Биохимия 2 (1984) (1128710), страница 5
Текст из файла (страница 5)
На этой стадии происходит образование АТР, но в значительно меньшем количестве, чем при полном окислении ацетильного компонента ацетил-СоА. Третья стадия — это цикл трикарбоновых кислот и окислительное фосфорилирование, представляющие собой конечные общие пути в окислении топливных молекул.
Ацетил-СоА привноси~ свои ацетильные компоненты в этот цикл, где они полностью окисляются до СО,. При окислении каждой ацетильиой группы имеет место перенос на )х(АТ)' и ЕА(л четырех пар электронов. В процессе переноса 18 Рис. 11.13. Строение некоторых жирорастворимых витаминов. для роста. Метаболизм кальция и фосфора регулируется гормонам †производн витамина (л (разд.
20.26). При недостатке витамина 1л нарушается формирование костной ткани у растущих животных. Недостаточность витамина Е у крыс приводит к бесплодию. Этот витамин защищает ненасыщенные мембранные липины от окисления. 11.12. Стадии извлечения энергии яз пищевых веществ Рассмотрим в общих чертах процесс генерирования энергии у высших организмов, прежде чем перейти в последующих главах к детальному анализу этих реакций. Ганс Кребс (Напк Кгебя) описал три стадии генерирования энергии при окислении питательных веществ. На первой стадии крупные, молекулы иищи расщепляются на более мелкие компо- Часзь Н.
Генерирование и хранение энергии сн СНз СН з н-с)-сн=сн-сн-сн сн, Стадия! Живные кислоты и глицерин Аминокислоты показа и дезгпв Стадия и Стадия щ 19 электронов от восстановленных форм этих переносчиков к О, происходит генерирование АТР— пропесс, названный окислительным фосфорилированием. Большая часть АТР, генерируемого при расщеплении пищевых веществ, образуется на этой третьей стадии. 11.13. Процессы обмена веществ регулируются множеством различных механизмов Даже в простейшей бактериальной клетке может протекать более тысячи взаимозависимых реакций. Очевидно, что эта сложная система должна строго регулироваться.
Более того, регуляция обмена веществ должна быть гибкой в силу непостоянства условий внешней среды. Исследование широкого круга организмов показало, что существует много различных механизмов регуляции метаболизма. Следует подчеркнуть, что хотя центральные метаболические пути в настоящее время почти полностью установлены, изучение механизмов их регуляции до сих пор находится в зачаточном состоянии. Немногие вопросы современной биохимии представля1ог собой настолько важную и захватывающую проблему. Рнс. 11.14.
Стадии извлечения энергии из пищевых веществ. Главный механизм регуляции метаболизма — контроль количества некоторых ферментов. Этот механизм широко исследовался у бактерий. Регуляция скорости синтеза р-галактозидазы и лругих белков, необходимых для использования лактозы, представляет собой классический пример, который летально рассматривается в гл. 28. Исследования, проведенные в последние годы, показали, что регуляции подвержена также скорость расщепления некоторых ферментов. Регуляция метаболизма достигается и путем контроля катилитическай активности определенных ферментов. Общий и важный механизм регуляции — обритимый алластеричвский контроль.
Например, во многих биосинтетических процессах имеет место аллостерическое ингибирование первой реакции конечным пролуктом процесса; это взаимодействие называют ипгибировапивм па принципу обратной связи, илн ретроингиоировапивм. Активность некоторых ферментов модулирустся также путем ковилвнтпых модификаций, таких, как фосфорилирование специфического серинового осзатка. Важный общий принцип метаболизма состоит в следующем: дути биосюипеза и рас- 11. Метаболизм: основные положения н обозначения с о й н е 3 0 0,25 0,50 0,75 1 Энвргютичвский Заряя Рис.
11.15. Влияние энергетического заряда на относительную скорость типичного генерирующего АТР (катаболического) пути и типичного использующего АТР (анаболического) пути. нада почти всегда разобщены. Это разобнзение, как будет показано в последующих главах, необходимо по энергетическим причинам. Оно также способствует регуляции метаболизма. У эукариот возможности метаболической регуляции и ее гибкость усиливаются благодаря наличию комнартментании. Например, окисление жирных кислот протекает в митохондриях, а их синтез — в цитозоле (растворимой части цитоплазмы). Компартментация пространственно разобщает эти противоположно направленные реакции. Многие метаболические реакции отчасти регулируются энергетическим статусом клетки.
Показателем энергетического статуса служит энергетический заряд, который пропорционален сумме молярной фракции АТР и половины малярной фракции АОР (учитывая, что АТР содержит две, а А(УР— олпу аигидридную связь). Огсюда энергетический зарял вычисляется по формуле Энергетический заряд = [АТР! + 1/2[АТзР) [АТР)' -ь [А(лР) + [АМР) Значение энергетического заряла может колебаться от 0 (в системе присутствует только АМР) до 1 (в системе присутствует толь- Часть П. Генерирование и хранение энергии 20 ко АТР). Дэниел Аткинсон (Тзап!е! Аг)с!пзоп) показал, что метаболические нута, ведущие к синтезу АТР, ингибируются высоким энергетическим зарядом, тогда как пути иснользсвания А ТР стимулируются высоким энергетическим зарядом. При графическом изображении зависимости между скоростью этих процессов (генерирования и использования АТР) и энергетическим зарядом кривые идут наиболее круто вблизи значения энергетического заряда 0,9, при котором они обычно пересекаются (рис.
11.15). Очевидно, что регуляция этих путей метаболизма направлена на поддержание энергетического заряда в сравнительно узких пределах. Другими словами, энергетический заряд, так ясе как рН клетки, заб уферен. Его значение в большинстве клеток находится в диапазоне 0,80 — 0,95. Другой показатель энергетического статуса-это потенциал фосфорилирования, который определяется уравнением Потенциал фосфорилирования = [АТР) [А(УР) [Р,) Потенциал фосфорилирования в противоположность энергетическому зарялу зависит от концентрации Р, и прямо связан со свободной энергией, высвобождаемой при.
расщеплении АТР. Заключение Клетки извлекают энергию нз окружающей среды и превращают питательные вещества в клеточные компоненты при помощи высокоинтегрированной системы химических реакций, называемой обменом веществ, или метаболизмом. Наиболее ценная для понимания энергетики метаболизма термодинамическая концепция — это концепция свободной энергии, являющейся критерием способности системы выполнять полезную работу при постоянном давлении и постоянной температуре. Реакпия может протекать спонтанно только при отрицательном значении изменения свободной энергии (Лб). Ьб не зависит от пути, по которому идет реакция, и зависит только от природы реагирующих веществ и их активности (которую можно иногда примерно определять по их концентрации).
Изменение свободной энергии реакции в условиях, когла активность реагирующих веществ и образующихся про- дуктов равна единице, называется изменением стандартной свободной энергии (Або ). Биохимики обычно используют символ Аб~', обозначающий изменение стандартной свободной энергии при рН 7. АТР, универсальная энергетическая валюта в биологических системах, представляет собою богатую энергией молекулу, что обусловлено наличием в ней двух ангидридных связей.
Электростатическое отталкивание между этими отрицательно заряженными группами уменьшается при гидролизе АТР. АОР и Р; стабилизируются под действием резонанса в большей степени, чем АТР. Гндролиз АТР сдвигает равновесие сопряженной реакции примерно в 108 раз. Основная стратегия метиболизми состоит в образовании АТР, Г(ГАРРН и пред(иественников макромолекул. АТР потребляется при мышечном сокрашении и других видах двигательной активности клеток, в активном транспорте и в различных процессах биосинтеза. )х(А(УРН, являющийся носителем двух электронов с высоким потенциалом, обеспечивает восстановительные эквиваленты для биосинтеза клеточных компонентов из более окисленных предшественников.
АТР и ХАОРН непрерывно образуются и потребляются. Извлечение энергии из питательных веществ у аэробных организмов происходит в три стадии. На первой стадии крупные молекулы распадаются на более мелкие, такие, как аминокислоты, сахара и жирные кислоты. На второй стадии эти небольшис молекулы расщепляются до нескольких простых компонентов, играющих повсеместную роль в мстаболизме.
Одним из таких компонентов является ацетильная часть ацетил-СоА, носители активированных ацильных групп, Третья стадия метаболизма представлена циклом трикарбоновых кислот и окислительным фосфорилирова- Рис. 11.16. Модель аденозинтрифосфата (АТР), нием, в ходе которых молекулы, играющие роль топлива, полностью окисляются до СОх, что сопровождается образованием АТР при переносе электронов на Оз, конечный их акцептор. Регуляция метаболизма осуществляется различными путями.
Количество некоторых лимитирую)цих ферментов контролируется скоростью синтеза и распада белка. Кроме того, каталитическая активность ряда ферментов регулируется аллостерическими взаимодействиями (как при ингибировании по принципу обратной связи) и ковалентными модификациями. Компартмензация и разобщение путей биосинтеза и расщепления также вносят определенный вклад в регуляции) обмена веществ. Энергетический зарял, зависящий от относительных количеств АТР, АРР и АМР, также участвует в механизмах регуляции.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
