БИОХИМИЯ: СТРУКТУРНАЯ БИОХИМИЯ

7 ВЗАИМОСВЯЗЬ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ В ОРГАНИЗМЕ

В предыдущих разделах был рассмотрен обмен углеводов, липидов, нуклеиновых кислот и белков. Однако в живом организме все эти обмены протекают взаимосвязанно, жизнь немыслима без тесного их взаимодействия. В результате взаимодействия отдельных обменов возникает единая система метаболических процессов, общий обмен веществ, представляющий собой качественно новое образование – жизнь. Живой организм по своей природе представляет динамичную систему в силу огромного количества взаимосвязанных и взаимозависимых реакций. Метаболические процессы поддерживаются в неравновесном состоянии за счет постоянного обмена веществом и энергией между живыми организмами и окружающей средой.

Взаимосвязь обменов отдельных классов веществ особенно хорошо выражена в процессах их взаимного превращения (рисунок 70). В результате образования общих метаболитов создаются предпосылки для взаимосвязи и взаиморегуляции, возможности переключения одного метаболического пути на другой, и наоборот.

**Рисунок 70** – **Взаимосвязь метаболизма углеводов, липидов и белков**

Интеграция метаболизма осуществляется как на уровне общих промежуточных метаболитов – ключевых метаболитов, предшественников нескольких метаболических путей, таких как глюкозо-6-фосфат, пируват, ацетил-КоА, так и на основе энергетической взаимозависимости. Энергия, освобождающаяся при окислении одних соединений, используется для биосинтеза других.

7.1 Взаимосвязь белкового и углеводного обменов

Связующим звеном в обмене белков и углеводов при переходе первых во вторые и особенно вторых в первые служит пировиноградная кислота (ПВК). Являясь главным конечным продуктом дихотомического распада углеводов, ПВК служит исходным веществом для биосинтеза аланина, валина и лейцина. При ее карбоксилировании образуется щавелевоуксусная кислота, из которой строится новая группа аминокислот – аспарагиновая кислота, треонин, метионин, изолейцин и лизин. Вступая в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот, ПВК используется для биосинтеза α-кетоглутаровой кислоты, из которой образуются глутаминовая кислота, пролин и аргинин. Предшественник ПВК – 3-фосфоглицериновая кислота – является исходным соединением для синтеза серина, глицина, цистина и цистеина.

Промежуточные продукты апотомического и дихотомического распада углеводов незаменимы в синтезе остальных постоянно встречающихся в белках аминокислот: на рибозо-5-фосфате строится имидазольное кольцо гистидина, а из эритрозо-4-фосфата и фосфоенолпировиноградной кислоты синтезируется шикимовая кислота, из которой образуются фенилаланин, тирозин и триптофан. Таким образом, у аутотрофов из углеводов при наличии источника аммиака в организме могут синтезироваться все аминокислоты, постоянно встречающиеся в белках. Естественно, что из них образуются белки, и, следовательно, переход углеводов в белковые тела представляет основной вид взаимосвязи обмена указанных двух классов соединений.

Возможен и обратный процесс. Многие аминокислоты (аланин, фенилаланин, тирозин, гистидин, триптофан, серин, цистеин) содержат в своем составе трехуглеродный фрагмент, из которого в процессе распада указанных аминокислот возникают ПВК и ее дериваты. Дезаминирование глутаминовой и аспарагиновой кислот ведет к образованию α-кетоглутаровой и щавелевоуксусной кислот соответственно, которые при посредстве цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот переходят в ПВК. Такова же судьба пролина, который легко превращается в глутаминовую кислоту, а из нее – в ПВК. Следовательно, подавляющее большинство аминокислот может явиться в организме источником для образования ПВК. От последней несложен переход к углеводам посредством в основном обращения реакций дихотомического распада фруктозо-1,6-дифосфата.

Многочисленные белки-ферменты обслуживают процессы распада и синтеза углеводов в организме. В свою очередь, распад углеводов, сопряженный с синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата, энергетически обеспечивает белковый синтез в клетке.

7.2 Взаимосвязь обмена углеводов и липидов

Углеводы и липиды очень легко взаимопревращаются в организме; связующими соединениями при этих переходах служат ПВК в ацетил-КоА.

Пируват – основной продукт дихотомического распада углеводов, при окислительном декарбоксилировании дает ацетил-КоА, который служит для синтеза высших жирных кислот, стеролов, каротиноидов и других полиизопреноидов. Столь же легко осуществляется переход от углеводов к фосфоглицерину, необходимому для синтеза простых и сложных липидов.

Ацетил-КоА и глицерин – главные продукты распада липидов – служат исходными соединениями для синтеза углеводов. Ацетил-КоА при посредстве глиоксилевого цикла переходит в ПВК, а из нее – в углеводы путем обращения реакций дихотомического распада последних.

Превращение глицерина в углеводы идет через 3-фосфоглицериновый альдегид, а затем описанным выше способом.

7.3 Взаимосвязь обмена белков и липидов

Взаимосвязь обмена белков и липидов выражается в том, что распад липидов, как и распад углеводов, обеспечивает, с одной стороны, исходные соединения для биосинтеза аминокислот (а из них белков) и, с другой стороны, не менее, а может быть, более, чем углеводы, поддерживает образование белков энергетически.

Одним из основных продуктов распада липидов, в частности высших жирных кислот, возникающих при гидролизе триацилглицеридов, фосфатидов или стеридов, является ацетил-КоА. Включаясь в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот, он обеспечивает синтез α-кетоглутаровой кислоты, превращение которой в аминокислоты рассмотрено выше. Поступая в глиоксилевый цикл, ацетил-КоА служит для расширенного воспроизводства в организме щавелевоуксусной кислоты, а из нее – ПВК. Из обеих названных кислот также синтезируются аминокислоты.

Обмен глицерина, высвобождаемого при гидролизе триацилглицеридов, через углеводы ведет к таким аминокислотам, как гистидин, фенилаланин, тирозин и триптофан. Следовательно, все постоянно встречающиеся в белках аминокислоты могут синтезироваться за счет распадающихся липидов.

В известной мере, возможен синтез липидов за счет распадающихся белков. При распаде ряда аминокислот образуется ПВК. При ее окислительном декарбоксилировании возникает ацетил-КоА – исходное соединение для синтеза высших жирных кислот, стеролов и других составных частей липидов. ПВК может также превратиться в фосфоглицерин (путем обращения реакций дихотомического распада углеводов) – другой важный компонент липидов.

Энергетическая роль липидов, особенно триацилглицеридов, общеизвестна. Потенциальные возможности для синтеза АТФ сопряженно с окислением высших жирных кислот огромны. Известны случаи, когда распад липидов является единственным источником энергии для биосинтеза белка.

Говоря о взаимосвязи обмена белков и липидов, нельзя обойти вопрос о влиянии последних на процесс биосинтеза белков. Твердо установлено, что рибосомальный синтез белка протекает во много раз энергичнее, если рибосомы связаны с липопротеиновыми мембранами.

7.4 Взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот, белков и углеводов

Взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот и белков выражается прежде всего в том, что новообразование как нуклеозидтрифосфатов, так и самих нуклеиновых кислот зависит от наличия в клеточном содержимом соответствующего набора белков-ферментов (ДНК- и РНК-полимераз, лигаз, топоизомераз, а также ферментов биосинтеза пуриновых и пиримидиновых циклов). Кроме того, именно аминокислоты (аспарагиновая – в случае пиримидиновых нуклеотидов и глицин, аспарагиновая кислота и глутамин – в случае пуриновых нуклеотидов) служат основными исходными соединениями для построения пиримидинового и пуринового колец. Вместе с тем новообразование белков по матричной схеме невозможно без участия всех видов РНК и, естественно, ДНК, на которой в качестве матрицы возникают рибонуклеиновые кислоты. Поэтому многие исследователи полагают, что в истории развития жизни на Земле биосинтез белков представлял процесс первичный, а биосинтез нуклеиновых кислот – явление вторичное, призванное в основе своей обслуживать биосинтез белка. В свою очередь, в процессе уриколиза образуется глиоксиловая кислота. Путем переаминирования она может превращаться в глицин, и, следовательно, известная часть этой аминокислоты может возникать за счет распадающихся пуриновых оснований.

Взаимосвязи в обмене нуклеиновых кислот и углеводов многообразны. Во-первых, в процессе апотомического распада углеводов образуется рибозо-5-фосфат, из которого возникает 5-фосфорибозил-1-пирофосфат, служащий совершенно незаменимым соединением для биосинтеза пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов. Именно 5-фосфорибозил-1-пирофосфат принимает на себя недостроенную молекулу пиримидина и именно на 5-фосфорибозил-1-пирофосфате начинает строиться имидазольный цикл будущего пуринового кольца. Таким образом, β, D-рибоза и β, D-дезоксирибоза, являющиеся непременными составными частями пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, поступают в нуклеиновые кислоты за счет распадающихся углеводов.

Во-вторых, в известной мере, и распад нуклеиновых кислот может служить источником соединений, служащих для биосинтеза углеводов, т.к. высвобождаемая при гидролизе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов рибоза, включаясь в общий круговорот углеводов в организме, может переходить в рибозо-5-фосфат, из которого легко строится глюкозо-6-фосфат.

В-третьих, распадающиеся углеводы поддерживают на определенном уровне субстратное и окислительное фосфорилирование АДФ, т.е. обеспечивают биосинтез АТФ. Последняя абсолютно необходима для превращения нуклеозидмонофосфатов в нуклеозидтрифосфаты – субстраты для полимераз. Следовательно, от наличия в организме сахаров и интенсивности их распада зависит объем биосинтеза нуклеиновых кислот. Лишь у фотосинтезирующих и хемосинтезирующих организмов эта зависимость может быть ослаблена за счет использования АТФ, возникшей в результате фотосинтетического и хемосинтетического фосфорилирования.

Наконец, в-четвертых, биосинтез углеводов в значительной мере зависит от нуклеинового обмена. Эта зависимость выражается в том, что известная часть уридинтрифосфорной кислоты используется для биосинтеза УДФ-глюкозы – важнейшего продукта, гликозидные остатки с которого переносятся на нередуцирующий конец молекулы синтезируемого глюкана. Аналогична роль гуанозиндифосфатглюкозы в биосинтезе целлюлозы и ряда других нуклеозиддифосфатсахаров в новообразовании тех или иных гексозанов и пентозанов.

7.5 Взаимосвязь обмена органических и неорганических веществ

Обмен органических соединений в организме неразрывно связан с обменом минеральных веществ, в частности с обменом воды и солей. Все биохимические процессы в организме протекают в водной среде. Вода является той дисперсной средой, которая обуславливает физико-химические и химические процессы метаболизма. Многие реакции обмена – гидролиз, гидратация, дегидратация и другие – связаны с водой. Большая часть СO₂, который выделяется из организма, образуется за счет кислорода воды. Восстановление коферментов в цикле трикарбоновых кислот, окислительном пентозофосфатном пути и в процессе β-окисления жирных кислот на 50 % происходит за счет воды. С другой стороны, вода – конечный продукт окисления углеводов, липидов, белков.

Фосфаты являются активными участниками метаболизма углеводов, фосфоацилглицеролов, нуклеиновых кислот; принимают участие в образовании макроэргических соединений (АТФ и его аналогов), регуляции активности ферментов.

Большое количество ферментов проявляют свою активность только при наличии неорганических кофакторов. Например, тромбин катализирует превращение фибриногена в фибрин при наличии Са²⁺. Фермент аргиназа осуществляет гидролиз аргинина с образованием мочевины и орнитина при наличии Со²⁺. В многочисленных ферментативных реакциях роль кофактора выполняет Mg²⁺ (пируватдегидрогеназный, оксоглутаратдегид- рогеназный комплексы, биосинтез белка и др.).

Таких примеров можно привести очень много, и все они свидетельствуют о тесной взаимосвязи обмена органических и неорганических соединений, о том, что все биохимические процессы в организме составляют единое целое.

‹

›