Катаболические, анаболические, амфиболические пути

 

Промежуточный метаболизм складывается из двух фаз: катаболизма и анаболизма. Катаболизм – это фаза, на которой происходит расщеплениесложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Углеводы, жиры и белки, поступившие извне с пищей или присутствующие в самой клетке в качестве запасных веществ, распадаются в серии последовательных реакций до таких соединений, как молочная кислота, СО₂ и аммиак. Катаболические процессы сопровождаются высвобождением свободной энергии, заключенной в сложной структуре больших органических молекул. На определенных этапах соответствующих катаболических путей значительная часть свободной энергии запасается в форме высокоэнергетического соединения – АТР (благодаря сопряженным ферментативным реакциям). Часть ее запасается также в богатых энергией водородных атомах кофермента NАDН (NАDPН), находящегося в восстановленной форме (рис. 16.3).

 

 

 

Рис. 16.3. Энергетические взаимосвязи между катаболическим и анаболическим путями

 

На рис. 16.3. видно, что катаболические пути поставляют химическую энергию в форме АТP и NАDPH. Эта энергия используется на анаболических путях для биосинтеза макромолекул из небольших молекул – предшественников.

Ферментативное расщепление тех главных питательных веществ, которые служат клетке источником энергии, а именно углеводов, жиров и белков, совершается постепенно, т.е. через ряд последовательных ферментативных реакций. В аэробном катаболизме различают три главные стадии (рис. 16.4). На первой стадии макромолекулы клетки распадаются на свои основные «строительные блоки»: полисахариды ‒ до гексоз или пентоз, жиры ‒ до жирных кислот, глицерола и других компонентов, белки – до аминокислот.

 

 

Рис. 16.4. Три стадии катаболических превращений основных питательных веществ в клетке

 

На второй cтадии эти «строительные блоки» превращаются в один общий продукт ‒ ацетильную группу ацетил-СоА. На третьей стадии различные катаболические пути сливаются в один общий путь – цикл лимонной кислоты; в результате всех этих превращений образуются только три конечных продукта. Расщепление нуклеиновых кислот происходит также поэтапно, но на рис.16.4. этот процесс не показан, поскольку его вклад сравнительно невелик.

Все продукты, образовавшиеся на первой стадии катаболизма, на второй стадии превращаются в еще более простые соединения, число которых сравнительно невелико. Гексозы, пентозы и глицерол расщепляются до одного и того же трехуглеродного промежуточного продукта (пируватa), а затем – до единственной двухуглеродной формы ацетильной группы ацетилкоферментa А(ацетил-СоА). Аналогичное превращение претерпевают жирные кислоты и углеродные скелеты большей части аминокислот: их расщепление также завершается образованием ацетильных групп в форме ацетил-СоА. Таким образом, ацетил-СоА представляет собой общий конечный продукт второй стадии катаболизма.

На третьей стадии ацетильная группа ацетил-СоА вступает в цикл лимонной кислоты – общий конечный путь, на котором почти все виды клеточного «топлива» в конце концов, окисляются до двуокиси углерода. Конечными продуктами метаболизма являются также вода и аммиак (или другие азотсодержащие соединения).

Важно отметить, что катаболические пути сходятся, вливаясь на третьей стадии в общий путь – цикл лимонной кислоты. Если на первой стадии десятки и даже сотни различных белков расщепляются до аминокислот, которых насчитывается 20 видов, то уже на второй стадии из всех двадцати аминокислот образуются в основном только ацетил-СоА и аммиак, а на третьей стадииацетильные группы ацетил-СоА, окисляясь в цикле лимонной кислоты, превращаются только в два продукта – СО₂ и Н₂О. Точно так же многие полисахариды и дисахариды расщепляются на первой стадии до нескольких простых сахаров, которые на второй стадии превращаются в конечном счете в ацетил-СоА, а на третьей стадии – в СО₂ и Н₂О.

Анаболизм, называемый также биосинтезом, – та фаза метаболизма, в которой из малых молекул-предшественников, или «строительных блоков», синтезируются белки, нуклеиновые кислоты и другие макромолекулярные компоненты клеток. Поскольку биосинтез – процесс, в результате которого увеличиваются размеры молекул и усложняется их структура, он требует затраты свободной энергии. Источником энергии служит распад АТP до АDP и неорганического фосфата. Для биосинтеза некоторых клеточных компонентов требуются также богатые энергией водородные атомы, донором которых является NADPH (см. рис. 16.3).

Анаболизм, или биосинтез, начинающийся с малых молекул-предшественников, протекает также в три стадии. Синтез белков, например, начинается с образования a-кетокислот и других предшественников. На второй стадии происходит аминирование a-кетокислот в реакциях с донорами аминогрупп. Образуются a-аминокислоты. На последней, завершающей, стадии анаболизма из аминокислот строятся полипептидные цепи и образуются различные белки. Сходным образом синтезируются липиды. Их синтез начинается с включения ацетильных групп в жирные кислоты и завершается сборкой различных липидных молекул из этих жирных кислот. В отличие от катаболизма для анаболизма характерно расхождение метаболических путей. Из сравнительно небольшого числа простых молекул-предшественников образуется в конечном счете весьма широкий набор разнообразных макромолекул. На центральных путях анаболизма имеется много ответвлений, что и дает в результате сотни различных клеточных компонентов.

Катаболический путь и соответствующий ему, но противоположный по направлению анаболический путь между данным предшественником и данным продуктом обычно не совпадают. Могут различаться и промежуточные продукты, и отдельные стадии этих путей. Однако хотя соответствующие катаболические и анаболические пути неидентичны, их связывает общая стадия (стадия III, см. рис. 16.4), которая включает цикл лимонной кислоты и некоторые вспомогательные ферментативные реакции. Эту общую стадию называют иногда амфuболuческой стадией метаболизма (от греч. «amfi»-оба), поскольку она выполняет двойную функцию. В катаболизме на этой стадии завершается распад сравнительно небольших молекул, образовавшихся на второй стадии, а в анаболизме ее роль заключается в поставке небольших молекул-предшественников для биосинтеза аминокислот, жирных кислот и углеводов.

Катаболические и анаболические реакции протекают одновременно, однако их скорости регулируются независимо, они часто локализованы в разных участках клетки. Регуляция метаболизма осуществляется тремя способами: 1) при помощи аллостерических ферментов, 2) при помощи гормонов; 3) путем регулирования синтеза ферментов.

 

Метаболизм углеводов

 

Метаболизм (обмен) углеводов в организме человека состоит в основном из следующих процессов:

1. Расщепление в пищеварительном тракте поступающих полисахаридов и дисахаридов до моносахаридов. Всасывание моносахаридов из кишечника в кровь;

2. Синтез и распад гликогена в тканях, прежде всего в печени;

3. Гликолиз, т.е. расщепление глюкозы. Первоначально термином «гликолиз» обозначали только анаэробное брожение, завершающееся образованием молочной кислоты (лактата) или этанола и СО₂. В настоящее время понятие «гликолиз» используется более широко для описания распада глюкозы, проходящего через образование глюкозо-6-фосфата, фруктозобисфосфата и пирувата как в отсутствие, так и в присутствии кислорода. В последнем случае употребляют термин «аэробный гликолиз» в отличие от «анаэробного гликолиза», завершающегося образованием молочной кислоты (лактата).

4. Аэробный путь прямого окисления глюкозы или, как его называют, пентозофосфатный путь (пентозный цикл).

5. Взаимопревращение гексоз.

6. Аэробный метаболизм пирувата. Этот процесс выходит за рамки углеводного обмена, однако может рассматриваться как его завершающая стадия: окисление продукта гликолиза – пирувата.

7. Наконец, важным является процесс глюконеогенеза, или образование углеводов из неуглеводных продуктов. Такими продуктами являются в первую очередь пировиноградная и молочная кислоты, глицерин, аминокислоты и ряд других соединений.