Материал: Биохимия учебное пособие

Раздел 2

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

2.1. Этапы энергетического обмена

Неотъемлемым свойством живого является обмен веществ (метаболизм) – совокупность разнообразных биохимических процессов, в результатекоторых поступающие питательные вещества усваиваются, происходит освобождение энергии и синтез необходимых организму соединений. Метаболизм состоит из двух частей: анаболизма (синтеза сложных веществ из более простых с затратой энергии) и катаболизма (распада более сложных веществ до более простых с выделением энергии). Анаболизми катаболизмнеразрывносвязанымеждусобой:анаболизм поставляет катаболизму вещество, катаболизм поставляет анаболизму энергию. Однако в условиях постоянной температуры передача энергии в виде тепла от одного химического процесса другому невозможна. Поэтому в живых системах имеет место передача энергии посредством особых макроэргических соединений, обладающихзначительнымзапасом энергии. Универсальным макроэргическим соединением во всех клетках служит аденозинтрифосфорная кислота (аденозинтрифосфат, АТФ).

Нередко катаболизм образно называют «горением», говорят, что питательные вещества «сгорают». Аналогия между горением и катаболизмом весьма условна. В обоих случаях мы имеем химическое превращение (окисление) органических веществ в СО2 и Н2О в присутствии кислорода. Однакогорение – процесс молниеносный, нерегулируемый и неэффективный (вся энергия рассеивается в виде тепла). Напротив, при катаболизме энергия органических веществ выделяется порциями на различныхегоэтапах, достаточноэффективнозапасаетсяпри синтезеАТФ, а процесс регулируется потребностью клетки в энергии. Установлено, что КПД системы синтеза АТФ в клетке составляет 40–45 %. Баланс между синтезом и расходом АТФ строго соблюдается, поэтому количество АТФ, присутствующее в клеткев каждыймомент времени,невелико. Затомасса АТФ,образующаясяи расходующаяся за сутки в организме взрослогочеловека, сопоставима с массой еготела!

Рассмотрим подробнее «бюджет» метаболизма: в чем заключается суть процессов синтеза АТФ и на какие нужды клетки его расходуют. Известно два способа синтеза АТФ: аэробный (окислительное фосфорилирование) и анаэробный (субстратное фофорилирование). Анаэробный катаболизм представляет собой неполноеокислениеорганическихвеществ,характерентолькодляуглеводов(гликолиз), сопровождается образованием молочной кислоты и малым энергетическим выходом – 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы. В физиологических условиях анаэробный катаболизм дает не более 10 % всей АТФ в клетке. Исключением

30

из этого общего правила являются скелетные мышцы: в белых мышечных волокнах основное количествоАТФ синтезируется анаэробным путем. Крометого, гликолиз становится единственновозможным путем продукции АТФ в любой клетке при дефиците кислорода – гипоксии. Однако анаэробный катаболизм в большинстве случаев не способен длительно поддерживать жизнедеятельность клеток. Так, хорошо известно, что самые чувствительные к гипоксии клетки – нейроны коры больших полушарий головного мозга – могут прожить без кислорода не более 5 мин.

Большинство клеток получают свыше 90 % необходимой АТФ за счет аэробногокатаболизма.Этовысокоэффективный биохимическийпроцессполногоокисления органических веществ (углеводов, липидов и белков) до неорганических соединений СО2 и Н2Ов присутствии кислорода. Аэробноеокисление 1молекулы глюкозы даетвозможностьсинтезировать38молекулАТФ, похожиезначениядает окислениеаминокислот, а полноеокисление липидов поставляет клеткесотни молекул АТФ на 1 молекулу вещества. Большинство клеток могут использовать все три класса питательныхвеществ какисточникэнергии. Темнеменее, в их использовании наблюдаетсяочередность:углеводыслужатпервымэнергетическим«топливом», при исчерпании запасов которых клетки переходят на катаболизм липидов. Белки подвергаются катаболизму в последнюю очередь, в экстремальных ситуациях, например, при длительномголодании.

Весь синтезируемый фонд АТФ клетки расходуют на совершение различных видов полезной работы. Во-первых, этохимическая работа –реакции анаболизма, поопределению требующиезатраты АТФ. Сюда относятся всебиосинтезы в клетках, в особенности самые«дорогостоящие»–синтезыбиополимеров (белков, ДНК и РНК, полисахаридов)илипидов. Во-вторых, этомеханическаяработа–процес- сы перемещения клеток и их органелл в пространстве, в том числе и мышечное сокращение. Наконец, это осмотическая работа – процессы активного транспор-

та веществ через биологические мембраны, направленные на создание разности концентраций этих веществ внутри клетки и во внеклеточной жидкости. Если в роли таких веществ выступают зараженные частицы – ионы К+, Na+, Ca2+, Cl–, то формируется не только разность концентраций, но и разность потенциалов. В этом случае говорят о совершении электрической работы. Однако следует помнить, чтоКПД всех этих видов работы существенно ниже 100 %. Оставшаяся доля энергии АТФ переходит в тепло. В этом заключается еще одна важная функция всех процессов распада АТФ – функция теплопродукции.

В энергетическом обмене принято различать следующие основные этапы. Подготовительный этап. Включает в себя реакции гидролиза в желудочнокишечном тракте питательных веществ до их мономеров: белков – до аминокис- лот,полисахаридов–домоносахаридов(восновномглюкозы),липидов–дожирных кислот и глицерина. Данный этап необходим, чтобы сделать питательные вещества доступными для каждой клетки, поскольку крупные молекулы не подвер-

гаются всасыванию в кровь.

31

Промежуточный обмен. Включает многочисленные биохимические реакции аминокислот, глюкозы, жирных кислот и глицерина, направленныена их превращение в ограниченный круг «малых» молекул – пировиноградной кислоты, ацетилкоэнзима А и ряда других. Промежуточный обмен не требует затраты кислорода и протекает с синтезом небольшого количества АТФ в реакциях субстратногофосфорилирования.

Терминальный(заключительный)этап.Происходитполноеокислениепро-

дуктов промежуточного обмена до неорганических веществ. Этот этап протекает в митохондриях клеток, где происходит потребление кислорода и образование СО2 и Н2О, и в ходе окислительного фосфорилирования синтезируется основное количество АТФ.

2.2.ЦиклКребса

Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) является процессом окисления ацетилкоэнзима А – универсального продукта катаболизма углеводов, липидов и белков. ЦТК протекает в митохондриях с участием 8 ферментов, которые локализованы в матриксе в свободном состоянии или на внутренней поверхности внутренней мембраны.

Основной функцией ЦТК является образование восстановленных коферментов НАДН2 и ФАДН2, которые поставляют протоны в дыхательную цепь. Кроме того, субстраты ЦТК могут использоваться для глюконеогенеза, переаминирования, синтеза гема, жирных кислот. Таким образом, ЦТК интегрирует все виды обмена веществ.

2.2.1. РеакцииЦТК

1. Цитратсинтаза катализирует превращение оксалоацетата и ацетилкоэнзима А в лимонную кислоту (цитрат):

2. Аконитаза превращает цитрат в изолимонную кислоту (изоцитрат). Сначала происходит дегидратация цитрата с образованием промежуточного продукта – цис-аконитовой кислоты (цис-аконитата). Данное соединение не выходит из активногоцентра фермента, поэтомуегоформулупринятообозначать в квадратных скобках. Завершает реакцию присоединениеводы подвойной связи с образованием изоцитрата:

32

3. Изоцитратдегидрогеназа декарбоксилирующая катализирует окислительноедекарбоксилированиеизоцитрата. Сначала гидроксильная группа изоцитрата окисляется до кетоновой, образуется щавелевоянтарная кислота (оксалосукцинат). Затем оксалосукцинат теряет карбоксильную группу в виде СО2, образуется-кетоглутарат:

4. Следующая стадия ЦТК – окислительное декарбоксилирование -кетоглу- тарата. Она катализируется -кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, состоящим из 3 ферментов и 5 коферментов: тиаминдифосфата, кофермента А, липоамида, НАД+, ФАД. Продукт реакции – сукцинилкоэнзим А – макроэргическое соединение:

5. Синтезянтарной кислоты(сукцината) ферментом сукцинилкоэнзимА синтетазой. Энергиямакроэргической тиоэфирной связи в молекулесукцинилкоэнзима А затрачивается на синтез молекулы ГТФ из ГДФ и фосфата – это единственная в ЦТК реакциясубстратногофосфорилирования:

33

6.Сукцинатдегидрогеназа,флавопротеин внутреннеймембранымитохондрии, катализирует окисление сукцината до фумаровой кислоты (фумарата):

7. Фумараза стереоспецифичноприсоединяет воду подвойной связи фумарата с образованием L-яблочной кислоты (L-малата):

8. Малатдегидрогеназа замыкает ЦТК окислением гидроксильной группы L-малата собразованием оксалоацетата, который затем реагирует сновой молекулой ацетилкоэнзима А, и циклповторяетсявновь:

Общая схема реакций ЦТК представлена на рис. 11.

2.2.2. Энергетический балансодного оборота ЦТК

В4 окислительно-восстановительных реакциях ЦТК образуются 3 НАДН2

и1 ФАДН2, которые направляются далее в дыхательную цепь окислительногофосфорилирования. Впроцессеокислительногофосфорилированияв дыхательной це-

пи из 1 НАДН2 образуется 3 АТФ, из 1 ФАДН2 – 2 АТФ. Из 1 ГТФ, образующегося в ЦТК за счет субстратного фосфорилирования, синтезируется 1 АТФ. Таким образом, за 1 оборот ЦТК синтезируется 12 АТФ.

34