Полученные из питательных веществ (белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды) на I этапе катаболизируются до простых метаболитов: глюкозы, отдельных аминокислот, глицерина, жирных кислот, которые получаются в пищеварительном тракте. Высвобождение энергии осуществляется в резуль-тате окислительно-восстановительного распада. В дальнейшем, полисахари-ды расщепляются до моносахаридов (обычно гексоз). Жиры распадаются на глицерин и высшие жирные кислоты, а белки – на составляющие их свобод-ные аминокислоты. Эти процессы в основном являются гидролитическими, и, освобождающаяся в небольшом количестве, энергия используется в качестве тепла.
На II этапе мономерные молекулы (гексозы, глицерин, жирные кисло-ты и аминокислоты) подвергаются дальнейшему распаду, в процессе которо-го образуются богатые энергией фосфатные соединения и ацетил-КоА.
Этот процесс сопровождается образованием ограниченного числа бо-гатых энергией фосфатных связей путем субстратного фосфорилирования. Высшие жирные кислоты на этом этапе распадаются до ацетил-КоА, в то время как глицерин окисляется по гликолитическому пути до пировиноград-ной кислоты и далее до ацетил-КоА. Использования аминокислот, как источ-ника энергии (при дефиците углеводов), осуществляется по-разному. Одни аминокислоты непосредственно превращаются в метаболиты цикла Кребса (глутамат), другие – опосредованно через глутамат (пролин, гистидин, арги-нин), третьи – в пируват и далее в ацетил-КоА (аланин, серин, глицин, цисте-ин). Ряд аминокислот, в частности лейцин, изолейцин, расщепляется до аце-тил-КоА, а из фенилаланина и тирозина, помимо ацетил-КоА, образуется ок-салоацетат через фумаровую кислоту. Таким образом, II этап – это этап об-разования ацетил-КоА, являющегося в клетках по существу единым (общим) промежуточным продуктом катаболизма основных пищевых веществ. На III этапе ацетил-КоА подвергаются окислению («сгоранию») в цикле трикарбо-новых кислот. Окисление сопровождается образованием восстановленных форм НАДН и ФАДН2. По существу, первые три этапа можно определить, как процесс катаболического превращения крупных молекул.
На IV этапе осуществляется перенос электронов от восстановленных нуклеотидов на кислород (через дыхательную цепь). Он сопровождается об-разованием конечного продукта – молекулы воды. Этот транспорт электро-нов сопряжен с синтезом АТФ в процессе окислительного фосфорилирова-ния.
Окислительное фосфорилирование самый эффективный способ синтеза АТФ, в результате которого компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН (или восстановленного убихинона) на молеку-лярный кислород. При этом образуется энергия для синтеза АТФ. Это по-стоянно действующий и наиболее эффективный путь энергообразования в клетках всех типов, так как в нем наряду с глюкозой, могут быть использо-ваны не только жирные кислоты, но и кетоновые тела.
При снижении парциального давления кислорода до 90 мм.рт.ст. ско-рость аэробного гликолиза и окислительного фосфорилирования существен-но снижаются. Клиническим эквивалентом этого снижения являются сла-бость, разбитость, плохое самочувствие в целом.
Помимо основного источника энергии, описанного выше, существуют альтернативные источники получения энергии:
Анаэробный гликолиз – при отсутствии или недостатке в клетке кис-лорода пировиноградная кислота подвергается восстановлению до молочной кислоты. Под действием лактатдегидрогеназы молочная кислота окисляется снова в пируват. Кроме того, током крови молочная кислота переносится в печень, где превращается в глюкозу, которая через кровь разносится по все-му организму (цикл Кори). Анаэробный гликолиз может покрывать кратко-временные энергетические нагрузки, даже субмаксимальные. Однако при за-болеваниях анаэробный гликолиз не обеспечивает в полной мере потребно-сти клеток в энергии, при этом накапливается молочная кислота, и в резуль-тате этого возникает недостаточность функциональных систем, в том числе, не связанных напрямую с пораженной системой или органом.
Субстратное фосфорилирование – образование АТФ в ходе метаболи-ческого цикла (переход сукцинат-КоА в сукцинат в цикле Кребса и образо-вание пирувата при гликолизе). Эти реакции способны на некоторое время поддержать жизнедеятельность организма в отсутствии окислительного фос-форилирования.
Пентозофосфатный путь окисления глюкозы (или «пентозный шунт») – необходим для ресинтеза жирных кислот и предшественников нуклеотидов. При этом образуется НАДФН и продукты способные включаться в гликолиз и далее в цикл трикарбоновых кислот.
Гидролиз креатинфосфата – быстрый и кратковременный путь полу-чения энергии за счет гидролиза креатинфосфата.
Образование инозинмонофосфата в результате конверсии АДФ в АТФ и АМФ.
β-Окисление жирных кислот, которое происходит в митохондриях, при низкой концентрации пирувата и высоком содержание НАД+.
Таким образом, основным источником энергии является цикл Кребса сопряженный с окислительным фосфорилированием. Главным и быстро мо-билизуемым исходным субстратом служит глюкоза. Ее метаболизм покрыва-ет основной обмен и обеспечивает жизнедеятельность организма. Главным регуляторным механизмом цикла трикарбоновых кислот и окислительного фосфорилирования является кругооборот окислительно-восстановительных эквивалентов, которые определяются отношением НАДН/НАД+.