предыдущая главасодержаниеследующая глава

Глава 6. Основные стадии обмена веществ - метаболизма

Мы рассмотрим, конечно, не все пути обмена веществ в организме - это составляет содержание биохимии, а ограничимся некоторыми важнейшими отрезками путей, связанных с участием металлов.

В качестве примера проанализируем путь превращений глюкозы в организме - так называемый гликолиз.

Для удобства разделим весь процесс на отдельные стадии и представим его схематически (рис. 6). Глюкоза из пищи (или получившаяся из запасов гликогена в печени) прежде всего подвергается в клетках действию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая переводит ее в глюкозо-6-фосфат. Эта реакция, как и последующие, катализируется специальными ферментами, о которых речь пойдет дальше. Пока отметим только химическую сторону превращений глюкозы.

Рис. 6. Последовательные стадии гликолиза (брожения). Ионы магния, кальция и калия активируют ферменты гликолиза и ускоряют реакции
Рис. 6. Последовательные стадии гликолиза (брожения). Ионы магния, кальция и калия активируют ферменты гликолиза и ускоряют реакции

Полученный глюкозо-6-фосфат химически более активен, чем исходная глюкоза, - в этом, собственно, и заключается биохимический смысл фосфорилирования - превращения углевода в его фосфорильное производное. Затем происходит перегруппировка атомов, и получается уже не глюкозо-, а фруктозо-6-фосфат; далее следует вторичное фосфорилирование, и образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Снова действует фермент (альдолаза), и цепочка из шести углеродных атомов фруктозодифосфата разрывается. Получается два трехуглеродных соединения: 3-фосфоглицеринальдегид и фосфодиоксиацетон. Эти родственные триозофосфаты могут взаимопревращаться. Фосфоглицеринальдегид подвергается действию фермента (дегидрогеназы) и кофермента - окислителя, сокращенное название которого НАД, а полное - никотин-амидадениндинуклеотид. НАД присоединяет к себе от окисляемого вещества (т. е. от фосфоглицеринальдегида) ион водорода, несущий отрицательный заряд, так называемый гидридный ион Н-. (Столь необычное состояние иона водорода характерно для гидридов некоторых металлов, например калия или натрия.) Молекула НАД действует в форме положительного иона НАД+ и переходит в нейтральное состояние. Второй ион водорода отщепляется от фосфоглицеринальдегида в виде Н+ и поступает в окружающую среду.

В реакцию вступает неорганический фосфат, и в результате образуется богатая энергией 1,3-дифосфоглицериновая кислота (ее соль - 1,3-дифосфоглицерат).

Отдавая один фосфорильный остаток АДФ и превращая ее в АТФ, эта кислота сама переходит в 3-, а затем 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя теряет воду (дегидратация) и превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту и ее соль - фосфоенолпируват, которые восстанавливаются с помощью НАД*Н до молочной кислоты (точнее - лактата, так как получается не свободная кислота, а ее соль, имеющая такое название).

Несмотря на разнообразие стадий гликолиза, реакции совершаются согласованно во всех его частях благодаря действию специфических катализаторов - ферментов и ионов металлов, стимулирующих работу ферментативных механизмов. Ионы магния способствуют образованию фосфата глюкозы и дифосфата фруктозы. Ионы кальция и калия облегчают восстановление фруктозодифосфата до фосфоглицеринового альдегида. Ионы калия и магния облегчают образование пировиноградной кислоты. Образование АТФ из АДФ также ускоряется ионами магния.

На пирувате и лактате дело, однако, не кончается. Лактат является конечным продуктом лишь в отсутствие кислорода, в анаэробных условиях (например, в мышцах человека). При большой мышечной нагрузке он поступает с током крови в печень, где частично окисляется до диоксида углерода и большей частью до пирувата.

Клетка располагает еще одним замечательным аппаратом, который позволяет извлекать из углеводов гораздо больше энергии (сжигая их до конца - до СО2 и Н2О), чем это можно сделать с помощью только гликолиза. Этот аппарат - цикл Кребса, сопряженный с дыхательной цепью.

Рис. 7. Упрощенная схема цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот). Указаны ионы металлов, ускоряющие отдельные реакции цикла
Рис. 7. Упрощенная схема цикла Кребса (цикла трикарбоновых кислот). Указаны ионы металлов, ускоряющие отдельные реакции цикла

Цикл Кребса называется так по имени ученого, открывшего его. Другое его название - цикл трикарбоновых кислот, которые играют здесь важную роль (рис. 7). В этот цикл вовлекается пировиноградная кислота, теряющая сначала водород и СO2; реакция имеет сложный характер и связана с участием системы ферментов. При этом от молекулы пировиноградной кислоты остается группа СН3СО - ацетил*. Ацетил реагирует со щавелевоуксусной кислотой (четырехуглеродной двухосновной карбоновой кислотой), образуя лимонную (шестиуглеродную трехосновную) кислоту. С этого, собственно, и начинается работа цикла. Затем следуют реакции образования цисаконитовой и изолимонной кислот, в молекулах которых имеется по шести атомов углеродов. Под влиянием фермента дегидрогеназы от изолимонной кислоты отщепляются два атома водорода, в результате чего она превращается в щавелевоянтарную кислоту (на схеме не показана), которая под действием декарбоксилазы отщепляет углекислый газ; при этом число атомов углерода в продукте реакции - кетоглутаровой кислоте - становится равным пяти. Кетоглутаровая кислота интересна тем, что в том месте, где она образуется, цикл пересекается с еще одним путем метаболизма. Так, при ее взаимодействии с аммиаком или ионами аммония образуется глутаминовая кислота, которая в дальнейших реакциях может превращаться и в другие аминокислоты; таким путем, в частности, в корневой системе растений аммиак вовлекается в синтез аминокислот.

* (Ацетил действует не в свободном состоянии, а в виде ацетил-кофермента А (АцКоА) - соединения его с коферментом А (КоА). Сам кофермент А состоит из аденин-нуклеотида, двух остатков фосфорной кислоты, пантотеновой кислоты (пант. к.) и аминоэтантиола:)

Кофермент А состоит из аденин-нуклеотида, двух остатков фосфорной кислоты, пантотеновой кислоты (пант. к.) и аминоэтантиола
Кофермент А состоит из аденин-нуклеотида, двух остатков фосфорной кислоты, пантотеновой кислоты (пант. к.) и аминоэтантиола

Продолжим наше движение по циклу. Кетоглутаровая кислота превращается в янтарную (имеющую четыре атома углерода), теряя углекислый газ и два атома водорода; при этом одна молекула воды входит в цикл. Далее следуют реакции превращения янтарной кислоты в фумаровую, фумаровой - в яблочную и яблочной - в щавелевоуксусную. Как видно из рисунка 7, все эти превращения сопровождаются отщеплением двух пар атомов водорода и присоединением молекулы воды. Щавелевоуксусная кислота также может быть источником образования аминокислоты (аспарагиновой), однако ее основная функция заключается в том, что она в форме, содержащей двойную связь (енол), вступает в реакцию с остатком уксусной кислоты СН3СО (в составе ацетил-КоА), снова запуская цикл.

В работе цикла принимают участие ионы железа и магния, ускоряющие реакции, отмеченные на схеме стрелками. Так, активный центр фермента аконитазы содержит цистеин и ионы двухзарядного железа. Ионы железа в аконитазе осуществляют своеобразную функцию - они способствуют переносу группы ОН от одного атома углерода к другому, что необходимо для превращения лимонной кислоты в изолимонную. Ионы магния участвуют в работе фермента, который катализирует отнятие водорода от изолимонной кислоты. Скорость этой реакции определяет скорость прохождения всего цикла.

Подводя итог работы цикла за один оборот, мы видим, что молекула пировиноградной кислоты в результате прохождения цикла присоединила три молекулы воды, отдала в общей сложности пять пар атомов водорода и образовала три молекулы углекислого газа. Этот результат можно записать уравнением:

Молекула пировиноградной кислоты в результате прохождения цикла присоединила три молекулы воды, отдала в общей сложности пять пар атомов водорода и образовала три молекулы углекислого газа
Молекула пировиноградной кислоты в результате прохождения цикла присоединила три молекулы воды, отдала в общей сложности пять пар атомов водорода и образовала три молекулы углекислого газа

Куда же девается водород, потерянный в этих реакциях? Он присоединяется к коферменту НАД+, а затем через флавиновые ферменты и цитохромы добирается до кислорода, образуя в конечном счете воду*.

* (Электроны, полученные при окислении пирувата до ацетила и углекислого газа, тоже попадают к НАД, но через переносчик ФАД.)

Обратим внимание на необычайную деликатность обращения химических машин клетки с тем сырьем, которое им приходится перерабатывать, и на то, как много сложных промежуточных этапов включает этот замечательный цикл, образующий водород и углекислоту и разделяющий их. Необходимо помнить, что каждый этап связан с определенным ферментом (всего в цикле участвуют восемь ферментов) и, следовательно, со специфическим белком, участвующим в катализе. Для чего все это? Неужели нельзя окислить уксусную кислоту менее хитроумным способом? Можно. Достаточно, например, насыпать в тигель перекиси натрия и добавить туда немного концентрированной уксусной кислоты, чтобы увидеть признаки бурной реакции: возникает пламя, выделяется теплота, и органическое соединение полностью сгорает до углекислого газа и воды. Однако энергия, полученная столь эффектным способом, теряется и, рассеиваясь в окружающей атмосфере, не может быть использована даже для простого нагревания.

Клетки используют энергию окисления для достижения многих разнообразных целей: механической работы мышцы, поддержания температуры тела и, самое главное, для осуществления химических синтезов, в частности синтеза белков. Вот почему окисление, при котором теплота просто рассеивается, неприемлемо для клеток. Здесь энергию надо сохранить и использовать не только на получение водорода, но и на его дальнейшее окисление таким образом, чтобы последнее было сопряжено с другой реакцией, поглощающей энергию, аккумулирующей ее, например, в форме связей в АТФ.

Водород после завершения цикла Кребса находится в форме НАД*Н, т.е. связан с коферментом фермента дегидрогеназы. Оказалось, что водород, отдаваемый НАД-Н, присоединяется затем к флавиновым ферментам (иначе называемым флавопротеидами, ФП), которые в свою очередь переходят в гидрированную форму, а кофермент НАД возвращается в прежнее состояние (НАД+) и готовится к приему новых частиц Н-. От флавиновых ферментов водород движется через дыхательную цепь, состоящую из белковых соединений железа - так называемых цитохромов, причем собственно по цепи цитохромов переходят электроны, а водород в виде ионов Н+ остается в водной среде.

Неожиданно выяснилось, что между циклом трикарбоновых кислот и дыхательной цепью существует еще одно звено. Его открыл Мортон в Англии, а затем Крейн и Грин установили характер его функций. Это соединение способно обратимо окисляться и восстанавливаться и представляет собой хинон с длинной боковой цепью: его назвали убихиноном ("вездесущий хинон"). Для хинонов характерна реакция восстановления: превращение кето-групп С=O в спиртовые группы С-ОН, сопровождающиеся перестройкой системы двойных связей, как это показано на схеме. Именно убихинон и передает электроны от флавиновых ферментов в цепочку цитохромов (сокращенно его обозначают KoQ):

Для хинонов характерна реакция восстановления
Для хинонов характерна реакция восстановления

Подробнее мы опишем свойства цитохромов и работу дыхательной (или электронпереносящей) цепи в следующей главе.

От цитохромов электроны попадают к атомам кислорода. Получившиеся отрицательно заряженные ионы кислорода соединяются с ионами Н+, образуя воду - конечный продукт окисления.

Окислению в организме подвергаются, конечно, не только углеводы. По энергетической ценности на втором месте после углеводов стоят жиры. Подобный способ извлечения энергии применяется клетками и для окисления жиров в результате их превращения в ацетил-КоА.

Пути превращения белков в клетках сложны и многообразны. При гидролизе белков под влиянием протеолитических ферментов образуются аминокислоты. Последние могут дезаминироваться, иначе говоря, терять аминогруппу, или переаминироваться, т. е. обменивать группу NH2 на кетогруппу. Это дает возможность аминокислотам наряду с другими веществами принимать участие в цикле Кребса, в общем потоке жизненно важных реакций. Так, аминокислота - аспарагиновая (четыре атома углерода), теряя аминогруппу в процессе дезаминирования, превращается в щавелевоуксусную кислоту (четыре атома углерода), активно участвующую в цикле Кребса. Другой участник цикла - кетоглутаровая кислота (пять атомов углерода) - может появиться в результате превращений глутаминовой кислоты (пять атомов углерода), гистидина и др. Эти реакции перебрасывают мост между обменом белков и обменом углеводов и жиров. Цикл Кребса является, таким образом, универсальной биохимической машиной, перерабатывающей разнообразное сырье в углекислый газ и водород.

Сопоставляя особенности действия ферментов, участвующих в первых стадиях обработки пищевых веществ, с функциями последующих биохимических "блоков", нетрудно заметить, что наиболее специфичными по отношению к природе сырья являются начальные стадии. Углеводы подвергаются воздействию одних ферментных систем, жиры - других, а в результате из тех и других образуется ацетил-КоА. Очевидно, что коль скоро дело дошло до цикла Кребса, чувствительность к природе сырья снижается и проявляется только на перекрестках цикла и путей аминокислотного обмена. Еще менее специфично действие флавиновых и цитохромовых систем: откуда бы ни взялся водород, но если он попал к флавиновым дегидразам, они все равно отдадут его электроны в общий поток, текущий через систему переносчиков к кислороду.

Все рассмотренные выше процессы представляют собой реакции расщепления и последующего окисления. Энергия, выигранная при этом, накапливается в конечном счете в макроэргических связях аденозинтрифосфата (АТФ) или, более точно, в системе АТФ - вода (т. е. энергия, о которой идет речь, по величине равна энергии гидролиза АТФ).

Статьи расхода энергии в клетке и организме в целом весьма разнообразны. Энергия нужна для механической работы, связанной, например, с мышечной деятельностью, для поддержания надлежащего темпа выделения теплоты и, наконец, для многочисленных синтезов. Большое число молекул создается в живом организме, и притом так, что их образование требует затрат энергии. Затраты покрываются с помощью АТФ. Запас АТФ сам по себе невелик, но если организм располагает резервом в виде гликогена (углеводный биополимер), то в надлежащий момент гликоген переходит в глюкозу, затем глюкоза окисляется, и таким путем вновь возникает АТФ (см. гл. 8). Непосредственно к месту потребления энергия доставляется в форме макроэргических связей этого соединения.

Процессы, которые мы рассматривали до сих пор, состоят из последовательных реакций перестройки и синтеза молекул, причем источником энергии служат реакции, освобождающие скрытые запасы химической энергии. Так, энергия, заключенная в системе глюкоза - кислород, больше энергии системы углекислый газ - вода; первая система переходит во вторую в результате обмена веществ в организме. Именно благодаря разности в запасе энергии исходных и конечных веществ клетки осуществляют все операции, связанные с синтезом белков, мышечной деятельностью, поддержанием температуры на оптимальном уровне и другими процессами, идущими с затратой энергии.

предыдущая главасодержаниеследующая глава






Разновидности жемчуга - или полезная информация для покупателей ювелирных изделий

Объяснено загадочное поведение минерала калаверита

Индийский рынок ювелирных украшений обгонит американский

Пять вопросов при приобретении бриллиантового украшения

История сапфиров: экспедиция к эфиопским месторождениям

Передвижная выставка о жемчуге из Катара

Как зародились редчайшие голубые бриллианты

Крупнейшую пресноводную жемчужину продадут впервые за 240 лет

Ложки, вилки, ножики… А в новой жизни - украшения

Лабораторные бриллианты занимают всё большую долю рынка

Советы ювелирного стилиста: выбор актуальных моделей женских колец

В 1905 году на руднике «Премьер» в Южной Африке добыт самый крупный в мире алмаз - «Куллинан»

Лабораторные бриллианты становятся популярнее

В Калининграде нашли янтарь весом более 3 кг

Муассанит: ярче бриллианта и крепче сапфира

На кувейтском острове нашли 3,6-тысячелетнюю ювелирную мастерскую

Сияющий опал: 10 удивительных фактов о самом красивом драгоценном минерале

Модный тренд 1950-х: ювелирные украшения, которые приклеивали к телу

Ювелирный этикет ношения колец: правила, которые необходимо соблюдать

Странные гигантские алмазы приоткрывают тайну состава Земли

Что хранится в королевской шкатулке?

Работу хабаровского ювелира приняли в постоянную экспозицию Эрмитажа

В Болгарии найден древний амулет из Китая



Rambler s Top100 Рейтинг@Mail.ru
© Карнаух Лидия Александровна, подборка материалов, оцифровка; Злыгостева Надежда Анатольевна, дизайн;
Злыгостев Алексей Сергеевич, разработка ПО 2008-2017
При копировании материалов проекта обязательно ставить ссылку на страницу источник: 'IzNedr.ru: Из недр Земли'