Введение

Метаболический путь, включающий как катаболизм, так и анаболизм. Термин амфиболизм (ἀμφίβολος) используется для описания биохимического пути, включающего как катаболизм, так и анаболизм. Катаболизм – это деградационная фаза метаболизма, в которой крупные молекулы преобразуются в более мелкие и простые молекулы, что включает два типа реакций. Во-первых, реакции гидролиза, при которых происходит расщепление молекул на более мелкие с высвобождением энергии. Примерами катаболических реакций являются пищеварение и клеточное дыхание, где сахара и жиры расщепляются для получения энергии. Расщепление белка на аминокислоты, триглицеридов на жирные кислоты или дисахаридов на моносахариды – все это примеры реакций гидролиза или катаболизма. Во-вторых, реакции окисления включают удаление водорода и электронов из органической молекулы. Анаболизм – это фаза биосинтеза метаболизма, в которой более мелкие простые предшественники преобразуются в крупные и сложные молекулы клетки. Анаболизм включает два класса реакций. Первые – это реакции дегидратационного синтеза, включающие объединение меньших молекул для образования более крупных и сложных молекул. К ним относятся образование углеводов, белков, липидов и нуклеиновых кислот. Вторые – это реакции восстановления, в которых водород и электроны присоединяются к молекуле. При этом молекулы приобретают энергию. Эти пути рассматриваются как центральные метаболические пути, которые, исходя из катаболических последовательностей, обеспечивают промежуточные продукты, служащие субстратом для метаболических процессов.

Реакции существуют как амфиболический путь

Все реакции, связанные с синтезом биомолекул, сходятся в следующих путях, а именно гликолиз, цикл Кребса и цепь переноса электронов. Эти пути являются амфиболическими, то есть могут функционировать как анаболически, так и катаболически. Другими важными амфиболическими путями являются путь Эмбдена – Майерхофа, путь пентозофосфата и путь Энтнера – Дудороффа. Первая реакция цикла, в которой оксалоацетат (четырехуглеродное соединение) конденсируется с ацетатом (двухуглеродное соединение) с образованием цитрата (шестиуглеродное соединение), обычно является анаболической. Последующие несколько реакций, представляющие собой внутримолекулярные перегруппировки, приводят к образованию изоцитрата. Две следующие реакции, а именно превращение D-изоцитрата в α-кетоглутарат, за которым следует его превращение в сукцинил-КоА, обычно являются катаболическими. На каждом этапе теряется углекислый газ и образуется сукцинат (четырехуглеродное соединение). Существует интересное и важное различие в коферментах, используемых в катаболических и анаболических путях: в катаболизме NAD+ служит окислителем, восстанавливаясь до NADH. В то время как в анаболизме кофермент NADPH служит восстановителем и превращается в свою окисленную форму NADP+. Цикл лимонной кислоты имеет два режима, выполняющих две роли: первый – производство энергии в окислительном режиме, поскольку ацетильная группа ацетил-КоА полностью окисляется до CO2. Это обеспечивает большую часть АТФ в метаболизме аэробных гетеротрофов, посредством окислительного фосфорилирования в мембранных структурах (цитоплазматической мембране у бактерий и митохондриях у эукариот) путем переноса электронов от донора (NADH и FADH2) к акцептору O2. Каждый цикл дает 3 NADH, 1 FADH2, CO2 и GTP. Вторая роль – биосинтетическая, поскольку цикл лимонной кислоты регенерирует оксалоацетат при удалении промежуточных продуктов цикла для биосинтеза.

Пентазофосфатный путь

Пентазофосфатный путь получил свое название благодаря тому, что в нем участвуют несколько промежуточных соединений, являющихся фосфорилированными пятиуглеродными сахарами (пентозами). Этот путь обеспечивает мономеры для многих метаболических путей, преобразуя глюкозу в четырех углеродный сахар эритрозу и пятиуглеродный сахар рибозу – важные строительные блоки для множества метаболических процессов. Многие реагенты этого пути схожи с реагентами гликолиза, и оба процесса происходят в цитозоле. Рибоза-5-фосфат транспортируется в метаболизм нуклеиновых кислот, являясь основой для мономеров ДНК и РНК – нуклеотидов. В меристематических клетках, в S-фазу короткого клеточного цикла требуется большое количество ДНК; поэтому этот путь играет чрезвычайно важную роль в метаболизме этих клеток. В этих клетках пентазофосфатный путь активен и направлен на преимущественное образование рибозы.

Регулирование

Клетка определяет, будет ли амфиболический путь функционировать как анаболический или катаболический, посредством фермент-опосредованной регуляции на транскрипционном и посттранскрипционном уровнях. Поскольку многие реакции в амфиболических путях свободно обратимы или могут быть обходными, необходимы необратимые стадии, обеспечивающие их двойственную функцию. Путь использует различные ферменты для каждого направления в необратимой стадии, что позволяет независимо регулировать катаболизм и анаболизм. Благодаря своей внутренней двойственности, амфиболические пути представляют собой механизмы регуляции как анаболизма, посредством отрицательной обратной связи конечного продукта, так и катаболизма, посредством обратной связи по последовательностям-индикаторам энергии.