6: Метаболізм I - Окислювальні/відновні процеси
- Page ID
- 4554
\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)
Вартість життя - це енергія, а виробники та споживачі енергії в клітині - це хімічні реакції, відомі разом як метаболізм. Метаболічні процеси регулюються тими ж законами енергії, що і решта Всесвіту, тому їх необхідно розглядати в світлі вільної енергії Гіббса. Здебільшого водіями змін вільної енергії Гіббса є зміни концентрації реагентів і продуктів, але для деяких реакцій зміни концентрації, необхідні для запуску реакції в потрібному напрямку, не є практичними. У таких випадках клітини можуть використовувати альтернативні стратегії, такі як реакції енергетичного зв'язку (поєднання енергетично несприятливої реакції зі сприятливою, наприклад, гідроліз АТФ), щоб допомогти «прогнати» несприятливу реакцію. В інших випадках клітини використовують альтернативні шляхи навколо енергетично несприятливих реакцій.
Залежно від вашої математичної точки зору життя - це сума добутку біохімічних реакцій, що відбуваються в клітині. Збір цих реакцій відомий як метаболізм. Ми розбиваємо предмет на дві широкі області: 1) окислювальний/відновний метаболізм і 2) шляхи, які передбачають невелике окислення/відновлення. У цій главі йдеться про перший.
- 6.1: Визначення
- Анаболічні процеси відносяться до колекцій біохімічних реакцій, які роблять більші молекули з менших. Приклади включають синтез жирних кислот з ацетил-КоА, білків з амінокислот, складних вуглеводів з простих цукрів і нуклеїнових кислот з нуклеотидів. Так само, як будь-який будівельний проект вимагає енергії, так і анаболічні процеси вимагають введення енергії. Анаболічні процеси мають тенденцію носити відновний характер, на відміну від катаболічних процесів, які є окислювальними
- 6.2: Перспективи
- Ми можемо розглядати обмін речовин на декількох рівнях. На найвищому рівні ми маємо поживні речовини, такі як цукру, жирні кислоти та амінокислоти, що надходять в клітини, і вуглекислий газ та інші продукти життєдіяльності (такі як сечовина) виходять. Клітини використовують вхідні матеріали для енергії та речовини для синтезу цукрів, нуклеотидів та інших амінокислот як будівельних блоків для вуглеводів, нуклеїнових кислот, жирних сполук та білків, необхідних для життя.
- 6.3: Гліколіз
- Гліколіз, що буквально означає «розпад цукру», являє собою катаболічний процес, при якому шестивуглецеві цукру (гексози) окислюються і розщеплюються на молекули пірувату. Відповідний анаболічний шлях, за допомогою якого синтезується глюкоза, називається глюконеогенез. І гліколіз, і глюконеогенез не є основними окислювальними/відновними процесами самі по собі, причому один крок на кожному з них включає втрату/посилення електронів, але продукт гліколізу, піруват, може бути повністю окислений до CO₂.
- 6.4: Глюконеогенез
- Анаболічним аналогом гліколізу є глюконеогенез, який зустрічається в основному в клітині печінки і нирок. У семи з одинадцяти реакцій глюконеогенезу (починаючи з пірувату) використовуються ті ж ферменти, що і при гліколізі, але напрямки реакції зворотні. Примітно, що значення ΔG цих реакцій у комірці, як правило, близькі до нуля, тобто їх напрямок можна легко контролювати, змінюючи концентрації субстрату та продукту.
- 6.5: Цикл лимонної кислоти
- Первинним катаболічним шляхом в організмі є цикл лимонної кислоти, оскільки саме тут відбувається окислення до вуглекислого газу для продуктів розпаду основних будівельних блоків клітини - цукрів, жирних кислот, амінокислот. Шляхи циклічні і, таким чином, насправді не має початкової або кінцевої точки. Всі реакції відбуваються в мітохондріоні, хоча один фермент вбудований в мембрану органели.
- 6.6: Гліоксилатний шлях
- Гліоксилатний шлях пов'язаний з циклом лимонної кислоти (САС), який перекриває всі реакції без декарбоксилювання САС не діє у тварин, оскільки їм не вистачає двох ферментів, необхідних для шляху - ізоцитрат-ліази та малатсинтази. Ізоцитрат-ліаза каталізує перетворення ізоцитрату в сукцинат і гліоксилат. Через це всі шість вуглеців CAC виживають і не потрапляють як вуглекислий газ.
- 6.7: Метаболізм ацетил-КоА
- Ацетил-КоА є одним з найбільш «пов'язаних» метаболітів в біохімії, що з'являються в окисленні/відновленні жирних кислот, окисленні пірувату, циклі лимонної кислоти, амінокислотному анаболізму/катаболізмі, кетонових метаболізмі тіла, синтезі стероїд/жовчної кислоти, і (за рахунок розширення з метаболізму жирних кислот) синтез простагландину . Більшість цих шляхів будуть розглянуті окремо. Тут ми і розглянемо останні три.
- 6.8: Метаболізм холестерину
- Шляхи біосинтезу холестерину довгий, і він вимагає значної кількості відновлювальної та АТФ енергії, тому він включений сюди. Холестерин відіграє важливу роль в організмі в мембранах. Він також є попередником стероїдних гормонів і жовчних кислот і його безпосередній метаболічний попередник, 7-дегідрохолестерин, є попередником вітаміну D. Шляхи, що ведуть до холестерину, відомий як ізопреноїдний шлях і гілки його призводять до інших молекул, включаючи інші жиророзчинні віт
- 6.9: Синтез кетонових тіла
- При синтезі кетонових тіл ацетил-КоА відділяється від ГМГ-КоА, отримуючи ацетоацетат, чотири вуглецеві кетони тіла, яке є дещо нестабільним, хімічно. Він буде декарбоксилювати спонтанно в деякій мірі, щоб отримати ацетон. Кетонові тіла виробляються, коли рівень глюкози в крові падає дуже низько. Кетонові тіла можуть бути перетворені в ацетил-КоА, який може бути використаний для синтезу АТФ за допомогою циклу лимонної кислоти.
- 6.10: Синтез простагландину
- Шляхи виготовлення простагландинів є продовженням шляху синтезу жирних кислот. Простагландини, молекули, пов'язані з локалізованим болем, синтезуються в клітині з арахідонової кислоти (див. попередню сторінку), яка була відщеплена від мембранних ліпідів. Фермент, що каталізує їх синтез, відомий як простагландинсинтаза, але частіше його називають ферментом циклооксигенази (або ЦОГ).
- 6.11: Окислення жирних кислот
- Розщеплення жирів дає жирні кислоти і гліцерин. Гліцерин може бути легко перетворений в DHAP для окислення при гліколізі або синтезу в глюкозу в глюконеогенезі. Жирні кислоти розщеплюються в двох вуглецевих одиницях ацетил-КоА. Щоб окислюватися, вони повинні транспортуватися через цитоплазму, прикріплену до коферменту А, і переміщатися в мітохондрії. Останній етап вимагає видалення КоА і приєднання жирної кислоти до молекули карнітину.
- 6.12: Синтез жирних кислот
- Синтез жирних кислот відбувається в цитоплазмі і ендоплазматичному ретикулумі клітини і хімічно схожий з процесом бета-окислення, але з парою ключових відмінностей. Перші з них відбуваються при підготовці субстратів до реакцій, які ростуть жирну кислоту. Транспорт ацетил-КоА з мітохондрій відбувається, коли він починає накопичуватися. Дві молекули можуть грати роль у переміщенні її до цитоплазми - цитрат і ацетилкарнітин.
- 6.13: Метаболізм жиру
- Розщеплення жиру в адипоцитах вимагає каталітичної дії трьох ферментів, чутливої до гормонів триацилгліцеринової ліпази (званої ЛІПЕ) для видалення першої жирної кислоти з жиру, дигліцеридліпази для видалення другої та моногліцеридної ліпази для видалення третьої. Тільки LIPE регулюється, і це, як видається, реакція обмеження швидкості. Синтез жиру, починаючи з гліцерин-3-фосфату, вимагає дії ферментів ацилтрансферази для каталізації додавання жирних кислот до гліцеринового хребта.
- 6.14: З'єднання з іншими шляхами
- Існує кілька зв'язків між метаболізмом жирів і жирних кислот з іншими метаболічними шляхами. Як зазначалося, фосфатидна кислота є проміжним продуктом в синтезі триацилгліцеринів, а також інших ліпідів, в тому числі фосфогліцеридів. Діацилгліцерин (DAG), який є проміжним продуктом в синтезі жиру, також діє як месенджер в деяких сигнальних системах.
Мініатюра: Метаболічна карта метро. Зображення, що використовується з дозволу (CC BY-SA 4.0; Чаказул).