Пост 62. Конструируем метаболизм, повышающий
устойчивость к гипоксии. Часть вторая
В первой части мы выяснили, что в анаэробных условиях можно извлечь из глюкозы, естественно, не всю, но заметную часть её энергии:
- так, энергия полного окислительного распада глюкозы до диоксида углерода и воды –2871 кДж/моль;
- энергия же, высвобождаемая в гликолизе (распаде глюкозы до двух молекул лактата) –200 кДж/моль.
Как ни варьировать 13 реакций гликолиза или какими другими реакциями их не заменять, при сохранении того же исходного субстрата (глюкоза) и тех же конечных продуктов (2 молекулы лактата) общий баланс энергии (без учёта АТФ) останется прежним.
Действительно, он определяется характеристиками лишь тех веществ, которые фигурируют в суммарном уравнении.
Единственное, что может измениться, – это количество молекул АТФ, образуемых за счёт части извлекаемой из глюкозы энергии. Одна молекула АТФ аккумулирует в своей конечной межфосфатной связи примерно 50 кДж/ моль.
Так что, в принципе, количество молекул АТФ в разных вариантах гликолиза могло бы составлять от 0 до 4. Но вряд ли отклонение в ту или иную сторону от нынешних двух молекул АТФ было бы желательным.
II. ГОРИЗОНТЫ, ОТКРЫВАЕМЫЕ ПРИ ИЗМЕНЕНИИ КОНЕЧНОГО ПРОДУКТА
А вот если допустить анаэробное образование из глюкозы не двух молекул лактата, а других продуктов, то можно найти такие из них, которым будет соответствовать большее извлечение энергии глюкозы.
Я укажу два варианта, встречающихся в природе, и ещё два, рождённых, как говорится, «на кончике пера».
А. К первой паре относятся
- спиртовое брожение у дрожжей: Глюкоза – 2 этанол + 2 СО2, –230 кдж/моль,
- а также пропионовокислое брожение у бактерий (уравнение опущу), –298 кДж/моль.
Оба эти варианта – малоинтересны:
- первый – из-за ничтожности энергетической прибавки и токсичности продукта ,
- второй – из-за слишком сложной схемы.
Б. А вот два умозрительных варианта:
- уксуснокислое брожение : Глюкоза – 3 молекулы Ацетата, – 290 кДж/моль,
- метановое брожение: Глюкоза – 3 мол. Метана + 3 мол. СО2 , –423 кДж/моль.
Вдумайтесь в последнюю цифру: оказывается, из глюкозы в отсутствие кислорода можно извлекать энергии в два с лишним раза больше, чем это происходит у нас!
Но я не берусь рекламировать данный вариант, поскольку не уверен, что образование в наших клетках метана пойдёт им на пользу.
Какая тут польза, если этот, казалось бы, безвредный газ,
- во-первых, ужасно плохо растворим в водной среде (то есть его лёгкими не выдохнешь),
- во-вторых, так и норовит от каждого пустяка воспламениться и взорваться (закурил сигарету – и…..!!!),
- а, в третьих, всё-таки влияет на нервную систему по наркотическому типу.
А вот уксуснокислое брожение могло бы представить для нас интерес – если удалось бы научить клетки использовать его вместо гликолиза.
III. ОБЩИЙ ВЗГЛЯД НА ФАВОРИТА
Кого-то может напугать уксусная кислота. Ею же травились чувствительные девушки в случае несчастной любви – тогда, когда еще не было гораздо более удобных для этого дела снотворных таблеток.
А между тем уксусная кислота (в активной форме, каковой является ацетил-КоА) – это то вещество, к которому при своем распаде сводятся в наших клетках почти все соединения – сахара, жирные кислоты, аминокислоты и т.д.
И именно для полного окислительного распада ацетильного радикала до воды и углекислого газа в митохондриях функционирует знаменитый цикл Кребса. Так что уксусной кислоты в клетках много не бывает.
С этим ясно. Но при чем тут анаэробный процесс? Ведь, как вам скажет любой второкурсник медвуза, уксусная кислота образуется из глюкозы вовсе не анаэробным способом.
Так-то оно так. Но это – если глюкоза расщепляется, как в гликолизе, на две трёхуглеродные «половинки» и если затем каждая из «половинок» доводится до молекулы уксусной кислоты и молекулы СО2 .
(Если кто не помнит, в уксусной кислоте – два атома углерода – помимо атомов кислорода и водорода.)
А вот если глюкозу расщепить на три двууглеродные молекулы, то последние приводятся к трём же молекулам уксусной кислоты без всякого кислорода.
Причём, это «приведение», как и в гликолизе, включает
окисление + восстановление,
где высвобождение энергии при окислении значительно преобладает над энергией, требующейся для восстановления.
Таким образом, энергия извлекается из глюкозы знакомым уже нам способом.
Но только в гликолизе этот способ, в расчёте на молекулу глюкозы, применяется дважды (для каждой из двух «половинок»).
А при уксуснокислом брожении – трижды (поскольку глюкоза распадается вначале на три двууглеродные молекулы).
Этим и объясняется то, что выход энергии во втором случае (–290 кДж/моль) примерно в 1,5 раза выше, чем в первом (–200 кДж/моль).
IV. СПЕКУЛЯЦИИ НА ТЕМУ: «КАК БЫЛО БЫ ХОРОШО!»
Ну да, это, наверно, было бы здорово – если наши клетки научились бы получать больше энергии в отсутствие кислорода. Или при его недостатке, обозначаемом как гипоксия.
Много это или мало – полтора раза? Не знаю. Но всё-таки лучше, чем есть.
На сколько процентов снизилась бы частота инфарктов? Кто ж знает? Но, может быть, эти дополнительные 50% анаэробной энергии не раз и не два уберегли бы кардиомиоциты от некроза и панического апоптоза?
Но лучше об этом могут судить клиницисты. А в моих устах это просто спекуляции.
V. КАК ЭТО СДЕЛАТЬ?
Конечно, сидя за столом, легко фантазировать.
Но с другой стороны, это дело в нынешнее время уже не кажется вовсе невыполнимым.
Хотя тоже, как посмотреть.
В принципе, для осуществления уксуснокислого брожения надо всего три-четыре дополнительных фермента. Я слышал, что подобные задачи уже решают.
Ну, действительно, надо с помощью моделирования подобрать структуры нужных ферментов, создать для них гены и с помощью векторов ввести эти гены в клетки.
Но… Не зря же в гликолизе – не три-четыре реакции, а целых 13.
Во-первых, надо преодолеть энергетические барьеры при разрыве глюкозы на три молекулы.
Во-вторых, надо не потерять всю выделяющуюся потóм энергию в виде тепла. Процентов 50-60 ее надо аккумулировать в АТФ.
Так что, скорее всего, понадобится не три-четыре, а больше новых ферментов.
Но ведь это, хотя и очень важные, но всё-таки детали?
