Основы биохимии - Филиппович Ю. Б. 1999

Взаимосвязь и регуляция обмена веществ
Взаимосвязь процессов обмена веществ

Было бы большой ошибкой думать, что обмен различных классов ор­ганических соединений осуществляется независимо друг от друга. Между тем в такую ошибку легко впасть, так как по необходимости изучение превраще­ний веществ, принадлежащих к различным классам, ведется раздельно. Поэ­тому, рассмотрев вопросы обмена белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов, необходимо разобраться во взаимосвязях между этими процессами и закономерностями их регуляции.

Если обратиться к первичному биосинтезу органического вещества, то легко убедиться в том, что первым стабильным соединением, которое образу­ется в результате фиксации СО₂ на рибулозо-1,5-дифосфате, является 3-фосфоглицериновая кислота. Уже от этого простейшего соединения начинаются цепи реакций, ускоряемых ферментами, в результате которых синтезируются угле­воды, аминокислоты, глицерин, высшие жирные кислоты, полиизопреноиды, стеролы и другие соединения. Из аминокислот, СО₂ и NH₃ возникают пурино­вые и пиримидиновые основания. Следовательно, прямым продолжением первичной фиксации СО₂ сразу являются многообразные процессы создания мономеров, из которых далее строятся биополимеры (полисахариды, белки, нуклеиновые кислоты и т. п.), разнообразные липиды и многие другие ор­ганические соединения, входящие в состав растений, животных и микробов.

Однако уже у автотрофов наряду с прямым, первичным биосинтезом органических веществ осуществляется новообразование органических соедине­ний одних классов за счет таковых других классов. Такого рода превращения достигают своего расцвета у гетеротрофов, где не только в процессе питания, но и в ходе жизнедеятельности идет перестройка белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и многих других соединений через ключевые метаболиты промежуточного обмена, в первую очередь через пировиноградную кислоту (ПВК), а-кетоглутаровую и щавелевоуксусную кислоту (ЩУК) и ацетил-КоА (схема 14).

Следовательно, взаимопереходы между отдельными классами органиче­ских соединений — естественное, неизбежное и крупномасштабное явление в живой природе.

Рассмотрим несколько подробнее, как они осуществляются в ряде конкрет­ных случаев.

Взаимосвязь обмена нуклеиновых кислот и белков выражается прежде всего в том, что новообразование как нуклеозидтрифосфатов, так и самих нукле­иновых кислот зависит от наличия в клеточном содержимом соответствующе­го набора белков-ферментов (ДНК- и РНК-полимераз, лигаз, топоизомераз, а также ферментов биосинтеза пуриновых и пиримидиновых циклов). Кроме того, именно аминокислоты (аспарагиновая — в случае пиримидиновых нукле­отидов и глицин, аспарагиновая кислота и глутамин — в случае пуриновых нуклеотидов) служат основными исходными соединениями для построения пиримидинового и пуринового колец. Вместе с тем новообразование белков по матричной схеме невозможно без участия всех видов РНК и, естественно, ДНК, на которой в качестве матрицы возникают рибонуклеиновые кислоты. Поэтому многие исследователи полагают, что в истории развития жизни на Земле биосинтез белков представлял процесс первичный, а биосинтез нукле­иновых кислот — явление вторичное, призванное в основе своей обслуживать биосинтез белка. В свою очередь, в процессе уриколиза образуется глиоксиловая кислота. Путем переаминирования она может превращаться в глицин, и, следовательно, известная часть этой аминокислоты может возникать за счет распадающихся пуриновых оснований.

Схема 14. Взаимосвязь обмена главных классов органических соединений

Взаимосвязи в обмене нуклеиновых кислот и углеводов многообразны. Во-первых, в процессе апотомического распада углеводов образуется рибозо-5-фосфат, из которого возникает 5-фосфорибозил-1-пирофосфат, служащий совершенно незаменимым соединением для биосинтеза пуриновых и пирими­диновых нуклеотидов. Именно 5-фосфорибозил-1-пирофосфат принимает на себя недостроенную молекулу пиримидина и именно на 5-фосфорибозил-1- пирофосфате начинает строиться имидазольный цикл будущего пуринового кольца. Таким образом, ß,D-рибоза и ß,D-дезоксирибоза, являющиеся непре­менными составными частями пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов, поступает в нуклеиновые кислоты за счет распадающихся углеводов.

Во-вторых, в известной мере, и распад нуклеиновых кислот может служить источником соединений, служащих для биосинтеза углеводов, так как вы­свобождаемая при гидролизе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов ри­боза, включаясь в общий круговорот углеводов в организме, может пе­реходить в рибозо-5-фосфат, из которого легко строится глюкозо-6-фосфат. Взаимопереходы последнего в фосфорные эфиры других моносахаридов ши­роко известны.

В-третьих, распадающиеся углеводы поддерживают на определенном уров­не субстратное и окислительное фосфорилирование АДФ, т. е. обеспечивают биосинтез АТФ. Последняя абсолютно необходима для превращения нуклеозидмонофосфатов в нуклеозидтрифосфаты — субстраты для полимераз. Сле­довательно, от наличия в организме сахаров и интенсивности их распада зависит объем биосинтеза нуклеиновых кислот. Лишь у фотосинтезирующих и хемосинтезирующих организмов эта зависимость может быть ослаблена за счет использования АТФ, возникшей в результате фотосинтетического и хемо­синтетического фосфорилирования.

Наконец, в четвертых, биосинтез углеводов в значительной мере зависит от нуклеинового обмена. Эта зависимость выражается в том, что известная часть уридинтрифосфорной кислоты используется для биосинтеза УДФ-глюкозы — важнейшего продукта, гликозидные остатки с которого переносятся на нередуцирующий конец молекулы синтезируемого глюкана. Аналогична роль гуанозиндйфосфатглюкозы в биосинтезе целлюлозы и ряда других нуклеозиддифосфатсахаров в новообразовании тех или иных гексозанов и пентозанов. Все это совершенно по-новому ставит вопрос о зависимости специфического биосинтеза сложных углеводов от обмена соединений нукле­отидной природы.

Формы связи обмена нуклеиновых кислот и липидов разработаны мало. Ни те ни другие не являются непосредственными источниками соединений, кото­рые могли бы использоваться для построения нуклеиновых кислот за счет липидов или наоборот. Следовательно, «субстратная» форма связи не харак­терна для обмена нуклеиновых кислот и липидов, хотя, конечно, через посред­ство углеводов и белков в конце концов может осуществляться частичный переход от первых ко вторым и обратно.    

Что касается иного типа взаимосвязей обмена нуклеиновых кислот и липидов, то они выявляются более отчетливо. При распаде пиримидино­вых оснований возникает ß-аланин — аминокислота, используемая для био­синтеза коэнзима А, столь необходимого как для новообразования, так и для деструкции высших жирных кислот. Несомненно, что ß-окисление высших жирных кислот — составных частей большинства липидов — служит источником для поддержания на достаточном уровне синтеза нуклеозид- трнфосфатов, если указанное окисление сопряжено с фосфорилированием и новообразованием АТФ. Так же, как и в биосинтезе углеводов, большую роль в биосинтезе некоторых липидов играют нуклеозиддифосфатсоединения, для образования которых расходуются соответствующие нуклеозидтрифосфаты. Так, для биосинтеза ЦДФ-холина или ЦДФ-коламина — важнейших метаболитов в синтезе фосфатидов — необходим ЦТФ — метаболит нукле­инового обмена.

Связующим звеном в обмене белков и углеводов при переходе первых во вторые и особенно вторых в первые служит ПВК. Являясь главным конечным продуктом дихотомического распада углеводов, ПВК служит исходным веще­ством для биосинтеза аланина, валина и лейцина. При ее карбоксилировании образуется щавелевоуксусная кислота, из которой строится новая группа аминокислот — аспарагиновая кислота, треонин, метионин, изолейцин и ли­зин. Вступая в цикл трикарбоновых и дикарбоновых кислот, ПВК использует­ся для биосинтеза а-кетоглутаровой кислоты, из которой образуются глута­миновая кислота, пролин и аргинин. Предшественник ПВК — 3-фосфоглицериновая кислота — является исходным соединением для синтеза серина, глицина, цистина и цистеина.

Наконец, промежуточные продукты апотомического и дихотомического распада углеводов незаменимы в синтезе остальных постоянно встречаю­щихся в белках аминокислот: на рибозо-5-фосфате строится имидазольное кольцо гистидина, а из эритрозо-4-фосфата и фосфоенолпировиноградной кислоты синтезируется шикимовая кислота, из которой образуются фени­лаланин, тирозин и триптофан. Таким образом, у аутотрофов из углеводов при наличии источника аммиака в организме могут синтезироваться все аминокислоты, постоянно встречающиеся в белках. Естественно, что из них образуются белки, и, следовательно, переход углеводов в белковые тела представляет основной вид взаимосвязи обмена указанных двух классов соединений.

Возможен и обратный процесс. Многие аминокислоты (аланин, фенилала­нин, тирозин, гистидин, триптофан, серин, цистеин) содержат в своем составе трехуглеродный фрагмент, из которого в процессе распада указанных амино­кислот возникают ПВК и ее дериваты. Дезаминирование глутаминовой и ас­парагиновой кислот ведет к образованию а-кетоглутаровой и щавелевоуксус­ной кислот соответственно, которые при посредстве цикла трикарбоновых и дикарбоновых кислот переходят в ПВК. Такова же судьба пролина, который легко превращается в глутаминовую кислоту, а из нее — в пировиноградную. Следовательно, подавляющее большинство аминокислот может явиться в ор­ганизме источником для образования ПВК. От последней несложен переход к углеводам посредством в основном обращения реакций дихотомического распада фруктозо-1,6-дифосфата.

Из других форм взаимосвязи обмена белков и углеводов привлекают внимание две. Многочисленные белки-ферменты обслуживают процессы рас­пада и синтеза углеводов в организме. В свою очередь, распад углеводов, сопряженный с синтезом АТФ из АДФ и неорганического фосфата, энергетиче­ски обеспечивает белковый синтез в клетке.

Взаимосвязь обмена белков и липидов выражается в том, что распад липи­дов, как и распад углеводов, обеспечивает, с одной стороны, исходные соеди­нения для биосинтеза аминокислот (а из них белков) и, с другой стороны, не менее, а может быть, более, чем углеводы, поддерживает образование белков энергетически.

Одним из основных продуктов распада липидов, в частности высших жир­ных кислот, возникающих при гидролизе триглицеридов, фосфатидов или стеридов, является ацетил-КоА. Включаясь в цикл трикарбоновых и дикарбо­новых кислот, он обеспечивает синтез а-кетоглутаровой кислоты, превращение которой в аминокислоты рассмотрено выше. Поступая в глиоксилевый цикл, ацетил-КоА служит для расширенного воспроизводства в организме щавеле­воуксусной кислоты, а из нее — ПВК. Из обеих названных кислот также синтезируются аминокислоты.

Обмен глицерина, высвобождаемого при гидролизе триглицеридов, через углеводы ведет к таким аминокислотам, как гистидин, фенилаланин, тирозин и триптофан. Следовательно, все постоянно встречающиеся в белках амино­кислоты могут синтезироваться за счет распадающихся липидов.

В известной мере, возможен синтез липидов за счет распадающихся белков. В предыдущем разделе было показано, что при распаде ряда аминокислот образуется ПВК. При ее окислительном декарбоксилировании возникает ацетил-КоА — исходное соединение для синтеза высших жирных кислот, стеролов и других составных частей липидов. ПВК может также превратить­ся в фосфоглицерин (путем обращения реакций дихотомического распада углеводов) — другой важный компонент липидов. Однако такого рода пере­ход вряд ли широко осуществляется в нормальных условиях жизнедеятель­ности.

Энергетическая роль липидоц, особенно триглицеридов, общеизвестна. По­тенциальные возможности для синтеза АТФ сопряженно с окислением высших жирных кислот огромны. Известны случаи, когда распад липидов является единственным источником энергии для биосинтеза белка (например, при синтезе фиброина и серицина шелка в шелкоотделительной железе коконо­прядущих насекомых).

Говоря о взаимосвязи обмена белков и липидов, нельзя обойти вопрос о влиянии последних на процесс биосинтеза белков. Твердо установлено, что рибосомальный синтез белка протекает во много раз энергичнее, если рибосо­мы связаны с липопротеиновыми мембранами.

Углеводы и липиды очень легко взаимопревращаготся в организме; связу­ющими соединениями при этих переходах служат ПВК в ацетил-КоА.

Пировиноградная кислота — основной продукт дихотомического распада углеводов, при окислительном декарбоксилировании дает ацетил-КоА, кото­рый служит для синтеза высших жирных кислот, стеролов, каротиноидов и других полиизопреноидов. Столь же легко осуществляется переход от углеводов к фосфоглицерину, необходимому для синтеза простых и сложных липидов.

Ацетил-КоА и глицерин — главные продукты распада липидов — служат исходными соединениями для синтеза углеводов. Ацетил-КоА при посредстве глиоксилевого цикла переходит в ПВК, а из нее — в углеводы путем обраще­ния реакций дихотомического распада последних.

Превращение глицерина в углеводы идет через 3-фосфоглицериновый аль­дегид, а затем описанным выше способом.

Сказанное не исчерпывает всего многообразия взаимосвязей обмена бел­ков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов и других соединений. Между ними существуют более сложные, нежели простое использование в качестве субстратов, формы взаимозависимости. Так, вещества, образующиеся в про­цессе обмена соединений одного класса, оказывают глубочайшее влияние на обмен веществ, относящихся к другому классу. Превосходным примером подобного типа взаимосвязи обмена белков и нуклеиновых кислот может служить образование информационной РНК, служащей матрицей для биосин­теза специфических белков, с одной стороны, и блокирование синтеза иРНК определенного вида белками — с другой.

Общеизвестно, что никакие реакции обмена невозможны без специфиче­ских белков-ферментов, и в этом смысле белковый обмен определяет ход превращений соединений, относящихся к другим классам. Решающее значение имеет ход окислительного фосфорилирования и создание резервов АТФ в клетке. От уровня последней в клеточном содержимом зависит, в свою очередь, весь ход обмена веществ, ибо АТФ обеспечивает энергетические потребности биосинтеза соединений всех классов. Число подобных примеров глобальной взаимозависимости и взаимообусловленности обмена белков, нук­леиновых кислот, углеводов, липидов и других соединений огромно. В сово­купности они и составляют учение о регуляции обмена веществ. Но каждый из них в отдельности подчеркивает ту или иную форму взаимосвязи обмена веществ в организме.