Общебиологическая сущность обмена веществ, как специфического свойства живой материи, заключается в том, что все живые организмы потребляют из внешней среды различные органические и неорганические элементы и соединения, используя их в процессе жизнедеятельности и выделяют во внешнюю среду конечные продукты обмена в форме других органических и неорганических структур. Иными словами, обмен веществ можно характеризовать как комплекс физиологических и биохимических процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма во взаимосвязи с внешней средой. По отношению к высшим животным и человеку физиологические явления в этом комплексе представлены актами питания, пищеварения, всасывания, внешнего дыхания, доставляющего кислород и удаляющего углекислоту, а также выделительной функцией ряда органов и систем, освобождающих организм от конечных продуктов обмена

Биохимические процессы — это химические превращения, видоизменения структур белков, жиров и углеводов, поступающих в организм в виде пищевых веществ. По направленности реакций все химические превращения белков, жиров и углеводов совершаются в организме в форме диссимиляции — распада и ассимиляции — синтеза этих структур. Биологическое значение этих двух направлений в обменных реакциях состоит в том, что при расщеплении веществ освобождается заключенная в них энергия, которая и обеспечивает все функциональные возможности организма. С другой стороны, в процессе синтеза образуются видоспецифические углеводы, жиры, белки и в целом структурные элементы организма, что определяет возможности его роста, размножения и сохранения морфологической целостности.

Первым этапом превращения, общим для всех трех компонентов пищи, является расщепление их в желудочно-кишечном тракте. В процессе последовательного ферментативного расщепления белки распадаются до стадии аминокислот, крахмал и гликоген — до стадии моносахаридов, а триглицериды — до глицерина и жирных кислот.

Последовательное расщепление белков, жиров и углеводов происходит под влиянием специфических для каждого вещества ферментов (пептидазы, амилазы, липазы), но все они по механизму своего действия являются гидролазами. Общая потеря энергии при гидролизе незначительна, для белков и углеводов она составляет 6%, а для жира лишь 0,14% от общего энергетического запаса, заключенного в этих соединениях

Второй этап обмена веществ — совершается в области межуточных превращений и выражается в разнообразных изменениях вступивших в него структур: аминокислот, глюкозы, глицерина, жирных кислот На этом этапе в равной степени по своему значению представлены как процессы синтеза белков, гликогена, жира и их различных компонентов (нуклеопротеидов, глюкопротеидов, фосфолипидов и др.), так и процессы дальнейшего расщепления (диссимиляции) аминокислот, глюкозы, глицерина и жирных кислот. В целом, этот этап характеризуется постепенным, ступенчатым упрощением органических структур, но в отличие от гидролиза это расщепление сопровождается не только частичным освобождением, но и особым видом «накопления» в организме энергии. Носителями этой химической энергии в организме являются различные фосфорные соединения, в которых связь остатка фосфорной кислоты является макроэргической связью. Главное место в энергетических процессах принадлежит пирофосфатной связи в структуре аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ.

В процессе межуточного обмена белков, жиров, углеводов образуются промежуточные продукты (в частности, ацетил-КоА).

Третий, заключительный этап обмена — является этапом окислительного распада вступающих в него соединений, этапом полного освобождения заключенной в них энергии и образованием конечных продуктов обмена углеводов, жира, безазотистой части аминокислот (CO2 и H2O).

Окисление основного промежуточного продукта — ацетил-КоА происходит в цикле Кребса и начинается с конденсации ацетил-КоА со щавелевоуксусной кислотой, что приводит к образованию лимонной кислоты, которая вовлекается в цикл трикарбоновых кислот.

Значение окислительного выделения энергии особенно наглядно демонстрируется на примере расщепления углеводов, которое, как известно, идет в две фазы: 1) — анаэробная фаза (гликолиз) — расщепление одной молекулы глюкозы до стадии молочной кислоты сопровождается образованием двух молекул АТФ (не считая регенерации двух молекул АТФ, израсходованных в процессе гликолиза) и 2) — аэробная фаза окисления молочной кислоты, образовавшейся в процессе гликолиза, до конечных продуктов (CO2 и H2O) приводит к образованию 30 молекул АТФ.

Реакции терминальной стадии протекают в специализированных клеточных органеллах — митохондриях, которые представляют собой систему двух замкнутых мембран, из которых наружная гладкая, а внутренняя складчатая образует перегородки — кристы. Во внутреннем пространстве — матриксе фиксированы ферменты цикла тикарбоновых кислот — цикла Кребса Форма митохондрий в различных тканях отличается, что связано с интенсивностью окислительных процессов. В тканях с более активным энергетическим обменом кристы в митохондриях «упакованы» плотнее, в результате их площадь больше. Так, в расчете на 1 кг белка митохондрии в печени площадь крист составляет 40 м2, в то время как в сердце — 250 м2.

Митохондрии занимают в клетке значительный объем, например в печени на них приходится около 20%. Opганеллы локализованы в клетке либо непосредственно у структур, нуждающихся в большом количестве энергии, либо вблизи депо энергетических субстратов, в частности у капелек жира.

Важнейшее свойство митохондрий — избирательность проницаемости их внутренней мембраны для различных веществ и ионов, благодаря чему они способны принимать участие во внутриклеточной регуляции ионного гомеостаза. Содержат они и некоторое количество нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и обладают собственной системой синтеза белка.

Терминальное окисление в митохондриях сопряжено с синтезом АТФ — окислительное фосфорилирование. Окислительное фосфорилирование является сложным процессом, который грубо можно разделить на: а) химический механизм получения энергии при транспорте электронов, б) превращение части этой энергии в химическую энергию. Трансформацию энергии можно записать в виде реакции:



Механизм окислительного фосфорилирования можно объяснить с помощью гипотезы Питера Митчела. Ее суть состоит в утверждении, что дыхание и фосфорилирование связаны между собой через электрохимический потенциал ионов водорода на митохондриальной мембране. Основная идея гипотезы может быть иллюстрирована на следующей схеме:

Согласно схеме, донатор водорода AH2 (например, аскорбат, если речь идет о третьем пункте сопряжения в дыхательной цепи) окисляется переносчиком электронов (например, цитохромом С) у внешней стороны сопрягающей мембраны митохондрии. При этом 2Н остаются снаружи митохондрии, а два электрона переносятся на другую ее сторону по дыхательной цепи, ориентированной поперек мембраны. Локализованный там переносчик электронов (в рассматриваемом случае — цитохромоксидаза) передает электроны соответствующему акцептору водорода — В (кислороду, если речь идет о цитохромоксидазе), который затем присоединяет 2Н+ из водной фазы митохондриального матрикса. В результате окисление одной молекулы AH2 посредством В приводит к выделению 2Н+ во внешнее пространство и поглощению 2Н+ из внутреннего пространства митохондрии.

Следующее предположение состоит в том, что процесс фосфорилирования сопровождается перераспределением ионов H+ противоположным тому, которое вызывается окислением. По П. Митчелу, синтез одной молекулы АТФ из АДФ и Фн приводит к выделению двух H+ в матрикс и поглощением двух H+ из внемитохондриального пространства.

Таким образом, транспорт электронов по дыхательной цепи ведет к формированию электрохимического потенциала ионов водорода (DmH+). Энергию этого потенциала использует АТФ-синтетаза, причем процесс фосфорилирования сопровождается перераспределением H+, противоположным тому, что вызывает дыхание. Транспорт электронов, величина и синтез АТФ находятся в термодинамическом равновесии. Уменьшение DmH+ приводит к активации транспорта электронов, т.е. дыхания, повышение потенциала — напротив, к угнетению дыхания. Кроме того, энергия потенциала может использоваться для активного транспорта ионов, например Ca2+ внутрь митохондрии (осмотическая работа), а также непосредственно для некоторых эндоэргонических реакций. Существенно, что все реакции обратимы. Соотношение путей утилизации DmH+ в различных клетках отличаются, но в целом основной поток направляется в сторону синтеза АТФ.

Все рассмотренные этапы превращений отражают лишь главные формы обменных процессов Наряду с этим часть соединений подвергаются расщеплению за счет особых реакций. Так, некоторая часть углеводов расщепляется с образованием пентоз (рибулеза- и рибофосфат). Этот путь в обмене углеводов и называется пентозным циклом. Существенно, что в процессе пентозного цикла образуется структура рибофосфата, являющегося составной частью многих нуклеотидных соединений, в том числе и АТФ. Кроме того, в этом цикле происходит образование восстановленной формы никотинами-дадениндинуклеотидфосфата (НАДФ*Н2), необходимого для осуществления процессов липолиза.

Гликолиз считается низкоэффективным путем энергопродукции, поскольку при расщеплении одной молекулы глюкозы синтезируются лишь две молекулы АТФ. Однако при этом не учитывается, что скорость гликолиза может увеличиваться в 500—1000 раз, в то время как редко удается наблюдать увеличение дыхания в 5—10 раз против состояния покоя. Кроме того, гликолиз, протекая в гиалоплазме клеток, не требует кислорода и не зависит от структурных нарушений, чего нельзя сказать о митохондриях, весьма чувствительных к изменениям внутриклеточных условий. Единственным ограничением для гликолиза является наличие субстрата и быстрое удаление его продуктов (пировиноградной кислоты, лактата). Клетки, выполняющие кратковременную и очень большую работу (белые волокна скелетной мускулатуры), снабжаются энергией за счет гликолиза. Он незаменим при аноксии (отсутствии кислорода). Часть клеток вообще не имеет систем окислительного фосфорилирования и снабжается энергией исключительно за счет гликолиза.

Разнообразие метаболических путей. Опыты на изолированных органах позволяют считать, что системы метаболизма различны в различных клетках и тканях. Ферментативное обеспечение одного пути может преобладать над ферментативным обеспечением другого. Исходя из этого, можно выделить три типа метаболических систем.

Тип А, или положительный пептозный тип. В этом случае преобладает пентозный путь, а цикл Кребса мало активен или совсем неактивен. Вещества, угнетающие цикл Кребса, такие как малонат или фторацетат, не нарушают указанного пути. Этот путь филогенетически более древний. Он допускает автоматическую функциональную ритмичность, что может наблюдаться на примере гладкой мышцы тонкого кишечника, водителя сердечного ритма и на специфической ткани, которая способна синтезировать жиры, но содержит мало сукцинатдегидрогеназы. К этому типу относятся, по-видимому, и нейроглия, и все эндокринные железы.

Тип Б, или положительный тип Эмбдена-Мейергофа-Кребса. При нем очень хорошо обеспечен ферментами цикл Кребса; пентозный же цикл отсутствует. Примером могут служить скелетная мышца, миокард, гладкие мышцы сосудов, нейрон.

Тип В, при котором оба пути одинаково хорошо представлены. По такому типу работают, по-видимому, печеночные клетки, лейкоциты.

Механизмы, определяющие путь обмена веществ. Нарушение равновесия между путями обмена происходит в результате воздействий внешней среды.

1. Если внешняя среда требует от организма увеличения работы или тепла, то АТФ гидролизуется и немедленно покрывает энергетические затраты. Количество АТФ уменьшается, а количество АДФ и неорганического фосфата (Фн) увеличивается. Удалось показать, что активность цепей переносчиков и, соответственно, активность всего пути Кребса, зависят от величины отношения



Когда эта величина уменьшается, метаболическая активность повышается, когда же растет — активность падает.

2. Еще один фактор регулирования обусловлен действием окружающей среды. Это восстановленное или окисленное состояние ферментов НАД и НАДФ. Мы знаем, что НАД связан с функционированием внемитохондриального пути Эмбдена-Мейергофа и внутримитохондриального пути Кребса, а НАДФ — с функционированием пентозного пути. Если один из этих коферментов находится преимущественно в окисленном состоянии, или точнее, если отношение кофермент восстановленный/кофермент окисленный уменьшается, то глюкозо-6-фосфат вовлекается в путь, от которого зависит этот кофермент. Так, окисление НАДФ*H2 направляет глюкозо-6-фосфат на пентозный путь, что обеспечивает восстановление НАДФ.

3. Направление метаболизма в значительной степени регулируется восстановленным или окисленным состоянием НАД и НАДФ. Восстановление одного из них, являющееся следствием функционирования пути, с которым он связан, затормозит именно эту функцию, но тогда глюкозо-6-фосфат, не утилизируясь более на этом пути, направляется по другому.

4. Наконец, существует еще один тип регулирования путей метаболизма, управляемый коферментами, но он зависит от относительных количеств НАД и НАДФ и мы знаем о нем меньше и не можем его хорошо оценивать. Повышенное образование или пониженное разрушение кофермента ведет к активации метаболизма, с которым он связан.

Поскольку гликолиз также регулируется за счет АДФ+Фн/АТФ и НАД/НАДН, в клетке обеспечивается адекватное взаимодействие этого пути с окислительным фосфорилированием. Активация дыхания и увеличение концентрации АТФ приводит к торможению гликолиза (эффект Пастера). Наоборот, если окислительное фосфорилирование не обеспечивает поддержание уровня АТФ, стимулируется гликолиз.

До сих пор речь шла о внутриклеточных регуляторных механизмах. Однако существуют и внешние для клетки регуляторные системы. Так, гормоны оказывают влияние на энергетический обмен в клетке, как путем прямого эффекта на ее ферментные системы (инсулин через реакции цикла трикарбоновых кислот, адреналин через цАМФ стимулируют изоцитрат-дегидрогеназу и кетоглутаратдегидрогеназу, глюкокортикоиды и глюкагон стимулируют синтез ферментов глюконеогенеза), так и через мобилизацию определенных субстратов и снабжение ими тканей.