ОБМЕН ВЕЩЕСТВ

(метаболизм), совокупность хим. процессов, обеспечивающих жизнедеятельность организма. Хим. превращ. в организме осуществляются в двух противоположных направлениях-синтез сложных соед. из более простых (а н а б о л и з м, или а с с и м и л я ц и я) и расщепление сложных соед. до более простых (к а т а б о л и з м, или д и с с и м и л я ц и я).

Первонач. представления об О. в. возникли в связи с изучением процессов обмена между организмами и внеш. средой (т. наз. внешний, или общий, О. в.). Послед. исследования превращений в-в внутри организма привели к представлениям о в н у т р е н н е м, или п р о м е ж у т о ч н о м, О. в.

Во внутреннем и внешнем О. в. принято различать структурный (пластический) и энергетический обмены. В структурном обмене рассматривают превращения разл. соед. в организме, их перенос (транспорт) внутри организма и между организмом и средой. В энергетич. обмене рассматривают превращения хим. энергии, образующейся в О. в., в тепло, мышечную работу, а также механизмы ее использования в активном транспорте, биосинтезе и др.

В соответствии с природой участвующих в О. в. соед. различают орг. обмен (обмен углеводов, липидов, азотсодержащих соед. и др.) и минер. обмен (водно-солевой обмен и обмен микроэлементов); в физиологии выделяют также газовый обмен. О. в. с участием свободного О ₂ наз. а э р о б н ы м, без участия О ₂ -а н а э р о б н ы м. Ввиду различий О. в. у организмов, принадлежащих к разл. таксономич. группам, выделяют О. в. растений, животных, микроорганизмов, а также более мелких таксономич. единиц, напр. О. в. млекопитающих, злаковых, дрожжей, человека, бактерии Escherichia coli. При изучении О. в. учитывают половые и возрастные различия, а также отклонения в О. в., вызванные влиянием внеш. среды и питания. Раздельно рассматривают О. в. в разл. тканях и органах. Устойчивые отклонения О. в. от нормы квалифицируют как болезни О. в.

Структурный обмен

В зависимости от того, в какой хим. форме живые организмы способны усваивать из внеш. среды углерод, они делятся на две большие группы-а в т о т р о ф ы и г е т е р о-т р о ф ы. Для первых осн. источником углерода служит СО ₂, для вторых-разл. орг. соединения. Автотрофное питание осуществляют зеленые растения и фотосинтезирующие бактерии, гетеротрофное - животные и грибы. У микроорганизмов встречаются тот и др. типы питания. О. в. автотрофных организмов является по преимуществу анаболическим, гетеротрофных - катаболическим. Основу пластического обмена составляет органический обмен. Традиционное разделение его на углеводный обмен, липидный обмен и обмен азотсодержащих соединений обусловлено большой распространенностью в живой природе соед. этих классов и различием их свойств.

Субстратами орг. обмена являются в-ва, поступающие из внеш. среды, и в-ва внутр. происхождения. В процессе О. в. часть конечных продуктов выводится во внеш. среду, др. часть используется организмом. Конечные продукты орг. обмена в тканях, способные накапливаться или расходоваться в зависимости от условий существования организма (напр., триацилглицерины, гликоген, крахмал, проламины), наз. запасными, или резервными, в-вами. Если скорость поглощения субстратов превосходит скорость выведения конечных продуктов, то анаболизм преобладает над катаболизмом и организм развивается или накапливает резервные в-ва. При равенстве этих скоростей рост организма прекращается и О. в. переходит в состояние, близкое к стационарному. В случае превышения скорости выведения конечных продуктов над скоростью потребления после истощения запаса резервных в-в организм обычно погибает. Последнее наблюдается при искусств. ограничении потребления внеш. субстратов (напр., алиментарная дистрофия при голодании животных, самосбраживание дрожжей в условиях дефицита углеводов) или в естеств. условиях (напр., при интенсивном дыхании плодов и семян растений).

Гл. катаболич. процесс в О. в.-биол. окисление (совокупность р-ций окисления, протекающих во всех живых клетках, -дыхание и окислительное фосфорилированиё). Интегральной характеристикой биол. окисления служит дыхат. коэф., к-рый представляет собой отношение объема выделенного организмом СО ₂ к объему поглощенного О ₂. При окислении углеводов объем расходуемого О ₂ соответствует объему образующегося СО ₂ и поэтому дыхат. коэф. в этих случаях равен единице. При окислении жиров и белков такое соответствие отсутствует, т. к. кроме окисления углерода до СО ₂ часть О ₂ расходуется на окисление водорода с образованием воды. Вследствие этого величины дыхат. коэф. в случае окисления жиров и белков составляют соотв. ок. 0,7 и 0,8. Подавляющая часть белкового азота при окислении белка в организме млекопитающих переходит в мочевину. Поэтому по дыхат. коэф. и данным о кол-ве выделяемой мочевины у млекопитающих можно определять соотношение участвующих в биол. окислении углеводов, жиров и белков.

Осн. анаболич. процессом, противоположным биол. окислению, является осуществляемый автотрофами фотосинтез орг. соед. из СО ₂ и воды. Вместе с тем автотрофы осуществляют частичное окисление продуктов фотосинтеза. Для характеристики их общего О. в. также используют дыхат. коэффициент.

Последовательности р-ций в организме, в к-рых осуществляется превращ. субстратов в конечные продукты О. в., наз. п у т я м и О. в., или м е т а б о л и ч. п у т я м и, а в-ва, участвующие в этих р-циях,-м е т а б о л и т а м и. В зависимости от характера превращ. субстратов метаболич. пути подразделяют на анаболические и катаболические. Обратимые участки метаболич. путей, состоящие из равновесных р-ций и используемые организмами как для синтеза, так и для расщепления сложных соед., наз. а м ф и б о л и ч е с к и м и. Подавляющую часть р-ций, составляющих метаболич. пути, катализируют ферменты. Для своего функционирования мн. ферменты нуждаются в низкомол. соед., наз. коферментами. У высших животных большая часть коферментов (или их непосредственных предшественников) поступает в организм с пищей в виде незаменимых факторов питания- витаминов.

В простых случаях стационарность О. в. обеспечивают метаболич. пути, образованные линейными последовательностями р-ций (напр., гликолиз, синтез и расщепление жирных к-т). Если метаболич. пути включают р-ции, в к-рых образуются в-ва, не выводимые во внеш. среду, то стационарность О. в. поддерживается дополнит. р-циями, обеспечивающими регенерирование этих в-в в предшествующие метаболиты. В результате метаболич. пути принимают вид циклич. последовательностей р-ций (см., напр., Трикарбо-новых кислот цикл, Глиоксилатный цикл).

Разл. метаболич. пути включают много общих промежут. соед. и поэтому образуют единую сеть р-ций, к-рая обнаруживает структурную регулярность. Эта регулярность, обусловленная наличием большого кол-ва сходных р-ций у метаболитов с одинаковыми функц. группами, отражена в схемах 1-3. Эти схемы объединяют данные по О. в. у животных, растений и микроорганизмов. Р-ции О. в. человека и близких по О. в. млекопитающих выделены жирными стрелками. Соед. с одинаковыми функц. группами размещены на схемах на одной горизонтали в порядке увеличения числа атомов С в скелете их молекул. По вертикали схемы разделены на участки, связанные сходными р-циями и включающие соед. с одинаковым числом атомов С в скелете. Эти участки, соответствующим образом пронумерованные, названы периодами (номер периода соответствует числу атомов С в скелете молекулы). Смежные периоды имеют сходную структуру; соед., занимающие в них соответствующее положение, являются гомологами. Назв. и формулы нек-рых к-т, встречающихся в тексте и на схемах 1-3, приведены в таблице.

О б м е н у г л е в о д о в. Важнейший метаболич. путь в обмене углеводов - гликолиз, в к-ром осуществляется превращение гексоз в две молекулы лактата. Этот путь широко представлен в тканях животных и обеспечивает двигат. ф-цию скелетных мышц. В печени амфиболич. р-ции этого пути участвуют в глюконогенезе- биосинтезе глюкозы из образующегося в мышцах лактата. Гликолиз рассматривают в качестве осн. пути, связывающего углеводный обмен с обменом карбоновых к-т и липидов. К модификации гликолиза относят путь спиртового брожения. В отсутствие свободного О ₂ дрожжи по этому пути количественно расщепляют глюкозу на этанол и СО ₂, осуществляя т. наз. анаэробное дыхание.

НАЗВАНИЯ И ФОРМУЛЫ НЕКОТОРЫХ КИСЛОТ, ВСТРЕЧАЮЩИХСЯ В ТЕКСТЕ И НА СХЕМАХ 1-3

Назв. иоиизир. Назв. к-ты Формула формы к-ты

Адипат Адипиновая НООС(СН ₂)₄ СООН

Аконитах Аконитовая НООССН ₂ С(СООН)=СНСООН

Акрилат Акриловая СН ₂=СНСООН

Аллантоат Аллантоиновая H₂NС(O)NHCH(COOH)NHC(O)NH₂

Антранилат Антраниловая o-H₂NC₆H₄COOH

Аскорбат Аскорбиновая

Аспартат Аспарагиновая HOOCCH₂CH(NH₂)COOH

Ацетат Уксусная СН ₃ СООН

Ацетоацетат Ацетоуксусная СН ₃ С(О)СН ₂ СООН

Ацетолактат Ацетомолочная СН ₃ С(О)С(СНз)(ОН)СООН

Барбитурат Барбитуровая

Бутират Масляная СН ₃ СН ₂ СН ₂ СООН

Валерат Валериановая СН ₃ (СН ₂)₃ СООН

Гегсаноат Гексановая СН ₃ (СН ₂)₄ СООН

Гентизат Гентизиновая 2,5-(НО)₂ С ₆ Н ₃ СООН

Гликолат Гликолевая НОСН ₂ СООН

Глиоксилат Глиоксиловая СН(О)СООН (глиоксалевая)

Глицерат Глицериновая НОСН ₂ СН(ОН)СООН

Глутаконат Глутаконовая НООССН ₂ СН=СНСООН

Глутамат Глутаминовая HOOCCH₂CH₂CH(NH₂)COOH

Глутарат Глутаровая НООС(СН ₂)₃ СООН

Глюконат Глюконовая НОСН ₂ (СНОН)₄ СООН

Изоцитрат Изолимонная НООССН(ОН)СН(СООН)СН ₂ СООН

Кротонат Кретоновая СН ₃ СН=СНСООН

Лактат Молочная СН ₃ СН(ОН)СООН

Малат Яблочная НООССН ₂ СН(ОН)СООН

Малеинат Малеиновая цис -НООССН==СНСООН

Малеоилацето- Малеоилацетоацетат уксусная НООССН=СНС(О)СН ₂ С(О)СН ₂ СООН

Малонат Малоновая НООССН ₂ СООН

Мевалонат Мевалоновая HOCH₂CH₂ С(CH₃)(OH)CH₂COOH

Мевальдат Мевальдиновая ОСНСН ₂ С(СН ₃ )(ОН)СН ₂ СООН

Мезаконат Мезаконовая транс -СН ₃ С(СООН)=СНСООН

Муконат Муконовая НООССН=СНСН=СНСООН

Оксалат Щавелевая НООССООН

Оксалоацетат Щавелевоуксусная НООСС(О)СН ₂ СООН

Оротат Оротовая

Паракумарат пара- Кумаровая n -НОС ₆ Н ₄ СН=СНСООН Пипеколат Пиперидин-2-карбоновая

Пируват Пировиноградная Префенат Префеновая СН ₃ С(О)СООН

Пропионат Пропиоповая СН ₃ СН ₂ СООН

Сукцинат Янтарная НООССН ₂ СН ₂ СООН

Тиглат Тиглиновая CH₃CH=С(CH₃)COOH

Урат Мочевая

Уроканат Урокановая

Формиат Муравьиная НСООН Фосфоенолпиру- Фосфоенолпироват виноградная СН ₂=С(РО ₄ Н ₂ )СООН

Фумарат Фумаровая транс -НООССН=СНСООН

Фумароилацето- Фумароилацетоацетат уксусная НООССН=СНС(О)СН, С(О)СН ₂ СООН

Хиннат Хинная

Хоризмат Хоризмовая

Циннамат Коричная С ₆ Н ₅ СН=СНСООН

Цистеат Цистеин HSCH₂CH(NH₂)COOH

Циграконат Цитраконовая циc-CH₃C(COOH)=CHCOOH

Цитрамалат 2-Метил-2-гидроксиянтарная НООСС(ОН)(СН ₃ )СН ₂ СООН

Цитрат Лимонная (НООССН ₂)₂ С(ОН)СООН

Шикимат Шикимовая

Важную роль в катаболизме углеводов играет пентозо-фосфатный цикл. Ключевые р-ции этого пути - окисление глюкозо-6-фосфата до 6-фосфоглюконата и декарбоксили-рование последнего с образованием СО ₂, воды и рибулозо-5-фосфата. Благодаря цикличности этого процесса обеспечивается стационарность окисления глюкозы в тканях. Так же как и в случае гликолиза, равновесные р-ции этого пути составляют амфиболич. участок, к-рый наряду с р-цией карбоксилирования рибулозо-1,5-дифосфата обеспечивает при фотосинтезе у зеленых растений обратный процесс-биосинтез глюкозы из СО ₂ и воды. При этом глюкоза в результате ферментативного превращ. в олиго- и полисаха-риды выводится из сферы О. в. в виде крахмала, целлюлозы и др.

С р-циями пентозофосфатного цикла связан метаболизм входящих в состав нуклеиновых к-т пентоз, а также биосинтез углеводных предшественников биополимера лигнина и ароматич. аминокислот.

Осн. углеводным субстратом в О. в. человека и высших животных служит глюкоза. Она сохраняется в виде резервного полисахарида гликогена в печени и частично в мышцах. Восстановление запасов гликогена происходит благодаря его синтезу из глюкозы, образуемой при глюконеогенезе или поступающей в кровоток через стенки кишечника. В последний глюкоза попадает в результате гидролиза крахмала пищ. продуктов амилазой слюны и ферментами желудочно-кишечного тракта.

Наряду с крахмалом высшие животные усваивают гликоген, нек-рые олигосахариды и дисахариды, напр. сахарозу, мальтозу, лактозу и др. Специализир. микроорганизмы могут расщеплять ксилан, целлюлозу, хитин, лигнин и др. устойчивые полисахариды. Способность жвачных животных усваивать целлюлозу и ксилан обусловлена жизнедеятельностью микрофлоры, обитающей в сложном желудке животных.

На схеме 1 показаны осн. пути обмена углеводов. В ее верх. части представлены моносахариды и их производные с трео -конфигурацией в положении 3-4. В ниж. части размещены ряды соед. тех же классов, но с эритро -конфигурацией в этом же положении. Высшие моносахариды образуются из низших в обратимых р-циях конденсации с соед., содержащими в молекуле два или три атома С. В р-циях, катализируемых транскетолазами и соединяющих периоды пи п +2 схемы (начиная с п =2), из D-альдоз ниж. ряда образуются 3,4-D- трео -кетозы верх. ряда, имеющие углеродный скелет на два атома С больше, чем исходные альдозы. В р-циях конденсации D-альдоз с соед., содержащими три атома С, обеспечивающих связь между периодами п и п+ 3, углеродный скелет увеличивается на 3 атома С. Пентозы образуются в результате декарбоксилирования уридиндифосфатных (УДФ) производных уроновых к-т. Переход от 3,4-D-mpeo- моносахаридов к 3,4-D- эритро -моносахаридам (периоды 5 и 6) осуществляется эпимеризацией соответствующих кетоз и УДФ-альдоз. Р-ции окисления алъдоз в альдоновые к-ты, дегидратации алъдоновых к-т до 2-кето-3-дезоксиальдоно-вых к-т и расщепления последних на соответствующие алъдозы и пируват составляют пути распада углеводов у микроорганизмов.

О б м е н к а р б о н о в ы х к и с л о т и л и п и д о в. Обмен этих в-в тесно связан с обменом углеводов. Образующийся на предпоследней стадии гликолиза пируват в результате окислит. декарбоксилирования превращ. в ацетилкофермент А (АцКоА; см. Пантотеповая кислота). Т. к. АцКоА является непосредств. предшественником в биосинтезе жирных к-т и изопреноидов, гликолиз и окислит. декарбоксилирование служат путем, в к-ром осуществляется превращ. углеводов в липиды. Наиб. распространенными липидами в организме животных являются триацилглицерины и нек-рые изопре-ноиды. К последним относятся стероиды (гл. обр. холестерин и его производные) и каротиноиды.

Обратный процесс-биосинтез углеводов из жиров-для животных не характерен. У растений и микроорганизмов он протекает в глиоксилатном цикле. В последнем из образующегося в результате расщепления жирных к-т АцКоА синтезируется сукцинат, к-рый в результате р-ций окисления и декарбоксилирования превращ. в фосфоенолпируват. Далее из фосфоенолпирувата на амфиболич. участке пути гликолиза образуются углеводы.

Катаболич. путь утилизации АцКоА состоит в окислении содержащегося в нем остатка уксусной к-ты в цикле три-карбоновых к-т до СО ₂ и воды. При дефиците углеводов АцКоА для осуществления их биосинтеза образуется в результате расщепления жирных к-т или нек-рых аминокислот. Т. обр., у мн. организмов цикл трикарбоновых к-т служит общим завершающим механизмом окисления углеводов, жиров и белков. В то же время у растений в условиях фотосинтеза т. наз. обращенный цикл трикарбоновых к-т может, подобно пентозофосфатному циклу, выполнять анаболическую функцию - превращ. СО ₂ в органические соединения.

Осн. метаболич. пути в обмене карбоновых к-т и липидов приведены на схеме 2. На ней показаны превращения три-, ди- и монокарбоновых к-т, а также их производных. Общим путем биосинтеза ди- и трикарбоновых к-т служат р-ции конденсации соответствующих моно- и дикарбоновых к-т с АцКоА или глиоксилатом. Три-, ди- и монокарбоновые к-ты переходят соотв. в ди-, монокарбоновые к-ты и альдегиды в р-циях декарбоксилирования. Связь между соед. внутри периодов осуществляется в р-циях окисления и восстановления карбонильных групп (соотв. до карбоксильных и гидро-ксильных), в обратимых р-циях дегидратации гидроксикис-лот в 2,3-ненасыщ. к-ты и гидрирования 2,3-ненасыщ. к-т в насыщенные. В перечисл. р-циях образуются и расщепляются алифатич. 2-оксокислоты - предшественники соответствующих аминокислот. Углеродные скелеты оксокислот-предшественников валина и изолейцина (в периодах 5 и 6) - образуются в р-циях конденсации соотв. пирувата и 2-оксо-бутирата с активным ацетальдегидом (продукт тиаминза-висимого декарбоксилирования пирувата-a-гидроксиэтил-тиаминопирофосфат; см. Тиамин). Р-ции оксопредшествен-ников ароматич. аминокислот представлены в периодах 7-10. Превращения дикарбоновых и трикарбоновых к-т в верх. части периодов 4-6 составляют цикл трикарбоновых к-т и глиоксилатный цикл. В ниж. части схемы представлены начальные этапы путей биосинтеза и расщепления линейных и разветвленных жирных к-т. Первые наращивают углеводородную цепь благодаря конденсации с ацетильным фрагментом малонил-кофермента А, переходя из периода пв п +2, вторые - в аналогичной р-ции с пропионильным фрагментом метилмалонил-коферментом А, переходя из периода пв п + 3. В периодах 6 и 7 приведены пути биосинтеза мевалоната и гомомевалоната - предшественников соотв. изопреноидов (терпенов, стероидов, каротино-идов и др.) и реже встречающихся гомоизопреноидов (напр., ювенильный гормон насекомых).

О б м е н а з о т с о д е р ж а щ и х с о е д и н е н и й. Первичный источник азота в О. в.-атмосфера. Непосредственно использовать своб. азот могут мн. виды бактерий. Однако большая часть микроорганизмов и все животные и растения усваивают лишь связанный азот в виде солей аммония, нитритов, нитратов или продуктов расщепления белков. Основу внутр. азотистого обмена составляют биосинтез и расщепление белков, нуклеиновых к-т и порфиринов. Аминокислоты в организме образуются в р-циях восстановит. аминирования или переаминирования a-оксокислот. Белки включают лишь 20 из всех встречающихся в живой природе аминокислот, наз. протеиногенными. Из них в организме высших животных синтезируется примерно половина. Др. половина относится к незаменимым и в организм поступает только с пищей. Синтез поли[33бисхлорметилоксетан]