, а при глюконеогенезе (при биосинтезе глюкозы) это вещество гидролизуется, но АТФ при этом не образуется. При совмещении этих путей в одном месте происходило бы непроизво-дительное расходование АТФ – этого важнейшего участника биоэнергети-ческих процессов. В качестве примера пространственного разделения можно привести окислительные превращения с выигрышем энергии, кото-рые идут в клеточных органеллах митохондриях, тогда как восстанови-тельные энергозатратные анаболические процессы образования тех же самых веществ локализованы в жидкой среде клетки – цитозоле.
Генерируемая в катаболических превращениях энергия представляет собой свободную энергию (или энергию Гиббса ΔG0), которая может совершать работу при постоянных температуре и давлении.
Во всём объёме клеток температура мало различается, и энергия химических превращений реализуется через образование макроэргических веществ, главным из которых является аденозинтрифосфат (АТФ, АТР). АТФ содержит две ангидридные связи, гидролиз которых сопровождается выделением энергии около 7,3 ккал/моль (30,5 кДж/моль):
где АТР означает аденозинтрифосфат, ADP – аденозиндифосфат, AMP – аденозинмонофосфат, а Pi и PРi – это принятые в биохимии обозначения анионов фосфорной и пирофосфорной кислот (i – inorganic), в общем случае для фосфорной кислоты в клетке это смесь кислых фосфатов.
Энергетический выход гидролиза аденозинмонофосфата на аденозин и фосфат (G0) составляет 3,4 ккал/моль (14,2 кДж/моль), а макроэргичес-кими являются связи, у которых G0 превышает 30 кДж/моль. Вещества с пирофосфатными связями – это важнейшие, но не единственные макро-эргические фосфаты в биохимии. Кроме них можно назвать ещё смешанные ангидриды карбоновых кислот и фосфорной кислоты (около ‑49 кДж/моль), гуанидино-фосфаты (около -43 кДж/моль) и енолфосфаты (около -62 кДж/моль).
Заложенная в АТФ химическая энергия может совершать работу четырёх основных видов:
Метаболические превращения. При этом молекулы предшественники фосфорилируются аденозинтрифосфатом в присутствии соответствую-щих ферментов с образованием активных фосфатов, которые и включа-ются в обменные процессы.
АТФ служит источником энергии для движения.
АТФ поставляет энергию для переноса веществ через клеточные мем-браны против градиента концентраций.
АТФ используется в процессах, связанных с передачей наследственной (генетической) информации.
Легче всего роль пирофосфатной связи демонстрируется на реакциях конденсации. Предположим, что в клетке должна пройти эндотермическая реакция
для которой свободная энергия Гиббса G0 равна 12,5 кДж/моль. С участием АТФ (сопряженная реакция) эта схема приобретает такой вид:
или в сумме:
где А означает остаток аденина, R – остаток рибозы, Р – фосфатный фрагмент.
В суммарной схеме (III) на реакцию образования XY накладывается реакция гидролиза АТФ с образованием АДФ и фосфорной кислоты (Pi) с экзотермическим эффектом -30,5 кДж/моль. Тогда по свободной энергии получается в сумме экзотермический эффект: 12,5 - 30,5 = -18 кДж/моль.
Помимо АТФ важнейшим источником химической энергии является восстановительный потенциал, универсальным носителем которого в живой природе стали NADH и NADPH, образующиеся в результате переноса гидрид-иона (Н–) или двух электронов и одного протона на NAD+ или, соответственно, на NADP+, например:
где SH2 представляет собой субстрат реакции дегидрирования. Химически этот процесс сопровождается переходом пиридиниевого фрагмента моле-кулы NAD(P)+ в дигидропиридиновый за счёт присоединения гидрид-иона или протона и двух электронов, например:
Восстановленные формы NADH и NADPH включаются в другие окислительно-восстановительные процессы, в том числе и в биосинтез АТФ, и снова превращаются в NAD+ и NADP+.
Химические свойства и окислительно-восстановительные потенциалы NADН и NADPН почти неразличимы (‑0,32 В), но лишняя фосфатная группа в последнем делает его несовместимым с апоферментами для пары NAD+/NADH, что позволяет, например, разделять метаболические пути за счёт участия этих двух коферментов (косубстратов).
Метаболические пути регулируются по трём механизмам. В соответ-ствии с первым механизмом реализуется принцип обратной связи за счёт участия в цепи превращений аллостерического (регуляторного) фермента, который практически всегда катализирует необратимую, лимитирующую скорость всего процесса стадию в цепи метаболических превращений. В роли положительных эффекторов аллостерических ферментов чаще всего выступают исходные продукты метаболических превращений или вещест-ва из других метаболических реакций. В соответствии с этим, отрицатель-ными эффекторами всегда являются конечные продукты метаболических превращений или также метаболиты из других реакций. Так, например, в процессах, связанных с образованием АТФ, положительными эффекто-рами являются АДФ и фосфат, а отрицательным сам АТФ. При этом надо понимать, что речь здесь идёт отнюдь не о законе действующих масс, т.е. скорость реакции повышается за счёт увеличения активности катализатора в результате его взаимодействия с положительным эффектором.
По второму механизму регуляция метаболических превращений осу-ществляется гормонами. Эти вещества вырабатываются железами внутрен-ней секреции (эндокринными железами). Выделяясь непосредственно в кровь гормоны переносятся к другим клеткам и тормозят или стимулируют определённые виды метаболизма по различным механизмам.
Один из таких механизмов демонстрируется на адреналине – гормоне, который продуцируется мозговой (внутренней) частью надпочечников (отсюда англоязычное название адреналина – эпинефрин). Этот гормон вызывает широкий спектр биохимических и физиологических откликов, но здесь речь идёт о мобилизации гликогена для покрытия энергетических потребностей организма. Гликоген представляет собой полисахарид, со-стоящий из соединённых 1,4‑-гликозидными связями молекул ‑глюко-пиранозы. Сама глюкоза не может присутствовать в клетках в значи-тельных количествах из-за осмотических ограничений. Для обеспечения энергетических потребностей гликоген с участием фосфорной кислоты последовательно отщепляет молекулы фосфоглюкозы, которая далее подвергается катаболическому превращению с образованием АТФ.
В состоянии опасности по команде центральной нервной системы (ЦНС) клетки мозгового вещества надпочечников выбрасывают в кровь адреналин. Циркулирующий с кровью адреналин связывается с рецептор-ным белком на внешней стороне мембран клеток мышечной ткани и других клеток, что приводит к активации фермента аденилатциклазы (по-средниками между адренорецетором и аденилатциклазой служат G-белки). Аденилатциклаза – это фермент, превращающий АТФ в циклический аденозинмонофосфат (цАМФ, сАМР). Этот внутриклеточный посредник («мессенджер») активирует другой фермент – протеинкиназу (Р), в неак-тивном виде она соединена с регуляторным белком (P-R). цАМФ связыва-ется с этим регуляторным белком и освобождает активную протеинкиназу:
Протеинкиназа в свою очередь катализирует реакцию фосфорилиро-вания фосфорилазы с участием АТФ, а фосфорилированная фосфорилаза в виде тетрамера уже катализирует реакцию гликогена с фосфорной кислотой, протекающую с образованием 1‑фосфоглюкозы, используемой клетками для получения АТФ. Далее представлена схема отщепления фосфорной кислотой (фосфоролиза) концевого глюкозидного фрагмента молекулы гликогена:
Более выгодно запасать энергию в виде жиров, которые в окислитель-ных превращениях дают гораздо больше энергии, чем углеводы. К тому же, в отличие от гликогена, в жирах может запасаться очень большое количество энергии. Обычно организм человека хранит в жирах в 50 раз больше энергии, чем в гликогене. При избыточном поступлении в орга-низм углеводов они через двухуглеродные продукты катаболических пре-вращений переводятся в жирные кислоты, образующие с глицерином три-эфиры – это и есть жиры, откладывающиеся в специальных клетках адипо-цитах. Однако обратного пути из жирных кислот в сахара не существует. При диете, основанной на ограничении энергетической ценности пищи, или при голодании начинают расходоваться не жиры, а белки, поскольку, например, ткани мозга покрывают свои энергетические потребности толь-ко за счёт глюкозы и некоторых кетопроизводных («кетоновых тел»), которые образуются из многих белковых аминокислот. Запасные белки существуют только в семенах растений или, например, в яйцах птиц. Если в диете отсутствуют углеводы и мало белков, то организму для обеспе-чения потребности в аминокислотах, из которых может синтезироваться глюкоза (их называют глюкогенными), приходится расходовать мышеч-ную ткань.
Третий механизм регуляции метаболизма основан на изменении кон-центрации ферментов в зависимости от потребности в обеспечиваемых ими превращениях. Это означает, что ферменты, для которых отсутствует субстрат, перестают синтезироваться рибосомами, но при росте потреб-ности в этих ферментах снова активируется соответствующий генный участок ДНК (вообще-то и этот процесс основан на гормональной регуля-ции), снова образуется мРНК и синтез фермента по этой матрице возоб-новляется. В качестве примера здесь можно привести изменение в балансе питания. При недостаточном поступлении углеводов с пищей интенсифи-цируется глюконеогенез – длинная цепь превращений образующихся из аминокислот трёхуглеродных и четырёхуглеродных кетокислот, которые завершаются образованием глюкозы. При нормальном балансе веществ в пище этот процесс может отсутствовать, но при недостатке глюкозы начи-нается биосинтез комплекса ферментов, отвечающих за глюконеогенез, и потребности организма в глюкозе начинают покрываться за счёт образо-вания её из глюкогенных аминокислот, поступающих с пищей, или при недостатке их в пище – из гидролизующихся белков мышечной ткани.