Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, требующие притока энергии
Интеграция метаболизма
Роль ключевых промежуточных соединений в интеграции метаболизма

Каждый момент в метаболизирующей клетке осуществляется несколько сотен химических реакций, и можно утверждать, что все они, так или иначе, взаимосвязаны между собой. Это становится возможным благодаря тесной интеграции клеточного метаболизма и его многоуровневой регуляции. Об интеграции конструктивного и энергетического метаболизма частично уже говорилось в главе 8, здесь речь пойдет о ключевых промежуточных метаболитах — веществах, с помощью которых клетке удается координировать процессы обмена органических соединений различных классов.

На рис. 19.1 представлена упрощенная схема интеграции основных метаболических путей, общих для большинства клеток и организмов. Можно видеть, что процессы разложения и биосинтеза сложных органических соединений (белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов) связаны между собой, в первую очередь, благодаря пирувату, ацетил-СоА и промежуточным соединениям цикла трикарбоновых кислот.

Основными ключевыми метаболитами являются: пируват, ацетил-СоА, оксалоацетат, a-кетоглутарат. Рассмотрим их роль в клеточном метаболизме.

Пируват. Эта трехуглеродная a-кетокислота связывает между собой гликолиз и глюконеогенез, а также обмен углеводов с обменом липидов, белков, изопреноидов, кетоновых тел (рис. 19.1).

Пируват образуется в клетках в основном при катаболизме гексоз, при окислении лактата, который накапливается в мышцах при молочном брожении, а также при дезаминировании аланина. Процессы катаболизма гексоз охарактеризованы в главе 9. Молочнокислое брожение — основной метаболический процесс (глава 10), протекающий в клетках активно работающих мышц человека и животных при недостаточном снабжении их кислородом. При этом образование лактата позволяет организму быстро регенерировать NAD⁺, необходимый для запасания АТР в гликолизе (процесс сокращения и расслабления мышечных волокон требует гидролиза АТР).

Накапливающийся в мышцах лактат поступает в кровь и переносится в печень, где окисляется снова в пируват. В ходе глюконеогенеза пируват может превращаться в глюкозу. Эта последовательность реакций известна как цикл Кори.

Рис. 19.1. Взаимосвязь основных клеточных процессов (упрощенная схема): 1 — гликолиз; 2 — пентозофосфатные пути; 3 — глюконеогенез; 4 — цикл Кальвина; 5 — ß-окисление жирных кислот; 6 — дезаминирование; 7 — аминирование кетокислот; 8 — цикл мочевины; ЦТК — цикл трикарбоновых кислот

Аланин образуется из пирувата в реакциях трансаминирования (рис. 16.8) с участием аминокислот, образованных в ходе протеолиза белков. Аланин с током крови поступает в печень, где снова превращается в пируват, выполняя роль переносчика аммонийного азота, который в печени включается в цикл мочевины. Кроме этого, образующийся из пирувата аланин может включаться в состав пептидов.

Превращения пировиноградной кислоты (рис. 19.2) связаны также с реакциями карбоксилирования и декарбоксилирования. В первом процессе, идущем в митохондриях, образуется оксалоацетат, который может включаться в ЦТК (одна из важнейших анаплеротических реакций) либо преобразовываться в фосфоенолпируват, а затем — в глюкозу (глюконеогенез).

Во втором случае пируват подвергается окислительному декарбоксилированию с образованием ацетил-СоА, который также является ключевым метаболитом.

Еще одной важной частью превращений пирувата являются различного рода брожения, в которых пировиноградная кислота служит субстратом.

Ацетил-СоА. Основными источниками этого ключевого промежуточного соединения служат пируват и жирные кислоты (процессы окислительного декарбоксилирования и ß-окисления соответственно). Кроме этого, ацетил-СоА образуется из кетогенных аминокислот при расщеплении их углеродных скелетов.

Судьба ацетил-СоА, как и других ключевых метаболитов, зависит от потребностей клетки (организма): он может быть полностью окислен в цикле трикарбоновых кислот, являясь его субстратом; может подвергаться последовательному конденсированию с образованием 3-гидрокси-3-метил-глутарил-СоА — предшественника холестерола, терпеновых соединений (изопреноидов), кетоновых тел (ацетоуксусная, 3-гидроксимасляная кислоты и ацетон); а также может превращаться в жирные кислоты (рис. 19.2). Уже отмечалось, что в организме млекопитающих ацетил-СоА не способен превращаться в углеводы. В то же время в клетках растений и микроорганизмов возможен синтез предшественников глюконеогенеза, а значит, и углеводов из ацетил-СоА (рис. 11.7).

Рис. 19.2. Основные превращения пирувата и ацетил-СоА в клеточном метаболизме

Кроме перечисленных реакций, ацетил-СоА принимает участие в процессах синтеза аминокислот, в частности аргинина, лейцина, лизина (в клетках грибов), цистеина (у некоторых микроорганизмов), а также является субстратом для маслянокислого и ацетонобутилового брожения.

Участие основных промежуточных соединений ЦТК (оксалоацетата, а-кетоглутарата) в интеграции метаболизма нетрудно проследить на схемах, представленных на рис. 19.1 и 19.2.

Подводя итог сказанному, следует еще раз подчеркнуть, что все метаболические процессы, протекающие в клетке (организме), связаны между собой с помощью промежуточных метаболитов, которые являются продуктами одних метаболических путей и субстратами других. Такая взаимосвязь и взаимозависимость метаболических процессов позволяет клетке (организму) координировать свои возможности с потребностями и быстро «настраивать» уровень обмена веществ в соответствии с меняющимися условиями существования. Конечно, этот тонкий механизм был бы невозможен без регуляции метаболических путей.