Анаболизм: биосинтез и метаболизм¶

Анаболизм (от греч. ἀναβολή — «подъём», «возвышение») — совокупность процессов биологического синтеза сложных органических соединений из более простых предшественников, протекающих в живых организмах с поглощением энергии. Анаболизм является одной из двух сторон метаболизма (обмена веществ), противопоставляясь катаболизму — процессу расщепления сложных молекул с высвобождением энергии. В совокупности анаболические и катаболические пути обеспечивают обновление клеточных структур, рост, развитие и поддержание гомеостаза организма.

¶Общая характеристика

В ходе анаболических реакций из малых молекул (аминокислот, моносахаридов, нуклеотидов, жирных кислот) строятся более крупные и сложные структуры: белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды. Эти процессы требуют затрат энергии, которая поставляется в форме аденозинтрифосфата (АТФ) и восстановительных эквивалентов — никотинамидадениндинуклеотидфосфата (НАДФН). Таким образом, анаболизм функционально сопряжён с катаболизмом: энергия, выделяемая при распаде питательных веществ, используется для синтеза новых молекул.

Анаболические пути являются эндергоническими (требуют притока свободной энергии) и восстановительными по своей химической природе. Ключевым регуляторным механизмом служит соотношение АТФ/АМФ в клетке: высокий уровень АТФ активирует анаболические ферменты и ингибирует катаболические, и наоборот.

¶Основные анаболические процессы

¶Синтез белков

Белковый синтез (трансляция) происходит на рибосомах с участием матричной (мРНК), транспортной (тРНК) и рибосомальной (рРНК) РНК. Аминокислоты активируются ферментами аминоацил-тРНК-синтетазами с затратой АТФ, после чего соединяются в полипептидную цепь согласно генетическому коду. Скорость синтеза белка регулируется на уровне транскрипции генов, а также гормонально (инсулин, гормон роста, тестостерон усиливают его).

¶Глюконеогенез

Глюконеогенез — синтез глюкозы из неуглеводных предшественников (лактата, глицерина, аминокислот). Протекает преимущественно в печени и корковом веществе почек. Большинство реакций гликолиза обратимы, однако три ключевые стадии (фосфорилирование глюкозы, фосфофруктокиназная реакция, пируваткиназная реакция) обходятся с помощью специфических ферментов: пируваткарбоксилазы, фосфоенолпируваткарбоксикиназы, фруктозо-1,6-бисфосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы. Процесс требует 6 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы.

¶Синтез жирных кислот и липидов

Синтез жирных кислот (липогенез) локализован в цитозоле клеток печени, жировой ткани и молочной железы. Ключевой фермент — ацетил-КоА-карбоксилаза, превращающая ацетил-КоА в малонил-КоА. Далее мультиферментный комплекс синтазы жирных кислот удлиняет цепь на два углеродных атома за цикл, используя НАДФН в качестве восстановителя. Из жирных кислот и глицерол-3-фосфата строятся триглицериды и фосфолипиды.

¶Синтез нуклеотидов

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды синтезируются de novo из аминокислот (глицин, глутамин, аспартат), рибозо-5-фосфата и углекислого газа. Пуриновый цикл начинается с 5-фосфорибозил-1-пирофосфата (ФРПФ), пиримидиновый — с карбамоилфосфата. Нуклеотиды необходимы для построения ДНК и РНК, а также участвуют в энергетическом обмене (АТФ, ГТФ) и передаче сигналов (цАМФ).

¶Энергетика и регуляция

Анаболизм потребляет значительную долю энергии, производимой клеткой. Например, для синтеза одной пептидной связи требуется 4 макроэргических эквивалента (АТФ и ГТФ). Энергетическим «топливом» служат реакции катаболизма: гликолиз, β-окисление жирных кислот, цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и окислительное фосфорилирование.

Гормональная регуляция анаболизма осуществляется через:

• Инсулин — активирует синтез гликогена, жирных кислот и белков, стимулирует поглощение глюкозы клетками.
• Гормон роста (соматотропин) — усиливает синтез белка и липолиз, способствует росту костей и мышц.
• Тестостерон и другие андрогены — стимулируют белковый синтез в мышечной ткани.
• Тиреоидные гормоны — в физиологических концентрациях усиливают общий уровень метаболизма, включая анаболические процессы.

Противоположное действие оказывают глюкагон, кортизол и адреналин, которые смещают баланс в сторону катаболизма.

¶Анаболизм в спорте и медицине

В спортивной физиологии анаболизм ассоциируется с ростом мышечной массы и силовых показателей. Тренировки с отягощениями, достаточное потребление белка и калорий, а также восстановительный сон стимулируют анаболические пути. При этом в спортивной практике используются анаболические стероиды — синтетические производные тестостерона. Их применение без медицинских показаний запрещено Всемирным антидопинговым агентством (WADA) и законодательством большинства стран, включая Россию, из-за серьёзных побочных эффектов: поражения печени, сердечно-сосудистых заболеваний, гормональных нарушений.

В медицине анаболические препараты применяются ограниченно — при лечении кахексии (истощения) у онкологических и ВИЧ-инфицированных пациентов, при остеопорозе, тяжёлых ожогах и после обширных хирургических вмешательств. Используются также анаболические стероиды нандролон и станозолол, однако их назначение требует строгого врачебного контроля.

¶Связь с катаболизмом

Катаболизм и анаболизм неразделимы: продукты катаболизма (ацетил-КоА, пируват, аминокислоты) служат субстратами для анаболических реакций, а анаболизм создаёт структуры, которые впоследствии могут подвергаться распаду. Обмен веществ в клетке организован таким образом, чтобы избегать бесполезного циклирования: противоположные пути пространственно разделены (компартментализация) и регулируются аллостерически, чтобы не работать одновременно с полной интенсивностью.

¶См. также

• Катаболизм
• Метаболизм
• Цикл Кребса
• Глюконеогенез

¶Литература

• Нельсон Д., Кокс М. Основы биохимии Ленинджера. — М.: Бином, 2017.
• Северин Е. С. Биохимия. — М.: ГЭОТАР-Медиа, 2019.
• Берг Дж., Тимочко Дж., Страйер Л. Биохимия. — М.: Мир, 2015.