Основы биохимии - А. А. Анисимов 1986
Интеграция и регуляция метаболизма
Обмен веществ как единая система процессов
В предыдущих разделах для удобства изложения и усвоения материала раздельно были рассмотрены обмен белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других групп соединений. Однако в живом организме все эти обмены протекают взаимосвязанно, жизнь немыслима без тесного их взаимодействия. При этом обмен веществ организма в целом не следует понимать как сумму обменов белков, углеводов и т. д. В результате взаимодействия отдельных обменов возникает единая система метаболических процессов, общий обмен веществ, представляющий собой качественно новое образование — жизнь. В этом находит отражение одно из существенных положений диалектического материализма о несводимости целого к сумме частей в случае сложно организованных объектов. Целое характеризуется новыми качествами и свойствами, не присущими отдельным частям (элементам), но возникающим в результате их взаимодействия в определенной системе связей. Взаимосвязь обменов отдельных классов веществ особенно хорошо выражена в процессах их взаимного превращения (хотя и не сводится к этому).
12.1.1. Взаимосвязь белкового и углеводного обменов. Связующим звеном многих обменов, в том числе белкового и углеводного, является цикл трикарбоновых кислот. Продукты гликолиза и окислительного расщепления углеводов в ЦТК — пировиноградная, а-кетоглутаровая, щавелевоуксусная кислоты в результате аминирования и переаминирования образуют многие аминокислоты, используемые для синтеза белков. Взаимодействие фосфоенолпирувата (гликолиз) с эритрозофосфатом (пентозофосфатный путь расщепления углеводов) ведет к синтезу шикимовой кислоты — предшественницы фенилаланина, тирозина, триптофана. Гистидин образуется из другого участника пентозофосфатного цикла — рибозо-5-фосфата. Таким образом, продукты расщепления углеводов при аминировании дают аминокислоты, из которых синтезируются белки. Не удивительно поэтому, что растения при хорошем освещении, когда в процессе фотосинтеза образуется много углеводов, в большем количестве усваивают азотные соли на синтез белков, чем при недостаточном освещении. Этим же объясняются и результаты исследований Д. Н. Прянишникова (1945), согласно которым содержание углеводов в растительных тканях является важнейшим условием ассимиляции аммиака.
Переход от белков к углеводам начинается с гидролиза белков до аминокислот, которые затем дезаминируются, а выделившиеся кетокислота (пируват, а-кетоглутарат, оксалоацетат) вступают в ЦТК и через пируват включаются в реакции глюконеогенеза с образованием углеводов. Однако белки по сравнению с углеводами являются для живого организма более ценными соединениями, образующими основу всех клеточных структур, поэтому их превращение в углеводы происходит в природе в небольших масштабах. В лабораторных же условиях при кормлении животных пищей, богатой белками, можно наблюдать отложение гликогена в печени даже при ограничении или исключении из диеты углеводных продуктов. Использование белков в процессе дыхания также наблюдается крайне редко, при длительном углеводном дефиците. Активно образуются углеводы из белков и аминокислот у больных сахарным диабетом. В опытах с экспериментальным диабетом у собак показано, что из 100 г белков образуется от 50 до 80 г глюкозы.
Важную роль в превращениях аминокислот в углеводы играют глюкокортикоиды — гормоны коры надпочечников.
Известны и другие пути взаимодействия белков и углеводов. Они выражаются прежде всего в образовании разнообразных и очень важных в обмене веществ белок-углеводных комплексов — гликопротеинов. Не следует также забывать, что на биосинтез белков расходуется в большом количестве энергия, которая высвобождается при расщеплении углеводов в процессе дыхания. С другой стороны, любая реакция углеводного обмена катализируется ферментами, которые все являются белками.
12.1.2. Взаимосвязь обмена углеводов и липидов. Известно, что избыточное употребление в пищу углеводов (мучные и крупяные изделия) приводит к отложению жиров в организме. Откорм свиней, которые способны образовывать жир в громадном количестве, производят крахмалсодержащими продуктами — картофелем, зерном кукурузы. В коре многих деревьев накопившийся за лето крахмал к концу осени превращается в масла. Тот же процесс протекает при созревании орехов лещины: в июле — августе в них образуется крахмальное «молочко», которое в сентябре заменяется плотным ядром с высоким содержанием масел.
Обратный процесс превращения жиров в углеводы отчетливо наблюдается у животных, находящихся в зимней спячке (медведи, сурки, ежи). За зиму у них полностью исчезают жировые запасы, однако уровень содержания гликогена в печени длительное время остается достаточно высоким. В процессе превращения жиров в углеводы усиливается потребление кислорода, поскольку в жирах кислорода мало, а в углеводах его значительно больше. У растений активное превращение масел в углеводы идет при прорастании масличных семян. Связующим звеном в превращении углеводов в липиды (а у бактерий, растений и в обратном направлении) является ацетил-КоА. Он образуется из пировиноградной кислоты — конечного продукта гликолиза углеводов — и представляет собой исходное соединение для синтеза высших жирных кислот, стеролов, полиизопреноидов. Глицерин, необходимый для образования многих липидов, получается в результате восстановления промежуточных продуктов гликолиза углеводов — глицеральдегидфосфата и дигидроксиацетонфосфата с последующим отщеплением Н3РО4.
С другой стороны, один из основных продуктов расщепления липидов — глицерин — легко используется в синтезе углеводов через образование глицеральдегидфосфата и его вступление в глюконеогенез. У растений и микроорганизмов столь же легко используется на синтез углеводов и другой важный продукт расщепления липидов — ацетил-КоА (через гликоксилатный цикл, см. разд. 6.9.6).
Более сложна картина использования ацетил-КоА в животных тканях. Если скармливать животным меченную по углероду уксусную кислоту, метка будет включаться в гликоген печени. Однако истинного синтеза глюкозы из ацетильной группы в тканях высших животных не происходит: у них нет прямого метаболического пути использования ацетил-КоА в глюконеогенезе (продукт конденсации ацетил КоА с оксалацетатом — лимонная кислота в конечном счете теряет три атома углерода на образование СО2). Видимо, включение ацетил-КоА в биосинтез углеводов у животных носит опосредованный характер.
12.1.3. Взаимосвязь белкового и липидного обменов. Только что рассмотренные взаимосвязи «белки ⇄ углеводы» и «углеводы ⇄ липиды» дают основание для объединения их в единую цепь «белки⇄углеводы⇄липиды», в которой углеводы являются связующим звеном между белками и липидами. Так в действительности и может происходить в природе, однако существуют и более короткие пути взаимосвязи белков и липидов. Один из основных продуктов расщепления липидов — ацетил-КоА, включаясь в ЦТК, образует кетокислоты, аминирование которых дает аминокислоты.
Другой важный продукт гидролиза липидов — глицерин — в результате длинной цепи превращений через глицеральдегидфосфат в шикимовую кислоту участвует в биосинтезе циклических аминокислот. В известной мере возможен и обратный процесс синтеза липидов за счет распадающихся белков. Продукты дезаминирования аминокислот через ЦТК и другие метаболические процессы образуют пируват, при окислительном декарбоксилировании которого возникает ацетил-КоА — исходное соединение для синтеза жирных кислот и других компонентов липидов.
Взаимосвязь белков и липидов выражается, кроме того, непосредственно в образовании различных комплексов липопротеинов. Биосинтез белков и их функционирование (например, в качестве ферментов) всегда тесно связаны со структурой и свойствами клеточных мембран, в которых липиды играют важнейшую роль. С другой стороны, в обмене липидов, как и любых других соединений, первостепенное значение имеют белки.
12.1.4. Единство метаболических процессов и внешняя среда. Рассмотрение взаимосвязей отдельных обменов хорошо демонстрирует центральную роль в них цикла трикарбоновых кислот как основного амфиболического пути (см. рис. 1.1). Продукты катаболизма, расщепления веществ разных классов, вступают в превращения по этому циклу и дают исходные соединения для биосинтеза многих веществ. Важнейшими звеньями при этом во многих случаях являются ацетил-КоА и пируват. Двухуглеродные фрагменты ацетил-КоА представляют собой как бы универсальные строительные элементы, на которые «разбираются» многие вещества животного организма и из которых организм может вновь синтезировать другие соединения.
Крайне существенно подчеркнуть, что единство обменных процессов находится под постоянным воздействием условий внешней среды. Это воздействие выражается прежде всего в непрерывном обмене веществами между организмом и средой, что является важнейшим условием жизни как формы существования белковых тел. Ферменты, катализирующие и тем самым регулирующие почти все метаболические реакции, очень чувствительны ко многим факторам внешней среды: температуре, pH, различным излучениям, солевому составу и т. д. В результате ферменты через внешние условия оказывают мощное влияние на весь метаболизм. Перечисленные факторы среды могут оказывать также непосредственное действие на пространственную структуру и химические свойства веществ живого организма (особенно — высокомолекулярных). Конкретные иллюстрации влияния условий среды на метаболизм представлены во всех предыдущих разделах.