То есть, при переводе молекулы стеариновой кислоты в девять молекул ацетилкофермента А получается 8 умножить на 5, то есть 40 молекул АТФ. Если посмотреть на схему цикла Кребса, приведенную на стр. 330, то видно, что в этом цикле из ацетилкофермента А производится 12 молекул АТФ. Соответственно, девять молекул ацетилкофермента А умножить на 12, получим 108 молекул АТФ.
Таким образом, в процессе перехода от стеариновой кислоты к углекислоте и воде образуется не менее 40+108, то есть 148 молекул АТФ. Но это еще не все. Типичная молекула жира, например, стеарин, состоит из трехуглеродного спирта, глицерина, в соединении с тремя молекулами стеариновой кислоты. Каждая из трех молекул стеариновой кислоты послужит формированию 148 молекул АТФ, то есть, всего образуется 3 * 148 = 444 молекулы АТФ. Глицерин же будет превращен в пировиноградную кислоту, что само по себе даст еще 15 молекул АТФ – итого в результате организм получит 459 молекул АТФ в результате катаболизма каждой молекулы стеарина.
Идем дальше. При переходе одного грамма жира в углекислоту и воду высвобождается 9 килокалорий тепла (см. гл. 14). Один моль стеарина весит 891 грамм, соответственно, при переходе одного моля стеарина в углекислоту и воду высвобождается 891 * 9 = 8019 килокалорий. Путем образования 459 молекул АТФ запасается 459 * 8 = 3672 килокалории химической энергии. Значит, эффективность процесса – 3672 / 8019 = чуть более 45%. Это превосходный результат.
Но если посмотреть на рисунок, приведенный на стр. 330, видно, чот ацетилкофермент А попадает в цикл Кребса путем соединения с щавелево-уксусной кислотой. А щавелева-уксусная кислота производится в достаточном количестве только путем углеводного метаболизма (до какой-то степени – белкового метаболизма), но никак не метаболизма жиров.
Если в пище много жиров, но мало углеводов, ацетилкофермента А производится много, но щавелево-уксусной кислоты – мало. Ацетилкофермент А начинает накапливаться, конденсироваться сам с собой, образовывая ацетоуксусную кислоту, и в организме образуется повышенная концентрация кетонных тел, находящая выражение в состоянии, известном, как «кетоз».
Такая диета, богатая жирами, но бедная углеводами, называется «кетогенной», потому что способствует повышению концентрации кетонных тел. Голодание – тоже кетогенный процесс, потому что все углеводородные запасы организм исчерпывает за день, а дальше начинаются процессы извлечения энергии из жиров. Если печень обрабатывать жирной кислотой, не добавляя при этом углеводов, то, по наблюдениям Эмбдена, тоже начинается кетоз.
Ни голодание, ни кетогенные диеты обычно не приносят большого вреда, поскольку человеку свойственно избегать и первого, и второго. Но даже если обстоятельства вынуждают человека к таким условиям, то даже небольшое количество переваренных углеводов произведет корректирующий анти-кетогенный эффект.
Вот при диабете кетоз становится действительно опасным. Если болезнь не лечить, то развивается хроническое расстройство углеводного метаболизма, приводящее к все более жесткой нехватке щавелево-уксусной кислоты и, соответственно, прогрессирующему кетозу. Именно токсическое действие кетоновых тел обычно и приводит к коме и смерти диабетика.
Строго говоря, не все жиры имеют своим основным предназначением производство энергии. Те жиры, что я обсуждал в этой главе, относятся к «простым» жирам, состоящим из глицерина и жирных кислот. Существуют еще «сложные» жиры, в состав которых входят еще и фосфатная группа и одна из нескольких азотсодержащих групп. А еще есть такие вещества, как холестерин, обладающие свойствами жиров, но имеющие совершенно другое молекулярное строение.
У этих последних в организме есть особые функции. Из фосфатсодержащих жиров состоит мембрана митохондрий, служащая, как я уже писал, полем деятельности для различных ферментов, катализирующих реакции цикла Кребса и дыхательной цепочки. Что же касается холестерина, то из него состоит большая часть жировой оболочки нервов.
Сложные жиры и холестерин содержат не меньше энергии, чем простые жиры, но их роль в клеточном механизме настолько велика, что их энергозапасы не расходуются даже при крайних стадиях истощения. Я не привожу здесь подробного рассмотрения этих крайне важных веществ только потому, что они не задействованы в процессах энергообмена.
Теперь давайте вернемся к белкам, попадающим после процесса переваривания в организм в виде аминокислот. Перед тем, как использовать их для производства полезной энергии, надо сначала убрать из них азот.
В 1773 году французский химик Руэль (учитель Лавуазье) обнаружил в моче азотистое соединение и назвал его, естественно, мочевиной. Когда в начале девятнадцатого века химики стали изучать строения белков, мочевина была сразу признана «тем самым» веществом, посредством которого организм избавляется от азотистой составляющей белков.
Формула мочевины –
0
||
Н – N – C – N – Н
| |
Н Н
Ее короткая запись – NН2СONН2. Получилось так, что именно с мочевиной оказались связаны два самых замечательных открытия в биохимии. Она стала первым органическим веществом, которое удалось синтезировать из неорганического материала (см. гл. 13), и катализирующий ее распад фермент был кристаллизован первым (см. гл. 15).
В девятнадцатом веке способ образования мочевины в организме оставался неизвестен. Однако уже в первое десятилетие двадцатого века, когда Харден и Янг с одной стороны, а Кнуп – с другой начали продвижение в тайны промежуточных этапов метаболизма, немецкий биохимик Альбрехт Коссель вместе с английским коллегой Генри Дейкином пошли в такое же наступление на секреты промежуточных этапов белкового метаболизма.
Они обнаружили фермент, названный ими «аргиназа», действие которого заключалось в катализировании гидролиза аминокислоты аргинина. При этом с помощью реакции, изображенной на рис. 71, образовывалась и мочевина. Кусок молекулы аргинина, остающийся по завершении процесса – это аминокислота орнитин, которая встречается только как промежуточный продукт образования мочевины, и частью белковых молекул не является.
Значение аргиназы подчеркивают несколько фактов. Мочевина производится в печени (если удалить у животного печень, производство мочевины прекращается), и наивысшая концентрация аргиназы наблюдается тоже в печени. Аргиназа встречается в тканях всех животных, в чьем организме производится мочевина – например, амфибий или млекопитающих. А вот в тканях животных, в чьем организме производятся другие азотсодержащие продукты – птиц, например, или рептилий – она не встречается. Понятно, что аргинин и аргиназа участвуют в каком-то механизме, с помощью которого живые ткани синтезируют мочевину.
Организм человека производит в день от десяти до тридцати пяти граммов мочевины, не истощая при этом запасов аргинина. Значит, они возобновляются путем синтеза аргинина из орнитина.
Это стало окончательно ясно в 1932 году, благодаря работам Кребса (того самого, впоследствии – первооткрывателя цикла Кребса), и его коллеги К. Генселайта, с образцами печеночной ткани. Они обнаружили, как и ожидалось, что добавление аргинина стимулирует производство мочевины. Такой же эффект оказывало и добавление орнитина, и этот факт утвердил ученых в мысли, что печень производит из орнитина аргинин. В конце концов, они обнаружили, что еще одно вещество, сходное по строению с аргинином - цитруллин - тоже стимулирует производство мочевины.
В качестве объяснения Кребс и Генселайт составили схему, которую принято сейчас называть «циклом образования мочевины» - она приведена на рис. 72. Эта схема показывает, что орнитин, цитруллин и аргинин постоянно синтезируются заново. Смотрите, при превращении орнитина в цитруллин организм добавляет одну молекулу аммиака и одну молекулу углекислоты, а при превращении цитруллина в аргинин – еще одну молекулу аммиака. Что же касается воды, то одна ее молекула добавляется организмом на этапе гидролиза агргинина, но на каждом из двух этапов одна молекула воды из системы извлекается, так что в целом можно говорить об извлечении одной молекулы воды. И в конце концов, при гидролизе аргинина извлекается одна молекула мочевины. Вот как выглядит запись всей реакции в целом:
2NН3 + СО2 –> NН2СОNН2 + Н2О
[рис. 72, стр. 346. Цикл образования мочевины.
вершины треугольника: цитруллин, орнитин, аргинин.
внизу: мочевина, Н2О]
Конечно, приведенная схема цикла образования мочевины сильно упрощена. Никто из выдвинувших ее на самом деле, конечно, не считал, что на входе подается молекула аммиака, как таковая. Аммиак – очень ядовитое вещество, и в организме в чистом виде встречаться не может. Однако только в 50-х гг., когда начали проводить эксперименты с изотопным маркированием, стали известны подробности этих реакций.
Выяснилось, что азотсодержащие группы добавляются в виде аминогрупп, получаемых из аминокислот. При переходе от орнитина к цитруллину, глютаминовая кислота (одна из наиболее распространенных аминокислот) отдает и аминогруппу, и эквивалент углекислоты. В этом случае она должна использовать высокоэнергетическую фосфатную связь, получаемую из АТФ. При переходе от цитруллина к аргинину аминогруппу отдает другая аминокислота, аспарагиновая, и снова за счет АТФ.
То есть, производство мочевины – это энергоемкая реакция. На каждой итерации цикла потребляется по две молекулы АТФ.
Не стоит считать, что единственными аминокислотами, способными отдавать аминогруппу на производство мочевины, являются глютаминовая и аспарагиновая кислоты. В 30-е гг. двадцатого века, работая с изотопом N15, о чем я рассказывал в этой же главе, Шонхаймер установил, что если дать на входе один вид аминокислоты, помеченный изотопом, то вскоре изотопы окажутся в составе аминокислот всех видов, за исключением лизина. Естественно напрашивается вывод, что аминогруппа легко передается от одного вещества к другому. Были обнаружены и ферменты, катализирующие подобные реакции (трансаминазы) и установлены подробности переносов, получивших название «трансаминирование», от «транс» - перенос и «амино». После трансаминирования аминогруппу NР2 заменяет связанный двойной связью кислород (см. рис. 73).
Трансаминазы представляют собой пример ферментов, использующих в качестве кофермента пиридоксальфосфат, в котором содержится группа атомов, организмом не синтезируемая в принципе. Так был обнаружен еще один витамин группы В, пиридоксин.
Итак, движение аминогрупп осуществляется от аминокислот в целом к глютаминовой кислоте и аспарагиновой кислоте, а от них уже в цикл производства мочевины. Те аминокислоты, в состав которых входят лишний атом азота, или атом серы, избавляются от них с помощью механизмов, которые я здесь не буду описывать. Достаточно будет сказать, что так или иначе все атомы азота и серы устраняются, и остается только «углеродный скелет».
Этот углеродный скелет может представлять собой одно из тех веществ, с которыми мы уже сталкивались при описании катаболизма углеводов или белков. К примеру, когда аланин подвергается трансаминации, он теряет аминогруппу и приобретает связанный двойной связью кислород, вследствие чего образуется пировиноградная кислота.
С помощью кофермента А пировиноградная кислота избавляется от гидроксильной группы обычным способом, и образуется ацетилкофермент А, который уже может вступить в цикл Кребса. Для организма нет разницы, образована ли пировиноградная кислота из глюкозы или из аланина. И в том и в другом случае это одна и та же пировиноградная кислота, с одним и тем же энергетическим содержанием. Другие аминокислоты, например, валин, серин, треонин и цистеин, тоже преобразуются, несколько более длинным путем, в пировиноградную кислоту.
Несколько аминокислот, например, лизин, подвергаются изменениям, в ходе которых превращаются в ацетоуксусную кислоту и далее – в ацетилкофермент А, после чего входят в цикл Кребса по пути катаболизма жиров.
А некоторые аминокислоты входят в цикл Кребса и сами по себе. К примеру, аспарагиновая кислота сразу после деаминации становится щавелево-уксусной кислотой, а глютаминовая кислота – альфа-кетоглутаровой кислотой. Оба этих вещества являются промежуточными продуктами цикла Кребса, и могут сразу быть приняты в него на соответствующих этапах.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
|
