МЕТАБОЛІЧНІ МАРШРУТИ: ТИПИ ТА ОСНОВНІ МАРШРУТИ - БІОЛОГІЯ - 2025

Метаболічний шлях представляє собою набір хімічних реакцій, що каталізуються ферментами. У цьому процесі молекула X перетворюється в молекулу Y за допомогою проміжних метаболітів. Метаболічні шляхи відбуваються у клітинному середовищі.

Поза клітини ці реакції триватимуть занадто довго, а деякі можуть і не відбутися. Тому кожен етап вимагає наявності білків каталізатора, званих ферментами. Роль цих молекул полягає в тому, щоб прискорити швидкість кожної реакції в межах шляху на кілька порядків.

Основні шляхи обміну речовин
Джерело: Chakazul (розмова · внесок), через Wikimedia Commons.

Фізіологічно метаболічні шляхи з'єднані між собою. Тобто вони не ізольовані всередині клітини. Багато найважливіших шляхів спільного метаболітів.

Отже, сукупність усіх хімічних реакцій, що відбуваються в клітинах, називається метаболізмом. Кожна клітина характеризується виявленням конкретних метаболічних показників, які визначаються вмістом ферментів всередині, що, в свою чергу, визначається генетично.

Загальна характеристика метаболічних шляхів

У клітинній середовищі відбувається велика кількість хімічних реакцій. Сукупність цих реакцій - метаболізм, і основна функція цього процесу - підтримка гомеостазу організму в нормальних умовах, а також у стресових умовах.

Таким чином, повинен бути баланс потоків цих метаболітів. Серед основних характеристик метаболічних шляхів ми маємо наступне:

Реакції каталізуються ферментами

Реакція, каталізована ферментами циклооксигенази (Джерело: Pancrat через Wikimedia Commons)

Основними героями метаболічних шляхів є ферменти. Вони відповідають за інтеграцію та аналіз інформації про метаболічний стан і здатні модулювати свою активність, виходячи з клітинних потреб моменту.

Метаболізм регулюється гормонами

Метаболізм спрямований низкою гормонів, які здатні координувати метаболічні реакції, враховуючи потреби та працездатність організму.

Компартменталізація

Відбувається компартменталізація метаболічних шляхів. Тобто кожен шлях проходить у визначеному субклітинному відділенні, називаємо його цитоплазмою, мітохондріями, серед інших. Інші маршрути можуть відбуватися в декількох відділеннях одночасно.

Компартменталізація шляху допомагає регулювати анаболічні та катаболічні шляхи (див. Нижче).

Координація метаболічного потоку

Координація метаболізму досягається завдяки стабільності активності ферментів, що беруть участь. Слід зазначити, що анаболічні шляхи та їх катаболічні аналоги не є абсолютно незалежними. На відміну від них вони координуються.

У метаболічних шляхах є ключові ферментативні точки. Зі швидкістю конверсії цих ферментів регулюється весь потік шляху.

Типи метаболічних шляхів

У біохімії виділяють три основні типи метаболічних шляхів. Цей поділ здійснюється за наступними біоенергетичними критеріями: катаболічні, анаболічні та амфібольні маршрути.

Катаболічні маршрути

Катаболічні шляхи охоплюють реакції окислювальної деградації. Вони здійснюються для того, щоб отримати енергію та зменшити потужність, яка пізніше буде використана клітиною в інших реакціях.

Більшість органічних молекул організмом не синтезується. На відміну від цього, ми повинні споживати його через їжу. У катаболічних реакціях ці молекули деградують до складу мономерів, що їх складають, які можуть використовуватися клітинами.

Анаболічні маршрути

Анаболічні шляхи містять хімічні реакції синтезу, беручи невеликі, прості молекули і перетворюючи їх у більші, складніші елементи.

Щоб ці реакції відбулися, енергія повинна бути доступною. Звідки ця енергія? З катаболічних шляхів, насамперед у формі АТФ.

Таким чином, метаболіти, що утворюються катаболічними шляхами (які в усьому світі називають "пулом метаболітів"), можуть бути використані в анаболічних шляхах для синтезу більш складних молекул, необхідних організму в той час.

Серед цього ряду метаболітів є три ключові молекули процесу: піруват, ацетильний коензим А та гліцерин. Ці метаболіти відповідають за зв'язок метаболізму різних біомолекул, таких як ліпіди, вуглеводи, серед інших.

Амфісійні маршрути

Шлях амфіболи функціонує як анаболічний або катаболічний шлях. Тобто це змішаний маршрут.

Найвідоміший маршрут амфіболи - цикл Кребса. Цей шлях відіграє фундаментальну роль у деградації вуглеводів, ліпідів та амінокислот. Однак він також бере участь у виробництві попередників для синтетичних маршрутів.

Наприклад, метаболіти циклу Кребса є попередниками половини амінокислот, які використовуються для побудови білків.

Основні метаболічні шляхи

У всіх клітинах, що входять до складу живих істот, здійснюється ряд метаболічних шляхів. Деякі з них поділяють більшість організмів.

Ці метаболічні шляхи включають синтез, деградацію та перетворення життєво важливих метаболітів. Весь цей процес відомий як проміжний метаболізм.

Клітини постійно потребують органічних та неорганічних сполук, а також хімічної енергії, яка отримується головним чином з молекули АТФ.

АТФ (аденозинтрифосфат) - найважливіша форма зберігання енергії у всіх клітинах. А енергетичні надходження та вкладення метаболічних шляхів часто виражаються в молекулах АТФ.

Найважливіші шляхи, що є у переважної більшості живих організмів, будуть розглянуті нижче.

Гліколіз або гліколіз

Фігура 1: гліколіз проти глюконеогенезу. Реакції та ферменти, що беруть участь.

Гліколіз - це шлях, який передбачає деградацію глюкози до двох молекул піровиноградної кислоти, одержуючи у вигляді чистого отримання дві молекули АТФ. Він присутній практично у всіх живих організмах і вважається швидким способом отримання енергії.

Взагалі його зазвичай поділяють на два етапи. Перший передбачає проходження молекули глюкози на дві молекули гліцеральдегіду, інвертування двох молекул АТФ. На другій фазі утворюються високоенергетичні сполуки, а 4 молекули АТФ та 2 молекули пірувату отримують як кінцеві продукти.

Маршрут може тривати двома різними способами. Якщо є кисень, молекули закінчать своє окислення в дихальному ланцюзі. Або за відсутності цього відбувається бродіння.

Глюконеогенез

AngelHerraez / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

Глюконеогенез - шлях синтезу глюкози, починаючи з амінокислот (за винятком лейцину та лізину), лактату, гліцерину або будь-якого з проміжних продуктів циклу Кребса.

Глюкоза є важливим субстратом для певних тканин, таких як мозок, еритроцити та м’язи. Подачу глюкози можна отримати через запаси глікогену.

Однак, коли вони виснажуються, організм повинен почати синтез глюкози, щоб задовольнити потреби тканин - насамперед нервової тканини.

Цей шлях відбувається переважно в печінці. Це життєво важливо, оскільки в ситуаціях голодування організм може продовжувати отримувати глюкозу.

Активація чи ні шляху пов'язана з живленням організму. Тварини, які споживають дієти з високим вмістом вуглеводів, мають низькі показники глюконеогенності, тоді як дієти з низьким вмістом глюкози потребують значної глюконеогенної активності.

Гліоксилатний цикл

Знято та відредаговано з: Оригінальним завантажувачем був Аденозин в англійській Вікіпедії. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

Цей цикл унікальний для рослин та певних видів бактерій. Цей шлях домагається перетворення двовуглецевих ацетильних одиниць у чотиривуглецеві одиниці - відомі як сукцинат. Ця остання сполука може виробляти енергію, а також може бути використана для синтезу глюкози.

Наприклад, у людей неможливо було б існувати лише на ацетаті. У нашому метаболізмі ацетил-коензим А не може бути перетворений в піруват, який є попередником глюконеогенного шляху, оскільки реакція ферменту піруватдегідрогенази незворотна.

Біохімічна логіка циклу подібна до циклу лимонної кислоти, за винятком двох стадій декарбоксилювання. Він зустрічається у дуже специфічних органелах рослин, званих гліоксисомами, і особливо важливий у насінні деяких рослин, таких як соняшник.

Цикл Кребса

Цикл трикарбонової кислоти (цикл Кребса). Знято та відредаговано з: Нараянезе, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins (перекладено на іспанську мову Алехандро Порто).

Це один із способів, що розглядається як центральний у метаболізмі органічних істот, оскільки він об'єднує метаболізм найважливіших молекул, включаючи білки, жири та вуглеводи.

Він є компонентом клітинного дихання і спрямований на вивільнення енергії, що зберігається в молекулі ацетил-коензиму А - основного попередника циклу Кребса. Він складається з десяти ферментативних ступенів і, як ми вже згадували, цикл працює як в анаболічному, так і в катаболічному шляху.

У еукаріотичних організмів цикл відбувається в матриці мітохондрій. У прокаріотів, яким не вистачає справжніх субклітинних відділів, цикл відбувається в цитоплазматичній області.

Електронний ланцюг транспорту

Користувач: Rozzychan / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/2.5)

Транспортний ланцюг електронів складається з серії транспортерів, які закріплені в мембрані. Мережа має на меті генерувати енергію у вигляді АТФ.

Ланцюги здатні створювати електрохімічний градієнт завдяки потоку електронів, що є вирішальним процесом синтезу енергії.

Синтез жирної кислоти

Жирні кислоти - це молекули, які відіграють дуже важливу роль у клітинах, вони в основному знаходяться як структурні компоненти всіх біологічних мембран. З цієї причини важливим є синтез жирних кислот.

Весь процес синтезу відбувається в цитозолі клітини. Центральна молекула цього процесу називається малоніловим коензимом А. Він відповідає за забезпечення атомами, які утворюватимуть вуглецевий скелет жирної кислоти в пласті.

Бета-окислення жирних кислот

Бета-окислення - це процес деградації жирних кислот. Це здійснюється за допомогою чотирьох етапів: окислення FAD, гідратація, окислення NAD + та тіоліз. Раніше жирну кислоту потрібно активувати за рахунок інтеграції коферменту А.

Продуктом згаданих реакцій є одиниці, утворені парою вуглець у вигляді ацетильного коензиму А. Ця молекула може входити в цикл Кребса.

Енергоефективність цього шляху залежить від довжини ланцюга жирних кислот. Наприклад, для пальмітинової кислоти, яка має 16 вуглець, чистий вихід становить 106 молекул АТФ.

Цей шлях відбувається в мітохондріях еукаріотів. Існує також інший альтернативний шлях у купе, який називається пероксисомою.

Оскільки більшість жирних кислот знаходиться в клітинному цитозолі, їх необхідно транспортувати до відділення, де вони будуть окислюватися. Транспорт залежить від картинітану і дозволяє цим молекулам потрапляти в мітохондрії.

Нуклеотидний обмін

Синтез нуклеотидів є ключовою подією в клітинному метаболізмі, оскільки це попередники молекул, що входять до складу генетичного матеріалу, ДНК і РНК, і важливих молекул енергії, таких як АТФ і ГТФ.

До попередників синтезу нуклеотидів входять різні амінокислоти, фосфат рибози 5, вуглекислий газ і NH ₃ . Шляхи відновлення відповідають за переробку вільних основ і нуклеозидів, що виділяються при розпаді нуклеїнових кислот.

Утворення пуринового кільця відбувається з фосфату рибози 5, воно стає пуриновим ядром і нарешті отримується нуклеотид.

Піримідинове кільце синтезується як оротова кислота. Слідом за зв'язуванням з фосфатом рибози 5 він перетворюється на нуклеотиди піримідину.

Бродіння

Автор оригінальної версії - Користувач: Norro. / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Ферментація - це не залежні від кисню обмінні процеси. Вони катаболічного типу, і кінцевим продуктом процесу є метаболіт, який ще має потенціал окислення. Існують різні типи бродіння, але молочна ферментація відбувається в нашому тілі.

Молочна ферментація відбувається в цитоплазмі клітин. Він складається з часткової деградації глюкози з метою отримання метаболічної енергії. Як відпрацьована речовина утворюється молочна кислота.

Після інтенсивного сеансу анаеробних вправ м'яз знаходиться не в адекватних концентраціях кисню і відбувається молочне бродіння.

Деякі клітини в організмі змушені бродити, оскільки їм не вистачає мітохондрій, як це відбувається з еритроцитами.

У промисловості процеси бродіння використовуються з високою частотою для отримання низки продуктів для споживання людиною, таких як хліб, алкогольні напої, йогурт.

Список літератури

1. Baechle, TR, & Earle, RW (ред.). (2007). Принципи силових тренувань та фізичної кондиції. Panamerican Medical Ed.
2. Berg, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). Біохімія. Я перевернувся.
3. Кемпбелл, МК, і Фаррелл, SO (2011). Біохімія. Шосте видання. Томсон. Брукс / Коул.
4. Devlin, TM (2011). Підручник з біохімії. Джон Вілі та сини.
5. Koolman, J., & Röhm, KH (2005). Біохімія: текст та атлас. Panamerican Medical Ed.
6. Mougios, V. (2006). Вправа біохімія. Кінетика людини.
7. Müller-Esterl, W. (2008). Біохімія. Основи медицини та наук про життя. Я перевернувся.
8. Poortmans, JR (2004). Принципи біохімії вправ. 3 ^-е , перероблене видання. Каргер.
9. Voet, D., & Voet, JG (2006). Біохімія. Panamerican Medical Ed.