Центральные пути. 
БИОХИМИЯ Часть 2.

Как отмечалось ранее (гл. 15), одним из важнейших открытий метаболической биохимии было обнаружение того факта, что одни и те же реакции протекают при обмене различных групп соединений. Их объединили в одно.

Рис. 27.2. Взаимосвязь обмена белков, углеводов, липидов: I, II, III — этапы метаболизма понятие — центральные пути обмена, сходные у всех живых организмов, а образующиеся при этом равноценные метаболиты получили название ключевых.

В настоящее время принято выделять три главных этапа превращения основных биомолекул — белков, углеводов, липидов, — в процессе которых происходит генерация АТФ и образование структурных блоков, необходимых для реакций биосинтеза (рис. 27.2).

Более подробно интеграция обмена этих соединений, в том числе и нуклеиновых кислот, приведена на упрощенной метаболической карте (рис. 27.3), а многие из указанных на ней процессов освещены при описании обмена отдельных групп соединений (гл. 18—20; 23—26).

Рассмотрим превращения веществ на основных этапах метаболизма.

На первом этапе крупные молекулы (биополимеры) распадаются на основные структурные блоки (мономеры). Деградация молекул происходит преимущественно гидролитическим путем, реакции являются экзергоническими, но освобождающаяся энергия трансформируется преимущественно в тепловую форму, и генерации АТФ при этом нс происходит. Первый этап является специфичным для каждого класса соединений, соответственно катализируется специфичными ферментными системами и завершается образованием мономерных молекул — гексоз, аминокислот, глицерола, жирных кислот.

На втором этапе происходит превращение упомянутых выше мономерных молекул с образованием общих, равнозначных для всех групп соединений 3- или 2-углеродных фрагментов, а именно пирувата (С₃) или ацетил-КоА (С₂). Эти метаболиты получили название ключевых, поскольку именно через них осуществляется взаимосвязь между обменом различных веществ в организме на втором этапе метаболических превращений веществ. Пируват лежит в точке пересечения ряда метаболических путей. Ниже приведены пути метаболизма пирувата:

В процессе гликолиза молекула глюкозо-6-фосфата превращается в две молекулы пирувата, последний в анаэробных условиях восстанавливается до лактата. Третья важная реакция — окислительное декарбоксилирование пирувата, которое завершается образованием ацетил-КоА (С₂-фрагмент), который затем вовлекается в цикл трикарбоновых кислот. Через реакцию трансаминирования пируват связан с аминокислотами, а при окислении глицерола (метаболит липидов) образуются триозы (3-фосфоглицериновый альдегид или 3-фос;

Рис. 27.3. Интеграция обмена вешеств в клетке: в цвете — митохондриальный матрикс фодиоксианетон), который далее вовлекается в процесс гликолиза. Еше один путь метаболизма пирувата — его карбоксилированис и превращение в оксалоапетат. В дрожжах он способен метабол и зировать также с образованием этилового спирта. Реакция карбоксилирования позволяет пирувату либо включиться в процесс глюконеогенеза, либо образующийся из него оксалоацетат участвует в пополнении пула промежуточных метаболитов цикла ТКК, если клетка испытывает недостаток АТФ (гл. 19).

Ацетил-КоА представляет еще более разветвленный узел метаболических путей:

Через ацетил-КоА перекидывается мостик от моносахаридов и аминокислот к липидам. Основным источником ацетил-КоА является окислительное декарбоксилирование пирувата и р-окисление жирных кислот.

Таким образом, на втором этапе образуется практически единственный общий метаболит катаболизма биомолекул различных классов в клетках — активированная форма уксусной кислоты. Как отмечалось ранее (гл. I), по критерию химических свойств уксусная кислота из всех образующихся в обмене структурных молекул (двух-трех углеродных фрагментов) наиболее предпочтительна для использования в биологических системах как для реакций биосинтеза, так и последующего катаболизма до образования конечных продуктов. Следовательно, выбор ацетил-КоА в качестве основного центрального метаболита однозначно целесообразен, и в этом проявляется одно из свойств живой материи — принцип молекулярной целесообразности. Катаболизм ацетил-КоА — это его полное окисление до С0₂ в цикле ТКК, реакции же анаболического характера — синтез холестерола, кетоновых тел и жирных кислот.

Метаболические превращения второго этапа сопровождаются генерацией энергии в форме АТФ или генерированием восстановительных эквивалентов НАДФН, необходимых для реакций биосинтеза многих соединений. Незначительная часть АТФ при этом синтезируется путем субстратного фосфорилирования (гликолиз); основная часть — путем окислительного фосфорилирования.

Третий этап — это реакции цикла трикарбоновых кислот, процесса, наглядно демонстрирующего единство метаболических превращений. Это основной амфиболический путь, обеспечивающий, с одной стороны, полное окисление ацетил-КоА, образовавшегося при распаде веществ разных классов (аминокислоты, углеводы, липиды) до С0₂ и Н₂0, и, с другой стороны, — предоставляющий исходные соединения для биосинтеза различных соединений. Цикл трикарбоновых кислот играет также центральную роль в энергетическом обмене, восстановительные эквиваленты окислительных реакций цикла депонируются в форме НАДН и ФАДН₂, окисление которых в дыхательной цепи митохондрий сопровождается синтезом АТФ — универсальной энергетической «валюты» в организме.