Введение в обмен веществ.  Общие пути катаболизма. 
 

    Обмен веществ или метаболизм представляет собой совокупность биохимических  реакций,  обеспечивающих функционирование живых систем. Последовательности ферментативных реакций образуют метаболические пути или циклы, направленные на синтез или распад определенного метаболита. Различают метаболические пути линейные и циклические.

    Метаболизм  представляет собой сложную сеть метаболических путей, в которых  одна последовательность связана с  другой благодаря наличию общих промежуточных продуктов (интермедиатов). Благодаря наличию узловых или ключевых метаболитов осуществляется взаимосвязь и взаимопереход различных классов соединений. Важнейшими ключевыми метаболитами являются глюкозо-6-фосфат, ацетил-КоА,  пируват, 2-кетоглутарат, оксалоацетат. Тесное переплетение метаболических путей обеспечивает клетке химическую эластичность, т.е. ее способность адаптироваться к изменению качественного состава поступающих субстратов.

    Принято выделять два аспекта метаболизма. Анаболизм -  совокупность метаболических путей, направленных на синтез компонентов различных структур организма и соединений, обеспечивающих его функционирование.  Пути анаболизма  являются энергозависимыми, т.е. протекают с расходованием энергии. Выделяют три стадии анаболизма

    На  первой стадии  из простых предшественников через ряд промежуточных продуктов  образуется мономеры, играющие роль строительных блоков (аминокислоты, нуклеотиды, моносахариды, жирные кислоты).

    На  следующей стадии из указанных мономеров образуются соответствующие полимеры: белки, полисахариды, полинуклеотиды.

    На  третьей стадии  в результате взаимодействия полимеров различных  классов образуются  надмолекулярные  комплексы, из которых в процессе самосборки образуются определенные клеточные  структуры.

    Анаболизм у человека имеет следующие особенности:

    1.Неспособность   использовать  СО₂  в качестве единственного источника углерода

        2.Неспособность использовать азот  атмосферы в качестве  единственного  источника азота, зависимость  от поступающих в организм азотсодержащих органических веществ.

3.Невозможность  эндогенного синтеза у человека  ряда соединений

таких как некоторые аминокислоты, некоторые  жирные кислоты  и витамины, которые  являются незаменимыми или эссенциальными факторами питания.

    Вторая  сторона метаболизма представлена катаболизмом, под которым понимают процессы,  направленные на  распад  исходных субстратов до  определенных конечных продуктов, сопровождающиеся  освобождением энергии. Выделяют три  этапа катаболизма:

    На  первом этапе происходит  распад биополимеров в желудочно-кишечном тракте до составляющих их мономеров. Он сопровождается освобождением небольшого количества энергии (около 1%).

    Второй  этап осуществляется в клетках различных  тканей и связан с преобразованием  мономеров в тканях до ключевых продуктов обмена (пируват, ацетил-КоА и т.д.).   Он более эффективен в энергетическом отношении ( примерно 20%).

    Последний заключительный этап катаболизма связан с превращением ключевых продуктов  обмена до конечных продуктов.  Это  происходит в ходе реакций цикла трикарбоновых кислот, работы митохондриальных электронтранспортных цепей и окислительного фосфорилирования   благодаря которым ключевые продукты расщепляются до СО₂ и воды и освобождается около 80% энергии.

      

    В некоторых случаях, образовавшийся в ходе катаболизма промежуточный  продукт не превращается до конечных продуктов, а используется для процессов  анаболизма. Организму более выгодно  начинать синтез с промежуточных  продуктов распада, так как при  этом экономятся  энергия и субстраты. Метаболические пути, которые сочетают в себе не только распад, но и синтез новых соединений принято называть амфиболическими.

 

 Основная  идея существования процесса  катаболизма питательных веществ  сводится к извлечению из них энергии и промежуточных продуктов распада, в которых нуждаются процессы анаболизма. Таким образом, процессы анаболизма зависят от реакций катаболизма и без них осуществляться не могут.

    Общая  характеристика биологического окисления

    Биологическое окисление – это совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в живых системах. Окислительно-восстановительные реакции – это реакции сопровождающиеся перераспределением электронов. Вещество, которое отдает электрон окисляется; соединение, которое принимает электрон восстанавливается. В зависимости от природы конечного акцептора различают следующие клетки:

1. Анаэробы – клетки, которые используют в качестве конечного акцептора электронов органические вещества, например эритроциты
2. Аэробы  –  это клетки которые используют в качестве конечного акцептора электронов молекулярный кислород , например, клетки головного мозга.
3. Факультативные аэробы (большинство клеток высших организмов) могут использовать в качестве  акцепторов электронов либо кислород , либо органические вещества.

Пути  потребления кислорода

    Кислород, поступающий в клетки организма  человека, расходуется не только на окисление субстратов в дыхательной  цепи митохондрий, но и в других биохимических  реакциях. Все реакции, идущие с потреблением кислорода можно свести к четырем основным типам.

    Первый  тип - оксидазный.

     SH₂  + 1/20₂              S   +   H₂O    + Е

    Продуктами  реакции данного типа являются окисленные субстрат и вода эти реакции локализованы во внутренней   мембране митохондрий ( митохондриальные электронтранспортные цепи- МЭТЦ). Основное количество кислорода  в организме расходуется  по этому типу реакций.

    Второй  тип реакций - пероксидазный

     SH₂   + O₂                               S +  H₂O₂

    В реакциях данного типа образуется окисленный субстрат и перекись водорода. Этот тип реакций активно используют клетки, способные к фагоцитозу - лейкоциты, гистиоциты , в которых образующаяся перекись водорода расходуется на обезвреживание болезнетворных бактерий и распада неинфекционного материала, поглощенного клеткой.

    Третий  тип реакций - оксигеназный, который  может протекать по моно и диоксигеназному  механизмам. Монооксигеназный механизм реакций предусматривает включение  одного атома кислорода в окисляемый субстрат, а другой в молекулу воды .

     АН₂   +  S  + O₂                      А  +   SO  + H₂O

    Диоксигеназный  механизм приводит к внедрению  молекулярного  кислолрода в окисляемое вещество

    Монооксигеназные  цепи окисления представляют собой  короткие цепи переноса электронов и  протонов от НАДФН₂  к кислороду

                                                                                                             S    O₂           

     НАДФН₂           Флавопротеин                    цитохром 450                    SO     

                                              

                                                                                                                    H₂O

                                                                                                           

    Монооксигеназные  цепи используются для окисления природных органических веществ, в ходе синтеза желчных кислот, стероидных гормонов, а также для обезвреживания лекарств  и ядов.

      Четвертый тип реакций - пероксидное  окисление ненасыщенных жирных  кислот, протекающее по схеме: 

                          RH   +   O₂                        ROOH

    Физиологическая роль реакций этого типа состоит  в регуляции обновления и проницаемости  липидов биологических  мембран. 
 

    ЦИКЛ  ТРИКАРБОНОВЫХ КИСЛОТ 

    ЦТК или цикл Кребса представляет собой  сложный циклический процесс, состоящий из  последовательных ферментативных реакций, с помощью которых завершается окисление основных промежуточных продуктов распада углеводов, жиров и аминокислот.

    ЦТК функционирует только в аэробных условиях, поскольку для него необходимо поступление  окисленных форм НАД и ФАД.  С помощью ЦТК может осуществляться полное окисление  ацетил-КоА, а также любого промежуточного продукта цикла, образовавшегося вне реакций  ЦТК. При этом клетка получает универсальное топливо в форме восстановительных эквивалентов НАДН₂ и ФАДН₂ , часть которых образуется при расщеплении воды. Это топливо используется митохондриальной цепью переносчиков электронов для генерации АТФ из АДФ и фосфата.

    В результате одного оборота ЦТК образуется:

      две молекулы СО₂

    три молекулы НАД восстанавливаются  до НАДН₂

    одна  молекула ФАД восстанавливается  до ФАДН₂

    синтезируется одна молекула ГТФ из ГДФ и фосфата

    ацетил-КоА  теряет ацетильную группу и превращается в КоА-SH

    Если  сложить образующиеся восстановительные  эквиваленты в трех НАД и одном ФАД, то всего их будет восемь. К этому числу необходимо прибавить еще одну в составе КоА-SH. Итак, на один оборот цикла выделяется девять восстановительных эквивалентов, что равносильно девяти атомам водорода. Три атома водорода и один атом кислорода поставляется ацетильной группой. Четыре атома водорода поставляются молекулами воды и два фосфатом. Два атома кислорода поставляются молекулами воды и один атом кислорода фосфатом.

    Полный  набор ферментов ЦТК, обеспечивающих его нормальное функционирование имеется лишь в митохондриях, причем один из них - сукцинатдегидрогеназа - является составной частью внутренней мембраны митохондрий, а остальные локализованы в матриксе.

    Реакции цикла трикарбоновых кислот начинаются с конденсации ацетил-КоА с оксалоацетатом под действием цитратсинтазы с образованием  лимонной кислоты. Лимитирующим фактором реакции является концентрация оксалоацетата, который  рассматривается как своеобразный  катализатор цикла. Реакция ингибируется АТФ,  сукцинил-КоА, НАДН, цитратом,  а также КоА-производными жирных кислот. 
 
 

    

    В  следующей реакции  под действием  аконитазы  происходит превращение  лимонной  кислоты в изолимонную. В ходе этой двухэтапной реакции  происходит перераспределение  гидроксильной  группы от третьего углеродного атома ко второму. Реакция может подавляться фторацететом.

      

    В ходе третьей реакции под действием  изоцитратдегидрогеназы происходит окислительное  декарбоксилирование изоцитрата. Дегидрирование происходит у второго углеродного  атома. Акцептором атомов водорода является НАД, являющийся коферментом изоцитратдегидрогеназы. Продуктом реакции является 2-кетоглутарат. Реакция активируется в присутствии АДФ. Восстановленный НАД ингибирует фермент путем прямого вытеснения НАД.