Катобалические пути

Глава 9. КАТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ

  Процессы  расщепления сложных питательных  веществ происходят в клетках  через ряд последовательных ферментативных реакций, которые можно объединить в три стадии. На первой стадии полимерные молекулы расщепляются до мономеров (глава 8). Мономеры (гексозы, пентозы, аминокислоты, жирные кислоты, глицерол) на второй стадии катаболизма превращаются в еще более простые и меньшие по размеру молекулы, среди которых преобладают: пируват, ацетил-СоА, a-кетоглутарат, оксалоацетат, сукцинат, фумарат. Наконец, на третьей стадии эти строительные блоки могут в аэробных клетках вступать в цикл трикарбоновых кислот, где происходит их окончательное окисление до СО₂ и Н₂О. На второй и третьей стадиях выделяется свободная энергия, и формируются восстановительные эквиваленты. Последние могут поступать в дыхательную цепь, где на уровне окислительного фосфорилирования запасается большое количество энергии в форме макроэргических связей АТР.

  В анаэробных условиях строительные блоки, сформировавшиеся на 2-й стадии, могут  подвергаться брожению различного типа. При этом образуются продукты брожения (в основном органические кислоты, спирты, СО₂), которые выводятся из клетки. Только в некоторых химических реакциях в ходе брожения запасается энергия (используется механизм субстратного фосфорилирования).

  В данной главе будут рассмотрены  основные катаболические процессы, приводящие к высвобождению большого количества свободной энергии: b-окисление жирных кислот и катаболизм гексоз. Именно названные субстраты обеспечивают клеткам наиболее высокий уровень метаболизма, являясь универсальными источниками энергии и углерода. Кроме этого, многие клетки способны осуществлять окислительное расщепление аминокислот (данный процесс будет рассмотрен в главе «Метаболизм азотсодержащих соединений»), а также использовать в качестве субстратов менее распространенные и даже уникальные химические соединения.

9.1. Окисление жирных кислот

  Биологическое окисление жирных кислот можно сопоставить  со сгоранием углеводородов: как в одном, так и в другом случае наблюдается наибольший выход свободной энергии. При биологическом b-окислении углеводородной части жирных кислот образуются двууглеродные активированные компоненты, доокисляющиеся в ЦТК, и большое количество восстановительных эквивалентов, которые приводят к синтезу АТР в дыхательной цепи. Большинство аэробных клеток способно к полному окислению жирных кислот до углекислого газа и воды.

  Источником  жирных кислот служат экзогенные или  эндогенные липиды. Последние чаще всего представлены триацилглицеридами, которые откладываются в клетках в качестве резервного источника энергии и углерода. Кроме этого, клетки используют и полярные липиды мембран, метаболическое обновление которых происходит постоянно. Липиды расщепляются с помощью специфических ферментов (липазы) до глицерола и свободных жирных кислот.

  b-окисление жирных кислот. Этот основной процесс окисления жирных кислот осуществляется у эукариот в митохондриях. Переносу жирных кислот через мембраны митохондрий способствует карнитин (g-триметиламино-b-оксибутират), который связывает молекулу жирной кислоты особым образом, в результате чего положительный (на атоме азота) и отрицательный (на атоме кислорода карбоксильной группы) заряды оказываются сближенными и нейтрализуют друг друга.

  После транспорта в матрикс митохондрий  жирные кислоты подвергаются активации  с помощью СоА в АТР-зависимой  реакции, которую катализирует ацетат-тиокиназа (рис. 9.1). Затем ацил-СоА-производное окисляется с участием ацил-дегидрогеназы. В клетке существует несколько разных ацил-дегидрогеназ, специфичных к СоА-производным жирных кислот с разной длиной углеводородной цепи. Все эти ферменты используют FAD в качестве простетической группы. Образующийся в реакции FADH₂ в составе ацил-дегидрогеназы окисляется другим флавопротеидом, переносящим электроны к дыхательной цепи в составе митохондриальной мембраны.

  Продукт окисления — еноил-СоА гидратируется под действием еноил-гидратазы с образованием b-гидроксиацил-СоА (рис. 9.1). Существуют еноил-СоА-гидратазы, специфичные к цис- и транс-формам еноил-СоА-производных жирных кислот. При этом транс-еноил-СоА гидратируется стереоспецифически в L-b-гидроксиацил-СоА, а цис-изомеры — в D-стереоизомеры -b-гидроксиацил-СоА-эфиров.

  Последний этап реакций b-окисления жирных кислот представляет собой дегидрирование L-b-гидроксиацил-СоА (рис. 9.1). Окислению подвергается b-углеродный атом молекулы, поэтому и весь процесс носит название b-окисления. Катализирует реакцию b-гидроксиацил-СоА-дегидрогеназа, специфичная только к L-формам b-гидроксиацил-СоА. Этот фермент использует в качестве кофермента NAD. Дегидрирование D-изомеров b-гидроксиацил-СоА осуществляется после дополнительной стадии изомеризации их в L-b-гидроксиацил-СоА (фермент b-гид-роксиацил-СоА-эпимераза). Продукт данного этапа реакций представляет собой b-кетоацил-СоА, легко расщепляющийся тиолазой на 2 производных: ацил-СоА, который короче исходного активированного субстрата на 2 углеродных атома, и ацетил-СоА — двууглеродный компонент, отщепленный от жирнокислотной цепи (рис. 9.1). Ацил-СоА-производное подвергается следующему циклу реакций b-окисления, а ацетил-СоА может вступать в цикл трикарбоновых кислот для дальнейшего окисления.

  Рис. 9.1. Процесс b-окисления жирных кислот. R-углеводородная часть молекулы жирной кислоты

  Таким образом, каждый цикл b-окисления жирных кислот сопровождается отщеплением от субстрата двууглеродного фрагмента (ацетил-СоА) и двух пар атомов водорода, восстанавливающих 1 молекулу NAD⁺ и одну молекулу FAD. Процесс продолжается до полного расщепления жирнокислотной цепи. Если жирная кислота состояла из нечетного числа атомов углерода, то b-окисление завершается образованием пропионил-СоА, который в ходе нескольких реакций превращается в сукцинил-СоА и в таком виде может вступать в ЦТК.

  Большинство жирных кислот, входящих в состав клеток животных, растений и микроорганизмов, содержит неразветвленные углеводородные цепи. В то же время в липидах некоторых микроорганизмов и в восках растений присутствуют жирные кислоты, чьи углеводородные радикалы имеют точки ветвления (обычно в виде метильных групп). Если ветвлений немного, и все они приходятся на четные положения (у углеродных атомов 2, 4 и т. д.), то процесс b-окисления происходит по обычной схеме с образованием ацетил- и пропионил-СоА. Если же метильные группы расположены у нечетных атомов углерода, процесс b-окисления блокируется на стадии гидратирования. Это следует учитывать при производстве синтетических детергентов: чтобы обеспечить их быструю и полную биодеградацию в окружающей среде, надо к массовому потреблению допускать лишь варианты с неразветвленными углеводородными цепями.

  Окисление ненасыщенных жирных кислот. Этот процесс осуществляется с соблюдением всех закономерностей b-окисления. Однако большинство природных ненасыщенных жирных кислот имеет двойные связи в таких местах углеводородной цепи, что последовательное удаление двууглеродных фрагментов с карбоксильного конца дает ацил-СоА-производное, у которого двойная связь находится в положении 3—4. К тому же двойные связи природных жирных кислот имеют цис-конфигурацию. Чтобы смогла осуществиться стадия дегидрирования с участием b-гидроксиацил-СоА-дегидрогеназы, специфичной к L-формам b-гидроксиацил-СоА, необходима дополнительная стадия ферментативной изомеризации, в ходе которой двойная связь в молекуле СоА-производного жирной кислоты перемещается из положения 3—4 в положение 2—3 и изменяется конфигурация двойной связи из цис- в транс-. Такой метаболит служит субстратом еноил-гидратазы, превращающей транс-еноил-СоА в L-b-гидроксиацил-СоА.

  В тех случаях, когда перенос и  изомеризация двойной связи оказываются  невозможными, такая связь восстанавливается  при участии NADPH. Последующая деградация жирной кислоты происходит по обычному механизму b-окисления.

  Второстепенные  пути окисления жирных кислот. b-Окисление представляет собой основной, но не единственный путь катаболизма жирных кислот. Так, в клетках растений обнаружен процесс a-окисления жирных кислот, содержащих в составе 15—18 атомов углерода. Этот путь включает первичную атаку жирной кислоты пероксидазой в присутствии перекиси водорода, в результате чего карбоксильный углерод отщепляется в виде СО₂, а атом углерода в a-положении окисляется до альдегидной группы. Затем альдегид окисляется при участии дегидрогеназы в высшую жирную кислоту, и процесс повторяется снова (рис. 9.2). Однако этот путь не может обеспечить полного окисления. Он используется лишь для укорочения цепей жирных кислот, а также в качестве обходного пути, когда b-окисление оказывается заблокированным из-за присутствия боковых метильных групп. Процесс не требует участия СоА и не сопровождается образованием АТР.

  Некоторые жирные кислоты могут также подвергаться окислению по w-углеродному атому (w-окисление). В этом случае СН₃- группа подвергается гидроксилированию под действием монооксигеназы, в ходе которого возникает w-оксикислота, которая затем окисляется до дикарбоновой кислоты. Дикарбоновая кислота может укорачиваться с любого конца посредством реакций b-окисления.

Рис. 9.2. Процесс a-окисления жирных кислот

  Подобным  образом в клетках микроорганизмов  и некоторых тканей животных происходит расщепление насыщенных углеводородов. На первой стадии с участием молекулярного кислорода происходит гидроксилирование молекулы с образованием спирта, который последовательно окисляется в альдегид и карбоновую кислоту, активируется присоединением СоА и вступает в путь b-окисления.

9.2. Катаболизм углеводов

  Основными источниками углерода и энергии, а значит, и пищевыми субстратами для большинства организмов (исключая растения) служат углеводы. Среди них на планете в наибольшей мере распространены целлюлоза, ее производные и крахмал. Кроме этих полисахаридов, большое значение имеют гликоген, инулин, хитин, ксиланы, пектиновые вещества и др. Большинство перечисленных полисахаридов расщепляется при участии специфических ферментов на моносахариды, среди которых преобладают гексозы и пентозы. Зачастую расщепление поли- и олигосахаридов осуществляется при участии ферментов фосфорилаз, и тогда образованные продукты оказываются фосфорилированными.

  Особенностью  сахаров является наличие при  каждом атоме углерода атома кислорода, что делает возможным химическую атаку этих субстратов практически в любой точке молекулы. Кроме того, моносахариды и в первую очередь их фосфорилированные формы способны к изомеризации: карбонильные группы, атомы водорода могут легко перемещаться в соседнее положение или изменять свое пространственное положение в молекуле с помощью изомераз. Таким образом, появляется возможность перехода от любой гексозы или пентозы к любой другой, изомерной ей. По этой причине, несмотря на многообразие и сложность процессов обмена углеводов, можно выделить несколько типичных путей их превращения, в частности катаболизма, имеющих выраженные отличительные особенности. Такими путями служат: гликолиз, пентозофосфатные пути и путь Энтнера—Дудорова.

  К закономерностям катаболизма моносахаридов  относится обязательная начальная  стадия активации свободных моноз, которая осуществляется в ходе фосфорилирования. В результате образуются фосфорные эфиры моносахаридов, способные вступать в дальнейшие превращения.

  Гликолиз. Этот способ катаболизма сахаров называют иначе фруктозо-1,6-дифосфатным путем (по названию ключевого соединения) или путем Эмбдена—Мейергофа—Парнаса (по именам его исследователей).

  Гликолиз  считается наиболее универсальным и самым выгодным с энергетической точки зрения путем катаболизма гексоз. Процесс открыт в 1897 г. братьями Бухнерами, и его название происходит от двух греческих корней: glicos — сахар и lysis — растворять. В ходе гликолиза происходит не требующее участия молекулярного кислорода многоэтапное превращение гексоз в пируват, что сопровождается образованием АТР и восстановительных эквивалентов.