олного окисления 1 моля глюкозы AG°=—686 000 кал, этот процесс может потенциально дать энергию для синтеза ~50 молей АТР из ADP и Р,- (в гл. 12 показано, что действительный результат составляет 38 молей АТР на 1 моль глюкозы). Если при окислении молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТР, то весь процесс окисления должен быть разделен на много более мелких стадий. О том, как это происходит, говорится в гл. 12.

ЛИТЕРАТУРА

Книги

.Bray ?. С, White ?-, Kinetics and Thermodynamics in Biochemistry, 2d ed., Academic Press, Inc., New York, 1966.

.Ingram D. I. E., Free Radicals as Studied by Electron Spin Resonance, Academic Press, Inc.. New York, 1958.

Klotz I. M.. Energy Changes in Biochemical Reactions, Academic Press, Inc., New York, 1967.

Lehninger A. L.. Bioenergetics. 2d ed., W. A. Benjamin, Inc., New York, 1972. .Singer T. P., ed.. Biological Oxidations, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1967.

Обзорные статьи

.Bock R. M., Adenine Nucleotides and Properties of Pyrophosphate Compounds, in: P. D. Boyer, H. Lardy, K. Myrback, eds., The Enzymes, 2d ed., vol. II, pp. 3—38, Academic Press, Inc., New York, 1960.

.Ennor A. H.. Morrison J. F., Biochemistry of the Phosphagens and Related Guani-dines, Physiol. Rev., 38, 631—674, 1958.

¦George P., Griffith S. J., Electron Transfer and Enzyme Catalysis, in: P. D. Boyer, H. Lardy, K- Mvrback, eds., The Enzymes, 2d ed., vol. I, pp. 347—390, Academic Press, Inc., New York, 1959.

'George P., Rutman R. J., The High Energy Phosphate Bond'Concept, in: J. ?. V. Butler, B. Katz, eds., Progress in Biophysics and Biophysical Chemistry, vol. X, pp. 1—53, Pergamon Press, New York, 1960.

10. ПРИНЦИПЫ БИОЭНЕРГЕТИКИ

353

Huennekens F. ?., Whiteley ?. R., Phosphoric Acid Anhydrides and Other Energy, rich Compounds, in: M. Florkin, H. S. Mason, eds., Comparative Biochemistry, vol. I, pp. 107—180, Academic Press, Inc., New York, 1960.

Ingraham L. L., Pardee А. В., Free Energy and Entropy in Metabolism, in: D. M. Greenberg, ed.. Metabolic Pathways, 3d ed., vol. I. pp. 2—46, Academic Press, Inc., New York, 1967.

Lipmann F., Biosynthetic Mechanisms, Harvey Lect., 44, 99—123, 1948—1949.

Michaelis L., Fundamentals of Oxidation and Reduction, in: D. E. Green, ed., Currents in Biochemical Research, pp. 207—227, Interscience Publishers, Inc., New York, 1946.

Pullman В., Pullman ?., Electronic Structure of Energy-rich Phosphates, Radiat. Res., Suppl. 2, pp. 160—181, 1960.

23—1148

Глава 11

ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

Потребность в энергии. Механизмы регуляции. Структура и функция клетки. Экспериментальные подходы к изучению метаболизма

В живых организмах, находящихся в процессе постоянного контакта и обмена с окружающей средой, происходят непрерывные химические изменения, составляющие их метаболизм. Представление о масштабе метаболических процессов и их направлениях может быть составлено путем всеобъемлющего рассмотрения метаболизма микроорганизмов и человека.

Число клеток в бактериальной культуре, например Е. coli, может удваиваться каждые 20 мин в простой среде, содержащей только глюкозу и неорганические соли. Компоненты среды постепенно истощаются, но лишь немногое выделяется в среду растущей бактериальной культурой. Любая клетка в норме содержит набор из ~2500 различных белков, каждый из которых представлен ~400 молекулами, а также ~1000 видов органических соединений и разнообразных нуклеиновых кислот, присутствующих в количестве 107—3-108 молекул. Очевидно, что эти клетки участвовали в грандиозном биосинтетическом «спектакле», в котором полный синтез каждого клеточного компонента происходит со скоростью, обеспечивающей гармонический рост клеток и исключающей сколько-нибудь значительное перепроизводство или недопроизводство какого-либо компонента.

Не менее сильное впечатление производит метаболизм взрослого человека, который сохраняет неизменную массу в течение ~40 лет; хотя за это время человек потребляет ~6 ? твердой пищи и 37 850 л воды, масса и состав тела остаются постоянными.

Клетки млекопитающих характеризуются динамическим стационарным состоянием. Каждая клетка постоянно занята изготовлением из материалов окружающей среды сложной смеси аминокислот, жирных кислот и их многочисленных производных, стероидов, моно- и полисахаридов, пуринов и пиримидинов, нуклеотидов, нуклеиновых кислот и белков. В то же время клетка разрушает эти полимеры посредством гидролиза, окисляет углеводы и жирные кислоты для того, чтобы получить энергию. Кроме того, становится очевидным, что все эти многообразные метаболические процес-

354

11. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

355

сы и дающие энергию реакции, благодаря которым становятся возможными эти процессы, подчиняются тонкому контролю.

Это метаболическое совершенство как простых, так и более сложных организмов сохраняется даже при столкновении с разрушительными воздействиями окружающей среды. Способность организма поддерживать нормальное, постоянное внутреннее состояние, называемое гомеостазом, одновременно выполняя многочисленные сложные метаболические реакции и невзирая на значительные изменения в окружающей его среде, объясняется чувствительностью специфических регуляторных механизмов. В самом деле, неспособность одного или нескольких таких механизмов функционировать нормально ведет к метаболическим отклонениям, лежащим в основе различных заболеваний.

Для понимания метаболизма должны быть известными химия участвующих молекул (метаболитов), реакции, в которые они вступают, ферменты, катализирующие эти реакции, и регулятор-ные механизмы, определяющие скорости последовательных катализируемых ферментами реакций, в которых каждый данный метаболит А превращается в другой метаболит В. Совокупность таких последовательных стадий составляет метаболический путь, а из разнообразных метаболических путей и их совместного функционирования слагается метаболизм.

В данной главе рассмотрены некоторые общие сведения о потребности в энергии и продуцировании энергии в ходе метаболизма, выявлены главные особенности метаболических регуляторных процессов, обсуждены общие черты клеточной структуры и функции (этот вопрос развит в последующих главах), а также дано краткое описание имеющихся в распоряжении средств, позволяющих проводить изучение метаболических процессов.

11.1. Потребности в энергии

Преобразование энергии обязательно сопутствует химическим реакциям, делающим возможным движение, дыхание, воспроизведение, рост, реакцию на возбуждение — все характерные свойства, отличающие живые клетки от неживых структур. Энергия, вырабатываемая в ходе метаболизма в целом, освобождаемая при всех химических превращениях в организме животного и получаемая в конечном итоге за счет окисления пищевых веществ, должна реализоваться или в виде тепла, или в виде механической работы. Даже в процессе мышечной деятельности основная часть энергии рассеивается как тепловая, что объясняется относительной неэффективностью мышц как механических устройств. Во время отдыха практически вся эта энергия выделяется в виде тепла.

23*

356

III. МЕТАБОЛИЗМ

В последующих главах подробно обсуждается, каким образом скорость биологических окислительно-восстановительных реакций в норме отрегулирована так, чтобы количество освобождающейся свободной энергии AG соответствовало потребностям в энергии для выполнения полежой работы. Формы этой работы многообразны. Живые клетки являются эффективными преобразователями потенциальной химической энергии в другие формы энергии, а именно в химическую, механическую, электрическую, осмотическую и у некоторых организмов даже в электромагнитную энергию (свет). Так, свободная энергия, получаемая при окислении глюкозы, может использоваться для синтеза белков, жирных кислот, нуклеиновых кислот или стероидов; для сократительной деятельности мышц, проведения нервного импульса или генерации электрического заряда; для выделения богатой низкомолекулярными соединениями мочи или для поддержания большого концентрационного градиента ионов Na+ и К+ внутри и снаружи клеток, а также, как, например у светлячка, для генерации световой энергии.

Многие из этих процессов характерны для среднего взрослого человека, имеющего массу, например, 70 кг; каждые 24 ч в его организме генерируется и освобождается ~2000 ккал. Поскольку на протяжении указанного периода времени существенно не изменяются ни масса тела, ни его структура и состав, вся эта энергия, за исключением того количества, которое потребовалось для выполнения физической работы, например поднятия тяжестей и т. д., выделяется в виде тепла (даже если в организме и имели место какие-то промежуточные превращения). В связи с тем, что энергия, теряемая в виде тепла, необратимо рассеивается в окружающей среде, существует постоянная потребность в ежедневном обеспечении новыми внешними источниками энергии, т. е. в питательных веществах, которые могут быть окислены. Весь процесс, который, между прочим, обеспечивает организм теплом, необходимым для поддержания температуры тела на уровне <37°С, не является непроизводительным, как это может показаться. Именно благодаря совокупности процессов, реализуемых в результате непрерывного использования свободной энергии окислительно-восстановительных реакций и ее преобразования, становится возможным существование высокоупорядочеиных структур и витальные проявления живого организма.

11.1.1. Калорийность питательных веществ

При исследованиях метаболизма человека принято пользоваться килокалорией (1 ккал =1000 кал), означающей количество тепла, требуемое для нагревания 1000 г воды от 15 до 16 °С. Количество энергии, выделяющееся при окислении химических соединений, в том числе и компонентов пищи, может быть измерено в ка-

П. ОБЩИЕ АСПЕКТЫ МЕТАБОЛИЗМА

лориметрической бомбе. Суммарная энергия АН, освобождающаяся при какой-либо химической реакции (разд. 10.1), не зависит от механизма этой реакции. АН реакции

глюкоза + 602 -»- 6С02 + 6Н20

не зависит и от места ее протекания (в калориметрической бомбе или в живом организме).

Впервые экспериментальные