Метаболические пути

Метаболические пути: что это?

Метаболизм – это совокупность химических реакций, происходящих в клетке. 

В обмене веществ выделяют две фазы:  

Катаболизм (включающий все реакции разрушения молекул, поставляемых из окружающей среды в виде питательных веществ) и анаболизм (подразумевающий все реакции синтеза биологических макромолекул и функционирование клеток: движение, деление, транспорт и т.п.).

Тысячи реакций, происходящих в одной клетке, можно разделить на шесть видов химических процессов:

1. Реакции окисления-восстановления;

2. Реакции переноса функциональной группы;

3. Гидролиз;

4. Негидролитическое расщепление;

5. Реакции изомеризации и перегруппировки;

6. Реакции образования связи с использованием энергии распада АТФ.

Метаболические реакции часто группируются в метаболические пути - последовательность процессов, связанных таким образом, что продукты одних реакций выступают в качестве реагентов для других. 

Семинары по антивозрастной медицине

Получайте знания, основанные на доказательной медицине из первых уст ведущих мировых специалистов. В рамках Модульной Школы Anti-Age Expert каждый месяц проходят очные двухдневные семинары, где раскрываются тонкости anti-age медицины для врачей более 25 специальностей

Узнать подробнее

Основные типы метаболических путей и их функции

Три основных пути метаболизма различаются по целям происходящих химических реакций. 

Это путь биосинтеза, при котором для образования связей требуется энергия. Пулы реагентов и промежуточных продуктов называются метаболитами. Происходящие химические реакции связаны со строительством или производством более крупных и сложных макромолекул из более простых микромолекул. 

Типичный пример — синтез сахара (глюкозы из CO2 и H2O). Другие примеры включают синтез жирных кислот из ацетил-КоА, синтез более крупных белков из строительных блоков аминокислот и синтез новых цепей ДНК из нуклеотидов. Эти реакции постоянно происходят в клетке и имеют решающее значение для ее выживания. Эти реакции требуют затрат энергии, которая обеспечивается аденозинтрифосфатом (АТФ) и другими высокоэнергетическими молекулами, такими как никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ). 

Выделим основные анаболические пути:

• Фотосинтез (синтез глюкозы из CO2 и H2O).

• Пентозофосфатный путь (синтез пентоз и высвобождение, снижающее мощность, необходимая для анаболических реакций).

• Глюконеогенез (синтез глюкозы из неуглеводных источников, в основном используемый мозгом).

• Биосинтез белка.

• Синтез жирных кислот.

• Гликогенез (синтез гликогена преимущественно из глюкозы происходит в печени и мышцах).

2. Катаболические пути

Они подразумевают химические реакции, включающие расщепление сложных макромолекул на более простые микромолекулы и, следовательно, высвобождение большого количества энергии связи. Типичный пример – распад сахара (глюкозы на CO2 и H2O). Во время этих реакций высвобождается энергия, запасенная в ковалентных связях. Эти пути также могут воздействовать на молекулы, запасающие энергию, такие как липиды и гликоген, для высвобождения энергии и производства АТФ.

Примеры катаболических путей:

• Гликолиз (расщепление или окисление глюкозы).

• Цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот или цикл лимонной кислоты), окисление ацетил-КоА.

• Окислительное фосфорилирование (удаление электронов, высвобождаемых в результате гликолиза и цикла Кребса).

• Бета-окисление жирных кислот (распад жирных кислот до ацетил-КоА).

• Цикл мочевины (утилизация аммиака, полученного в результате дезаминирования аминокислоты).

• Гликогенолиз (распад гликогена на глюкозу).

3. Амфиболические пути (смешанные)

Большинство метаболических реакций не происходят изолированно, а связаны с другими. Эти пути бывают линейными или круговыми. Промежуточный продукт одного пути (метаболит) также может выступать в качестве отправной точки другого пути. Например, расщепление дыхательных субстратов, таких как глюкоза, белок и жирные кислоты.

Когда глюкоза действует как респираторный субстрат, она сначала окисляется до пирувата, а затем до ацетил-КоА. Аналогичным образом бета-окисление жирных кислот приводит к образованию ацетил-КоА. Когда белок подвергается деградации, он образует либо пируват, либо ацетил-КоА. Но когда клетке необходимо подготовить глюкозу, жирную кислоту или белок, любой из этих пируват или ацетил-КоА может быть выведен из катаболического пути и направлен на синтез глюкозы,  жирных кислот или аминокислоты. 

Следовательно, всегда существует связь между процессом синтеза (анаболическим) и процессом распада (катаболическим). Так, дыхательный путь можно рассматривать как амфиболический путь.

Структура метаболических путей

Структура метаболических путей в клетке довольно разнообразна:

• Линейные пути – включают превращение одного соединения через ряд промежуточных продуктов в другое. Примером может служить гликолиз, при котором глюкоза превращается в пируват.

• Разветвленный дивергентный путь – это такой путь, при котором промежуточное соединение может проходить по нескольким линейным путям к различным конечным продуктам. Биосинтез пуринов и некоторых аминокислот является примером расходящихся путей. На этом этапе происходит определенное регулирование. Разветвленная конвергенция, как у нескольких предшественников, которые могут дать начало общему промежуточному продукту. Превращение различных углеводов в гликолитический путь может быть примером конвергентных путей.

• Циклический путь образует замкнутый цикл. В цикле Кребса ацетильная группа окисляется посредством реакции, которая регенерирует промежуточные соединения в цикле, и это путь, приводящий к тому, что некоторые промежуточные соединения действуют каталитически. 

• Спиральный путь. Тот же набор ферментов катализирует постепенное удлинение ацетильной цепи.

Будучи многоступенчатыми, эти пути позволяют механизмам регуляции активировать один путь и подавлять другой. Регулирование метаболитов необходимо и зависит от потребности клеток и наличия субстрата. Конечный продукт используется немедленно, может инициировать другой путь метаболизма или может быть сохранен для последующего использования.

Роль ферментов

По сути, биохимические или метаболические пути состоят из серии реакций, активируемых ферментами, где продукт одной реакции становится субстратом для следующей реакции.

На сегодняшний день в клетке человека обнаружено около 1300 ферментов, и каждый из них кодируется отдельным геном. Метаболизм осуществляется, когда эти ферменты работают синхронно, в результате чего в человеческом организме происходят химические реакции со скоростью 37 тысяч миллиардов раз в секунду. 

Ферменты играют решающую роль, поскольку только они способны вносить небольшие изменения в молекулярный слой, разрывая или создавая связь.

Онлайн обучение
Anti-Age медицине

Изучайте тонкости антивозрастной медицины из любой точки мира. Для удобства врачей мы создали обучающую онлайн-платформу Anti-Age Expert: Здесь последовательно выкладываются лекции наших образовательных программ, к которым открыт доступ 24/7. Врачи могут изучать материалы необходимое количество раз, задавать вопросы и обсуждать интересные клинические случаи с коллегами в специальных чатах

Узнать подробнее

Краткие выводы

Обмен веществ - это сумма всех химических превращений, происходящих в клетке или организме и осуществляемых посредством ряда катализируемых реакций.

Метаболические пути — это химические реакции, которые происходят внутри клеток. Они возможны благодаря различным ферментам и позволяют получать энергию или расходовать ее для производства продуктов, необходимых для функционирования  организма.

Список использованной литературы

1. Bono, H.; Ogata, H.; Goto, S.; Kanehisa, M. Reconstruction of amino acid biosynthesis pathways from the complete genome sequence Genome Res. 1998, 8.

2. Galperin, M. Y.; Koonin, E. V. Functional genomics and enzyme evolution. Homologous and analogous enzymes encoded in microbial genomes Genetica 1999, 106.

3. Dandekar, T.; Schuster, S.; Snel, B.; Huynen, M.; Bork, P. Pathway alignment: application to the comparative analysis of glycolytic enzymes Biochem. J. 1999, 343.

4. Forst, C. V.; Schulten, K. Evolution of metabolisms: a new method for the comparison of metabolic pathways using genomics information J. Comput. Biol. 1999, 6,.

5. Ogata, H.; Fujibuchi, W.; Goto, S.; Kanehisa, M. A heuristic graph comparison algorithm and its application to detect functionally related enzyme clusters Nucleic Acids Res. 2000, 28.

6. Tohsato, Y.; Matsuda, H.; Hashimoto, A. A multiple alignment algorithm for metabolic pathway analysis using enzyme hierarchy Proc. Int. Conf. Intell. Syst. Mol. Biol. 2000, 8.