Метаболизм как сопряжение катаболизма и анаболизма

Основные процессы катаболизма

Первый этап катаболизма — это ферментативный гидролиз сложных молекул: белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов, липидов, в результате которого образуются более простые вещества, строительные блоки этих веществ. У млекопитающих животных и человека этот этап катаболизма происходит в пищеварительном тракте, где гидролизуются экзогенные вещества, и в лизосомах клеток организма, в которых расщепляются эндогенные биополимеры. Этот ферментативный гидролиз экзогенных веществ происходит как в полости желудочнокишечного тракта (ЖКТ), так и на гликокаликсе клеток кишечника — энтероцитах, на их выростах, ворсинках. После расщепления сложных экзогенных веществ происходит всасывание продуктов их гидролиза во внутреннюю среду организма (в кровь, лимфу). Ферментативный гидролиз экзогенных веществ является основной частью такого регулируемого физиологического процесса, как пищеварение. Особенность гидролиза веществ в пищеварительном тракте — действие на них ферментов, находящихся вне клеток.

Ферменты гидролазы, действующие в пищеварительном тракте, секретируются в его полость или клетками пищеварительных желез (слюнных желез (сл.ж), поджелудочной железы (п/ж ж)), или клетками различных отделов ЖКТ, специализированными на синтезе этих ферментов. Так, например, секреторные фундальные клетки слизистой оболочки желудка выделяют в его полость пепсиноген, который при его активации соляной кислотой превращается в пепсин. Он частично расщепляет некоторые белки пищи до полипептидов. На микроворсинках энтероцитов локализованы ферменты, гидролизующие дисахариды до моносахаридов. Это мальтаза, расщепляющая мальтозу на две молекулы глюкозы, сахараза (инветаза), катализирующая превращение сахарозы в глюкозу и фруктозу, лактаза, которая превращает лактозу в глюкозу и галактозу.

В пищеварительном тракте всегда имеется некоторое количество гидролаз и их проферментов, т. е. неактивных форм ферментов, необходимых для гидролиза веществ, поступающих в пищеварительный тракт. В этом проявляется предварительная готовность животных и человека к взаимодействиям со средой. В процессе пищеварения интенсивность секреции гидролитических ферментов в пищеварительном тракте регулируется вегетативной нервной системой, энтеральной нервной системой и тканевыми гормонами секреторных клеток ЖКТ.

При попадании пищи в пищеварительный тракт и ее перемещении по нему происходит раздражение механорецепторов пищеварительного тракта и активация сенсорных нейронов вегетативной нервной системы (ВНС). Ее эфферентные отделы непосредственно или опосредованно, т. е. через нейроны энтеральной нервной системы, усиливают функциональную активность клеток, секретирующих гидролитические проферменты и секреторные клетки ЖКТ, выделяющие такие вещества-регуляторы, как тканевые гормоны, участвующие в регуляции моторики желчевыводящих протоков печени и мускулатуры пищеварительного тракта и изменяющие секреторную активность его клеток.

В ходе пищеварения проферменты, выделяемые секреторными клетками, превращаются в активные ферменты, гидролизующие вещества пищи. Уровень секреции как пищеварительных ферментов, так и тканевых гормонов в различных участках пищеварительного тракта регулируется тканевыми гормонами пищеварительного тракта. При этом, как правило, тканевые гормоны каждого из участков ЖКТ снижают активность секреторных клеток, расположенных выше их по ходу пищеварительного тракта (ближе к желудку), и активируют активность секреторных клеток, находящихся ниже по ходу пищеварительного тракта.

В процессе ферментативного гидролиза экзогенные вещества постепенно расщепляются на их строительные блоки. Например, а-амилаза, выделяемая слюнными железами и поджелудочной железой, отщепляет от экзогенного крахмала или гликогена молекулы дисахарида мальтозы, которая расщепляется мальтазой тонкого кишечника до глюкозы. Аналогично на белки сначала действуют различные эндопепетидазы, фрагментирующие молекулу на короткие цепи пепетидов, а затем — экзопептидазы, отщепляющие концевые аминокислоты.

В данной главе при описании процесса гидролиза в пищеварительном тракте рядом с названием фермента в скобках указано место его синтеза, а рядом с названием гормона — железа внутренней секреции, выделяющая этот гормон.

В организм человека с пищей в сутки в среднем поступает 250— 280 г углеводов. Эти экзогенные моно-, олиго-, полисахариды включаются в пищеварительном тракте в первый этап катаболизма. Среди моносахаридов различают соединения, содержащие 6 атомов углерода, или гексозы. Это, например, глюкоза, галатоза и фруктоза. К пентозам, молекулам, в составе которых 5 атомов углерода, относятся рибоза и дезоксирибоза. Экзогенные олигосахара, то есть соединения, состоящие из небольшого числа (менее 10) молекул моносахаридов, — это, главным образом, дисахара: сахароза (тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар). Поступающие с пищей полисахариды — это крахмал, гликоген, целлюлоза (клетчатка). При этом крахмал составляет около 60% всех экзогенных углеводов. Мономером всех этих полисахаридов является глюкоза, поэтому их относят к гомополисахаридам, то есть к полимерным сахарам, состоящим из молекул одинаковых моносахаридов. Гидролиз крахмала и гликогена в пищеварительном тракте осуществляет а-амилаза, которая выделяется в небольших количествах слюнными железами, а также клетками поджелудочной железы. Ферментов, гидролизующих целлюлозу, у большинства млекопитающих и у человека нет. Вместе с тем, микрофлора, населяющая пищеварительный тракт у копытных животных, выделяет ферменты, гидролизующие клетчатку. Это целлюлаза, образующая из целлюлозы целлобиозу, и целлобиаза, расщепляющую целлобиозу на две молекулы глюкозы.

Процесс ферментативного гидролиза углеводов у человека начинается в ротовой полости. При попадании пищи в ротовую полость из слюны — секрета слюнных желез выделяется некоторое количество а-амилазы (сл. ж.). Этот фермент, действуя на крахмал и гликоген в ротовой полости и пищеводе, отщепляет от них некоторое количество молекул мальтозы и свободной глюкозы, вследствие чего цепь этих полисахаридов укорачивается. Для а-амилазы (сл. ж.) оптимальной является реакция среды, близкая к нейтральной — pH около 6,8. В желудке после пропитывания пищевых масс желудочным соком, имеющим кислую реакцию, этот фермент инактивируется. Амилаза полностью прекращает свое действие при pH = 4, а pH в желудке при переваривании пищи имеет значения около 1—2. а-Амилаза также секретируется поджелудочной железой (п/жж) и, выделяясь в 12-перстную кишку, действует на крахмал и гликоген, частично гидролизованные в вышележащих отделах пищеварительного тракта, и расщепляет их до дисахарида мальтозы. Кроме того, образуется некоторое количество глюкозы. Мальтоза и экзогенные дисахариды (сахароза, составляющая около 30%, и лактоза — около 10% углеводов пищи) расщепляются в тонком кишечнике (к) в ходе пристеночного пищеварения ферментами, локализованными в гликокаликсе микроворсинок энтероцитов. На мальтозу действует мальтаза (к), в результате чего из нее образуются две молекулы глюкозы. Сахароза гидролизуется сахаразой (инвертазой) до глюкозы и фруктозы, а лактаза расщепляется лактозой (к) на глюкозу и галактозу.

Образовавшиеся моносахариды всасываются энтероцитами — клетками эпителия кишечника и через воротную вену печени попадают в печень. В печени экзогенная галактоза превращается в глюкозу. Часть глюкозы включается в метаболизм уже в клетках печени и используется для биосинтеза компонентов липидов: глицерина, жирных кислот, а также холестерина и кетоновых тел.

Кроме этого, в печени из глюкозы синтезируется гликоген — резервный полисахарид животных и человека. Интенсивность биосинтеза и распада гликогена регулируется гормонами. Стимулирует биосинтез гликогена гормон поджелудочной железы — инсулин, а интенсивность его распада увеличивается при взаимодействии с клетками печени таких гормонов, как глюкагон (п/ж ж), тироксин (щитовидная железа — щ. ж.), адреналин (мозговое вещество надпочечников — м. в. н/п).

Из печени глюкоза поступает в кровь и доставляется кровотоком ко всем клеткам организма. Поступление глюкозы в клетки периферических тканей и ее всасывание в кишечнике усиливает инсулин (п/ж ж). Концентрация глюкозы крови, уровень сахара крови, — одна из важнейших констант гомеостаза. Ее величина поддерживается вблизи значений 4,5 ммоль/л, что составляет 0,8—1,0 г/л или 80—100 мг/ % (мг/ % — внесистемная единица, количество вещества в 100 мл раствора). В регуляции уровня сахара первостепенное значение имеют гормоны ЖВС. При повышении в крови содержания глюкозы, например, вследствие приема пищи, в поджелудочной железе усиливается секреция инсулина. Его взаимодействие с клетками-мишенями вызывает снижение уровня глюкозы крови до оптимальных значений. При снижении глюкозы крови, обусловленном, например, интенсивной физической активностью, повышение концентрации глюкозы в крови обеспечивают гормоны, во-первых, стимулирующие распад гликогена в печени. Это глюкогон поджелудочной железы, адреналин, выделяемый мозговым веществом надпочечников, и тироксин щитовидной железы. Во-вторых, это гормоны, которые повышают уровень сахара крови, усиливая глюконеогенез, т. е. процесс образования глюкозы из различных веществ. Это глюкокортикоиды коры надпочечников и соматотропный гормон гипофиза.

В организм человека в сутки с пищей поступает около 60—100 г экзогенных липидов. Из них около 90% составляют триглицериды (нейтральные жиры), остальные 10% — это фосфолипиды, главным образом, лецитин (фосфатидилхолин), а также холестериды (эфиры холестерина и жирных кислот) и жирорастворимые витамины.

Ферментативный гидролиз липидов у детей начинается в ротовой полости и глотке, где синтезируется некоторое количество липазы, действующей на эмульгированные триглицерины молока. У взрослых в этих отделах ЖКТ ферменты, гидролизующие нейтральные липиды, не выделяются. У детей в гидролизе липидов имеет большое значение липаза желудка, оптимум действия которой при pH около 5. В желудке у взрослых также секретируется некоторое количество этой липазы (ж), действующей на эмульгированные жиры, например жиры молока. Остальные триглицериды в 12-перстной кишке эмульгируются желчью. Желчь синтезируется и выделяется печенью. Желчь — это биологическая жидкость, главным компонентом которой являются желчные кислоты. Они образуются в печени из холестерина. Желчь, являясь поверхностно активным веществом (ПАВ), не только диспергирует, т. е. обеспечивает превращение крупных капель нерастворимых в воде жиров пищи в мелкие капли, что облегчает действие липаз, но и обладает бактерицидным действием. Кроме того, желчные кислоты являются переносчиками экзогенных жирных кислот, холестерина и водорастворимых витаминов через мембраны энтероцитов.

Экзогенные триглицерины гидролизуются липазой поджелудочной железы (п/ж ж). Этот фермент наиболее активен при pH = 8—9. Липаза (п/ж ж) активируется в кишечнике при участии желчных кислот и фермента поджелудочной железы — колипазы. Этот фермент также выделяется из поджелудочной железы в кишечник в неактивной форме и активируется там трипсином — эндопептидазой, действующей на высокомолекулярные пептиды. При активации проколипазы от нее отщепляется пентапептид (полимер из пяти аминокислот), который, как предполагается, может всасываться в кровь и действовать в центральной нервной системе как вещество-регулятор, угнетающее аппетит. В данном случае возникает петля отрицательной обратной связи, прерывающая потребление пищи.

В результате действия липаз в пищеварительном тракте только около ¼ триацилглицеролов пищи полностью гидролизуется до глицерина и жирных кислот. Оставшиеся нейтральные липиды расщепляются только до 2-моноацилглицеролов, сложных веществ, в которых у второго атома углерода (С₂) в молекуле глицерина сохранена эфирная связь с остатком жирной кислоты (А₂).

На фосфолипиды в кишечнике действуют фосфолипазы: А_г (А от ацил — кислота), отщепляющая жирную кислоту, присоединенную к первому атому в молекуле глицерина — С₁₅ т. е. гидролизующая эфирную связь между С_х глицерина и жирной кислотой в положении А_х; фосфолипаза А₂ (п/ж ж), которая отщепляет жирную кислоту А₂ от С₂

глицерина (как правило, в положении А₂ расположена ненасыщенная жирная кислота, например арахидоновая (эйкозотетраеновая)); фосфолипазы С и Д, которые секретируются клетками кишечника. Фосфолипаза С гидролизует связь между глицерином и фосфорной кислотой, а Д разрывает связь между фосфорной кислотой и холином.

Стериды — эфиры холестерина и жирных кислот, расщепляются холестеролэстеразой (п/ж ж) на холестерин и жирную кислоту.

Некоторые продукты гидролиза липидов всасываются энтероцитами и, пройдя через них, попадают в кровь воротной вены печени, где связываются с белками крови альбуминами и доставляются в печень. Это жирные кислоты с короткой цепью, т. е. с малым количеством атомов углерода в молекуле (от двух до четырех атомов С), входящие в видоспецифичный пул (набор) жирных кислот данного организма. В кровь также сразу попадает некоторое количество глицерина и экзогенный холестерин. В печени некоторая часть этих веществ используется в различных процессах метаболизма, а часть пополняет пул глицерина и свободных жирных кислот (СЖК) крови.

Вместе с тем, значительная часть продуктов гидролиза липидов уже в энтероцитах включается в специфичные для них процессы метаболизма. Большинство экзогенных жирных кислот, а также холестерин поступают в клетки эпителия кишечника с помощью переносчиков — желчных кислот. Эти вещества, выполнив свою функцию переносчиков, попадают в воротную вену печени, возвращаются в печень и вновь могут выделяться через желчевыводящие протоки в 12-перстную кишку.

С пищей в организм человека попадают видоспецифичные липиды разных организмов, отличающиеся набором и соотношением жирных кислот. Так, например, в гусином жире, как и в жире большинства птиц, отсутствует пальмитиновая кислота и много линолевой кислоты, а в медвежьем жире, как и у большинства млекопитающих, основные триглицериды — это пальмитиновая и олеиновая кислоты.

В энтероцитах многие экзогенные жирные кислоты модифицируются, т. е. происходит укорочение (или) наращивание цепи в этих кислотах, в результате чего формируется пул жирных кислот (т. е. определенный их набор и соотношение), характерный для человека. Эти жирные кислоты, входящие в набор жирных кислот организма, в клетках эпителия кишечника включаются в процесс ресинтеза липидов. В ходе этого процесса жирные кислоты соединяются с глицерином, как экзо-, так и эндогенным, и образуются эндогенные видоспецифичные триглицериды. В энтероцитах также синтезируется белок, который используется для образования комплексов с ресинтезированными гидрофобными липидами. Эти липопротеиновые комплексы называются хиломикронами.

В хиломикронах белок составляет 1—2%, триглицериды — 83—90%, фосфолипиды — 7—8%, стерины — 2—8%. На поверхности этих частиц расположены гидрофильные участки молекул белков, а внутри гидрофобные липиды. Хиломикроны поступают в лимфу через лимфатический проток, впадающий в полую вену, попадают в сердце, а из него через легочные вены кровь доставляет хилормикроны в легкие. Там некоторое количество триглицеридов используется для образования поверхностно активных веществ альвеол — сурфактантов. Они препятствуют слипанию легких и увеличивают растяжимость альвеол. Затем, пройдя через сердце в большой круг кровообращения, хиломикроны доставляются к клеткам «жировых депо» организма, резервирующих триглицериды. Это подкожная жировая клетчатка, жировая ткань на поверхности внутренних органов, брызжейка.

Следовательно, модифицированные экзогенные жирные кислоты используются в основном для создания запасов липидов, являющихся «энергетическим» резервом организма и обеспечивающих теплоизоляцию. От количества резервированных в жировой ткани липидов зависит количество выделяемых этой тканью гормонов — лептинов и адипонектинов. Эти вещества-регуляторы с кровотоком доставляются в мозг. Нейроны некоторых отделов мозга, главным образом, клетки гипоталамуса, имеют белки-рецепторы, присоединяющие лептины. Лептины являются веществами, которые участвуют в регуляции пищевого поведения, так как увеличение их количества в крови подавляет аппетит. Предполагается, что начало менструальных циклов и их регулярное воспроизведение у женщин связано с определенным количеством лептинов в крови, который определяется запасом жировой ткани и ее секреторной активностью.

Кроме лептинов жировая ткань секретирует адипонектины, выделение которых усиливается при снижении уровня сахара в крови. Эти вещества стимулируют аппетит.

Взрослый человек должен потреблять в сутки с пищей в среднем около 70—90 г белка. В пищеварительном тракте белки и полипептиды гидролизуются ферментами протеазами и пептидазами. Эти ферменты находятся в пищеварительном тракте в виде неактивных форм, или проферментов, активируемых в процессе пищеварения. Различают эндопептидазы, которые гидролизуют пептидные связи между определенными аминокислотами внутри молекулы белков, и экзопептидазы, отсоединяющие от пептидов концевые аминокислоты.

Эндопептидазы — это, во-первых, пепсин. Он образуется из пепсиногена (ж) под действием соляной кислоты, также секретируемой клетками желудка. Пепсин расщепляет в белках пептидные связи, образованные аминокислотами: Фен, Три, Тир, Лей, Асп, Глу. Во-вторых, это трипсин. Этот фермент образуется из трипсиногена (п/ж ж) при действии энтеропептидазы (к) и гидролизует пептидные связи, образованные Лиз, Apr. В-третьих, это химотрипсин, образующийся из химотрипсиногена (п/ж ж) под действие трипсина. Он гидролизует пептидные связи, образованные Фен, Три, Тир. Гидролиз белков соединительной ткани катализируют такие эндопептидазы, как элластаза и коллагеназа. Элластаза образуется из проэлластазы (п/ж ж) и действует на белок эластин, а коллагеназа расщепляет коллаген.

Экзопептидазы действуют на пептидные связи концевых аминокислот полипептидов. Это, во-первых, карбоксипептидаза, образуемая из прокарбоксипетидазы (п/ж ж) и отщепляющая аминокислоты с С-конца молекулы полипептида, то есть с конца свободной карбоксильной группы. Во-вторых, — это аминопептидаза. Она отщепляет аминокислоты с N-конца, где в молекуле белка расположена свободная аминогруппа. Дипептиды, т. е. соединение двух аминокислот, гидролизуются дипептидазой.

Образовавшиеся в результате ферментативного гидролиза экзогенные аминокислоты всасываются в кровь и через воротную вену печени доставляются сначала к гепатоцитам печени. В них аминокислоты используются для биосинтеза многих белков организма, например, белков системы транспорта липидов, белков плазмы крови, в том числе и ферментов системы свертывания крови. В клетках печени аминокислоты также являются субстратом для образования большого количества небелковых азотсодержащих веществ. Это гем — простетическая группа гемоглобина, а также ферментов каталазы, пероксидазы, цитохромов; креатин, необходимый для запасания энергии в мышечной ткани в виде креатинфосфата, и карнитин — переносчик жирных кислот в клетках организма.

В клетках печени протекают различные процессы трансформации аминокислот. Это их переаминирование (трансаминирование) — процесс, обеспечивающий образование заменимых эндогенных аминокислот; дезаминирование, в результате которого образуются различные карбоновые кислоты и аммиак; декарбоксилирование — процесс образования из аминокислот биогенных аминов и углекислого газа.

Свободные экзои эндогенные аминокислоты из печени поступают в кровь, адсорбируются на поверхности эритроцитов и доставляются в клетки организма. Там они используются для биосинтеза эндогенных белков и различных веществ, например нуклеотидов, необходимых, в частности, для биосинтеза нуклеиновых кислот. Кроме того, в секреторных клетках, расположенных в различных органах, относящихся к APUD-системе, из аминокислот образуются такие вещества-регуляторы, как биогенные амины.

Часть экзогенных белков не гидролизуется в пищеварительном тракте и поступает в толстый кишечник вместе с некоторым количеством экзогенных аминокислот, не всосавшихся в кровь. В толстом кишечнике происходит процесс, называемый гниение белка.

Микрофлора, заселяющая кишечник, как часть микробиома человека, т. е. совокупности различных видов одноклеточных организмов, живущих в разных частях организма человека, — это в основном бактерии. У копытных животных большая часть микрофлоры ЖКТ находится в их многокамерном желудке, и в ее состав кроме бактерий входят различные виды простейших и грибов. Микроорганизмы, выделяя в окружающую их среду, т. е. в полость кишечника, ферменты, используют для своей жизнедеятельности вещества пищи, не всосавшиеся в ходе пищеварения в кровь. Ферменты микроорганизмов толстого кишечника декабоксилируют аминокислоты пищи, превращая их в ядовитые для человека амины: кадаверин, путресцин, фенол, индол др. Они всасываются в кровь и попадают в печень, где есть система детоксикации — защиты организма от продуктов гниения белка в виде набора ферментов и субстратов, обезвреживающих эти яды. При этом из биогенных аминов образуются соли глюкуроновой, серной, гиппуровой кислот. Из печени эти вещества кровью доставляются в почки и выводятся из организма с мочой.

На нуклеиновые кислоты, поступающие с пищей, в кишечнике действуют выделяемые клетками кишечника полинуклеотидазы: рибонуклеаза (к) и дезоксирибонуклеаза (к). Они расщепляют нуклеиновые кислоты на строительные блоки: нуклеотиды — сложные вещества, состоящие из азотистых оснований; пентоз (рибозы или дезоксирибозы) и остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотиды гидролизуются нуклеозидазами (к), в результате чего образуются пентозофосфаты и азотистые основания. Фермент фосфатаза отщепляет фосфорную кислоту от пентоз, а также от гексозофосфатов и глицерофосфата.

Экзогенные азотистые основания нуклеотидов, всосавшись в кровь и попав в клетки организма, как и эндогенные азотистые основания, образующиеся при гидролизе нуклеотидов в клетке, не используются, а «деградируют», распадаются.

При распаде пуриновых оснований, т. е. аденина и гуанина, у человека образуется нерастворимая мочевая кислота. У здоровых индивидов она выводится с мочой, а при различных заболеваниях, например, при подагре, может осаждаться в виде камней в различных внутренних органах: почках, суставах и т. д. В результате распада пиримидиновых оснований образуются карбоновые кислоты: из урацила — ацетат, из тимина — пропионат, а также аммиак, обезвреживаемый путем образования мочевины, и углекислый газ, избыток которого выводится при дыхании.

Таким образом, продуктами реакций гидролиза сложных веществ являются строительные блоки биомолекул. Основные вещества, образующиеся в результате гидролиза в пищеварительном тракте углеводов — это моносахариды: гексозы и пентозы (рибоза, дезоксирибоза). Продукты расщепления в ЖКТ липидов — это глицерин, жирные кислоты, фосфорная кислота, холестерин. Гидролиз белков приводит к образованию свободных аминокислот, а гидролиз нуклеиновых кислот — к образованию азотистых оснований, пентоз и фосфорной кислоты.

Продукты гидролиза сложных экзогенных веществ, так же как и вещества пищи, способные всасываться без предварительного гидролиза (моносахариды, аминокислоты, карбоновые кислоты, холестерин, витамины), поступают через клетки эпителия кишечника в кровь воротной вены печени и доставляются к клеткам печени. Продукты гидролиза липидов в составе хиломикронов из энтероцитов переходят в лимфу.

В печени некоторые экзогенные вещества включаются в метаболизм, в том числе, обезвреживаются, а остальные вещества, пройдя через печень, попадают в кровоток и доставляются кровью ко всем клеткам организма, где эти вещества включаются в метаболизм.

Биохимические процессы, протекающие в клетках организма, в отечественной литературе иногда называют промежуточным или межуточным обменом.

Ферментативный гидролиз сложных веществ, как первый этап катаболизма, кроме пищеварительного тракта и лизосом клеток, происходит в цитозоле клеток организма при мобилизации резервных углеводов и липидов. Способность таких живых систем, как животные, резервировать и мобилизовывать резервы веществ, необходимых для поддержания структуры организма, повышает надежность их функционирования. Этот резерв обеспечивает возможность протекания процессов жизнедеятельности без поступления в организм питательных веществ из среды в течение некоторого времени.

Резервные липиды сосредоточены, главным образом, в жировых депо организма, основными из которых является жировая ткань. В клетках жировой ткани имеются клеточные липазы, расщепляющие липиды, резервированные в виде жировых капель в цитоплазме. Активность этих липаз регулируется веществами-регуляторами. В частности, активность клеточных липаз увеличивают такие гормоны, как тироксин щитовидной железы (щ. ж.) и адреналин мозгового вещества надпочечников (м. в. н/п.).

Резервом углеводов является гликоген, сосредоточенный, главным образом, в клетках печени и мышечной ткани. Его расщепление происходит при недостатке в организме глюкозы, при снижении уровня сахара крови. При этом активация фермента фосфорилазы приводит к фосфорилированию концевой молекулы глюкозы в гликогене по первому атому углерода (Cj) и отсоединению концевой молекулы в виде глюкозо-1-фосфата (Гл-1-ф). Он превращается ферментом фосфоглюкомутазой в глюкозо-6-фосфат (Гл-6-ф). Эфирную связь с остатком фосфорной кислоты гидролизует глюкозо-6-фосфатаза и свободная глюкоза выходит в кровь. Этот процесс имеет большое значение для регуляции такой константы гомеостаза, как уровень сахара крови. Активируют фосфорилазу гормоны ЖВС: глюкогон поджелудочной железы (п/ж ж), адреналин (м. в. н/п.), тироксин (щ. ж.). Их взаимодействие с клетками печени активирует гликолиз, а также может способствовать увеличению уровня сахара крови.

Белки в организме не резервируются, но при длительном голодании начинают расщепляться на аминокислоты и использоваться в клетках белки плазмы крови.

В лизосомах клеток организма гидролиз эндогенных веществ, выполнивших свою функцию, или «поврежденных» молекул, как, например, молекул белка с измененной пространственной структурой, происходит в ходе аутофагии (аутофагоцитоза). Этот процесс включает в себя формирование в клетке двуслойных мембранных структур. Они окружают часть цитоплазмы, содержащую органоиды с поврежденными мембранами, например митохондрии, или поврежденные молекулы белка, и изолируют их в глобуле — фагосоме (эндосоме). Фагосома сливается с лизосомой, содержащей гидролитические ферменты, и они разрушают «отработавшие» структуры. Продукты гидролиза поступают в цитозоль, и большинство из них вновь включается в метаболизм.

Гидролитические ферменты, расщепляющие белки клетки, активируются при развитии в них процесса программируемой гибели клеток — апоптоза. Этими ферментами являются специфичные апоптозу протеазы каспазы. Их действие приводит к фрагментации клетки и образованию апоптозных телец, разрушаемых клетками иммунной системы — макрофагами.

Кроме того, ферменты, гидролизующие белки, выделяют клетки иммунной системы (Т-клетки и NK-клетки). Для инициации гибели поврежденных клеток организма эти клетки выделяют гранзимы — сериновые гидролазы, то есть ферменты, расщепляющие пептидные связи, образованные серином (Сер), и белок перфорин, образующий поры в их мембранах.

Таким образом, первый этап катаболизма в организме млекопитающих животных и человека завершается образованием в пищеварительном тракте продуктов гидролиза экзогенных веществ, а в лизосомах клеток — продуктов гидролиза эндогенных веществ: моносахаридов (гексоз и пентоз), глицерина, жирных кислот, холестерина, аминокислот, азотистых оснований нуклеотидов, фосфорной кислоты. При этом, если продукты гидролиза белков, липидов углеводов включаются в метаболизм, причем как в катаболизм, так и в анаболизм, то из продуктов гидролиза нуклеотидов в клетках организма используются только фосфорная кислота и пентозы, а молекулы азотистых оснований нуклеотидов в биосинтезе нуклеотидов превращаются в вещества, которые выводятся из метаболизма.

Исходные вещества второго этапа катаболизма — это простые органические вещества: моносахариды, глицерин, жирные кислоты, аминокислоты, как экзогенные, так и эндогенные.

Основными процессами второго этапа катаболизма являются окисление глюкозы, глицерина, жирных кислот, дезаминирование и декарбоксилирование аминокислот. В цитозоле клетки протекают такие процессы второго этапа катаболизма, как окисление глюкозы — гликолиз и пентозофосфатный путь, окисление глицерина. В митохондриях происходит окислительное декарбоксилирование пирувата, |3-окисление жирных кислот.

Молекулы веществ, включающихся во второй этап катаболизма, как правило, активируются или путем их фосфорилирования, или посредством соединения с кофакторами сложных ферментов.

Основными конечными продуктами второго этапа катаболизма являются: активная уксусная кислота — АцетилКоА, образующаяся в метаболических потоках углеводов, липидов, аминокислот; восстановленные коферменты дегидрогеназ НАДН+Н+ и ФАД-2Н, а также карбоновые кислоты, как экзогенные, так и получающиеся при трансаминировании и дезаминировании аминокислот. Эти же вещества являются исходными для третьего этапа катаболизма, для протекания которого необходим кислород. При недостатке кислорода основным конечным продуктом второго этапа катаболизма углеводов является молочная кислота. Она может включаться с анаболизм, превращаясь в глицерин или глюкозу.

Основные процессы третьего этапа катаболизма — это цикл Кребса и окислительное фосфорилирование (ОКФОС), протекающие в митохондриях.

Гликолиз — это процесс анаэробного (бескислородного) окисления глюкозы, протекающий в цитозоле всех клеток организма. Для протекания гликолиза необходимы или свободная глюкоза, или концевые молекулы глюкозы, последовательно отщепляемые от гликогена, а также АТФ, АДФ, Н₃Р0₄ и ферменты. Так как при включении в гликолиз глюкозы, отщепляющейся от гликогена, происходит «расщепление» гликогена, то используют термин гликогенолиз. Конечные продукты окисления глюкозы в ходе гликолиза — это молочная кислота (лактат) и АТФ.

Кислород не препятствует окислению глюкозы в цитозоле, но его присутствие «сдвигает» равновесие последней реакции гликолиза — превращения пирувата (пировиноградной кислоты — ПК) в лактат, в сторону обратной реакции, то есть в сторону образования пирувата. Это влияние кислорода на гликолиз носит название эффект Пастера. При достаточном количестве кислорода в клетке пируват переходит в митохондрии и трансформируется в ходе метаболических процессов, протекающих в том числе и с участием кислорода. В отечественной литературе часто используют термин «аэробный гликолиз», очевидно подразумевая под ним гликолитическое окисление глюкозы до пирувата и его дальнейшие превращения в митохондриях при участии кислорода, конечными продуктами которого являются углекислый газ и вода.

В гликолизе выделяют два этапа: На первом этапе происходит фосфорилирование гексоз (глюкозы и фруктозо-1-фосфата) и их расщепление на две молекулы триоз (трифосфоглицериновый альдегид (3-ФГА) и фосфодиоксиацетон (ФДА)).

Ферментативное фосфорилирование гексоз сопряжено с гидролизом АТФ. В результате этой реакции, катализируемой киназами, из АТФ образуется АДФ, а остаток фосфорной кислоты присоединяется к гексозе. При окислении в гликолизе «свободной» глюкозы в ходе первого этапа гликолиза на одну молекулу глюкозы расходуется две молекулы АТФ. Гидролиз первой молекулы АТФ сопряжен с фосфорилированием глюкозы, образуется глюкоза-6-фосфат (Гл-6-ф) и АДФ. Затем фермент фосфоглюкомутаза превращает Гл-6-ф во фруктозо-6-фосфат (Фр-6-ф), и происходит гидролиз второй молекулы АТФ, сопряженный со следующим фосфорилированием гексозы, в результате чего образуется фруктозо-1,6-бифосфат (Фр-1,6-би-ф). Так как основное биологическое значение гликолиза — это аккумуляция в клетке энергии, то, проводя аналогию с экономическими процессами и считая АТФ энергетической «валютой», можно сказать, что для получения «прибыли» в виде АТФ на втором этапе процесса, необходимо сделать «инвестиции», произвести затраты «валюты» на первом этапе.

При включении в гликолиз концевых молекул глюкозы, последовательно отщепляемых от гликогена, т. е. в ходе гликогенолиза, на первом этапе на одну молекулу глюкозы расходуется одна молекула АТФ. В этом случае присоединение остатка фосфорной кислоты к концевой молекуле глюкозы в составе гликогена и ее отщепление осуществляет фермент фосфорилаза, и при протекании этой реакции энергии АТФ не требуется. При отщеплении глюкозы от гликогена сначала образуется Гл-1-ф, а затем происходит его ферментативное превращение в Гл-6-Ф. Далее следуют те же реакции, как и при окислении свободной глюкозы, и на образование Фр-1,6-би-ф затрачивается энергия АТФ.

Последняя реакция первого этапа гликолиза (гликогенолиза) — это расщепление Фр-1,6-би-ф ферментом альдолазой на две молекулы триоз. Образуются фосфодиоксиацетон (ФДА) и 3-фосфоглицериновый альдегид (3-ФГА), способные к взаимопревращениям при участии изомеразы. Таким образом, на первом этапе гликолиза происходит энергозависимое фосфорилирование глюкозы и расщепление одной молекулы гексозы на две молекулы триоз.

На втором этапе гликолиза ферменты катализируют реакции окисления и фосфорилирование 3-ФГА при участии неорганического фосфата Н₄Р0₄ (фосфорной кислоты), в результате чего образуется 1,3-бифосфоглицериновая кислота (1,3-би-ФГК). Один из ферментов, действующих на этой стадии гликолиза, — это дегидрогеназа, содержащая НАД (НАД-ДГ). Его кофермент НАД⁺ при окислении 3-ФГА восстанавливается, т. е. образуется НАДН+Н±ДГ, при этом кофермент может переходить в свободную форму.

Затем происходит субстратное фосфорилирование: остаток фосфорной кислоты с субстрата 1,3-ФГК переносится на АДФ, в результате образуются АТФ и 3-ФГК. После этого следуют реакции превращения 3-ФГК в 2-ФГК, затем дегидратация 2-ФГК, то есть отсоединение от него воды, что приводит к образованию фосфоенол пировиноградной кислоты (феПВК). Превращение феПВК в пировиноградную кислоту (ПВК) также сопряжено с субстратным фосфорилированием, то есть образуется еще одна молекула АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты, отсоединенного от субстрата — феПВК.

Последняя реакция гликолиза — это превращение пирувата (ПВК) в молочную кислоту (лактат). Ее катализирует восстановленная форма НАД-содержащего фермента — лактатдегидрогеназы (ЛДГ). Она образуется при переходе в связанную форму свободной формы восстановленного кофермента НАДН+Н+, который образовался ранее при окислении 3-ФГА.

Гликолиз называют дихотомическим расщеплением глюкозы, так как один метаболический поток первой стадии гликолиза до образования Фр-1,6-би-ф дает начало двум идентичным потокам, в которых окисляются триозы, образовавшиеся при расщеплении Фр-1,6-би-ф, дважды происходит их субстратное фосфорилирование, и образуются две молекулы лактата.

Таким образом, при затрате двух молей АТФ или одного моля АТФ (в случае начала процесса с гликогена) на первом этапе гликолиза из одного моля глюкозы образуются два моля 3-ФГА. Их окисление на втором этапе гликолиза приводит к образованию двух молей лактата и четырех молей АТФ. Следовательно, суммарный энергетический эффект гликолиза — это 2 моля АТФ при окислении моля свободной глюкозы (—2 + 4 = 2) или 3 моля АТФ при окислении глюкозы, отсоединяемой от гликогена (—1 + 4 = 3).

Это значит, что «инвестиции» в виде двух молей АТФ на первом этапе гликолиза позволили получить «прибыль» в виде двух молей АТФ на втором этапе. Лактат, образовавшийся в ходе гликолиза, при дефиците кислорода, например, в интенсивно работающей мышечной ткани, переносится кровью в печень, где вновь превращается в глюкозу в процессе глюконеогенеза.

В последние годы установлено, что в некоторых случаях лактат, образующийся в ходе гликолиза в одних клетках, может поступать в соседние клетки (как правило в те, в которых может быть некоторый дефицит глюкозы, например, в нейроны из глии, опухолевые клетки из фибробластов), где он превращается в пируват и включается в аэробное окисление.

Гликолиз — единственный путь, обеспечивающий образование АТФ в эритроцитах, так как в этих клетках нет митохондрий. Кроме того, он имеет большое значение в энергообеспечении мышечной ткани при физической нагрузке.

При достаточном количестве кислорода в клетках наблюдается эффект Пастера: равновесие в обратимой реакции последней стадии гликолиза пируват — лактат сдвинуто в сторону образования пирувата.

Во всех клетках организма, имеющих митохондрии, при достаточном количестве в них кислорода гликолиз, который завершается образованием пирувата, — это первая стадия аэробного окисления глюкозы.

В отечественной и зарубежной литературе нередко применяется термин «аэробный гликолиз», хотя по определению гликолиз — это анаэробный процесс, точнее процесс, в котором кислород не участвует. Этот термин используют при описании тех случаев, когда интенсивность гликолиза, а, следовательно, и скорость образования АТФ за счет субстратного фосфорилирования значительно возрастает (например, при быстрой пролиферации клеток при росте опухоли), но при этом, даже в присутствии кислорода, значительная часть пирувата не переходит в митохондрии, а превращается в лактат.

Другой способ окисления глюкозы, протекающий в цитозоле многих клеток организма, также не требующий участия кислорода, — это пентозофосфатный цикл (ПФЦ). Он сопряжен с анаболическими потоками липидов (биосинтезом жирных кислот) и нуклеотидов (биосинтезом пентоз: рибозы и дезоксирибозы). ПФП также может «переключаться» на гликолиз.

Этот путь окисления глюкозы называется также гексозомонофосфатный, глиоксилатный, «прямой», «апотомический» путь окисления глюкозы, пентозофосфатный «шунт».

При описании этого процесса обычно считают, что исходные вещества его первой реакции — это шесть молекул глюкозы. В ПФЦ выделяют два этапа: первый — окислительный и второй — неокислительный.

На первом этапе ПФЦ молекулы глюкозы активируются путем их фосфорилирования, сопряженного с гидролизом АТФ, и образуются шесть молекул Гл-6-ф. Каждая из них дважды декарбоксилируется и окисляется НАДФ-дегидрогеназами (НАДФ±ДГ), что сопряжено с восстановлением кофермента, то есть с образованием НАДФН+Н+. Фермент декарбоксилаза, катализирующий декарбоксилирование Гл-6-ф, содержит в своем коферменте витамин B_v Таким образом, начинаясь с шести молей глюкозы, первый этап ПФЦ завершается образованием шести молей С0₂, 12 молей НАДФН+Н+ и шести молей пентоз. Это четыре моля ксилулозо-5-ф и два моля рибулозо-5-ф.

Восстановленные формы НАДФ — НАДФН+Н+ могут переходить в свободную форму и окисляться, включаясь в биосинтез жирных кислот и используясь в глутатионредуктазной системе. Во втором случае свободный НАДФН связывается с апоферментом глутатионредуктазы (глутатионпероксидазы), переходя в связанную форму, и, окисляясь, восстанавливает глутатион из его окисленной формы, образующейся при взаимодействии глутатиона с такой активной формой кислорода (АФК) как пероксид (перекись) водорода. Реакцию взаимодействия Н₂0₂ с глутатионом, в результате которой образуется окисленный глутатион и вода, также катализирует глутатионредуктаза. Активность глутатиоредуктазной системы обезвреживания АФК увеличивается при повышении интенсивности окислительного фосфорилирования (ОКФОС).

Пентозы или используются на биосинтез нуклеотидов, или включаются во второй этап пентозофосфатного цикла.

На втором этапе ПФЦ при взаимодействии двух из четырех молей ксилулозо-5-ф и двух молей рибулозо-5-ф образуются двух моля седогептулозо-7-ф и 2 моля 3-ФГА, т. е. взаимодействие каждой из пар пентоз — С₅ (подстрочный индекс указывает количество атомов углерода в молекуле) друг с другом приводит к образованию двух молей триоз — С₃ и двух молей септоз — С₇: 2(С₅ + С₅ = С₃+ С₇). Далее взаимодействие двух молей С₃ и двух молей С₇ друг с другом приводит к образованию двух молей тетроз — эритрозо-4-ф и двух молей гексоз — фруктозо-6-фосфата (Фр-6-ф): 2(С₃ + С₇ = С₄ + С₆). Затем в результате взаимодействия двух молей эритрозо-4-ф и оставшихся двух молей пентоз ксилулозо-5-ф образуется еще два моля фруктозо-6-ф и 2 моля 3-ФГА: 2(С₅ + С₄ = С₆ + С₃). Соединение двух молей ЗФГА друг с другом приводит к образованию еще одного моля Фр-6-ф: (С₃ + С₃ = С₆). Фр-6-ф может превратиться в Гл-6-ф, и при включении в процесс еще одного моля Гл-6-ф начинается новый цикл пентозофосфатного окисления глюкозы.

ПФЦ окисления глюкозы может прерываться или на стадии образования ЗФГА, или при получении Фр-6-ф, которые могут включаться в другие метаболические процессы, например в гликолиз или биосинтез гликогена.

Для протекания ПФЦ окисления глюкозы нужны такие витамины, как В₅, который содержится в НАДФ, и В_1} входящий в состав ферментов декарбоксилаз первого этапа ПФЦ и ферментов альдолаз и транскетолаз, катализирующих взаимодействие моносахаридов друг с другом на втором этапе ПФЦ.

Таким образом, конечными продуктами пентозофосфатного пути окисления глюкозы являются пять молекул Гл-6-ф-та, шесть молекул углекислого газа и 12 молекул НАДФН+Н+.

В этом процессе ярко проявляется гибкость метаболизма. Так на втором этапе пентозофосфатного пути образуются 3-фосфоглицериновый альдегид и фруктозо-6 фосфат. Они могут участвовать в гликолизе, то есть окисляться до ПВК и лактата, а могут использоваться в глюконеогенезе для образования глюкозы или в биосинтезе гликогена.

Таким образом, ПФЦ и гликолиз, а также обратные гликолизу процессы — глюконеогенез и биосинтез гликогена могут «переключаться» друг на друга, то есть вещества, образовавшиеся в гликолизе, могут включаться в ПФЦ и наоборот.

Пентозофосфатный путь также сопряжен с метаболизмом липидов. Во-первых, с биосинтезом жирных кислот, где для восстановления субстратов используется НАДФН+Н+, получившийся на первом этапе ПФЦ. Во-вторых, ЗФГА может включаться в процесс биосинтеза глицерина, который необходим для биосинтеза омыляемых липидов.

Таким образом, процесс ПФЦ является примером сопряжения катаболизма и анаболизма. Причем при сопряжении ПФЦ с биосинтезом жирных кислот происходит непосредственная передача энергии из одного метаболического потока в другой без предварительного образования «энергетических валют». Выражаясь метафорически и используя терминологию экономики, можно говорить о «натуральном обмене» энергией между различными метаболическими процессами. Взаимосвязью ПФЦ окисления глюкозы и биосинтеза жирных кислот объясняют тот факт, что интенсивность ПФЦ особенно высока в тех клетках организма, где интенсивно синтезируются жирные кислоты. Это клетки эпителия кишечника, печени, лактирующей молочной железы, сердца.

Кроме того, ПФЦ является источником пентоз, необходимых в клетке для биосинтеза нуклеотидов, поэтому интенсивность этого процесса повышается при подготовке клеток к делению.

Аэробное окисление глюкозы — это один из основных процессов, сопряженных с ОКФОС, который обеспечивает аккумуляцию в клетке энергии в виде АТФ. Исходные вещества многоэтапного процесса аэробного окисления глюкозы — это один моль глюкозы и шесть молей кислорода. Конечные продукты — шесть молей углекислого газа и шесть молей воды. При окислении одного моля глюкозы в аэробных условиях происходит фосфорилирование 38 молей АДФ и образуется 38 молей АТФ, т. е. энергия, освобождающаяся при окислении глюкозы, запасается в клетках организма.

Биохимические процессы, включенные в аэробное окисление глюкозы, стадии этого окисления: гликолиз, окислительное декарбоксилирование пирувата, цикл Кребса, окислительное фосфорилирование (ОКФОС).

Первая стадия окисления глюкозы в аэробных условиях — это гликолиз, протекающий в цитозоле клеток, который в присутствии достаточного количества кислорода завершается образованием двух молей пирувата. При этом из расчета на один моль глюкозы в клетке аккумулируется энергия в виде двух молей АТФ и остаются не израсходованными восстановленные коферменты НАД ДГ — два моля НАДН+Н+.

Так как цитоплазматический кофермент НАДН+Н+ не может переходить через мембрану митохондрий и принимать участие в ОКФОС как процессе, пополняющем запасы АТФ в митохондриях, то в клетке действуют челночные системы — глутамат-аспартатная и глицеролфосфоглцератная, обеспечивающие восстановление митохондриальных НАД-ДГ.

При действии глицеролфосфатной челночной системы востановленная форма кофермента НАДН+Н+ глицеральальдегид фосфат-ДГ, которая образуется в начале 2-го этапа гликолиза при окислении 3-фосфоглицеринового альдегида, взаимодействует с глицерол-З-фосфатДГ-зой, восстанавливающей фосфодиоксиацетон (дигидроксиацетон), который также образуется в конце 1-го этапа гликолиза.

Фосфодиоксиацетон может также образоваться при активации и окислении глицерола, поступившего в клетку из крови или образовавшегося при гидролизе липидов в клетке. Глицерол-З-фосфат переходит через наружную мембрану митохондрий и взаимодействует с локализованным во внутренней мембране митохондрий ферментом глицерол-З-фосфат-ДГ, содержащим ФАД, восстанавливая его, и превращается в фосфодиоксиацетон, возвращающийся в цитозоль. Цикл завершен восстановлением ФАД — кофермента глицерол-З-фосфат-ДГ, который в качестве комплекса II запускает окислительное фосфорилирование (ОКФОС).

В другой челночной системе, малат-аспартатной, участвуют карбоновые кислоты — а-кетоглутарат, оксалоацетат (О-A) и малат (М), а также аминокислоты глутамат (Глу) и аспартат (Асп). В ней также используется НАДН+Н+ (по-видимому в свободной форме) образующийся при окислении ЗФГА глицеральальдегид-ДГ-зой. При этом НАДН+Н+ включается в активный центр фермента малат-ДГ и восстанавливает цитозольный оксало-ацетат, в результате чего образуется малат. Он переходит путем диффузии в митохондрии, где, окислившись митохондриальной малатдегидрогеназой, запускающей комплекс I ОКФОС, превращается в оксалоацетат (О-A). О-A вступает в реакцию переаминирования с Глу, в результате которой образуются Асп и а-кетоглутарат. Аспартат переходит за счет диффузии через мембрану митохондрий и взаимодействует с цитозольным а-кетоглутаратом. В результате этого в цитозоле образуются Глу и О-A. Цикл завершен.

Образовавшийся в цитозоли пируват и кислород, перенесенный гемоглобином эритроцитов крови из легких в ткани и поступивший в клетку, переходят в митохондрии, где происходит вторая стадия процесса аэробного окисления глюкозы — окислительное декарбоксилирование пирувата, которое катализирует пируватдегидрогеназный мультиферментный комплекс, состоящий из нескольких сложных ферментов и липоевой кислоты. Это, во-первых, пируватдекарбоксилаза, обеспечивающая отсоединение от пирувата карбоксильной группы, в результате чего образуется С0₂. Это фермент четвертого класса, в его коферменте содержится витамин В_а — тиамин. Во-вторых, это витаминоподобное вещество липоевая кислота, а в-третьих, дегидрогеназы, окисляющие пируват: НАД-ДГ, содержащая витамин В₅ — ниацин, и ФАД-ДГ, содержащая витамин В₂ — рибофлавин. Кроме того, в реакции окислительного декарбоксилирования пирувата участвует ацилтрансфераза. Ее кофермент HS-KoA, содержащий витамин В₃, может присоединять к себе остатки жирных кислот. В результате декарбоксилирования и окисления из пирувата образуется остаток уксусной кислоты, который присоединяется к коферменту ацилтрансферазы, и образуется АцетилКоА, или активная уксусная кислота.

Таким образом, конечные продукты окислительного декабоксилирования пирувата — это АцетилКоА, восстановленный кофермент НАД-ДГ — НАДН+Н+и С0₂. Так как из одного моля глюкозы образуется два моля пирувата, то при аэробном окислении моля глюкозы образуется по два моля этих веществ.

Углекислый газ, образующийся в клетке при аэробном окислении глюкозы, может использоваться в процессах анаболизма для карбоксилирования веществ, например, при биосинтезе жирных кислот, мочевины. Избыток углекислого газа из клеток выводится в кровь, поступает в эритроциты и, взаимодействуя с водой, превращается в угольную кислоту. Эту реакцию, так же как и обратную ей, катализирует фермент карбангидраза. Угольная кислота пополняет буферные системы крови. При избытке в крови угольной кислоты в эритроцитах венозной крови, поступившей в легкие, происходит процесс превращения угольной кислоты в С0₂ и Н₂0, при этом углекислый газ выделяется с выдыхаемым воздухом.

Вещества, образовавшиеся при окислительном декарбоксилировании пирувата, используются на следующей стадии аэробного окисления глюкозы в процессах третьего этапа катаболизма: в цикле Кребса, который «запускается» АцетилКоА, и в ОКФОС — процессе, в котором окисляются восстановленные формы различных НАД-ДГ-з и участвуют другие оксидоредуктазы.

Цикл три-дикарбоновых кислот (цикл лимонной кислоты, цитратный цикл, цикл Кребса) — это ферментативный процесс взаимопревращения карбоновых кислот, непрерывно происходящий в матриксе митохондрий. Запуск каждого цикла осуществляется АцетилКоА.

Первой реакцией цикла Кребса является взаимодействие с АцетилКоА дикарбоновой кетокислоты оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты (ЩУК), содержащей в молекуле 4 атома углерода — С₄), происходящее при участии молекулы воды. В результате образуется цитрат (лимонная кислота) — трикарбоновая оксикислота (С₆). Цитрат содержит три карбоксильных группыСООН и гидроксильную, или окси-, группу ОН-. Две концевые карбоксильные группы цитрата расположены симметрично относительно третьей карбоксильной группы, которая находится у «центрального» атома углерода, соединенного также с гидроксильной группой.

Сначала цитрат дегидроксилируется, то есть от него отсоединяется вода, и превращается в цис-аконитат (цис-аконитовую кислоту). Это трикарбоновая ненасыщенная кислота, то есть кислота, имеющая двойную связь, которая расположена между центральным (третьим) атомом углерода, связанным с карбоксильной группой, и следующим атомом углерода, связанным с другой карбоксильной группой. Затем к цисаконитату вновь присоединяется вода, и он превращается в изоцитрат. Эта оксикислота отличается от цитрата, ее изомера, расположением гидроксильной группы. В изо-цитрате она расположена не у центрального, а у следующего за ним атома углерода.

Затем изоцитрат окисляется изоцитратдегидрогеназой, кофермент, которой восстанавливается, то есть образуется НАДН+Н+, и при этом образуется оксалосукцинат (щавелево-янтарная кислота) — трикарбоновая кетокислота.

После этого оксалосукцинат декарбоксилируется, т. е. от его молекулы отщепляется С0₂, и получается дикарбоновая кислота — а-кетоглютарат (а-кетоглютаровая кислота) (С₅). В этой кетокислоте (оксокислоте) ее карбонильная группа (>С=0) находится у одного из атомов углерода, соединенных с одной из двух карбоксильных групп.

а-Кетоглютарат включается в процесс окислительного декарбоксилирования, сходный с окислительным декарбоксилированием пирувата. Окислительное декарбоксилирование а-кетоглютарата также катализируется мультиферментным дегидрогеназно-декарбоксилазным комплексом, субстратом которого является а-кетоглютарат. В результате образуется остаток янтарной кислоты, соединенный с коферментом ацилтрансферазы Сукцинил-КоА, а также НАДН+Н⁺-ДГ-за и С0₂.

Следующая реакция — это отсоединение янтарной кислоты (сукцината) (С₄) от кофермента КоА. Данная реакция сопряжена с фосфорилированием ГДФ остатком фосфорной кислоты, т. е. при отсоединении остатка янтарной кислоты от КоА-ацилтрансферазы выделяется энергия, достаточная для синтеза макроэрга в виде ГТФ. Освободившийся от кислоты кофермент КоА, соединенный со своим апоферментом, может вновь включаться в метаболизм, например, в окислительное декарбоксилирование или пирувата, или следующей молекулы а-кетоглютарата.

Янтарная кислота (сукцинат) — это насыщенная дикарбоновая кислота, которая содержит четыре атома углерода, два из которых входят в состав концевых двух карбоксильных групп, а два центральных соединены с двумя атомами водорода каждый. В цикле Кребса она окисляется ФАД-содержащей сукцинатдегидрогеназой (ФАД-ДГ). При окислении сукцината образуется ненасыщенная дикарбоновая кислота — фумарат (фумаровая кислота) (С₄). В ней два центральных атома углерода связаны двойной связью. При окислении сукцината кофермент ФАД-ДГ-зы восстанавливается, образуется ФАД-2Н.

Затем фумарат гидроксилируется, т. е. присоединяет воду, и получается дикарбоновая оксикислота малат (яблочная кислота), имеющая гидроксильную группу у одного из атомов углерода, несущих карбоксильные группы.

Малат окисляется малатДГ-ой, содержащей НАД, который восстанавливается до НАДН+Н+, и образуется оксалоацетат. Цикл завершается.

Оксалоацетат (С₄) — это дикарбоновая кето (оксо) кислота, ее карбонильная группа расположена у одного из атомов углерода, соединенных с карбоксильными группами. При взаимодействии оксалоацетата с молекулой активной уксусной кислоты — Ацетил-КоА цикл возобновляется.

При затрате энергии АТФ оксалоацетат может декарбоксилироваться и превращаться в пируват. Вместе с тем, и пируват при затрате энергии АТФ может карбоксилироваться и превращаться в оксалоацетат. Это значит, что из двух молекул пирувата, которые образуются в результате включения в гликолиз одной молекулы глюкозы и поступают в митохондрии, одна может включаться в окислительное декарбоксилирование пирувата, в результате чего образуется АцетилКоА, а вторая молекула пирувата может декарбоксилироваться и превратиться в оксалоацет. Теоретически, даже при недостатке карбоновых кислот или аминокислот, при дезаминировании или при трасаминировании которых карбоновые кислоты могут образовываться в клетках, одной молекулы глюкозы достаточно для запуска одного оборота цикла Кребса. Если карбоновых кислот в клетке достаточно, то при аэробном окислении одной молекулы глюкозы цикл Кребса запускается дважды.

Для протекания цикла Кребса нужны витамины, входящие в состав ферментов, катализирующих реакции этого процесса. Это витамин В₅

как компонент НАД; В₂ как часть ФАД; В₃, который содержится в КоА; В₁₅ входящий в состав декарбоксилаз а-кетоглютарата и пирувата.

Таким образом, в цикле Кребса окисляются 4 карбоновые кислоты: изоцитрат, а-кетоглютарат, сукцинат и малат. Из них три кислоты окисляются НАД-ДГ-ами, что приводит к образованию трех молекул НАДН+Н+, 1 кислота окисляется ФАД-ДГ-ой, и образуется одна молекула ФАД-2Н. Кроме того, синтезируется молекула ГТФ, и выделяются две молекулы С0₂.

Цикл Кребса сопряжен с окислительным фосфорилированием (ОКФОС), которое также протекает в митохондриях.

Окислительное фосфорилирование (ОКФОС) — это протекающий в митохондриях в аэробных условиях процесс окисления-восстановления элементов мультиферментного комплекса «оксидоредуктаз — дыхательная цепь», сопряженный с фосфорилированием АДФ, то есть с синтезом АТФ. Образование АТФ из АДФ и фосфорной кислоты катализирует АТФ-синтетаза. Кислород является акцептором протонов и электронов, донорами которых служат восстановленные формы коферментов НАД+ и ФАД дегидрогеназ, окисляемые в ОКФОС. В результате их соединения с кислородом образуется эндогенная вода.

ОКФОС обеспечивает непрерывное образование в клетках организма в аэробных условиях энергетической валюты в виде АТФ. Основная часть кислорода, поступающего в организм из окружающей среды в ходе «внешнего» дыхания, используется именно в этом процессе. Кроме АТФ, продуктом ОКФОС является эндогенная вода, составляющая около 1/7 части всей воды организма.

Восстановленные формы дегидрогеназ, запускающие ОКФОС, образуются в результате окисления ими субстратов (Sub 2Н): пирувата, карбоновых кислот цикла Кребса (изоцитрата, а-кетоглютарата, сукцината, малата), а также в результате функционирования челночных систем, осуществляющих обмен цитозольных форм НАДН+Н+ на митохондриальные НАДН+Н+ и ФАД- 2Н-ДГ.

Ферменты дыхательной цепи, локализованные на кристах внутренней мембране митохондрий, окисляют восстановленные коферменты ДГ, переносят, отсоединенные от них протоны в межмембранное пространство митохондрий, осуществляют транспорт электронов и обеспечивают соединение протонов и электронов с кислородом в матриксе митохондрий.

Итак, для протекания ОКФОС необходимы восстановленные формы коферментов дегидрогеназ, окисляющих субстраты (Sub 2Н), ферменты дыхательной цепи, фермент АТФ — синтетаза и кислород.

Существует несколько моделей ОКФОС и способов их описания. В одной из них считается, что основные компоненты дыхательной цепи — это оксидоредуктазы (НАД-ДГ, ФАД-ДГ, KoQ-ДГ), Fe-S-белок и цитохромы (Ь, с_ь а_г и а₃). При этом НАД-ДГ — это ферменты, коферменты которых восстанавливаются при окислении субстратов и запускают процессы окисления-восстановления ферментов дыхательной цепи.

В соответствие с другой, более поздней моделью, ферменты дыхательной цепи сгруппированы в несколько комплексов. Комплекс I включает в себя оксидоредуктазу, содержащую флавинмононуклеотид (ФМН), который взаимодействует с восстановленными формами НАД различных дегидрогеназ (с НАДН+Н+). Комплекс II — это ФАДсодержащий фермент: или Сукцинат-ДГ, или АцилКоА гидратаза (первый фермент процесса (3-окисления жирных кислот), или Глицерол-3- фосфатдегидрогеназа (фермент глицерофосфатной системы). После восстановления оба эти комплекса взаимодействуют с Fe-S-белком и KoQ-ДГ. Комплексы III и IV — это, соответственно, цитохромы Ь, с_х (убихинон-цитохром с-оксидоредуктаза) и цитохромы а_г и а₃ (цитохромоксидаза). В соответствие с другой, более ранней моделью ОКФОС, вышеперечисленные НАД-ДГ (как первый компонент дыхательной цепи) после своего восстановления взаимодействуют с ФАД-ДГ (вторым компонентом дыхательной цепи).

Молекулы фермента АТФ-синтетазы, каждый из которых состоит из нескольких субъединиц, пронизывают внутреннюю мембрану митохондрий, образуя в ней каналы, связывающие межмембранное пространство и матрикс митохондрий.

Современная модель ОКФОС основана на хемиоосмотической теории Освальда и представлениях о том, что разность окислительно-восстановительных потенциалов (редокс-потенциалов) между окисляемыми субстратами и компонентами дыхательной цепи обеспечивает возможность протекания окислительно-восстановительных реакций между окисляемыми субстратами и ферментами дыхательной цепи, а также реакций между коферментами ее компонентов. В ходе данных окислительно-восстановительных реакций происходит сначала отсоединение двух атомов водорода от окисляемого субстрата, затем протоны этих атомов переносятся в межмембранное пространство, а электроны передаются по системе цитохромов.

Согласно хемиоосмотической теории энергия окисления субстратов переходит в энергию трансмембранного потенциала д_н+. Энергия этого трансмембранного потенциала используется для синтеза АТФ. При переходе протонов из межмембранного пространства в матрикс митохондрий через канал АТФ-синтетазы за счет энергии трансмембранного потенциала происходит синтез АТФ из АДФ и остатка фосфорной кислоты, то есть энергия аккумулируется в виде фосфатных связей АТФ.

Для начала ОКФОС, в соответствие с более ранней моделью, необходимо восстановление НАД-ДГ, которое происходит при окислении кетокислот (оксокислот): пирувата, а-кетоглютарата; оксикислот: малата, изо-цитрата, жирных оксикислот в (3-окислении:

где Sub — окисленная форма субстрата, Sub • 2Н — его восстановленная форма.

Далее, в соответствие с этой моделью, происходит взаимодействие НАДН + Н±ДГ со вторым компонентом дыхательной цепи ФАД-ДГ-зой. Ее кофермент восстанавливается, возвращая НАД⁺ в окисленное состояние:

Далее в соответствие с более ранней моделью кофермент ФАД • 2Н взаимодействует с Fe-S-белком и окисляется:

Восстановленный Fe-S-белок отдает эту пару протонов в межмембранное пространство митохондрий (2H?_ub), а электроны (2е~) при этом переходят по одному к 2 молекулам следующего компонента дыхательной цепи — дегидрогеназам, содержащим в качестве кофермента KoQ (убихинон).

Каждая из них, кроме того, присоединяет к себе по одному протону из матрикса (2H+_at), в результате чего хиноновое кольцо каждой из молекул KoQ восстанавливается до гидрохинонового:

Затем каждая из этих «полувосстановленных» молекул KoQH присоединяет еще по одному протону из матрикса и по одному электрону (2е^_) ко второму атому кислорода в их молекуле, и образуется полностью восстановленная форма KoQ • 2Н-ДГ-зы:

До настоящего времени нет единого мнения о происхождении второй пары электронов, необходимых для восстановления двух полувосстановленных молекул убихинона. Возможно, это Fe-S-белок, который сначала окисляется, а затем восстанавливается:

Затем восстановленные формы убихинона передают в межмембранное пространство митохондрий две пары протонов 2 • (2H+_at). Что касается электронов, освободившихся после этой передачи протонов в межмембранное пространство, то одна пара электронов, как считается, восстанавливает Ре-Б²⁺-белок:

Вторая пара электронов передается по цепи цитохромов (компонентам комплексов III и IV), содержащих гем, а также Си и Zn. Цитохромы, принимая электроны, восстанавливаются, а затем окисляются, отдавая их другому компоненту электронно-транспортной цепи:

За счет 3 пар протонов (2H+_Sub+ 2 • (2H⁺_mat)), перенесенных в межмембранное пространство митохондрий, создается межмембранный д, Н+ потенциал, то есть запасается энергия.

Затем одновременно с транспортом электронов по системе цитохромов происходит «перекачивание» протонов (2Н+) по каналу Н+АТФсинтетазы. Из межмембранного пространства протоны переходят в матрикс митохондрий. Процесс переноса каждой пары протонов через канал АТФ-синтетазы сопряжен с синтезом одной молекулы АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Таким образом, окисление одной молекулы субстрата, т. е. отсоединение от него двух атомов водорода, сопровождается синтезом в ОКФОС 3 молекул АТФ.

Считается, что фермент цитохромоксидаза как комплекс IV из цитохромов а_г и а₃, последних компонентов системы цитохромов, обеспечивает взаимодействие в матриксе митохондрий пары электронов, прошедших по электрон-транспортной цепи, с кислородом и одной из пар протонов, прошедших через канал АТФ — синтетазы. В результате этого образуется эндогенная вода:

По другим представлениям комплекс I, представленный флавиновым ферментом, кофермент которого ФМН, и комплекс II, основной компонент которого ФАД-ДГ, не связаны друг с другом. При этом ОКФОС начинается или с восстановления комплекса I или комплекса II.

ФМН-содержащий комплекс дыхательной цепи восстанавливается, взаимодействуя с восстановленными НАД-ДГ, которые образуются при окислении ими карбоновых кислот. ФАД-содержащий комплекс II дыхательной цепи — это фермент, который восстанавливается или после окисления сукцината, или активированной насыщенной жирной кислоты, или глицерол-3-фосфата. Восстановленные ДГ каждого из комплексов взаимодействуют с Fe-S-белком, а затем с убихиноном. При этом, при начале ОКФОС с комплекса I в межмембранном пространстве митохондрий оказывается большее количество протонов, чем при его начале с комплекса II.

Очевидно, что ОКФОС — это сложно организованный в пространстве и времени биохимический процесс, который различные модели представляют весьма схематично. Так или иначе, в соответствии с современной парадигмой, в ходе этого процесса энергия химических связей окисляемых субстратов переходит в энергию химических связей АТФ.

Исходя из начальных и конечных реакций ОКФОС, можно провести аналогию между ОКФОС и образованием воды из «гремучей» смеси, то есть смеси газообразных кислорода и водорода в соотношении 1: 2. При соединении этих веществ в такой пропорции происходит взрыв и образуется вода. При этом часть энергии разрыва связей в молекулах кислорода и водорода расходуется на образование связей в молекуле воды, а другая, более значительная часть, переходит в световую, тепловую, акустическую энергию взрыва, сопровождающего этот процесс.

В ОКФОС энергия окисленного субстрата освобождается «порционно» и используется на совершение химической работы по созданию трансмембранного потенциала, которая затем переходит в энергию фосфатных связей АТФ, а некоторая часть энергии освобождается в виде теплоты.

Обнаружено, что ОКФОС может сопровождаться образованием активных форм кислорода (АФК), например, супероксид ион радикала (0₂). Как известно, АФК являются причиной повреждения различных структур клетки, так как они вызывают неферментативное, а значит, нерегулируемое перекисное окисление липидов биологических мембран клетки и ее органелл. Кроме того, АФК повреждают молекулы биополимеров — белков, нуклеиновых кислот клетки, изменяя их структуру, в результате чего эти полимеры утрачивают способность выполнять свои функции.

Можно предполагать, что причина образования 0₂ — это «рассогласование» во времени процессов транспорта электронов по цепи цитохромов и транспорта протонов по каналу АТФ-синтетазы. Если электроны попадают в матрикс раньше протонов, то они могут соединяться с молекулой кислорода, образуя 0₂.

Во многих клетках организма есть ферменты супероксиддисмутазы (СОД), превращающие эту АФК в менее активную перекись (пероксид) водорода (Н₂0₂). Эту АФК разрушает глутатионредуктазная система, сопряженная с первым этапом пентозофосфатного окисления глюкозы. Наличие в клетке этих антиоксидантных ферментов свидетельствует о предварительной готовности ферментной системы клеток к защите от влияния АФК на различные элементы структуры клетки, выработанной в ходе эволюции живых систем.

Таким образом, в ходе ОКФОС происходит синтез АТФ, сопряженный с трансформацией энергии трансмембранного потенциала, созданного за счет энергии химических связей субстратов, окисляемых в ходе этого процесса в фосфатные связи АТФ. Так как процессы биосинтеза с затратой энергии относятся к анаболизму, то образование АТФ как в ходе субстратного, так и в ходе окислительного фосфорилирования, так же как и процессы гидролиза АТФ в ходе анаболизма можно считать процессами, «сопрягающими» катаболизм и анаболизм в единое целое — метаболизм в клетках организма.

Процесс ОКФОС не только обеспечивает пополнение резервов энергетической валюты. С ним также связана основная часть теплопродукции в организме, т. е. передача энергии в виде теплоты.

Известно, что теплопродукция в организме усиливается при увеличении выработки щитовидной железой иодсодержащих гормонов: тироксина (Т₄) и трииодтиронина (Т₃). Предполагается, что одним из результатов взаимодействия с клетками организма этих гормонов, увеличивающих интенсивность метаболизма, является стимуляция ими биосинтеза в митохондриях ферментов дыхательной цепи. Это приводит к увеличению количества в клетке одновременно работающих ферментных комплексов, осуществляющих ОКФОС, в результате чего увеличивается ее теплопродукция.

Усиление теплопродукции наблюдается также при «разобщении» окисления и фосфорилирования, т. е. при окислении субстратов ферментами дыхательной цепи без сопряжения с синтезом АТФ. Это происходит при действии на клетку некоторых антибиотиков и интенсивном окислении жирных кислот.

Таким образом, конечные продукты третьего этапа катаболизма — АТФ, углекислый газ (С0₂) и вода (Н₂0). При этом на каждую пару атомов водорода, отсоединенных НАД-ДГ-ой при окислении субстратов ОКФОС, в соответствие более ранней моделью ОКФОС, в клетке синтезируется три молекулы АТФ. Считается, что при окислении субстрата ФАД-ДГ синтезируется только две молекулы АТФ.

Для объяснения этих различий ссылаются на данные о свободной энергии окислительно-восстановительных реакций, то есть на ту части энергии, которая может быть использована на совершение работы и зависит от окислительно-восстановительных потенциалов (редокспотенциалов) реагентов. Известно, что окисляемый в ОКФОС субстрат имеет редокс-потенциал около -0,4 В, редокс-потенциал НАД+ — -0,32 В, ФАД — -0,06 В (от -0,35 до 0), KoQ — 0,0 В, цит^__ь + 0,26 В, цит^__с + 0,29 В, цит^-_а1 + 0,53 В, а цит^__а3 + 0,82 В. Эта разница окислительно-восстановительных потенциалов, как мера свободной энергии, обеспечивает возможность взаимодействия окисляемых субстратов и компонентов дыхательной цепи. Очевидно, что отсутствие взаимодействий на участке НАД — ФАД уменьшает общее количество свободной энергии системы. Возможно, поэтому при взаимодействии субстрата с ФАД происходит фосфорилирование только двух молекул АДФ, образуется только две молекулы АТФ.

Авторы альтернативной модели ОКФОС считают, что «запуск» дыхательной цепи одним молем НАД-ДГ приводит к синтезу 2,5 молей АТФ, а ФАД-ДГ — 1,5 молей АТФ.

Эти небольшие количественные отклонения в расчетах в разных моделях не влияют на основной вывод: в соответствии с первым и вторым законами термодинамики, в клетках организма животных и человека одни виды энергии трансформируются в другие. Так энергия химических связей субстрата переходит в энергию окислительно-восстановительных реакций, а энергия этих реакций обеспечивает создание трансмембранного потенциала, энергия которого переходит в энергию фосфатных связей АТФ. При этом часть, а именно около 40% энергии

химических связей окисляемого субстрата запасается в виде фосфатных связей АТФ, а остальная часть переходит в теплоту.

Исходя из представлений о том, что при окислении субстрата НАД-ДГ в ОКФОС на каждую пару атомов водорода, отсоединенного от субстрата, синтезируется три молекулы АТФ, а при окислении субстрата ФАД-ДГ только две молекулы АТФ, можно рассчитать энергетический баланс окисления в ходе катаболизма различных веществ, то есть оценить количество энергии, «запасаемой» в организме при окислении глюкозы (С₆), глицерина (С₃), жирных кислот (С_{2пили (2n}+i)> ^гДе п от 1 до 28—30).

Так при окислении в аэробных условиях 1 моля глюкозы (С₆) субстратное фосфорилирование в ходе первой стадии этого процесса (гликолиза) обеспечивает образование двух молей АТФ. В гликолизе в аэробных условиях также образуется НАДН+Н+ и два моля пирувата. При окислительном декарбоксилировании каждого моля пирувата образуется еще НАДН+Н+ и АцетилКоА. Включение АцетилКоА в цикл Кребса приводит к образованию одного моля ГТФ, а также трех молей НАДН+Н+ и 1 ФАД-2Н. При окислении одного моля глюкозы окислительное декарбоксилирование пирувата и цикл Кребса протекают два раза. Образуются (1 + 3) • 2 = 8 молей НАДН+Н+, 1*2 = два моля ФАД-2Н и 1 • 2 = 2 моля ГТФ. Учитывая два моля НАДН + Н+, полученного в гликолизе, получаем, что окисление одного моля глюкозы в аэробных условиях приводит к образованию 2 + (1 + 3) • 2 = 10 молей НАДН+Н+ и соответственно к синтезу в ОКФОС 30 молей АТФ. За два оборота цикла Кребса получается два моля ФАД-2Н, а следовательно четыре моля АТФ в ОКФОС. Добавив к этому два моля ГТФ, полученных за два оборота цикла Кребса, зная, что энергетический эффект гидролиза молекул АТФ и ГТФ одинаков, а также учтя два моля АТФ, полученного при субстратном фосфорилировании в гликолизе, получаем: 30 + 4 + 2 + 2 = 38 молей АТФ при аэробном окислении одного моля глюкозы (С₆). На двууглеродный фрагмент (С₂) окисляемой в аэробных условиях молекулы глюкозы это составляет около (38: 6) • 2 = 12,7 молей АТФ.

Хотя при ПФЦ окисления глюкозы атомы водорода от НАДН + Н+, как правило, не попадают в митохондрии, можно для сравнения эффективности этого способа окисления с другими рассчитать его энергетический эффект. При окислении шести молей Гл-6-ф образуется 12 молей НАДФН+Н+, т. е. на один моль глюкозы (С₆) приходится два моля НАДФН+Н+. При условии переноса атомов водорода с НАДФН+Н+ с помощью челночной системы в митохондрии, восстановления НАД+ и запуске ОКФОС могло бы образоваться шесть молей АТФ в ОКФОС. Учитывая, что окислению глюкозы предшествует ее фосфорилирование, происходящее с затратой АТФ, считаем, что суммарный энергетический эффект ПФП составляет пять молей АТФ на один моль глюкозы. Из расчета на двууглеродный фрагмент (С₂) молекулы глюкозы это будет (5: 6) • 2 = 1,66 молей АТФ. То есть при сопряжении ПФЦ с ОКФОС энергетическая эффективность окисления глюкозы оказывается значительно ниже, чем при сопряжении с ОКФОС гликолиза, окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла Кребса.

Основные процессы катаболизма липидов, связанные с транформацией энергии в клетках, — это, во-первых, окисление глицерина, как компонента многих омыляемых липидов, т. е. образующих при их щелочном гидролизе спирт, жирные кислоты и другие компоненты, во-вторых, — это окисление жирных кислот.

Окисление в клетках организма глицерина (С₃) как продукта гидролиза экзои эндогенных липидов (триглицеридов, фосфолипидов) также начинается с его активации путем фосфорилирования, что сопряжено с затратой АТФ. Образовавшийся при этом глицерол-3-фосфат может окислиться глицерол-3-фосфатдегидрогеназы НАД-содержащей ДГ-зой. Продукты реакции — фосфодиоксиацетон (ФДА) и восстановленная форма НАДН+Н+ кофермента.

ФДА включается во 2-й этап гликолиза и превращается в 3-ФГА. При его окислении на 2-ом этапе гликолиза в ходе субстратного фосфорилирования образуется две молекулы АТФ, а также молекула пирувата. Пируват поступает в митохондрии, где после его окислительного декарбоксилирования образуется молекула НАДН+Н+ и АцетилКоА, который может включаться в цикл Кребса.

Вместе с тем, после активации глицерола при высокой интенсивности гликолиза возможно, что часть глицерола не окисляется и не включается в гликолиз, а используется только в глицеролфосфатной системе.

Рассчитаем энергетический эффект окисления одного моля глицерина (С₃). Его окисление до ФДА приводит к образованию НАДН+Н+, при окислении ФДА во втором этапе гликолиза также образуется НАДН+Н+, если гликолиз заканчивается образованием пирувата, а также два моля АТФ в ходе субстратного фосфорилирования.

При поступлении пирувата в митохондрии в ходе его окислительного декарбоксилирования получаются еще НАДН+Н⁺и АцетилКоА. Включение в ОКФОС 3 • НАДН+Н+, образовавшихся на этом этапе окисления глицерина, приводит к образованию 9 молей АТФ. После протекания одного оборота цикла Кребса, запускаемого АцетилКоА, который образовался при окислительном декарбоксилировании пирувата и сопряженного с ним ОКФОС, получается еще 12 молей АТФ. Учитывая АТФ, полученную в гликолизе (два моля), и затрату одного моля АТФ на активацию моля глицерина, получаем (2 + 9 + 12) — 1 = 22 моля АТФ на один моль глицерина. На двууглеродный фрагмент молекулы это будет около (22: 3) • 2 = 14,6 молей АТФ.

Включение в катаболизм жирных кислот (С_{2пили (2n}+i)> ^гД^е п от 1 до 28—30), так же как и окисление других веществ, начинается с их активации. Она сопряжена с гидролизом АТФ до пирофосфата, и при этом образуется ациладенилат. Он взаимодействует с коферментом цитозольной ацилтрансферазы, присоединяющей к себе жирную кислоту, что приводит к образованию АцилКоА.

юо Ацилтрансфераза переносит остаток жирной кислоты на карнитин, и образуется ацилкарнитин. Карнитин — это переносчик жирных кислот через мембрану митохондрий, азотсодержащее вещество, образующееся в печени из аминокислоты лизина (Лиз). Он соединяется с активированной жирной кислотой, переносит ее через мембрану митохондрии и присоединяет к митохондриальной ацилтрансферазе. Вновь образуется АцилКоА, кислотный остаток которого окисляется в процессе ft-окисления.

Это окисление называется «(3-окислением» потому, что оно происходит в жирной кислоте по второму после карбоксильной группы атому углерода, т. е. по (3-атому углерода молекулы жирной кислоты.

(3-окисление жирных кислот имеет циклический характер. Количество «циклов» зависит от количества двууглеродных фрагментов в молекуле жирной кислоты. В ходе каждого цикла в жирной кислоте между, а и (3 атомами углерода (а атом — это первый атом углерода после карбоксильной группы, (3 — следующий за ним) дважды происходит окисление и от кислоты отсоединяется фрагмент, содержащий два атома углерода. При этом сначала из насыщенной кислоты при ее окислении ФАД-ДГ-ой, происходящем у (3-атома молекулы кислоты, образуется ненасыщенная кислота, а кофермент ФАД-ДГ восстанавливается, образуется ФАД-2Н.

Затем в результате гидроксилирования, т. е. присоединения молекулы воды, образуется оксикислота (группа — ОН у (3 атома).

Она, окисляясь НАД-ДГ-ой, превращается в кетокислоту, а кофермент ДГ восстанавливается до НАДН+Н+.

Затем по месту окисления происходит разрыв связи между атомами углерода в молекуле жирной кислоты. При этом образуется остаток уксусной кислоты, который соединяется с КоА, и образуется АцетилКоА — активная уксусная кислота.

Укороченный на два атома углерода остаток жирной кислоты присоединяется к другой КоА-трансферазе, и образуется АцилКоА. Укороченная на два атома углерода насыщенная жирная кислота вступает в новый цикл окисления.

Так при окислении, например, пальмитиновой кислоты (С₁₆), содержащей 16 атомов углерода, процесс окисления кислоты происходит 7 раз, образуются 7 ФАД • 2Н, 7 НАДН+Н+ и 8 молекул АцетилКоА.

При окислении жирных кислот с нечетным числом атомов в последнем цикле окисления концевой 5-углеродный фрагмент расщепляется на АцетилКоА и ПропионилКоА — остаток пропионовой кислоты, соединенный с КоА.

Таким образом, конечным продуктом (3-окисления жирных кислот, протекающего в митохондриях, являются АцетилКоА и восстановленные коферменты дегидрогеназ ФАД-2Н и НАДН+Н+.

Для протекания окисления глицерина и жирных кислот требуются витамины В₅ и В₂, входящие соответственно в состав НАД-ДГ и ФАД-ДГ.

Рассчитывая энергетический баланс окисления жирных кислот, например пальмитиновой, содержащей 16 атомов углерода (С₁₆), начнем с учета двух молей АТФ, затрачиваемых на активацию молекулы жирной кислоты. Несмотря на то что при этом гидролизуется только один моль АТФ, в этой реакции образуется пирофосфат, т. е. два остатка фосфорной кислоты, соединенные друг с другом. Такая реакция энергетически эквивалентна гидролизу двух молей АТФ до АДФ и Н₃Р0₄. Далее отметим, что при окислении С₁₆ образуется 8 молей АцетилКоА, значит, цикл Кребса может повториться 8 раз. В этом случае образуются 12 • 8 = 96 молей АТФ. Остаток жирной кислоты включается в новый цикл окисления 7 раз. В каждом цикле образуется ФАД • 2Н и НАД • 2Н, т. е. в ОКФОС синтезируются соответственно два моля АТФ и три моля АТФ, или пять молей АТФ на каждый цикл. Один моль С₁₆до 8 молекул АцетилКоА приводит к синтезу 7 • 5 = 35 молей АТФ. Таким образом, суммарный итог (96 + 35) — 2 = 129 молей АТФ. На двууглеродный фрагмент это составляет около (129: 16) • 2 = 16,1 молей АТФ.

Как уже упоминалось, ОКФОС является основным процессом, обеспечивающим теплопродукцию в клетках организма. При этом, в соответствии со II законом термодинамики, при окислении различных веществ в клетке только около 40% энергии химических связей в их молекулах передается в энергию фосфатных связей АТФ, т. е. используется на химическую работу Остальная энергия переходит в теплоту.

Исходя из расчета, что при гидролизе одного моля АТФ в метаболизм передается около 30 кДж (1 калория — 4,2 Дж (4,1864 Дж)), считается, что при окислении одного моля глюкозы в аэробных условиях, то есть при образовании 38 АТФ, в клетке аккумулируется около 38—30 = 1140 кДж. Это составляет около 42 % энергии химических связей молекулы глюкозы, которая определяется при сжигании ее в калориметрической бомбе и составляет около 2736 кДж на один моль. Таким образом, теплопродукция при аэробном окислении одного моля глюкозы составляет около 1596 кДж.

Принадлежность к катаболизму или анаболизму процессов превращения в клетке аминокислот, в частности их декарбоксилирование и дезаминирование, а также переаминирование (трансаминировании), определить затруднительно. С одной стороны, при этих реакциях не расходуется энергия, разрываются связи в молекулах аминокислот и образуются более простые вещества, что характерно для процессов катаболизма. С другой стороны, в ходе переаминирования образуются заменимые аминокислоты, необходимые для биосинтеза эндогенного белка. Вместе с тем, исходя из того, что в этих реакциях энергия не расходуется и сложность молекулы или не изменяется (переаминирование), или уменьшается, в данной работе эти реакции отнесены к катаболизму.

Декарбоксилирование аминокислот происходит в клетках многих органов: головной мозг, пищеварительный тракт, печень и т. д. В состав декарбоксилаз входят витамины В₂ и В₆. При декарбоксилировании аминокислот образуются биогенные амины катехоламины (адреналин, норадреналин), а также гистамин, серотонин, у-аминомасляная кислота (ГАМК). Многие из них являются веществами-регуляторами и выполняют, в зависимости от места их синтеза, функции нейромедиаторов, тканевых гормонов, гормонов ЖВС. Биогенные амины после выполнения своей функции выводятся из метаболизма ферментами моноаминооксидазами (МАО). В результате их действия из биогенных аминов при участии кислорода и воды образуются: перекись водорода, которая разрушается ферментами каталазой или пероксидазой; аммиак, обезвреживаемый в печени путем биосинтеза мочевины, а также альдегиды.

Дезаминирование аминокислот происходит, главным образом, в печени и клетках головного мозга. При этом образуются карбоновые кислоты, в том числе пируват и кислоты цикла Кребса, а также аммиак. Он, как неоднократно упоминалось, превращается в мочевину, выводимую из организма с мочой.

Переаминирование (трансаминирование) аминокислот происходит при взаимодействии аминокислоты и кетокислоты, в ходе которого аминогруппа аминокислоты переносится на карбоновую кислоту и заменяет ее кетогруппу. В результате этой реакции образуются новые аминои кетокислота. Так, при взаимодействии а-кетоглютаровой кислоты и аланина образуются пировиноградная и глутаминовая кислоты. Переаминирование аминокислот — это основной путь биосинтеза эндогенных (заменимых) аминокислот. Они используются для биосинтеза эндогенных белков организма. Ферменты аминотрансферазы, катализирующие эти реакции, содержат витамин В₆.

Карбоновые кислоты и аминокислоты взаимосвязаны реакциями трансаминирования (переаминирования), а карбоновые кислоты могут образовываться также при дезаминировании аминокислот и могут превращаться друг в друга в цикле Кребса.

Считается, что в клетках организма из аминокислот Три, Сер, Ала, Цис может образоваться пируват, из Асп — оксалосукцинат, из Apr, Гис, Про, Глу — а-кетоглютарат, а из Гли, Тир, Фен — фумарат. Существование ферментативного превращения аминокислот в карбоновые кислоты обеспечивает протекание в клетках организма цикла Кребса даже при дефиците экзогенных карбоновых кислот, а также обеспечивает возможность включения аминокислот в глюконеогенез — энергозависимый процесс образования эндогенной глюкозы при ее недостатке в организме.

Таким образом, катаболизм различных веществ в клетке — это совокупность процессов, которые обеспечивают «извлечение» энергии в ходе окисления веществ, запасание (аккумуляцию) энергии в клетке в виде энергетических валют, главным образом, в виде АТФ и ее «прямую» передачу в процесс биосинтеза.

В ходе катаболизма образуются строительные блоки эндогенных веществ организма: моносахара, глицерин, аминокислоты и такие вещества-регуляторы, как биогенные амины, а также обезвреживаются или выводятся из метаболизма некоторые вещества, например пероксид водорода.

Для протекания катаболизма большое значение имеет обеспечение организма достаточным количеством витаминов, входящих в состав ферментов. Это, прежде всего, водорастворимые витамины В₅, В₂, В₁₅ В₃ — компоненты кофакторов дегидрогеназ, декарбоксилаз и ацилтрансфераз. Регуляция активности ферментов биохимических реакций катаболизма в одних клетках организма, то есть изменение их каталитической эффективности и интенсивности биосинтеза, осуществляется эндогенными веществами-регуляторами, которые синтезируются в других клетках организма: гормонами ЖВС, тканевыми гормонами, цитокинами.