ВСТУП ДО ОБМІНУ РЕЧОВИН

ВСТУП ДО ОБМІНУ РЕЧОВИН. СПЕЦИФІЧНІ ТА ЗАГАЛЬНІ ШЛЯХИ ПЕРЕТВОРЕННЯ ВУГЛЕВОДІВ, ЛІПІДІВ І БІЛКІВ (ОКИСНЕ ДЕКАРБОКСИЛЮВАННЯ ПВК, ЦИКЛ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ)

 

ВСТУП ДО ОБМІНУ РЕЧОВИН

 

Обмін речовин включає процеси споживання, нагромадження, перетворення, використання і видалення речовин і енергії, завдяки чому живі організми ростуть, розвиваються, розмножуються в умовах навколишнього середовища, а також пристосовуються до його постійних змін.

Використання терміна «метаболізм» може бути в більш розширеному контексті й означати сукупність усіх реакцій від моменту надходження поживних речовин до утворення та виведення кінцевих продуктів обміну. В цьому випадку метаболізм передбачає такі послідовні стадії: надходження білків, ліпідів, вуглеводів, неорганічних речовин з продуктами харчування; перетравлювання органічних речовин до більш простих та їх усмоктування в ШКТ; транспорт сполук кров’ю від ШКТ до клітин організму; біохімічні перетворення в клітинах різних органів та систем, у тому числі з утворенням кінцевих продуктів; екскреція кінцевих продуктів обміну (СО₂, NH₃, сечовини, сечової кислоти, кон’югатів тощо).

Для розуміння обміну речовин повинні бути відомими структура речовин, реакції, в які вони вступають, ферменти, які каталізують ці реакції, і регуляторні механізми, що забезпечують нормальний обмін речовин, швидкість послідовних реакцій, при яких відбувається перетворення початкового субстрату в кінцевий продукт. Сукупність таких послідовних реакцій перетворення біомолекули до певного продукту складає метаболічний шлях.

Метаболічний шлях – послідовність біохімічних перетворень, пов’язаних зі специфічним перетворенням сполук у не обхідні продукти.

Метаболіти – проміжні продукти метаболічного шляху.

Метаболічні шляхи в основному лінійні, хоч можуть бути і циклічні.

Метаболічні шляхи поділяють не лише за видом послідовності реакцій у них, але й за біологічним значенням для життєдіяльності  організму. Виділяють:

Головні метаболічні шляхи – біохімічні перетворення, що пов’язані з розпадом та синтезом найбільш важливих сполук і є загальними для більшості живих організмів.

Специфічні метаболічні шляхи – біохімічні перетворення окремих індивідуальних сполук, які є специфічними для певного виду обміну.

         До головних метаболічних шляхів, наприклад, належать синтез ДНК, РНК, білків, цикл Кребсу, синтез жирних кислот, тощо. До специфічних метаболічних шляхів потрібно віднести метаболізм глюкуронової кислоти, сорбітолу, карнозину, анзерину тощо.

У клітинах організму відбуваються синтез і розпад сполук, тобто процеси, які мають взаємопротилежні напрям і кінцевий результат. Тому в метаболізмі виділяють:

Анаболізм (anabole – від грец. підйом)  – сукупність біохімічних процесів синтезу складних біомолекул з більш простих.

Катаболізм (katabole – від грец. руйнація) – сукупність біохімічних процесів розщеплення складних молекул до більш простих, у тому числі до кінцевих продуктів обміну.

Амфіболізм – процес катаболізму, проміжні метаболіти якого можуть бути використані для синтезу (для анаболізму) інших сполук.

Виходячи з визначення, катаболічний шлях може бути амфіболічним (тобто виконувати амфіболічну функцію) в разі, якщо його проміжні метаболіти вилучаються або використовуються для синтезу інших молекул.

Катаболізм і анаболізм

Звичайно процеси метаболізму ділять на процеси катаболізму (від грец. kata – вниз) й анаболізму (від грец. ana – вгору). Порівняємо основні особливості цих процесів.

 

Таким чином, катаболізм і анаболізм – це пов’язані, взаємодоповнювані процеси, що поєднуються через систему АТФ-АДФ, відновлені й окиснені форми коферментів (НАДН⁺ і НАД⁺), субстрати і продукти.

Шлях катаболізму певної речовини і протилежний шлях синтезу цієї ж речовини звичайно дещо відрізняються. Наприклад, розпад глюкози до молочної кислоти в м’язах складається з 11 послідовних стадій, що каталізуються специфічними ферментами. Зворотний шлях (синтез глюкози з молочної кислоти) здійснюється в печінці й включає 8 ферментативних стадій, спільних із катаболічним шляхом, і 3 стадії, відмінні від нього.

Аналогічне спостерігається під час синтезу і розпаду жирних кислот, білків, нуклеїнових кислот. Завдяки неідентичності катаболічний і анаболічний шляхи регулюються незалежно один від одного. Протилежно спрямовані катаболічні й анаболічні шляхи відрізняються своєю локалізацією в клітині, що дає їм змогу відбуватись одночасно і використовувати енергію, яка звільняється під час розпаду речовин, для біосинтезу в інших місцях клітини. Наприклад, окиснення жирних кислот відбувається в мітохондріях, а синтез – у цитоплазмі.

Розглянемо катаболізм детальніше. У ньому можна виділити три головні стадії. На першій стадії макромолекули білків, жирів і вуглеводів розпадаються до своїх мономерів (гексози, пентози, жирні кислоти, гліцерин, амінокислоти). На другій стадії ці метаболіти перетворюються в один спільний продукт – ацетил-КоА. Ці дві стадії складають специфічні шляхи катаболізму, тобто різні для білків, вуглеводів і ліпідів. На третій стадії ацетил-КоА потрапляє в циклічний процес, який називається циклом лимонної кислоти, або циклом Кребса, і окиснюється до СО₂ і Н₂О. Перетворення піровиноградної кислоти в ацетил-КоА, цикл лимонної кислоти і ланцюг тканинного дихання відносять до загального шляху катаболізму, який завершує специфічні етапи розпаду вуглеводів, ліпідів і білків. Таким чином, під час катаболізму з різних вихідних речовин утворюються однакові кінцеві продукти.

Анаболізм також відбувається в декілька стадій, але є відмінності між тваринами, рослинами і бактеріями щодо тих речовин, з яких починаються анаболічні шляхи. Фотосинтезуючі організми будують вуглеводи із СО₂ і Н₂О. В організмі тварин і людини анаболізм починається з піровиноградної кислоти, ацетил-КоА, з проміжних продуктів циклу лимонної кислоти. Із порівняно невеликої кількості простих молекул-попередників утворюється широкий набір різноманітних макромолекул.

Перетворення білків, ліпідів і вуглеводів складають центральні метаболічні шляхи: потоки метаболітів на цих шляхах досить великі (сотні чи десятки грам). В організмі є ще інші метаболічні шляхи зі значно меншим потоком метаболітів (добовий синтез чи розпад вимірюється міліграмами). Ці шляхи становлять вторинний метаболізм. Роль його полягає в утворенні таких різних біологічно активних речовин, як коферменти, гормони, медіатори, пігменти.

Отже, метаболізм виконує чотири специфічні функції: 1) постачання хімічної енергії, яка отримується шляхом розщеплення багатих енергією харчових речовин, синтезу макроергічних сполук (АТФ та інших), їх використання для виконання різних видів роботи; 2) перетворення молекул харчових речовин у низькомолекулярні метаболіти (будівельні блоки), що застосовуються далі клітиною для побудови макромолекул; 3) синтез білків, ліпідів, полісахаридів, нуклеїнових кислот та інших клітинних компонентів із цих будівельних блоків із використанням енергії АТФ і НАДФН; 4) синтез і розпад низькомолекулярних, біологічно активних речовин, необхідних для виконання будь-яких специфічних функцій.

Усі метаболічні шляхи в кінцевому результаті взаємозв’язані й при порушенні будь-якого з них змін зазнають усі інші.

 

Регуляція обміну речовин

Є декілька видів регуляторних механізмів: 1) регуляція швидкості надходження метаболітів у клітину; 2) регуляція синтезу ферментів шляхом індукції і репресії; 3) регуляція активності наявних ферментів шляхом алостеричної регуляції, ковалентної модифікації, активації проферментів. В організмі людини клітини різних органів і тканин диференційовані для виконання специфічних біохімічних і фізіологічних функцій. Тому існують системи, які узгоджують і координують роботу різних органів і тканин. Таку інтегруючу роль відіграють гормональна (ендокринна) і нервова системи, а також судинна система, яка служить для перенесення всіх хімічних речовин в організмі. У нормі ці системи взаємодіють, доповнюючи одна одну.

Дорослий здоровий організм знаходиться в стаціонарному стані й головним фактором, який визначає баланс процесів обміну речовин, є співвідношення між споживанням їжі й витратою енергії. Недостатнє харчування швидко призводить до зворотної мобілізації енергії із депонованих продуктів, однак тривале голодування чи неповноцінне харчування викликає незворотний розпад тканин. Процеси катаболізму часто переважають в умовах патології. А в період одужання після захворювань, у процесі загоювання ран, у молодому організмі, який росте, та під час вагітності переважає анаболізм. Патологічно виражена перевага анабо­лізму може призвести до надмірного росту – гігантизму, чи ожиріння.

Для біохімічної діагностики захворювань використовують той факт, що регуляторні механізми підтримують концентрацію ряду важливих метаболітів у певних межах (рівень норми), а при патології концентрація їх змінюється, причому ці зміни часто бувають специфічними для тієї чи іншої хвороби. Оскільки концентрація метаболітів змінюється і внаслідок споживання їжі, переходу від спокою до фізичної роботи, то дослідження проводять звичайно натще, після нічного сну.

 

Аеробний розпад вуглеводів.

ОКИСНЮВАЛЬНЕ ДЕКАРБОКСИЛЮВАННЯ ПІРОВИНОГРАДНОЇ КИСЛОТИ

Процес окиснювального декарбоксилювання пірувату включає реакції дегідрування і декарбоксилювання, коли карбоксильна група пірувату вивільняється у вигляді СО₂, а ацетильний залишок, тобто залишок оцтової кислоти, переноситься на коензим А:

Каталізує цю сукупність реакцій складний піруватдегідрогеназний комплекс, локалізований у мітохондріях. Тому спочатку піруват переходить із цитоплазми, де відбувається гліколіз, у матрикс мітохондрій.

Піруватдегідрогеназний комплекс складається з 3 різних ферментів: піруватдегідрогенази, дигідроліпоатацетилтрансферази і дигідроліпоатдегідрогенази. До його складу входять 5 коферментів: тіамін-дифосфат (ТДФ), коензим А (КоА), ліпоєва кислота, НАД і ФАД. ТДФ – це похідне вітаміну В₁ (тіаміну), КоА – вітаміну В₃ (пантотенової кислоти), НАД – вітаміну РР (нікотинаміду), ФАД – вітаміну В₂ (рибофлавіну), а ліпоєва кислота є вітаміноподібною сполукою. При нестачі цих вітамінів окиснювальне декарбоксилювання піровиноградної кислоти і ряду інших альфа-кетокислот гальмується; накопичення пірувату і лактату зумовлює ацидоз. У хворих із спадковою недостністю піруватдегідрогенази також може розвинутись ацидоз, особливо після навантаження глюкозою.

Кожний із ферментів піруватдегідрогеназного комплексу каталізує певний етап сумарної реакції, причому ультраструктура комплексу, компактне розміщення всіх компонентів забезпечують ефективну роботу без звільнення проміжних продуктів до завершення процесу.

На 1-й стадії піруватдегідрогеназа (Е₁) каталізує декарбоксилювання пірувату з утворенням гідроксіетильного похідного, приєднаного до коферменту ТДФ. Цей проміжний продукт на 2-й стадії взаємодіє з ліпоєвою кислотою – простетичною групою другого ферменту комплексу дигідроліпоатацетилтранс­ферази (Е₂). Ліпоєва кислота може існувати в окисненій (дисульфідній), відновленій (дигідроліпоєва кислота) і відновленій ацильованій формах.

При взаємодії дисульфідної форми ліпоєвої кислоти з гідроксі­етильною групою остання окиснюється до ацетильної групи і зв’язу­ється з атомом сірки відновленої ліпоєвої кислоти. Ця окисно-відновна реакція супроводжується утворенням макроергічного тіоефірного зв’язку.

Дигідроліпоатацетилтрансфераза каталізує перенесення ацетильного залишку з ацетилліпоєвої кислоти на КоА з утворенням ацетил-КоА і дигідро­ліпоєвої кислоти (3-я стадія).

Таким чином, перші три реакції здійснюють перетворення пірувату і КоА в продукти – ацетил-КоА і СО₂.

Дві наступні стадії необхідні для отримання вихідної окисненої форми ліпоєвої кислоти. Дигідроліпоатдегідрогеназа, яка містить простетичну групу ФАД, окиснює дигідроліпоєву кислоту (4-а стадія) і далі передає 2 атоми водню з ФАДН₂ на НАД⁺ (5-а стадія).

Після завершення процесу три коферменти (ТДФ, ліпоєва кислота і ФАД), зв’язані з ферментами, знаходяться у своїй вихідній формі й можуть брати участь у наступному циклі. Два інші коферменти дисоцію­ють з комплексу. Коензим А поставляє ацетильну групу в цикл ­лимонної кислоти, а НАДН, Н⁺ передає водень на мітохондріальний дихальний ланцюг.

Процес окиснювального декарбоксилювання пірувату супроводжується значним зменшенням стандартної вільної енергії і практично незворотний. Активність піруватдегідрогеназного комплексу регулюється двома способами. По-перше, продукти реакції – ацетил‑КоА і НАДН – є алостеричними інгібіторами комплексу. І тоді, коли окиснення ацетил-КоА в циклі лимонної кислоти відстає від утворення його пірувату чи жирних кислот, активність піруватдегідрогеназного комплексу гальмується. Такий же ефект має місце при накопиченні НАДН внаслідок перевантаження дихального ланцюга. Активує комплекс фруктозо-1,6-дифосфат – проміжний продукт гліколізу. Алостеричні ефекти проявляються дуже швидко.

Другий механізм регуляції (повільніший) – це переходи між активною і неактивною формами ферменту внаслідок фосфорилювання і дефосфорилювання.

Фосфорильована форма піруватдегідрогенази неактивна, а нефосфорильована – активна. Реакцію фосфорилювання ферменту під дією АТФ каталізує кіназа піруватдегідрогенази, яка активується при високому рівні НАДН і АТФ.

Отже, в таких умовах піруватдегідрогеназний комплес виключається. Протилежний процес активації піруватдегідрогенази шляхом дефосфорилювання каталізує фосфатаза, яка активується іонами Са⁺². Рівень їх у клітині завжди зростає при збільшенні потреби в АТФ. Кіназа і фосфатаза входять до складу піруватдегідрогеназного мультиферментного комплексу.

Цикл лимонної кислоти

В аеробних умовах вуглеводи окиснюються повністю до СО₂ і Н₂О. Гліколіз становить першу стадію окиснення вуглеводів і закінчується утворенням піровиноградної кислоти, яка не відновлюється до молочної кислоти, як в анаеробних умовах, а окиснюється до ацетил-КоА і СО₂. Далі двовуглецеві ацетильні групи (з ацетил-КоА) окиснюються до СО₂ і Н₂О в ході циклічної послідовності реакцій, що називаються циклом лимонної кислоти, і реакцій тканинного дихання.

При окисненні глюкози до СО₂ і Н₂О вивільнюється значно більше енергії, ніж при гліколізі (максимально 38 моль АТФ на 1 моль глюкози проти 2 моль АТФ при анаеробному гліколізі). АТФ утворюється головним чином шляхом окиснювального фосфорилювання, поєднаного з тканинним диханням.

Реакції циклу лимонної кислоти

Цикл лимонної кислоти називають також циклом Кребса (на честь Г. Кребса – лауреата Нобелівської премії 1953 р., який відкрив його у 1937 р.) та циклом трикарбоновних кислот, оскільки ряд проміжних продуктів циклу є трикарбоновими кислотами.

Цикл лимонної кислоти включає послідовно 8 реакцій, у результаті яких ацетильна група (СН₃СО^-) ацетил-КоА розпадається з утворенням СО₂ і атомів водню, які передаються на окиснені форми коферментів НАД і ФАД. Послідовність не лінійна, а циклічна, оскільки починається з конденсації двовуглецевої ацетильної групи з щавлевооцтовою кислотою (з чотирма атомами вуглецю). В результаті виникає лимонна кислота (з шістьма атомами вуглецю), далі в реакції декарбоксилювання виділяються 2 молекули СО₂ і в останній реакції циклу знову утворюється щавлево­оцтова кислота.

Ацетил-КоА утворюється не тільки з пірувату, а й із жирних кислот, амінокислот, тому цикл лимонної кислоти розглядається як загальний, кінцевий шлях катаболізму вуглеводів, жирів і амінокислот. Усі реакції циклу відбуваються в мітохондріях. Відновлені НАДН і ФАДН₂, які утворюються у реакціях дегідрування циклу, окиснюються шляхом переносу протонів і електронів по дихальному ланцюгу внутрішньої мембрани мітохондрій на кисень.

1.     Реакцію конденсації ацетил-КоА з оксалоацетатом з утворенням цитрату каталізує цитрат-синтаза.

Реакція не вимагає затрати АТФ, а необхідна енергія забезпечується гідролізом тіоефірного зв’язку ацетил-КоА. Цитрат-синтаза – регуляторний фермент циклу, активність його гальмується АТФ, НАДН і проміжним продуктом циклу – сукциніл-КоА.

2. Цитрат ізомеризується в ізоцитрат двохетапною реакцією під дією аконітази. При відщепленні молекули води утворюється цис-аконітова кислота, яка, не відділяючись від активного центру ферменту, приєднує ту ж молекулу води іншим способом. Реакція зворотна:

3. Ізоцитрат окиснюється шляхом дегідрування й одночасно декарбоксилюється під дією ізоцитратдегідрогенази:

Для дії ферменту потрібні іони Мg²⁺ чи Мn²⁺. Алостеричні активатори ізоцитратдегідрогенази – АДФ і НАД⁺, інгібітори – АТФ і НАДН. У цитоплазмі клітин відкрита НАДФ-залежна ізоцитратдегідрогеназа.

4. Окиснювальне декарбоксилювання альфа-кетоглутарату до сукциніл-КоА каталізує альфа-кетоглутаратдегідрогеназний комплекс, що, як і піруват­дегідрогеназний комплекс, включає 3 ферменти і 5 коферментів – ТДФ, ліпоєву кислоту, КоА, ФАД і НАД⁺. Механізм реакції також аналогічний до окиснювального декарбоксилювання пірувату. Частина енергії, що вивільняється в реакції окиснення, зберігається в макроергічному тіоефір­ному зв’язку сукциніл-КоА. Активність альфа-кетоглутаратдегідрогеназного комплексу гальмують АТФ і продукти реакції – НАДН і сукциніл-КоА.

5. У наступній реакції розрив макроергічного зв’язку сукциніл-КоА при перетворенні у вільний сукцинат поєднаний з утворенням гуанозинтрифосфату, так що енергія макроергічного зв’язку зберігається:

Отже, ця реакція субстратного фосфорилювання аналогічна реакціям синтезу АТФ у процесі гліколізу. Каталізує її сукциніл-тіокіназа. Синтезований ГТФ може передати свою кінцеву фосфатну групу на АДФ з утворенням АТФ при дії нуклеозиддифосфаткінази:

6. Сукцинат окиснюється до фумарату. Сукцинатдегідрогеназа, яка каталізує цю реакцію, містить простетичну групу ФАД, що відновлюється до ФАДН₂, і залізо-сірчані центри:

Конкурентним інігібітором сукцинатдегідрогенази є малонова кислота. Серед ферментів циклу лимонної кислоти тільки сукцинатдегідрогеназа локалізована на внутрішній мембрані мітохондрій, а інші знаходяться в їх матриксі.

7. Стереоспецифічний фермент фумараза (фумаратгідратаза) ката­лізує гідратацію фумарової кислоти в L-яблучну (малат):

8. Малат окиснюється НАД-залежною малатдегідрогеназою до оксалоацетату:

Молекула оксалоацетату може з’єднуватись із новою молекулою ацетил-КоА і починати новий оберт циклу.

Аналіз послідовності реакцій циклу Кребса дозволяє зробити ряд висновків:

1. У цикл входить двовуглецева ацетильна група (в складі ацетил-КоА), а виходять 2 молекули СО₂.

2. У чотирьох реакціях дегідрування від проміжних продуктів циклу відриваються 4 пари атомів водню. Із них 3 пари використовуються на відновлення НАД⁺, а одна пара – ФАД.

3. Частина атомів кисню, необхідних для утворення СО₂, і атомів водню – для відновлення коферментів, постачаються молекулами води, які застосовуються в реакціях циклу.

4. Молекула оксалоацетату, що потрапляє в цикл, у результаті ­одного оберту циклу регенерується. Таким чином, оксалоацетат у циклі не ви­тра­чається і наново не утворюється (як і інші проміжні продукти циклу).

5. Один раз у циклі має місце реакція субстратного фосфорилювання, коли за рахунок макроергічного зв’язку субстрату утворюється молекула ГТФ (АТФ).

Сумарне рівняння циклу лимонної кислоти має вигляд:

Для нових обертів циклу відновлені коферменти повинні окиснитись, що відбувається шляхом переносу електронів і протонів по дихальному ланцюгу внутрішньої мембрани мітохондрій на молекулярний кисень з утворенням молекул води. Саме тому цикл лимонної кислоти є аеробним киснезалежним шляхом, хоч у жодній реакції циклу молекулярний кисень не використовується. За рахунок окиснювального фосфорилювання, поєднаного з переносом електронів і протонів по дихальному ланцюгу, забезпечується синтез основної кількості АТФ. Враховуючи, що окиснення однієї молекули НАДН призводить до утворення 3 молекул АТФ, окиснення однієї молекули ФАДН₂ – 2 АТФ, загальний вихід АТФ при окисненні однієї молекули ацетил-КоА складає:

Регуляція циклу лимонної кислоти

Цикл лимонної кислоти регулюється рядом факторів. По-перше, концентрацією субстратів – ацетил-КоА і оксалоацетату. Ацетил-КоА утворюється при катаболізмі вуглеводів і жирних кислот, його рівень визначається активністю піруватдегідрогеназної реакції і ­окисненням жирних кислот. Концентрація в мітохондріях оксалоацетату, який утворюється в піруваткарбоксилазній реакції, а також з аспарагінової кислоти, досить низька і залежить від метаболічних умов. Використовується оксалоацетат у різних метаболічних шляхах:

1) у циклі лимонної кислоти;

2) для глюконеогенезу;

3) для утворення аспарагінової кислоти, яка застосовується для синтезу пуринів, піримідинів, аргініну і сечовини;

4) для компенсації втрат із циклу лимонної кислоти інших проміжних продуктів (цитрату, альфа-кетоглутарату, сукциніл-КоА).

У нормальних умовах баланс між кількістю ацетил-КоА й оксалоацетату досягається завдяки активації ацетил-коензимом А піруваткарбоксилазної реакції. Баланс порушується під час голодування, коли внаслідок окиснення тканинного жиру в печінці накопичується надлишок ацетил-КоА, і при цукровому діабеті, коли порушується катаболізм глюкози і внаслідок недостачі пірувату не утворюється достатня кількість оксало­ацетату. У цих випадках відносна нестача оксалоацетату, порівняно з рівнем ацетил-КоА, гальмує цикл лимонної кислоти, зумовлює підвищений синтез з ацетил-КоА кетонових тіл і розвиток кетозу.

Крім цитратсинтази, регуляторними ферментами циклу лимонної кислоти є ізоцитратдегідрогеназа й альфа-кетоглутаратдегідрогеназа. Усі вони чутливі до співвідношення концентрацій у клітині АТФ/АДФ, НАДН/НАД⁺.

При високих значеннях цих відношень активність регуляторних ферментів циклу пригнічується. Таким чином, коли в клітині є високий рівень АТФ, робота циклу припиняється, а при використанні АТФ і зростанні рівня АДФ – стимулюється. Інгібітором цитратсинтази й альфа-кето­глутаратдегідрогенази служить також сукциніл-КоА – проміжний продукт циклу.