Основы биохимии Ленинджера : в 3 т. Т. 2 : Биоэнергетика и метаболизм

ОСНОВЫ БИОХИМИИ
ЛЕНИНДЖЕРА

David L. Nelson
Professor Emeritus of Biochemistry
University of Wisconsin–Madison

Michael M. Cox
Professor of Biochemistry
University of Wisconsin–Madison

LEHNINGER 
PRINCIPLES OF BIOCHEMISTRY

Seventh Edition

w  
w  .h .freeman
Macmillan Learning
Macmillan Learning
New York
New York

ОСНОВЫ БИОХИМИИ 
ЛЕНИНДЖЕРА

2

Д. Нельсон, М. Кокс

ЛУЧШИЙ ЗАРУБЕЖНЫЙ УЧЕБНИК

В трех томах

БИОЭНЕРГЕТИКА 
И МЕТАБОЛИЗМ

5е издание,
переработанное и дополненное, 
электронное

Москва
Лаборатория знаний
2022

Перевод с английского
под редакцией доктора биологических наук,
членакорреспондента РАН Н. Б. Гусева 

УДК 578.1
ББК 28.072я73
Н49

С е р и я
о с н о в а н а
в
2006 г.
П е р е в о д ч и к: канд. хим. наук Т. П. Мосолова
Н а у ч н ы е р е д а к т о р ы: д-р биол. наук Н. Б. Гусев (гл. 13–16, 23),
канд. биол. наук В. Г. Гривенникова (гл. 17–20),
д-р биол. наук О. Д. Лопина (гл. 21–23)

Нельсон Д.
Н49
Основы биохимии Ленинджера : в 3 т. Т. 2 : Биоэнергетика
и метаболизм / Д. Нельсон, М. Кокс ; пер. с англ. — 5-е изд.,
перераб. и доп., электрон. — М. : Лаборатория знаний, 2022. —
689 с. — (Лучший зарубежный учебник). — Систем. требования:
Adobe Reader XI ; экран 10". — Загл. с титул. экрана. — Текст :
электронный.
ISBN 978-5-93208-608-7 (Т. 2)
ISBN 978-5-93208-606-3
Перевод седьмого оригинального издания всемирно известного учебника, написанного талантливыми американскими учеными-педагогами, который отражает стремительное развитие современной биохимии и включает
основные достижения, помогающие осветить важные аспекты этой науки.
В том 2 вошла часть II «Биоэнергетика и метаболизм». Даны общие
термодинамические понятия применительно к биологическим системам,
классификация химических реакций, происходящих в живых организмах,
подробно рассмотрены основные метаболические пути — гликолиз, глюконеогенез, пентозофосфатный путь, циклы лимонной кислоты и мочевины, окислительное фосфорилирование, фотосинтез и биосинтез углеводов
у растений, процессы катаболизма и анаболизма аминокислот, липидов
и нуклеотидов, а также принципы гормональной регуляции и интеграции метаболизма у млекопитающих. В каждой главе есть задания для
самопроверки.
Для студентов и аспирантов биологических, химических, медицинских
вузов и для научных работников.
УДК 578.1
ББК 28.072я73

Деривативное издание на основе печатного аналога: Основы биохимии Ленинджера : в 3 т. Т. 2 : Биоэнергетика и метаболизм / Д. Нельсон,
М. Кокс
;
пер. с англ. — 5-е
изд.,
перераб.
и
доп. — М.
:
Лаборатория знаний, 2022. — 646 с. : ил. — (Лучший зарубежный учебник). —
ISBN 978-5-00101-309-9 (Т. 2); ISBN 978-5-00101-307-5.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных
техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от
нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации

ISBN 978-5-93208-608-7 (Т. 2)
ISBN 978-5-93208-606-3

Lehninger Principles of Biochemistry 7 Ed
First published in United States by W. H. Freeman
and Company

©
Copyright
2017, 2013, 2008, 2005 by W. H. Freeman
and Company. All rights reserved
Основы биохимии Ленинджера 7-е издание
Впервые опубликовано в США издательством
W. H. Freeman and Company

© 2017, 2013, 2008, 2005 by W. H. Freeman
and Company. Все права защищены

© Перевод на русский язык, Лаборатория знаний,
2017

ЧАСТЬ II

М

етаболизм — это высококоординированная деятельность клетки, при которой происходит кооперативное взаимодействие 
многих мультиферментных систем (метаболические пути) для того, чтобы: 1) извлекать химическую энергию из окружающей среды (либо 
путем поглощения энергии солнечного света, 
либо при расщеплении богатых энергией питательных веществ); 2) превращать молекулы питательных веществ в собственные, характерные 
для клетки соединения, включая предшественники макромолекул; 3) из предшественниковмономеров проводить сборку макромолекул: 
белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов; 

и 4) осуществлять синтез и разрушение биомолекул, необходимых клетке для выполнения ее 
функций: липидов мембран, внутриклеточных 
мессенджеров и пигментов.
Метаболизм включает сотни различных 
катализируемых ферментами реакций. В этой 
II части книги мы рассмотрим центральные 
метаболические пути, которые совсем не столь 
многочисленны и удивительно сходны у всех 
форм жизни. Живые организмы можно разделить на две большие группы в зависимости от 
того, в виде каких молекул они получают углерод из окружающей среды. Автотрофы (такие 
как фотосинтезирующие бактерии, зеленые 

13  Основы биоэнергетики. 
Типы химических реакций  11
14  Гликолиз, глюконеогенез 
и пентозофосфатный путь  63
15  Принципы регуляции 
метаболизма  121
16  Цикл лимонной кислоты  179
17  Катаболизм жирных кислот  219
18  Окисление аминокислот 
и образование мочевины  255
19  Окислительное 
фосфорилирование  299
20  Фотосинтез и биосинтез 
углеводов у растений  363
21  Биосинтез липидов  439
22  Биосинтез аминокислот, 
нуклеотидов и связанных 
с их метаболизмом молекул  503
23  Гормональная регуляция 
и интеграция метаболизма 
у млекопитающих  565

Биоэнергетика 
и метаболизм

[6] Часть II. Биоэнергетика и метаболизм

водоросли и сосудистые растения) в качестве 
единственного источника углерода могут использовать углекислый газ, из которого они 
строят все свои углеродсодержащие биомолекулы (см. рис. 1-6, т. 1). Гетеротрофы не могут 
усваивать углекислый газ атмосферы и должны 
получать углерод из окружающей среды в форме довольно сложных органических молекул, 
таких как глюкоза. Многоклеточные животные и большинство микроорганизмов — гетеротрофы. Автотрофные клетки и организмы 
относительно самодостаточны, в то время как 
гетеротрофные клетки и организмы для удовлетворения своих потребностей в углероде нуждаются в более сложных соединениях углерода 
и поэтому должны питаться веществами, синтезированными другими организмами.
Многие автотрофные организмы фотосинтезируют, используя в качестве источника энергии солнечный свет. Гетеротрофные организмы 
получают энергию при расщеплении органических питательных веществ, образуемых автотрофами. В биосфере автотрофы и гетеротрофы 
живут вместе в большом взаимозависимом цикле. Автотрофные организмы для построения 
своих органических биомолекул используют 
углекислый газ атмосферы. В этом процессе 
некоторые автотрофы генерируют кислород из 
воды. Гетеротрофы в качестве питательных веществ используют органические продукты, соз
данные автотрофами, и выделяют в атмосферу 
углекислый газ. В некоторых окислительных 
реакциях с образованием диоксида углерода 
участвует кислород, который в ходе этих реакций превращается в воду. Таким образом, между 
гетеротрофами и автотрофами постоянно происходит круговорот углерода, кислорода и воды. 
Движет этим глобальным процессом солнечная 
энергия (рис. 1).
Все живые организмы нуждаются также в 
источнике азота, который необходим для синтеза 
аминокислот, нуклеотидов и других соединений. 
Бактерии и растения в качестве источника азота 
используют главным образом аммиак или нитраты. Позвоночные животные должны получать 
азот в форме аминокислот или других органических соединений. Только некоторые организмы — цианобактерии и многие виды почвенных 
бактерий, в том числе обитающих в качестве 
симбионтов на корнях растений, — способны 
превращать атмосферный азот N2 в аммоний 
(этот процесс называется фиксацией азота). Далее нитрифицирующие бактерии окисляют аммоний до нитритов и нитратов. В природе есть 
бактерии, превращающие нитраты в свободный 
азот. Анаммокс-бактерии превращают аммоний 
и нитриты в молекулярный азот. Таким образом, кроме глобального круговорота углерода и 
кислорода, в биосфере происходит и круговорот 
азота, в котором участвует огромное количество 
этого элемента (рис. 2). Круговороты кислорода, 
углерода и азота, в которые в конечном счете вовлекаются все виды живых существ, зависят от 
естественного баланса между активностью продуцентов (автотрофов) и консументов (гетеротрофов) в биосфере.
Круговороты этих элементов приводятся в 
движение громадным потоком энергии, поступающей в биосферу извне, а затем преобразуемой в 
биосфере; все начинается с поглощения солнечной энергии фотосинтезирующими организмами 
с последующим использованием этой энергии 
для создания богатых энергией углеводов и других органических соединений. Эти питательные 
вещества выступают в качестве источника энергии для гетеротрофных организмов. В метаболических процессах и при любых превращениях энергии часть свободной энергии теряется 
из-за выделения тепла в окружающую среду и 
увеличения энтропии системы. Таким образом, 

Рис. 1. Круговорот углекислого газа и кислорода между 
автотрофным (фотосинтезирующим) и гетеротрофным доменами биосферы. В этот круговорот вовлечены 
огромные массы веществ; биосферный оборот оценивается в ~4 · 1011 т углерода в год.

Фотосинтезирующие
автотрофы

CO2

O2

H2O

Гетеротрофы

О

р

г

а

н

и

ч

е

с

к

и

е

 

в

е

щ

е

с

т

в

а

Часть II. Биоэнергетика и метаболизм [7]

в биосфере происходит постоянный круговорот 
веществ, а энергия необратимо расходуется, потому что организмы не способны регенерировать 
энергию, которая рассеивается в виде тепла или 
увеличения энтропии. Круговороты углерода, 
кислорода и азота осуществляются непрерывно, 
а энергия постоянно превращается в форму, в которой она уже не может быть использована, — в 
тепловую энергию.
Метаболизм — совокупность всех химических превращений, которые происходят в клетке 
или организме и осуществляются посредством 
серии последовательных катализируемых ферментами реакций, называемых метаболическими 
путями. Реакции (стадии) метаболического пути 
следуют друг за другом в определенном порядке и 
на каждой стадии в систему привносится небольшое специфическое изменение ее химического 
состава. Обычно при этом происходит удаление, 
перемещение либо добавление одного атома или 
функциональной группы. Превращение предшественника в конечный продукт идет через серию 
промежуточных продуктов метаболизма, называемых метаболитами. Термин промежуточный 
метаболизм часто применяют к совокупности 
ферментативных реакций всех метаболических 
путей, в которых происходит взаимное превращение предшественников, метаболитов и низкомолекулярных веществ (обычно с Мr < 1000).
Катаболизм объединяет процессы расщепления веществ, при которых органические молекулы 

пищи (углеводы, жиры и белки) превращаютcя в 
низкомолекулярные и более простые конечные 
продукты (такие как молочная кислота, CO2, 
NH3). Катаболизм сопровождается высвобождением энергии, которая запасается в форме 
АТP и восстановленных переносчиков водорода 
(NADH, NADPH, FADH2). Остаток энергии рассеивается в виде тепла. Анаболизм, называемый 
также биосинтезом, включает процессы, при которых из небольших простых предшественников 
синтезируются более крупные и сложные молекулы, в том числе жиры, полисахариды, белки и 
нуклеиновые кислоты. Реакции анаболизма протекают с потреблением энергии, обычно получаемой при гидролизе фосфорильной группы АТР и 
окислении NADH, NADPH, FADН2 (рис. 3).
Рис. 2. Круговорот азота в биосфере. Газообразный азот 
N2 составляет 80% земной атмосферы.

Азотфиксирующие
бактерии
и археи

Анаммоксбактерии

Денитрифицирующие
бактерии,
археи
и грибы

Растения,
денитрифицирующие
бактерии,
археи и
грибы
  Нитри фицирующие
бактерии
Нитрифицирующие
бактерии и археи

Растения,
бактерии,
археи
и грибы

Растения
Живот   ные

Атмосферный
азот

Нитриты
NO2
–

Нитраты
NO3
–
Аминокислоты

Аммоний
NH4
+

Рис. 3. Энергетическое сопряжение путей катаболизма 
и анаболизма. Катаболические пути поставляют химическую энергию в форме АТР, NADH, NADPH и 
FADH2. Эти переносчики энергии «работают» в анаболических путях, где происходят превращения низкомолекулярных веществ в макромолекулы.

[8] Часть II. Биоэнергетика и метаболизм

Одни метаболические пути представлены в 
виде линейной цепочки последовательных превращений. Другие метаболические пути имеют 
разветвления, т. е. из одного предшественника 
создается множество полезных конечных продуктов или из нескольких исходных веществ 
образуется один продукт. Как правило, катаболические пути конвергентны, а анаболические 
дивергентны (рис. 4). Некоторые пути представляют собой реакционные циклы, когда молекула исходного вещества регенерируется в 
серии реакций, при этом несколько молекул, образованных из исходного реагента, вновь дают 
исходное вещество как продукт. В следующих 
главах рассмотрены примеры различных метаболических путей.

У большинства клеток есть ферменты 
для проведения и реакций распада, и реакций 
синтеза важных групп биомолекул, например жирных кислот. Однако одновременное 
протекание синтеза и расщепления жирных 
кислот было бы бессмысленно, это предотвращается взаимной регуляцией анаболических и катаболических последовательностей 
реакций — когда одна реакционная цепочка 
активируется, другая подавляется. Такая регуляция не могла бы осуществляться, если 
бы анаболические и катаболические пути 
катализировались одним И тем же набором 
ферментов, действующих в одном направлении для анаболизма и в противоположном 
для катаболизма. Ингибирование фермента, 

Рис. 4. Три типа нелинейных метаболических путей. а) Конвергентный катаболический путь. б) Дивергентный анаболический путь. в) Циклический путь, в котором одно 
из исходных веществ (в данном случае оксалоацетат) регенерируется и вновь включается в цикл. Ацетил-СоА (ацетат) — ключевой промежуточный продукт метаболизма — 
возникает при распаде целого ряда богатых энергией молекул (а); он служит в качестве 
предшественника многих продуктов (б) и утилизируется в катаболическом пути — цикле лимонной кислоты (в).

Каучук

Жирные
кислоты

Стероидные
гормоны

а Конвергентный катаболизм

б Дивергентный анаболизм

Оксалоацетат

CO2

CO2

в Циклический путь

Ацетат
(ацетил-CoA)

Цитрат

Пируват
Глюкоза
Гликоген

Фосфолипиды

Аланин

Жирные кислоты

Лейцин

Фенилаланин

Изолейцин

Крахмал

Серин
Сахароза

Эйкозаноиды

Фосфолипиды

Каротиноидные
пигменты

Витамин K

Триацилглицерины

Эфиры
холестерина

Триацилглицерины

Мевалонат

Изопентилпирофосфат

Жирные кислоты

Ацетоацетил-CoA

CDP-диацилглицерин

Холестерин

Часть II. Биоэнергетика и метаболизм [9]

вовлеченного в катаболизм, привело бы к ингибированию последовательности реакций 
анаболического направления. Катаболические и анаболические пути, которые имеют одинаковые концевые точки (например, 
глюкозапируват и пируватглюкоза), 
могут использовать множество одинаковых 
ферментов. Но вот что обязательно — по 
крайней мере, на одной из стадий катаболический и анаболический пути катализируются 
разными ферментами и имеют собственные 
механизмы регуляции; эти ферменты и служат точками их независимой регуляции. Более того, чтобы анаболический и катаболический пути были необратимыми, уникальные 
для каждого направления последовательности реакций должны включать хотя бы одну 
реакцию, которая термодинамически весьма 
благоприятна, другими словами, обратная ей 
реакция термодинамически невыгодна. Независимость регуляции катаболических и 
анаболических процессов усиливается и тем, 
что парные катаболический и анаболический 
пути обычно происходят в разных участках 
клетки. Например, катаболизм жирных кислот происходит в митохондриях, а синтез — в 
цитоплазме. Концентрации промежуточных 
метаболитов, ферментов и регуляторов могут 
поддерживаться в различных участках клетки на разных уровнях. Благодаря тому что 
кинетика метаболических путей контролируется концентрацией субстратов, отдельные 
промежуточные продукты анаболизма и катаболизма тоже контролируют скорость метаболических процессов. Механизмам таких 
анаболических и катаболических процессов 
мы уделим особое внимание.
Метаболические пути регулируются на 
нескольких уровнях как внутри клетки, так и 
внеклеточно. Наиболее быстро метаболические процессы реагируют на наличие субстрата; когда внутриклеточная концентрация субстрата меньше или близка KM (как это обычно 
бывает), скорость реакции определяется концентрацией субстрата (см. рис. 6-11, т. 1). 
Другой способ внутриклеточно управлять 
скоростью метаболических процессов связан 
с аллостерической регуляцией (см. разд. 6.5, 
т. 1) промежуточным продуктом метаболизма 
или коферментом, например аминокислотой 

или АТР, которые сигнализируют о состоянии метаболизма внутри клетки. Когда клетка содержит достаточное для своих насущных 
потребностей количество, скажем, аспартата 
или когда уровень АТР в клетке такой, что 
дальнейшее потребление энергии в данный 
момент не нужно, эти сигналы аллостерически ингибируют активность одного или 
более ферментов в соответствующей последовательности реакций. У многоклеточных 
организмов метаболическая активность различных тканей регулируется и интегрируется 
ростовыми факторами и гормонами, которые 
действуют снаружи клетки. В некоторых случаях эта регуляция происходит фактически 
мгновенно (иногда быстрее, чем за миллисекунду) через изменения содержания внутриклеточных мессенджеров, которые изменяют 
активность ферментов путем аллостерической регуляции или их ковалентной модификации, например при фосфорилировании. В 
других случаях внеклеточный сигнал приводит к изменению концентрации фермента в 
клетке, влияя на скорость его синтеза или распада. Такой эффект проявляется только через 
минуты или часы.
Часть II мы начнем с описания основных энергетических закономерностей метаболизма (гл. 13), затем обсудим главные 
пути катаболизма, по которым клетка получает энергию, окисляя разнообразные вещества (гл. 14–20). Подробно энергетические 
аспекты метаболизма рассмотрены в гл. 19 и 
20. Они посвящены хемиосмотическому сопряжению — универсальному механизму, по 
которому трансмембранный электрохимический потенциал, возникающий либо в процессе окисления субстрата, либо в процессе 
поглощения солнечной энергии, позволяет 
осуществлять синтез ATP.
В гл. 20–22 рассматриваются главные анаболические пути, где за счет энергии ATP из 
более простых молекул-предшественников 
синтезируются углеводы, липиды, аминокислоты и нуклеотиды. В гл. 23 мы перейдем к детальному обсуждению метаболических путей 
у различных организмов, начиная с Echerichia 
coli и заканчивая человеком, и гормональных 
механизмов их регуляции и интеграции у млекопитающих.

[10] Часть II. Биоэнергетика и метаболизм

И после этого мы наконец перейдем к рассмотрению промежуточного метаболизма. Изу- 
чая клеточный метаболизм, надо помнить, что 
многочисленные реакции, описанные в этой 
книге, действительно происходят и играют решающую роль в живых организмах. Всегда старайтесь увидеть общую картину и понять, какова роль того или иного химического процесса 
(реакции или всего метаболического пути) в 
организме; каким образом изучаемые реакции 
связаны с другими реакциями, непрерывно происходящими в той же самой клетке с целью по
лучения энергии и веществ, необходимых для 
поддержания жизнеспособности клетки; как 
многоуровневые механизмы регуляции приводят в равновесие поглощение и выделение веществ и энергии, т. е. обеспечивают достижение 
стационарно-динамического состояния всего 
организма. Изучив метаболизм с таких позиций, вы испытаете захватывающее погружение 
в основы самой жизни, и полученные вами глубокие знания, безусловно, найдут множество 
применений в медицине, сельском хозяйстве и 
биотехнологиях.