Окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ

Такой тип биологического окисления может осуществляться несколькими способами:

– на уровне субстрата (субстратное фосфорилирование); сосредоточено в растворимой части клеток;

– на уровне электроннотранспортной цепи (окислительное фосфорилирование); сопряжение идет на внутренних мембранах митохондрий.

Механизм фотосинтетического и хемосинтетического фосфорилирования АДФ, сопровождающегося биосинтезом АТФ, близок к таковому при окислительном фосфорилировании в митохондриях.

Примерами сопряжения окисления с фосфорилированием на уровне субстра-
та могут служить реакции окисления 3-фосфоглицеринового альдегида
в 1,3-дифосфоглицериновую кислоту, 2-фосфоглицериновой кислоты – в
2-фосфоенолпировиноградную, a-кетоглутаровой кислоты – в янтарную.

Однако посредством реакций субстратного фосфорилирования образуется сравнительно небольшое количество АТФ. Главная масса АТФ у аэробных организмов синтезируется путем окислительного фосфорилирования в митохондриях.

Вопросы и задачи

1. Какой процесс называют биологическим окислением?

2. Какие ферменты катализируют окислительно-восстано­вительные реакции?

3. Каковы функции свободного окисления?

4. Назовите типы окисления, сопряженного с фосфорилированием?

5. Где осуществляется окислительное фосфорилирование?

Рекомендуемая литература

1. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и задачами / Под ред. чл. - корр. РАН, проф. Е.С. Северина, проф. А.Я. Николаева. – М.: ГЭОТАР- МЕД, 2001. – 448 с.

2. Биохимия / В.Г.Щербаков, В.Г. Лобанов, Т.Н. Прудникова и др.; Под ред. В.Г. Щербакова. – СПб.: ГИОРД, 2003. – 440 с.

3. Жеребцов Н.А., Попова Т.Н., Артюхов В.Г. Биохимия. – Воронеж: Изд-во Воронеж. гос. ун-та, 2002. – 696 с.

4. Филлипович Ю.Б. Основы биохимии: Учебник для хим. и биол. спец. ун-тов и ин-тов. – М.: Изд-во «Агар», 1999. – 512 с.

5. Эллиот В. Биохимия и молекулярная биология / В. Эллиот, Д. Эллиот; Под ред. А.И. Арчакова, М.П. Кирпичникова, А.Е. Медведева, В.П. Скулачева. – Пер. с англ. О.В. Добрыниной, И.С. Севериной, Е.Д. Скоцеляс и др. – М.: МАИК «Наука Интерпериодика», 2002. – 446 с.

ГЛАВА 14. ВЗАИМОСВЯЗЬ ПРОЦЕССОВ
ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ

Обмен различных классов органических соединений (белков, жиров, углеводов, липидов) независимо друг от друга осуществляться не может. Биохимические процессы представляют собой единый комплекс в живом организме. Процессы синтеза и распада взаимосвязаны, регулируются различными механизмами, придающими химическим процессам нужное направление. Все превращения взаимообусловлены, возможны взаимопревращения между отдельными классами органических веществ.

Основная задача клеточного метаболизма заключается в получении макроэргических соединений и метаболитов для различных биосинтезов. Существуют четыре главных этапа распада молекул углеводов, белков и жиров, которые интегрируют образование энергии из основных пищевых источников. На первом этапе полисахариды расщепляются до моносахаридов, жиры распадаются на глицерин и высшие жирные кислоты, а белки – на аминокислоты. Этап можно назвать подготовительным, так как сложные органические вещества (полимеры) распадаются на простые (мономеры). В основном процессы на этом этапе являются гидролитическими, освобождающаяся в небольшом количестве энергия почти целиком используется организмом в качестве тепла.

На втором этапе мономерные молекулы подвергаются дальнейшему распаду, в процессе которого образуются богатые энергией фосфатные соединения и ацетил- КоА. При гликолизе, например, гексозы расщепляются до пировиноградной кислоты и далее до ацетил-КоА. Этот процесс сопровождается образованием ограниченного числа богатых энергией фосфатных связей путем субстратного фосфорилирования. Высшие жирные кислоты на втором этапе распадаются до ацетил-КоА,а глицерин окисляется по глиголитическому пути до пировиноградной кислоты и далее до ацетил-КоА. Аминокислоты могут непосредственно превращаться в метаболиты лимонного цикла (глутамат, аспартат), другие – опосредованно через глутамат (пролин, гистидин, аргинин), третьи – в пируват и далее в ацетил-КоА (аланин, серин, глицин, цистеин). Ряд аминокислот, в частности, лейцин, изолейцин, расщепляются до ацетил-КоА, а из фенилаланина и тирозина, помимо ацетил-КоА, образуется оксалоацетат через фумаровую кислоту. Второй этап, таким образом, можно назвать этапом образования ацетил-КоА, являющимся единым (общим) промежуточным продуктом катаболизма основных пищевых веществ в клетках.

На третьем этапе ацетил-КоА и другие метаболиты подвергаются окислению («сгоранию») в цикле ди- и трикарбоновых кислот Кребса. Окисление сопровождается образованием восстановленных форм НАДФ + Н⁺ и ФАДН₂.

На четвертом этапе осуществляется перенос электронов от восстановленных нуклеотидов на кислород (через дыхательную цепь). Он сопровождается образованием конечного продукта – молекулы воды. Этот транспорт электронов сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирования.

В организме существуют прямые переходы различных классов веществ друг в друга и имеет место тесная энергетическая связь, когда энергетические потребности могут обеспечиваться окислением какого-либо одного класса органических веществ при недостаточном поступлении с пищей других (рис. 47).

Кетогенные аминокислоты, образующие в процессе обмена ацетоуксусную кислоту (ацетоацетил-КоА), могут непосредственно участвовать в синтезе жирных кислот и стеринов. Аналогично могут использоваться гликогенные аминокислоты через ацетил-КоА, но после предварительного превращения в пируват. Специализированные липиды, например, фосфоглицерины, имеют своим источником аминокислоты и их производные.

Рис. 47. Взаимосвязь белков, жиров и углеводов

Продукты гидролиза триацилглицеролов, в частности, высшие жирные кислоты, участвуют непосредственно в образовании сложных белков – липопротеинов плазмы крови.

Из большинства аминокислот непосредственно или через побочные метаболитические пути возможен синтез глюкозы.

Синтез незаменимых аминокислот из продуктов обмена углеводов и жиров в организме животных отсутствует. Организм, однако, может нормально развиваться исключительно на белковом питании (т.е. возможен синтез углеводов из белков). Из схемы (рис. 47) видно, что имеются различные пути взаимопревращений жиров и углеводов. Давно доказано превращение углеводов в жиры. Глицерин, входящий в состав триацилглицеролов и фосоглицеринов, может легко образовываться из промежуточных метаболитов гликолиза, в частности, из глицеральдегид-3-фосфата. Основным путем превращения углеводов в жиры является путь образования высших жирных кислот из ацетил-КоА, который образуется при окислительном декарбоксилировании пирувата. Последняя реакция практически необратима, поэтому образования углеводов из высших жирных кислот почти не происходит. Синтез углеводов из жиров в принципе может происходить только из глицерина (в обычных условиях реакция сдвинута в обратную сторону). Ацетил-КоА, образующийся в процессе обмена углеводов, жиров и ряда аминокислот, служит пусковым субстратом для синтеза жирных кислот, как и для цикла трикарбоновых кислот. Для окисления ацетил-КоА в этом цикле требуется оксалоацетат, который может синтезироваться из пировиноградной кислоты и СО₂ благодаря реакции карбоксилирования или образовываться из аспарагиновой кислоты в процессе трансаминирования с a-кетоглутаратом. Две молекулы ацетил-КоА, конденсируясь, образуют ацетоуксусную кислоту (ацетоацетат), которая является источником других кетоновых тел в организме, в частности,
b-оксимасляной кислоты и ацетона. Реакции конденсации двух молекул ацетил-КоА составляют начальные этапы синтеза холестерина, в свою очередь являющегося предшественником гормонов стероидной природы, витамина D₃, а также желчных кислот.

Галактоза (частично глюкоза) используется для биосинтеза цереброзидов и гликолипидов, выполняющих важные и специфические функции в деятельности ЦНС. В этом синтезе участвуют не свободные моносахариды, а гексозамины (галактозамин и глюкозамин), биосинтез которых требует доставки амидного азота глутамина.

Многообразие взаимопревращений органических веществ не ограничивается перечисленными примерами. Метаболитические превращения сложны и разнообразны, понимание их и раскрытие молекулярных механизмов химических процессов необходимо для определения физиологического состояния организма, понимания патологического процесса.