Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Метаболизм. Общий обзор

И мы, люди, и все другие живые существа устроены очень сложно. Многие смутно осознают, что эта сложность поддерживается пищей, потребляемой организмом и в нем перерабатываемой. Для физика, однако, живые организмы составляют проблему, имеющую особый интерес, поскольку их существование, казалось бы, противоречит одному из фундаментальных законов физики. Согласно этому закону, известному как второй закон термодинамики, организованные скопления материи стремятся к дезорганизации, т. е. стремятся со временем перейти в более неупорядоченную, неорганизованную форму. Теперь мы знаем, что живые клетки тоже подчиняются этому закону. Они только «обходят» его, поддерживая свою внутреннюю упорядоченность в динамическом стационарном состоянии за счет питательных веществ и свободной энергии, получаемых из внешней среды и преобразуемых в процессе метаболизма.

Чтобы составить себе представление о путях клеточного метаболизма, о его энергетике и динамике, нам следует начать наше рассмотрение с энергетических изменений, характеризующих отдельные химические реакции, катализируемые ферментами в условиях постоянства температуры и давления, т. е. в тех условиях, которые существуют в клетках. Мы узнаем при этом, каким образом катализируемые ферментами реакции могут объединяться в цепи, или системы, благодаря наличию общих промежуточных продуктов, что обеспечивает возможность эффективного переноса химической энергии. Далее мы познакомимся с центральными метаболическими путями, или последовательностями ферментативных реакций, приводящими к расщеплению главных питательных веществ - углеводов, жиров и аминокислот - с одновременным запасанием части содержащейся в них свободной энергии в форме энергии АТР. После этого мы рассмотрим, этап за этапом, некоторые важные центральные пути биосинтеза, на которых главные макромолекулы клетки строятся из простых молекул-предшественников за счет химической энергии. Скорость этих метаболических путей - как синтеза, так и распада - находится под контролем и регулируется очень тонкими и чувствительными механизмами. Результатом всей этой активности, включающей координированную активность сотен ферментов, является фантастически сложная сеть ферментативных реакций, действующая столь же эффективно, как компьютер, чтобы обеспечить сохранение и поддержание внутренней упорядоченности клеток, несмотря на колебания, происходящие во внешней среде.

Метаболическая карта. Известии уже более 2000 ферментов, участвующих в метаболизме клеток, и многие еще несомненно предстоит открыть. Часть этих ферментов работает на главных, «торных», путях метаболизма.

Другие катализируют образование многих специализированных продуктов, требующихся лишь в небольших количествах. Все метаболические пути в конечном счете взаимосвязаны.

Мы будем изучать метаболизм так, как, например, знакомится с городом человек, впервые попавший в столицу, т.е. мы начнем это изучение с его главных «проспектов», от которых затем уже можно будет перейти к любым боковым «улицам» или «переулкам».

В живых клетках протекает множество ферментативных реакций. Всю совокупность этих реакций мы объединяем общим понятием метаболизм, однако неверно было бы думать, что клетка - это не более чем мембранный мешок, в котором ферменты действуют случайным, неупорядоченным образом. Метаболизм представляет собой высококоординированную и целенаправленную клеточную активность, обеспечиваемую участием многих взаимосвязанных мультиферментных систем. Он выполняет четыре специфические функции: 1) снабжение химической энергией, которая добывается путем расщепления богатых энергией пищевых веществ, поступающих в организм из среды, или путем преобразования улавливаемой энергии солнечного света; 2) превращение молекул пищевых веществ в строительные блоки, которые используются в дальнейшем клеткой для построения макромолекул; 3) сборку белков, нуклеиновых кислот, липидов, полисахаридов и прочих клеточных компонентов из этих строительных блоков; 4) синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения каких-либо специфических функций данной клетки.

Хотя метаболизм слагается из сотен различных ферментативных реакций, центральные метаболические пути, которые нас обычно больше всего интересуют, немногочисленны и почти у всех живых форм в принципе едины. В этой обзорной главе мы рассмотрим источники веществ и энергии для метаболизма, центральные метаболические пути, используемые для синтеза и распада главных клеточных компонентов, механизмы, участвующие в передаче химической энергии, и, наконец, те экспериментальные подходы, с помощью которых ведется изучение метаболических путей.