Рис. Блок-схема главных функциональных элементов клеточного метаболизма. NTP — нуклеотидтрйфосфат; NDP — нуклеотиддифосфат; ДГАФ — дигидроксиацетонфосфат; ФГ — фосфоглицерат; Г-6-Ф — глюкозо-6-фосфат; Р-5-Ф — рибулозо-5-фосфат; Э-4-Ф — эритрозо-4-фосфат; ФЕП — фосфоенол-пируват.

Обсуждение процессов клеточного метаболизма обычно начинают с трех важнейших условий, необходимых для поддержания жизни любых клеток (микробных, растительных и животных). Это наличие энергии, запасенной в форме АТР (адено-зинтрифосфата), восстановительной силы в форме NADPH (восстановленного никотинамид-адениндинуклеотидфосфата) и исходных материалов для процессов биосинтеза. Любопытно, что на подробных картах метаболических путей сущность этих ус-ловий и способы их достижения часто теряются среди множества деталей метаболизма. Сложность и запутанность таких карт порою мешает видеть основные принципы организации метаболических процессов в клетке. Как подчеркнул Эткинсон (Atkinson, 1977), схемы биохимических процессов во многом сходны со схемами электронных устройств. Как и в электронике, при описании метаболизма для объяснения сути общих принципов проще всего использовать функциональные блок-схемы. Такого рода блок-схема показывает, что метаболизм живой клетки можно представить в виде трех функциональных блоков:

1.  Блок катаболизма (I), в котором различные вещества пищи окисляются до ,С02 и Н20„ а большинство высвобождающихся при этом электронов переносится на 02; с этим процессом сопряжено образование АТР (так называемое окислительное фосфорилирование). При полном отсутствии 02 или его недостатке окисление не доходит до конца, и электроны переносятся на различные органические соединения, которые при этом восстанавливаются и в такой восстановленной форме накапливаются в клетке в качестве конечных продуктов обмена. Важнейшие метаболические пути этого блока — гликолиз, р-окисление жирных кислот, цикл Кребса и пути распада аминокислот; все они обеспечивают не только поступление электронов и протонов в электрон-транспортную систему, но также и (наряду с несколькими другими путями) образование углеродсодержащих соединений, используемых затем в качестве предшественников во всех биосинтетических процессах. Для эукариот особую проблему представляет освобождение от конечных продуктов катаболизма (у прокариот они просто выводятся в  окружающую среду). Некоторые конечные продукты, например СO2 и Н2O, относительно безвредны (хотя даже СO2 нельзя считать абсолютно безобидным веществом, так как его образование ставит перед организмом задачу регуляции кислотно-щелочного равновесия); в то же время ряд других соединений — конечные продукты анаэробного метаболизма, отходы, содержащие азот или серу,— представляют для организма реальную (или потенциальную) опасность. Таким образом, для того чтобы избежать «самозагрязнения», блок I у эукариот должен быть снабжен специальными системами для выведения, обезвреживания, накопления или реутилизации потенциально вредных конечных продуктов катаболизма.
2. 2. Блок анаболизма (II) в химическом отношении гораздо сложнее. В основном он представлен процессами, протекающими с потреблением АТР. В некоторых клетках это главным образом процессы биосинтеза, в которых соединения, поставляемые блоком I, превращаются в сотни специфических клеточных компонентов. В других клетках (например, в мышечных) энергия, запасенная в форме АТР, расходуется в основном на совершение механической работы. Есть также клетки, специализированные для выполнения того или иного вида химической работы (например, для перекачивания ионов). В клетках двух последних категорий, однако, должны в то же время идти и процессы биосинтеза, хотя бы с умеренной интенсивностью. Во всех этих процессах АТР используется как универсальный преобразователь энергии, а там, где возникает потребность в ионах Н+, роль восстановителя выполняет NADPH.
3. 3. Третий блок — блок роста и дифференцировки — можно было бы назвать также сборочным цехом. Из продуктов блока II он отбирает те соединения, которые служат ключевыми предшественниками при биосинтезе сложных макромолекул, составляющих основу всей жизнедеятельности клетки: белков, нуклеиновых кислот, компонентов мембран, органелл и т. п. Создаваемые здесь клеточные компоненты — это, по существу, и есть тот «машинный парк», который работает в катаболическом и анаболическом блоках. В процессах блока III тоже используется энергия, запасенная в форме АТР, но, как правило, не непосредственно, а в форме образующихся при участии АТР производных гуанозина, уридина и цитидина (GTP, UTP или СТР соответственно). Такая специализация функций нуклеозидтрифосфатов, по-видимому, повышает эффективность регуляции метаболизма, позволяя клетке должным образом распределять АТР между разными метаболическими путями (Atkinson, 1977). Циркуляция АТР между блоками I и III служит важным механизмом функционального сопряжения этих блоков.

Обратимся вновь к схеме, представленной на рисунке. Будучи преднамеренно упрощенной, эта схема подчеркивает ряд важных моментов:

• Во-первых, можно видеть, что катаболизм служит движущей силой для функционирования живых систем.
• Во-вторых, сама возможность отобразить в такой простой модели множество сложных биологических процессов и взаимоотношений наглядно демонстрирует единство биохимических принципов, лежащих в основе всех клеточных функций.
• В-третьих (и это, пожалуй, наиболее поучительно), схема показывает, что между блоками имеется лишь небольшое число связей, причем особую роль в этих связях играют АТР и NADPH — это главные сопрягающие агенты во всем метаболизме, единственные вещества, основное назначение которых состоит в сопряжении главных функциональных блоков.

Функции других сопрягающих агентов тоже существенны, но ни один из них не используется столь широко. Например, восстановленные формы никотинамид- адениндинуклеотида (NADH) и флавин-адениндинуклеотида (FADH2), которые участвуют в работе катаболического блока, перенося при окислительном фосфорилировании электроны с субстрата на кислород (см. ниже), не играют значительной роли в сопряжении главных функциональных блоков.

Важной особенностью этих сопрягающих агентов является циклический характер их функционирования. В реакциях блока II АТР превращается в аденозиндифосфат (ADP) или адено-зинмонофосфат (AMP), a NADPH —в NADP+; поэтому для регенерации исходных веществ достаточно, чтобы в ходе каких-либо катаболических процессов произошло рефосфорилирование или соответственно восстановление (при окислении субстрата). Именно это отличает АТР и NADPH от группы других соединений, которые тоже можно рассматривать как сопрягающие интермедиами. Такие соединения в отличие от АТР и NADPH синтезируются в реакциях одного блока и разрушаются при использовании в другом блоке. В реакциях блока II (в основном в процессах биосинтеза) расходуется около 10 веществ, образующихся в блоке I в реакциях гликолиза, цикла Кребса, пентозофосфатного пути и в ряде анаплеротических реакций. В эту группу сопрягающих интермедиатов входят следующие соединения: четыре сахарофосфата — триозофосфат-дигидроксиацетонфосфат (ДГАФ) или 3-фосфоглицеральде-гид, тетрозофосфат, пентозофосфат и гексозофосфат; три 2-оксокислоты — пируват, оксалоацетат и 2-оксоглутарат; две активированные карбоновые кислоты — ацетил-СоА и сукцинил-СоА; и наконец, фосфоенолпируват (в этот перечень не включены изомеры и легко взаимопревращаемые соединения). Поступив в блок II, эти десять веществ расщепляются, и поэтому запас их должен все время пополняться за счет соответствующих катаболических процессов блока I. В отличие от АТР и NADPH, регенерируемых и снова используемых в клетке, эти соединения рано или поздно включаются в состав более сложных клеточных компонентов.

Аналогичная, но гораздо более обширная группа интермедиатов образуется в биосинтетических процессах блока II. Эти вещества поступают затем в блок III, где используются как предшественники макромолекул или обеспечивают работу этого блока иным путем; их потоки тоже обеспечивают сопряжение функций второго и третьего блоков.

Продукты блока III (гены, белки, мембраны, органеллы) обеспечивают функционирование всех трех блоков. Хотя они тоже «протекают» через систему (у каждого из них есть определенный период полуобновления), полная аналогия здесь невозможна, так как массовый распад таких клеточных элементов происходит лишь при каких-либо необычных обстоятельствах.