Понятие о метаболизме, его стадиях

Учебные материалы по биологии / Взаимосвязь обменов в организме. Патохимия сахарного диабета / Понятие о метаболизме, его стадиях

Страница 1

Любой живой организм - это открытая система, то есть его жизнедеятельность тесно связана с окружающей средой, откуда он получает питательные вещества и кислород, а выделяет конечные продукты распада. Самые разнообразные преобразования, происходящие в организме с поступившими соединениями, носят название метаболизма, который включает две тесно взаимообусловленных фазы: анаболическую и катаболическую. Первая представляет эндогенный синтез веществ или их поступление извне. Катаболизм - прямо противоположный процесс: распад химической молекулы или выделение её из организма.

Естественно, чтобы организм функционировал нормально, необходимы тесные контакты между физическими и химическими превращениями самых разнообразных по природе соединений.

Особая роль в регулировании этих процессов принадлежит балансу энергии, причем катаболизм обычно сопровождается её высвобождением, а большинство реакций биосинтеза принадлежит к эндэргоническим.

Все известные классы органических веществ, обнаруживаемых в тканях, включают представителей от самых простых, не способных к гидролизу, до очень сложных биополимеров. Поэтому в катаболической фазе выделяют три стадии: гидролитическую, специфическую и неспецифическую. Гидролитическая стадия характеризуется распадом сложных углеводов, липидов, полинуклеотидов и белков до монопроизводных. Она локализуется в желудочно-кишечном тракте, где в роли субстратов выступают пищевые компоненты, а также в тканях - в этот процесс вовлекаются вышеперечисленные эндогенные представители.

Специфическая стадия - это дальнейший окислительный (аэробный, реже - анаэробный) распад моноструктур. Основная цель - привести специфические превращения к одному знаменателю (чтобы уменьшить количество необходимых ферментов). Такими общими метаболитами служат ацетил-КоА, пируват и некоторые соединения цикла трикарбоновых кислот (схема 1). После гидролиза полисахаридов образуются моносахариды, в первую очередь, глюкоза. Она поступает в клетку и фосфорилируется под действием фермента гексокиназы. Фосфорный эфир глюкозы (глюкозо-6-фосфат) подвергается гликолизу, конечным продуктом которого является пируват. В митохондриях эта a-кетокислота под влиянием полиферментного комплекса преобразуется в ацетил-КоА (окислительное декарбоксилирование пирувата). Аналогичные изменения происходят с продуктом гидролиза многих дву- и более компонентных липидов (нейтральных жиров, глицерофосфатидов) - глицерином. Он также фосфорилируется и после окисления превращается в дигидроксиацетонфосфат или глицероальдегид-3-фосфат, которые являются метаболитами гликолиза. Конечное соединение последнего, как уже было указано выше, используется в процессе окислительного декарбоксилирования ПВК. Высшие жирные кислоты - компоненты большинства липидов - служат субстратами аэробного окисления, в результате образуется ацетил-КоА.

Схема 1. Стадии катаболизма основных биополимеров

Составные части сложных липидов - азотистые основания и продукты гидролиза белков - аминокислоты - в своем составе содержат аминогруппу, что, естественно, обеспечивает им специфичность. Отсюда эти соединения, лишаясь NH2 - группы, сохраняют углеродный скелет, который легко преобразуется в выше названные вещества (пируват, ацетил-КоА и метаболиты цикла трикарбоновых кислот).

Для большинства органических структур конечными продуктами распада являются углекислый газ, вода, а для азотсодержащих - ещё и аммиак, который обезвреживается, превращаясь в мочевину. Углекислый газ образуется путем обычного декарбоксилирования.

Рассмотрим синтез эндогенной воды. Дело в том, что кислород в принципе довольно токсичное соединение, поэтому фактически так называемый аэробный распад органических веществ осуществляется обычно не присоединением кислорода к субстрату, а отщеплением от последнего водорода. Электроны и протоны, проходя через ряд промежуточных переносчиков, достигают кислорода с последующим образованием воды (биологическое окисление). В этом процессе происходит ступенчатое высвобождение энергии (чаще три, реже два раза). Почти половина её используется для синтеза АТФ из АДФ и неорганического фосфата (окислительное фосфорилирование). Другая часть, выделяясь в виде тепла, обеспечивает постоянство температуры тела теплокровных животных, в том числе человека. В природе есть много веществ, в первую очередь, токсины патогенной микрофлоры, которые нарушают взаимодействие биологического окисления с окислительным фосфорилированием, в результате возрастает количество тепловой энергии (гипертермия) и снижается генез АТФ. Последний является универсальным макроэргом, который используется в мышечном сокращении, передаче нервного импульса, в биосинтезе различных соединений. Поэтому патология биоэнергетических процессов проявляется развитием мышечной слабости, общим недомоганием (симптоматика, характерная для большинства инфекционных заболеваний).