Очередной  (22-й) пост в моем блоге на портале MedBook.ru

НАЕДИНЕ С МЕТАБОЛИЗМОМ. ЧАСТЬ ВТОРАЯ

Ой, столько тем наслаиваются друг на друга! По очереди или без всякой очереди, вздымаются, словно волны, непонятно где и кем вызванные, бегут наперегонки, и каждая, достигшая моего сознания, а затем и сознания читателя, накрывает все предыдущие!

А ведь это ещё отнюдь не все темы: есть такие, которые только ждут своего часа. И не угадать, когда той или иной теме лучше всего проявиться публикацией: то ли раньше, пока читатель ещё свеж и внимателен, то ли, наоборот, попозже, чтобы не быть захлёстнутой последующими текстами. 

Причём, иные темы-волны разбиваются на две (а то и три) части, между которыми вклиниваются другие, более бесцеремонные, темы. Ближайший пример – метаболизм: о его тайной логике, о красоте правил этой логики я начал рассказывать в своей 15-й публикации – остановился на самом интересном месте, чтобы передохнуть, – и тут же понабежали какие-то корреляции, за ними – теломеры и гиперболоиды. 

И только вот сейчас, в 22-м сообщении, я сумел-таки укротить поток этих торопыг и  вернуться к моему дорогому метаболизму.

Но, читатель, не взыщи: я с самого начала предупреждал, что примерно так и будет. Мы ведь тут преследуем не только узко просветительские цели (для этого есть учебники), а пытаемся ещё отразить в меру своих сил и кое-какие жизненные реалии. А в жизни так и есть: одновременно занимаешься.. чем только одновременно не занимаешься!

Так, я уже говорил, что первые лет шесть (с 1979 до середины 1985 г.) я обращался к метаболизму лишь урывками, эпизодами, между которыми было столько всего иного, что нет сил перечислять ещё раз. 

Всё изменилось летом 1985 года, когда, после длительных и упорных сражений с завкафедрой биохимии за право работать головой, а не руками, мне удалось организованно отступить на новый плацдарм – кафедру общей химии. Вот там мне была предоставлена прекрасная возможность писать что и сколько захочу.

И я ей в полной мере воспользовался. Через два года была закончена монография на 1000 страниц, которую удалось издать летом 1988 года.

Так что такого я там понаписáл? – Отнюдь не обзор литературы: из 15 глав обзорной была лишь одна; остальные были «экстрагированы» мною из предмета анализа – метаболизма.

О первых результатах этого анализа я уже говорил. Кратко напомню. Ключевым, самым важным методическим приемом, было составление системы одноуглеродных фрагментов (ОУФ), встречающихся в метаболитах. В ней оказалось около 150 ОУФ.

Затем мне удалось определить инкремент (вклад) каждого ОУФ (с учётом многочисленных поправок) в энергию содержащих  его молекул. Это, как я тоже уже отмечал, открыло передо мной безграничные возможности – оценивать энергию почти любого мыслимого и немыслимого метаболита, а также почти любой мыслимой и немыслимой метаболической реакции. Таким образом, на основе системы ОУФ родилась система инкрементов ОУФ.

И ещё одна, уже третья, система была построена на основе системы ОУФ. Это система элементарных химических операций, т.е. таких операций, в которые могут вступать всевозможные ОУФ. 

Анализ множества реакций метаболизма показал: несмотря на большое разнообразие ОУФ, все их преобразования друг в друга могут быть сведены всего лишь к четырём группам простейших, или элементарных, операций (ЭО). Среди них, в частности, операции окисления (обозначаются символом О с «шапочкой») и операции разрыва связи С-С (обозначаются символом С с "шапочкой").

После этого стало возможным суть любой реакции метаболизма выразить в виде определенной комбинации ЭО. А это уже красиво. Операторные уравнения удалось писать также для целых метаболических путей, и нередко они тоже получались  весьма изящными. 

Например, уравнение гликолиза выглядит так:

Полюбуйтесь: путь, включающий более десятка сложных ферментативных реакций, состоящих из нескольких ЭО каждая, в своем кратчайшем выражении содержит всего 5 ЭО. Зачем же Природа пошла на такое усложнение пути? 

Подобные вопросы очень подогревали мой интерес к дальнейшему анализу. А дальше надо было «скрестить» вторую и третью системы. «Скрестил», т.е. оценил энергии операций каждой группы. Они, естественно, оказались разными, а наибольшее выделение энергии приходилось на операции окисления.

Но это всё – ерунда! Главным было обнаружение того факта, что энергия операций одной и той же группы закономерно зависит от структуры ОУФ – а именно от степени окисления его углерода. И самым важным, самым значительным является этот эффект для операций окисления. В силу его исключительной роли в метаболизме, я назвал его законом окисления углерода. 

Суть закона в том, что, чем более окислен углерод ОУФ, тем более выделяется энергии при операции очередного окисления ОУФ (если таковое возможно).Это наглядно можно проиллюстрировать на  примере цепочки веществ, состоящих всего из одного ОУФ: 

метан – метанол – формальдегид – муравьиная кислота – диоксид углерода. 

Каждый переход в данной цепочке – элементарная операция окисления, и выделение энергии (в кДж/моль) при этих переходах, соответственно, таково:

-114 ,  –186,   –246,  –270.

Как видно, каждое последующее значение больше (по модулю), чем предыдущее. 

Для ОУФ в составе более сложных молекул подобные цепочки включают лишь три или даже две операции окисления, но закономерность остаётся прежней. Вот наиболее характерные значения энергии (в кДж/моль) для трехстадийной цепочки:

углеводородный ОУФ – спиртовой ОУФ – альдегидный ОУФ – карбоксильный ОУФ                                          –150                      –200               -250

   Казалось бы, ну что дают эти три-четыре цифры? Не маловато ли для закона? А вот сейчас и посмотрим.

А) Именно неэквивалентность энергии разных окислений определяет саму возможность анаэробного получения энергии. Так, в гликолизе, чьё операторное уравнение приведено выше, сочетаются две операции окисления с энергией –250 и две операции восстановления с энергией  +150 кДж/моль. Итог:

2 × (–250 + 150) = –200 кДж/моль.

То же самое можно сказать о спиртовом и других видах брожения.

Б) А в чисто окислительных реакциях распада веществ, во избежание потерь энергии, механизм и коферменты реакции тщательно подстроены под тип операции окисления. Отсюда следует правило «2, 3, 4»: столько молекул АТФ (макроэргических связей) образуется за счёт операции окисления соответствующего типа.

В) Разрыв в водной среде связи С-С между двумя ОУФ происходит так, что в одном из этих ОУФ  увеличивается степень окисления углерода. В принципе, в качестве такого ОУФ может выступать любой из них. При этом, благодаря влиянию закона окисления углерода, больше энергии выделяется в том варианте, когда окислению подвергается более окисленный ОУФ. Это ещё одно правило  – для разрыва связи С-С.

Ну оно говорит только о выделении энергии. А как происходит разрыв этой связи в реакциях метаболизма? – Это я выяснил позже – когда принялся за систематическое исследование свыше 90 путей метаболизма.

В ходе этого исследования я для каждой метаболической реакции прямо-таки с бухгалтерской дотошностью выписывал операторное уравнение и высчитывал энергию  Гиббса. Также выяснял, как бы иначе мог пойти процесс с этого места, почему было выбрано то направление и действительно ли оно является самым оптимальным.

Как я уже говорил, интерес этому занятию придавало то обстоятельство, что, не менее чем в половине случаев, выбор хорошо объяснялся энергетическими характеристиками, исходя из принципа экономии энергии. Так, с этих позиций оказались совершенными и необходимыми все реакции гликолиза. Равно как и многие другие реакции. 

Вновь проявился закон окисления углерода. Выяснилось, что отбор реакций для метаболизма во многом диктуется теми энергетическими правилами, которые составляют сам этот закон или являются его следствиями. 

Например, в путях распада (катаболизма) веществ в организме всегда (всегда!) используется тот способ разрыва связи С-С, который более оптимален с энергетической точки зрения. 

А среди возможных способов окисления вещества вначале опять-таки всегда вначале происходило то, которое давало наибольшее количество энергии. Хотя рано или поздно использовались все возможные окисления.

Всё это было интересно само по себе. Но, помимо того, заставляло задуматься над весьма и весьма глобальными проблемами. 

Например о том:

- существуют ли какие-нибудь экстремальные принципы в организации метаболизма,

- каким образом происходил отбор реакций по их энергетическим характеристикам,

- и нельзя ли для какого-нибудь пути метаболизма предложить схему, превосходящую по тем или иным параметрам природную?

Но об этом я расскажу в следующей публикации, посвящённой метаболизму.