Катаболизм

КАТАБОЛИЗМ

Если процесс катаболизма рассматривать с общей точки зрения, то можно выделить три основные его части:

Катаболизм основных пищевых веществ

1. Расщепление в пищеварительном тракте. Это гидролитические реакции, превращающие сложные пищевые вещества в относительно небольшое число простых метаболитов: глюкоза, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты.
2. Специфические пути катаболизма. Простые метаболиты подвергаются специфическим реакциям расщепления, в результате которых образуется либо пировиноградная кислота, либо ацетил - СоА. Причем ацетил - СоА может образоваться из пирувата в результате окислительного декарбоксилирования. Могут также образоваться другие соединения, непосредственно включающиеся в цитратный цикл.
3. Цитратный цикл и дыхательная цепь завершают расщепление пищевых веществ до конечных продуктов - СО2 и Н2О.

Следовательно, начиная со стадии образования пирувата происходит унификация путей катаболизма. Из большого числа исходных соединений образуется всего два - пируват и ацетил - СоА. Процесс, начинающийся от пирувата, называется общим путем катаболизма и в свою очередь включает:

        окислительное декарбоксилирование пирувата

        цитратный цикл.

Именно в общем пути катаболизма образуется основная масса субстратов для реакций дегидрирования. Совместно с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТР.

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

Суммарный результат многостадийной реакции выглядит следующим образом:

Реакция катализируется тремя ферментами, работающими в определенной последовательности и объединенными в пируватдегидрогеназный комплекс:

Пируватдегидрогеназный комплекс

Этот комплекс ферментов работает подобно конвейеру, в котором продукт передается от фермента к ферменту. Такой принцип повышает эффективность работы ферментов, так как снижает случайность в контакте реагирующих веществ с ферментом. Далее приводятся названия ферментов и характеристика катализируемых реакций.

1. Пируватдекарбоксилаза (1). В качестве кофермента в реакции участвует тиаминдифосфат - производное витамина В1. Фермент катализирует отщепление карбоксильной группы в виде СО2, а ацетильный остаток присоединяет к липоевой кислоте - коферменту второго фермента. Получается ацетил-липоат.
2. Дигидролипоат-ацетилтрансфераза(2) - второй фермент комплекса. Катализирует перенос ацетильного остатка, соединенного с липоевой кислотой на второй кофермент HS-СоА с образованием ацетил-СоА. Таким образом, в этой реакции участвуют два кофермента: липоевая кислота, прочно соединенная с ферментом, и кофермент А, объединяющийся с ферментом в момент реакции. Водород остается связанным с липоевой кислотой, которая превращается в дигидролипоат.
3. Дегидрогеназа дигидролипоевой кислоты (3) отщепляет водород от липоевой кислоты и переносит его на NAD+. Далее водород транспортируется дыхательной цепью

Строение HS-CoA

Главные продукты реакции - это NADH+H+ и ацетил-СоА. NADH+H+ далее окисляется в дыхательной цепи, где энергия используется на синтез 3 моль АТР, а ацетил-СоА окисляется в цитратном цикле. Пируватдекарбоксилазный комплекс находится на внутренней мембране митохондрий и соединен с ней со стороны матрикса.

Цитратный цикл

Цитратный цикл (цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот) - это система реакций, приводящая к полному окислению двухуглеродного ацетильного фрагмента, имеющего различное происхождение. Цитратный цикл является общим конечным путем окисления белков, жиров и углеводов. Все реакции цитратного цикла, как и окислительного декарбоксилирования пирувата, локализованы в митохондриях. В ходе одного полного цикла происходит:

        полное окисление ацетильного остатка до двух молекул СО2;

        образование трех молекул восстановленного NAD+ и одной молекулы FADH2;

        образование одной молекулы GTP в результате субстратного фосфорилирования.

Реакции цитратного цикла, ферменты и их характеристика приведена на рисунке:

Схема цитратного цикла; ферменты: 1- пируватдегидрогеназный комплекс, 2- цитратсинтаза, 3- аконитаза, 4- изоцитратдегидрогеназа, 5-  -кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, 6- сукцинил-КоА-тиокиназа, 7- сукцинатдегидрогеназа, 8- фумараза, 9- малатдегидрогеназа

Сопряжение общих путей катаболизма с дыхательной цепью

В общих путях катаболизма происходит пять реакций дегидрирования: одна на стадии окислительного декарбоксилирования пирувата и четыре в цитратном цикле. Все 10 атомов водорода переносятся на коферменты дегидрогеназ, которые в свою очередь окисляются в дыхательной цепи. Окисленные коферменты возвращаются в реакции общих путей катаболизма. Регенерация коферментов - это обязательное условие для протекания реакции дегидрирования. Таким образом, общий путь катаболизма и дыхательная цепь непрерывно связаны между собой и отдельно функционировать не могут.

Энергетика цитратного цикла и общих путей катаболизма

За один оборот цитратного цикла синтезируется 12 молекул АТР. Девять из них образуются за счет энергии транспорта в дыхательной цепи трех пар водорода от трех молекул NADH + H+. Две молекулы АТР синтезируются при окислении 1 молекулы FADH2, так как в дыхательной цепи в данном случае действуют только два пункта сопряжения с окислительным фосфорилированием ADP. Кроме того, в цитратном цикле происходит одна реакция субстратного фосфорилирования, дающая 1 моль GTP (АТР). В общих путях катаболизма синтезируется 15 молекул АТР. Три из них при окислительном декарбоксилировании пирувата и 12 - в цитратном цикле.

Регуляция общих путей катаболизма

Главным фактором, регулирующим скорость дыхания и фосфорилирования, являются энергетические потребности организма. Основная масса восстановленных эквивалентов для дыхательной цепи поступает из общих путей катаболизма. Следовательно, регуляция общих путей катаболизма и дыхательной цепи тесно связана. Все контролирующие механизмы осуществляются на уровне ферментов и многие из них с помощью аллостерических эффекторов. Для оценки энергетического состояния клетки используют величину энергетического заряда, отражающего соотношение концентрации ATP к продуктам ее распада - ADP и AMP. При увеличении энергетического заряда в клетке (в состоянии покоя) скорость реакций общих путей катаболизма снижается, а при уменьшении энергетического заряда - увеличивается. Это достигается тем, что ATP действует как аллостерический ингибитор, а ADP и AMP - как аллостерические активаторы некоторых ферментов:

Реакции цитратного цикла и регуляция общего пути катаболизма

Другой механизм регуляции связан с необходимостью регенерации NAD+ в дыхательной цепи. При уменьшении расхода АТР в клетке скорость дыхания митохондрий снижается (дыхательный контроль), уменьшается также скорость окисления NADH в дыхательной цепи и увеличивается концентрация NADH. В этом случае NADH ингибирует некоторые ферменты общих путей катаболизма, что приводит к замедлению реакций катаболизма и, следовательно, замедлению наработки восстановленных коферментов и уменьшению синтеза АТР. При увеличении энергетических потребностей организма происходит все наоборот. Ряд промежуточных продуктов цитратного цикла служат предшественниками для синтеза необходимых организму веществ. Так сукцинил-СоА используется для синтеза гема, оксалоацетат и  -кетоглутарат - для синтеза аспарагиновой и глутаминовой кислот. Очевидно, что выведение хотя бы одного метаболита нарушает работу цикла, так как уменьшает регенерацию оксалоацетата. Для компенсации концентрации метаболитов цикла в митохондриях происходит реакция карбоксилирования пирувата с образованием оксалоацетата. Таким образом, пируват включается в цитратный цикл двумя путями: окислительное декарбоксилирование с образованием ацетил-СоА, карбоксилирование с образованием оксалоацетата. Последнюю реакцию катализирует пируваткарбоксилаза, коферментом является биотин:

Гипоэнергетические состояния

Наиболее частой причиной гипоэнергетических состояний является гипоксия, возникновение которой в свою очередь связано с нарушением:

        поступления кислорода в кровь, что наблюдается при недостаточности О2 во вдыхаемом воздухе или нарушении легочной вентиляции;

        транспорта кислорода в ткани при нарушении кровообращения или снижении транспортной функции гемоглобина;

        функций митоходрий, вызванное действием ядов, разобщителей.

Кроме того, причиной гипоэнергетических состояний могут быть гиповитаминозы, так как в реакциях общих путей катаболизма и дыхательной цепи участвуют коферменты, содержащие витамины. Так, витамин В1 входит в состав тиаминдифосфата, В2 является составной частью FMN и FAD, витамин РР в виде никотинамида входит в состав NAD+ и NADP+, пантотеновая кислота - в состав кофермента А, биотин также выполняет коферментную функцию активации СО2.

Обмен белков. Катаболизм аминокислот. Конечные продукты обмена простых белков, выделение.

ПЛАН:

1.                    1. Декарбоксилирование аминокислот и роль биогенных аминов.

2.                    2. Пути образования аммиака.

3.                    3. Пути обезвреживания аммиака.

4.                    4. Конечные продукты обмена простых белков. Выделение.

Декарбоксилирование аминокислот и роль биогенных аминов

Распад аминокислот. Серосодержащие аминокислоты распадаются с образованием сероводорода и метилмеркаптана. Основными путями распада аминокислот являются – 1) дезаминирование – основной путь катаболизма аминокислот; 2) декарбоксилирование.

Декарбоксилированию подвергаются диаминомонокарбоновые аминоксилоты, циклические аминокислоты, а также асп, глу и производное цистина – цистеиновая кислота. При этом образуются биогенные, или протеиногенные амины (моноамины), а также полиамины. Всего в организме человека образуется более 40 биогенных аминов. Декарбоксилирование особенно интенсивно идет в печени, мозге и хромафинной ткани. Декарбоксилирование аминокислот усиливается при гипоксии, голодании, воспалении и аллергии. Злокачественные опухоли могут синтезировать биогенные амины (серотонин).

При декарбоксилировании гистидина образуется гистамин. Гистамин в нормальных условиях образуется в небольших количествах преимущественно в стенке желудка и стимулирует секрецию желудочного сока. При патологии гистамина образуется много, он способен расширять стенки сосудов, вызывая коллапс, повышать проницаемость сосудов (медиатор воспаления), вызывать бронхоконстрикцию (медиатор аллергии).

При декарбоксилировании 5-гидрокситриптофана образуется серотонин. Серотонина много в тромбоцитах и стенке кишечника. Этот биогенный амин способен сужать сосуды, усиливать перистальтику кишечника. Печень нейтрализует избыток серотонина. Если серотонина образуется много это сопровождается различными психическими расстройствами – страхами, галлюцинациями, депрессией. Серотонин в присутствии церулоплазмина способствует образованию производных фибрина, которые не поддаются фибринолизу. Кроме этого серотонин стимулирует коллагеногенез.

При декарбоксилировании глу образуется g-глу – ГАМК. Очень много этого амина образуется в головном мозге. ГАМК является тормозным медиатором. Кроме этого под влиянием ГАМК улучшается кровоснабжение мозга. Циклическое производное ГАМК – пирацетам используется для улучшения метаболизма в нейронах и улучшения памяти.

При декарбоксилировании асп образуется b-ала. b-ала является составной частью НSКоА., входит в состав специфических пептидов мышц: карнозина и ансерина.

При декарбоксилировании цистеиновой кислоты образуется таурин, который используется для образования парных ЖчК.

При декарбоксилировании лизина образуется кадаверин, орнитина – путресцин. Эти соединения имеют две аминогруппы и относятся к диаминам. В клетках они связываются с остатками метионина и образуются полиамины – спермин и спермидин (если одна молекула метионина, образуется спермин (метионилпутресцин), если присоединяются 2 молекулы метионина, то образуется спермидин, или диметионилпутресцин). Полиамины и диамины являются необходимыми в росте клеток. Установлено, что все основные ростостимулирующие воздействия сводятся к образованию полиаминов. Продукция полиаминов высока в опухолевых клетках и при регенерации ткани. Кроме этого полиамины являются противовоспалительными медиаторами.

Пути образования аммиака

Аммиак образуется во всех тканях, особенно в головном мозге, а обезвреживается преимущественно в печени и почках.

Пути образования аммиака: 1) дезаминирование аминокислот; 2) дезаминирование пуриновых оснований; 3) распад пиримидиновых оснований; 4) дезамидирование амидов; 5) дезаминирование биогенных аминов; 6) распад гексозаминов

Дезаминирование – основной путь распада (катаболизма) аминокислот. В сутки подвергается дезаминированию около 70г аминокислот. Различают следующие виды дезаминирования: 1) гидролитический

восстановительное дезаминирование

внутримолекулярное дезаминирование. Этому виду дезаминирования подвергаются асп, асн и гис

4) окислительное дезаминирование. Этот вид дезаминирования является основным, ему подвергается только глу. Процесс происходит под действием фермента – глутаматДГ, которая находится в активном виде, а все остальные оксидазы аминокислот неактивны при физиологическом значении рН. Поэтому аминокислоты, оксидазы которых неактивны, должны вначале перейти в глу путем переаминирования с a-КГ. Отсюда второе название этого вида дезаминирования – непрямое. Переаминированию подвергаются все 20 аминокислот кроме тре и лиз. Реакция переаминирования была открыта в 1937году Браунштейном и Крицманом

Т.о., при дезаминировании аминокислот получаются безазотистые остатки аминокислот, преимущественно кетокислоты и выделяется аммиак.