Интеграция клеточного метаболизма

Обмен веществ в живых организмах протекает не хаотично; он интегрирован и тонко настроен, благодаря чему поддерживаются постоянство внутренней среды и целостность организма. Процессы обмена белков, нуклеиновых кислот, липидов и углеводов тесно взаимосвязаны. Эта связь выражается во взаимном превращении одних веществ в другие, которое диктуется физиологическими потребностями организма. Таким образом, все превращения составляют целостный процесс метаболизма.

На рис.28.1 представлена упрощенная схема интеграции основных метаболических путей, общих для большинства клеток и организмов. Видно, что процессы катаболизма и биосинтеза сложных органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов) связаны между собой, в первую очередь, благодаря пирувату, ацетил-СоА, промежуточным соединениям цикла лимонной кислоты ‒ оксалоацетату и α-кетоглутарату.

Рис.28.1. Взаимосвязь основных клеточных процессов. 1 ‒ гликолиз; 2 ‒ пентозофосфатный путь; 3 ‒ глюконеогенез; 4 ‒ цикл Кальвина; 5 ‒ окисление жирных кислот; 6 ‒ дезаминирование; 7 ‒ аминирование кетокислот; 8 ‒ цикл мочевины; ЦТК ‒ цикл трикарбоновых кислот

Пируват ‒ трехуглеродная α-кислота. Она находится в точке перекреста ряда метаболических путей. Пируват связывает гликолиз и глюконеогенез, а также обмен углеводов с обменом липидов, белков, изопреноидов, кетоновых тел. Он образуется в клетке в основном при катаболизме гексоз, при окислении лактата, который накапливается в мышцах при анаэробном гликолизе. В этом случае образование лактата позволяет организму быстро регенерировать NAD⁺, необходимый для запасания АТР в гликолизе (процесс сокращения и расслабления мышечных волокон требует гидролиза АТР).

Накапливающийся в мышцах лактат поступает в кровь и переносится в печень, где вновь окисляется в пируват. Вступая на путь глюконеогенеза, пируват может превратиться в глюкозу. Эта последовательность реакций известна как цикл Кори.

Аланин является продуктом трансаминирования пирувата с аминокислотами, образованными в ходе протеолиза белков. С током крови аланин поступает в печень, где снова превращается в пируват, выполняя роль переносчика аммонийного азота, который в печени включается в цикл образования мочевины. Кроме того, образующийся из пирувата аланин может включаться в состав пептидов.

Пируват участвует также в реакциях карбоксилирования и декарбоксилирования. В первом процессе, (идущем в митохондриях), образуется оксалоацетат, который может включаться в цикл лимонной кислоты (одна из важнейших анаплеротических реакций) либо преобразовываться в фосфоенолпируват, а затем – в глюкозу (глюконеогенез). Во втором случае пируват подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-СоА, который также является ключевым метаболитом для еще более разветвленных метаболических путей.

Ацетил-СоА – активированная форма уксусной кислоты. Является связующим звеном в обмене белков, жиров и углеводов. Ацетил-СоА образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата – промежуточного продукта обмена углеводов, глицерола и аминокислот. Жирные кислоты и практически все аминокислоты превращаются в ацетил-СоА, который, конденсируясь с оксалоацетатом, вступает в цикл лимонной кислоты. В этот цикл включаются и некоторые аминокислоты после превращения их в α-кетоглутарат, оксалоацетат, сукцинат и фумарат.

Цикл лимонной кислоты – основной путь, по которому происходит окислительный распад в тканях белков, жиров и углеводов до углекислого газа и воды. Все интермедиаты этого цикла являются общими промежуточными продуктами превращения белков, жиров и углеводов. Одновременно отдельные интермедиаты цикла лимонной кислоты могут быть участниками разнообразных процессов биосинтеза. Так, например, оксалоацетат и α-кетоглутарат, вступая в процесс переаминирования, образуют соответственно аспартат и глутамат, которые используются для биосинтеза белков, участвуют в детоксикации аммиака.

Судьба ацетил-СоА, как и других ключевых метаболитов, зависит от потребностей клетки: он может быть полностью окислен в цикле лимонной кислоты, являясь его субстратом; может подвергаться последовательной конденсации с образованием β-гидрокси-β-метил-глутарил-СоА – предшественника холестерола, терпеновых соединений (изопреноидов), кетоновых тел (ацетоацетат, β-гидроксибутират, ацетон); может превращаться в жирные кислоты (рис.28.2). В организме млекопитающих ацетил-СоА не способен превращаться в углеводы. В то же время в клетках растений и микроорганизмов возможен синтез предшественников глюконеогенеза, а значит, и углеводов из ацетил-СоА.

Кроме перечисленных реакций, ацетил-СоА принимает участие в синтезе аминокислот, в частности аргинина, лейцина, лизина (в клетках грибов), цистеина (у некоторых микроорганизмов).

Рис.28.2.Основные превращения пирувата и ацетил-СоА в клеточном метаболизме

Подводя итог вышесказанному, необходимо отметить, что все метаболические процессы, протекающие в клетке, связаны между собой с помощью промежуточных метаболитов, которые являются продуктами одних метаболических путей и субстратами других. Такая взаимосвязь и взаимозависимость метаболических процессов позволяет клетке координировать свои возможности с потребностями и быстро настраивать уровень обмена веществ в соответствии с меняющимися условиями. Понятно, что интеграция клеточного обмена была бы невозможна без регуляции метаболических путей.