Специфические и общие пути катаболизма

Углеводы, белки и жиры в организме гидролизуются, а образующиеся при этом продукты гидролиза – моносахариды, аминокислоты, жирные кислоты и глицерин подвергаются превращениям, в ходе которых часть из них окисляется до углекислого газа и воды, являющимися продуктами окисления углерода и водорода. Если бы система, в которой каждый из продуктов гидролиза биополимеров, представляющий собой субстрат для последующего окисления, имел бы свой метаболический путь, то такая система была бы очень громоздкой и ненадежной. Однако, Природа решила задачу унификации метаболических путей, организовав катаболические процессы таким образом, что на промежуточных этапах этих процессов образуется минимальное число одних и тех же метаболитов, которые получаются при окислении разных веществ. И, действительно, как видно из схемы, большинство субстратов окисления превращаются в пировиноградную кислоту – пируват (С₃), а затем в ацетил-КоА (С₂), причем последний может образовываться и при окислении пирувата. Ацетил-КоА полностью окисляется в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК – он же цикл Кребса или цитратный цикл). Цикл Кребса является общим путем катаболизма для углеводов, белков и жиров. Энергия, выделяющаяся в ходе катаболических реакций, частично рассеивается виде теплоты, большая же ее часть расходуется в анаболических реакциях. Передача энергии осуществляется с помощью интермедиаторов, основной из них – АТФ. Эндергонические процессы – это синтез аденозинтрифосфата (АТФ) из аденозиндифосфата (АДФ) и неорганического фосфата, а также синтез и других веществ с макроэргическими связями. Этот процесс протекает благодаря сопряжению энергии с катаболическими реакциями. Экзергонический процесс – это гидролиз АТФ, а также других трифосфатов. Гидролиз поставляет необходимую энергию для биосинтеза.

Ниже приведена схема сопряжения анаболических и катаболических процессов:

 

Катаболические реакции

S₁ окисленный субстрат, ΔG < 0

АДФ + фосфат АТФ + Н₂О, ΔG < 0

сопряжение

Анаболические реакции

АТФ + Н₂О → АДФ + фосфат, ΔG < 0

S₂ продукт биосинтеза, ΔG > 0

 

Большая часть АТФ в организме образуется в результате окислительного фосфорилирования, которое происходит в цепи передачи электронов (ЦПЭ). Основными субстратами этого процесса являются НАД*Н и ФАД*Н₂, образующиеся преимущественно в ЦТК, поэтому одной из основных задач катаболизма является синтез АТФ – своеобразного аккумулятора энергии, необходимого для последующих реакций анаболизма. Большинство биосинтезов носят восстановительный характер, так как продукты биосинтеза являются менее окисленными по сравнению с исходными веществами. Роль восстановителя в таких процессах играет НАД*Н. Таким образом, ключевая роль в метаболизме принадлежит ограниченному числу соединений. Это пируват и ацетил-КоА, вещества которыми заканчиваются специфические пути катаболизма; АТФ, продукты гидролиза, к которым поступает энергия для анаболических процессов; НАД*Н и ФАД*Н₂ – коферменты, при окислении которых образуется основная часть АТФ в организме.

Катаболизм углеводов

Процессы обмена углеводов у человека начинаются в ротовой полости, так как в состав слюны входит фермент амилаза, который способен расщеплять крахмал и гликоген до дисахарида – мальтозы, которая ферментом мальтазой расщепляет последнюю до глюкозы. Поступление глюкозы в клетки различных органов зависит от гормона инсулина, который регулирует скорость переноса глюкозы через мембраны клеток. переносчиками – белками.

Обмен глюкозы в клетке начинается с ее фосфорилирования:

глюкоза + АТФ глюкозо-6-фосфат + АДФ

 

+ АТФ → + АДФ

В отличие от свободной глюкозы, глюклзо-6-фосфат не способен проходить через клеточные мембраны, поэтому фосфорилированная глюкоза как бы «запирается» в клетке, и там запасается в форме гликогена – животного крахмала, который синтезируется из молекул глюкозо-6-фосфата.

Катаболизм глюкозы в клетке может идти по трем основным направлениям, которые различаются по способу изменения углеродного скелета молекулы:

1. Дихотомический путь, при котором происходит расщепление связи С-С между третьим и четвертым атомами углерода, и из одной молекулы гексозы получаются две триозы (С₆ →2С₃).

2. Апотомический путь (пентозофосфатный), при котором гексоза превращается в пентозу (С₆ → С₅) в результате окисления и отщепления одного (первого) углеродного атома.

3.Глюкуроновый путь, когда происходит окисление и отщепление шестого углеродного атома

Главным путем распада глюкозы, ведущим к высвобождению энергии является дихотомический путь, а в этом пути, в свою очередь, окислить глюкозу и получить ее энергию можно двумя способами:

1.Независимый анаэробный распад глюкозы до молочной кислоты – гликолиз.

глюкоза →2-лактат + 134 кДж

Часть этой энергии расходуется на образование двух молекул АТФ, а остальная рассеивается в виде теплоты.

2. Аэробный (кислородзависимый) распад глюкозы до углекислого газа и воды

Это процесс обратный фотосинтезу:

 

С₆Н₁₂О₆ + 6О₂ ↔ 6СО₂ + 6Н₂О + 2850 кДж

 

60% этой энергии запасается в виде макроэргических связей АТФ, то есть в биологически доступной форме. Как видно из приведенных уравнений, аэробный путь, несомненно, более выгоден по сравнению с гликолизом, так как в нем из одинакового количества глюкозы образуется в двадцать раз больше АТФ. Аэробный распад осуществляется большинством тканей организма за исключением эритроцитов. Для злокачественных клеток основной путь получения энергии – гликолиз. Мышцы используют гликолиз в случае больших нагрузок, когда затруднен доступ кислорода и тогда в натруженных мышцах образуется молочная кислота.

Цепь реакции гликолиза глюкозы включает в себя одиннадцать реакций, из которых первые десять - общие с аэробным распадом, а одиннадцатая – это синтез молочной кислоты из пировиноградной кислоты (ПВК) с помощью НАД*Н. Рассмотрим последовательно реакции при аэробном распаде глюкозы:

1 реакция – это фосфорилирование глюкозы, ее активация.

2 реакция – это изомеризация, глюкозо-6-фосфат превращается в фруктозо-6-фосфат.

3 реакция - фруктозо-6-фосфат фосфорилируется до фруктозо-1,6-дифосфата.

Первые три реакции представляют собой так называемую подготовительную стадию, на этом этапе еще идет затрата энергии АТФ на реакции фосфорилирования:

 

АТФ

глюкоза

АДФФ

1

глюкозо-6-фосфат

2- изомеризация

АТФ

фруктозо-6-фосфат

АДФФ

3

фруктозо-1,6-дифосфат

4 4

НАД+

глицеральдегидфосфат 5 диоксиацетонфосфат

АТФ

НАДН+Н+

Н₃РО₄

6

АДФФ

1,3-дифосфоглицерат (ангидрид органической и фосфорной кислоты)

АТФ

7 9

АДФФ

фосфоенолпируват

АТФ

3-фосфоглицерат 10

пируват

2-фосфоглицерат общий путь

9 Н₂О АТФ

 

Следующий этап – это реакции гликолетической оксиредуктации, в которых идет распад шестиуглеродного скелета на два трехуглеродных и окисление их до пирувата.

4 реакция - фруктозо-1,6-дифосфат в своей открытой ациклической форме распадается с помощью фермента альдолазы на два трехуглеродных фрагмента: глицеральдегидфосфат и диоксиацетонфосфат.

5 реакция - изомеризация, превращение диоксиацетонфосфата в глицеральдегидфосфат.

Дальнейший катаболизм происходит только через глицеральдегидфосфат, две молекулы которого в 6-ой реакции окисляются НАД⁺ в 1,3-дифосфоглицерат, а выделяющаяся при этом энергия запасается в виде АТФ. В данном случае окисление альдегида приводит к ангидриду органической и фосфорной кислоты. Две молекулы 1,3-дифосфоглицерата превращаются в процессе гидролиза в 3-фосфоглицерат, а далее, в 8-ой реакции происходит перенос фосфатной группы из положения 3 в положение 2.

9 реакция- отщепление воды с получением фосфоенолпирувата, а затем происходит кето-енольное превращение, сопряженное с гидролизом, когда от диоксиацетонфосфата отщепляется одна молекула фосфорной кислоты и енольная форма превращается в кетоформу.

 

КАТАБОЛИЗМ ЛИПИДОВ

 

У высших животных и человека липиды поступают в желудок, и выходят из него почти не затронутые кислой средой. В щелочной среде тонкого кишечника липиды гидролизуются под действием липаз. Гидролизованные липиды всасываются в кровь и переносятся в различные органы для дальнейшего метаболизма.

В кровь поступают сквозь стенку кишечника глицерин, ЖК, моно- и диглицериды. В крови ЖК снова этерифицируются глицерином, который связан с белками крови и переносится в жировую ткань или печень, где откладывается. В печени идёт гидролиз с образованием ЖК, которые окисляются до СО₂ и Н₂О. При окислении высвобождается большое количество энергии.

Процесс окисления ЖК включает много стадий. ЖК разрушается (синтезируется) до фрагментов С-С (природные ЖК состоят из чётного числа атомов углерода). При катаболизме, ЖК сначала превращаются в тиоэфиры с коферментом А, с выделением АТФ, затем окисляются в ненасыщенные кислоты, окислителем служит ФАД.

С₁₅Н₃₁СООН – пальмитиновая кислота

О HSКоА О ФАД

СН₃(СН₂)₁₂СН₂СН₂С ОН СН₃(СН₂)₂СН₂СН₂С SКоА

АТФ -Н₂

О

СН₂(СН₂)₁₂СН=СНС SКоА

Затем идёт присоединение Н₂О по месту двойной связи с образованием β-гидрокситиоэфира.

О +Н₂О β α О

СН₂(СН₂)₁₂СН=СН-С SКоА СН₃(СН₂)₁₂СН-СН₂ С SКоА

|

ОН

Окисление и превращение в β-кетоэфир

О

СН₃(СН₂)₁₂С-СН₂-С SКоА

Н₂ ||

О

Молекулы кетоэфира расщепляются с образованием двух частиц тиоэфира уксусной кислоты (ацетилКоА) и КоА тиоэфир ЖК, которые содержат на «атома углерода меньше чем в исходной кислоте (катализатор этого процесса β-кетоацилтиолаза)

 

О О

СН₃(СН₂)₁₂С-СН₂-С SКоА + НSКоН СН₃(СН₂)₁₂С SКоА +

||

О

О

+СН₃С SКоА

 

Стадии катаболизма повторяются каждый раз, в каждом цикле отщипляется по С-С, пока вся кислота не превратится в ацетилКоА. В этой последовательности нужна одна молекула АТФ, что бы получить тиоэфир исходной ЖК.

 

КАТАБОЛИЗМ БЕЛКОВ

 

Белки подобно углеводам и липидам постоянно обмениваются, однако в отличии от углеводов и липидов белки прозапас не откладываются. Специфическим химическим элементом в составе белков является азот для которого характерен, т. н. азотистый баланс, у здорового человека поддерживается азотистое равновесие, т. к. количество азота поступившее с пищей равно количеству выделенного азота.

Начинается путь катаболизма белков с гидролиза (протеолиза) под действием ферментов протеазы и пептидазы.

Гидролиз белков начинается в желудке под действием фермента пепсина, этому способствует кислая среда желудочного сока рН=1-2 возникает благодаря выделению желудочных клеток соляной кислоты.

В тонком кишечнике при рН=7,8-8,4, распад белков катализируется ферментами поджелудочной железы трипсином и химитрипсином.

АК – продукт гидролиза белков, поступающие из ЖКТ, являются важным фондом пополнения аминокислотного запаса клеток и тканей. Ограниченное поступление из вне даже одной из незаменимых АК вызывает резкий распад собственных белков тканей, АК используются в синтезе собственных белков, нуклеотидов, порфиринов и т. д.

В сутки взрослому человеку необходимо 100 г белка. Белки могут быть полноценными – в наличии все незаменимые АК и неполноценными – в наличии не все незаменимые АК. За сутки распадается и синтезируется 400 г белка. За 35 дней обновляются все белки.

О состоянии белкового обмена можно судить по азотистому балансу. Поскольку белки органов отличаются строгой видовой и тканевой специфичностью, живой организм обладает способностью использовать вводимый белок только в гидролизованном состоянии.

Всасывание АК через мембрану тонкого кишечника происходит под действием глутатиона. АК поступают в кровь воротной вены, затем в печень, где подвергаются ряду превращений.

Катаболизм аминокислот.

 

Совокупность превращений аминокислот от момента поступления в кровь до выделения из организма в виде мочевины и воды, и СО₂ называется промежуточным обменом.

Так как белки образованы большим количеством аминокислот, то не существует одной инвариантной схемы их катаболизма.

Условно промежуточный обмен делят на:

а) общие пути обмена аминокислот.

б) специфические пути превращения отдельных аминокислот.

а):

1. трансаминирование

2. дезаминирование (окислительное, гидролитическое, внутримолекулярное, восстановительное)

3. декарбоксилирование.

 

Самая популярная реакция в обмене аминокислот - трансаминирование.

Катализатором является трансамилазы, содержащие кофермент перидоксальфосфат.

 

СООН СООН СООН СООН

СН−NН₂ + С =О С=О + СН-NН₂

СН₂ СН₃ СН₂ СН₃

СООН ПВК СООН аланин

аспарагиновая ЩУК

кислота

 

2. Дезаминирование (или окислительное дезаминирование)

Многие аминокислоты превращаются в СО₂ и Н₂О через цикл Кребса.

Для того чтобы это произошло, аминокислоты необходимо освободить от N.

Во многих случаях это достигается окислением.

 

СООН СООН СООН

+НАД⁺ +H₂O

СН−NН₂ С =NH С=О + NН₃

-H₂⁻

R R R

 

имин

 

Обязательный этап распада аминокислот - образование аммиака.

В некоторых случаях (при окислительном дезаминировании глутаминовой кислоты) получается α-кетоглутаровая кислота, обращающаяся в ц. Кребса, а при окислении аланина-ПВК.

 

СООН СООН СООН СООН

(О) (О)

СН−NН₂ С =О СН-NН₂ С=О +NH₃

СН₂ СН₂-NН₃ СН₃ СН₃

ПВК

СН₂ СН₂

СООН СООН

аланин

 

-Гидролитическое дезанимирование.

С образованием гидроксикарбоновых кислот (аммиак уходит из кислоты)

 

СООН СООН

СН−NН₂ + Н₂О СН -ОH + NН₃

R R

 

 

-Внутримолекулярное дезаминирование приводит к образованию ненасыщенных аминокислот.

 

СООН СООН

СН−NН₂ СН + NН₃

‖

СН₂ СН

R R

 

-Восстановительное дезанимирование.

 

СООН СООН

(Н)

СН−NН₂ СН₂ + NН₃

R R

 

Образующийся при любом дезаминировании аммиак (NH₃) подлежит обезжириванию в организме, так как попадание его в кровь вызывает токсичное действие и основной путь обезвреживания: образование мочевины (карбамид).

 

В крови здорового человека от 2-8 ммолей мочевины. (20-25гр. выделяется в сутки)

 

3. Декарбоксилирование.

При декарбоксилировании аминокислоты превращаются в биологически активные амины.

Это происходит под влиянием ферментов декарбоксилазы, а коферментом служит активная форма витамина В₆

СООН NH₂

В₆

СН−NН₂ СН₂ + СО₂

 

R R

При декарбоксилировании триптофана образуется триптамин, который обладает сосудисто-суживающими свойствами.

Серотонин, который образуется при декарбоксилировании 5 гидрокситриптофана.

Он активизирует выброс гормонов надпочечников.

Общий путь катаболизма.

 

Специфические катаболические пути углеводов, жиров, белков в дальнейшем объединяются в цикле трикарбоновых кислот.

Общим метаболитом является пировиноградная кислота, дальнейшее окисление которой приводит к выделению углекислого газа и воды. Если бы пировиноградная кислота сгорала в колориметрической бомбе, то

В живой клетке эта энергия извлекается в результате окисления путем дегидрирования и первая стадия на общем пути катаболизма является окислительное декарбоксилирование пирувата. В результате этого процесса пировиноградная кислота превращается в ацетил КоА. В этом сложном превращении участвуют НАД⁺ и кофермент А:

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот).

Цикл Кребса представляет собой систему из замкнутых реакций, в результате которых образуются углекислый газ и вода, запасается небольшое количество энергии и образуется большое количество восстановленных коферментов, которые затем, с помощью переносчиков, попадают в дыхательную цепь и обуславливают там синтез АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

Таким образом, основной задачей цикла трикарбоновых кислот является окончательное окисление органических веществ и регенерация восстановленных коферментов. Кроме того, в цикле Кребса образуется ряд промежуточных продуктов, которые используются в качестве субстратов для биосинтеза важных соединений: аминокислот, парфиринов, глюкозы. Поэтому цикл трикарбоновых кислот является центральным типом метаболизма.

Цикл включает в себя девять реакций, в результате каждого цикла образуется две молекулы углекислого газа. Цикл действует в аэробных условиях.

 

ЦПЭ. Тканевое дыхание.