К 30-летию издания трехтомника
«МЕТАБОЛИЗМ: СТРУКТУРНО-ХИМИЧЕСКИЙ И
ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ»
I. Система ЭХО (элементарных химических операций)
Если ОУФ – аргументы операторов, то всё сводится к установлению преобразований, к которым способны ОУФ.
Для этого мне пришлось переходить уже не от метаболита к метаболиту, а от реакции к реакции.
Проанализировав известные метаболические реакции, я убедился, что достаточно выделить всего 4 группы элементарных преобразований, или операций, ОУФ.
Эти группы составляют основу системы ЭХО – элементарных химических операций. Далее внутри групп ЭХО ещё подразделяются на классы и, что важнее всего, на типы. Но об этом я скажу позже.
В ЭХО двух групп (обозначенных буквами О и D) участвует лишь по одному ОУФ, а в ЭХО двух других групп (С и Е) – по два соседних ОУФ.
Так, ЭХО О – это окисление какого-нибудь ОУФ; обратная ей операция (ЭХО О-) – восстановление ОУФ.
ЭХО С – разрывы связи С-С.
ЭХО D и Е относятся к таким ОУФ, которые содержат в своей структуре гетероатом (О, N, S или Р).
Любое другое преобразование ОУФ можно представить как определенную комбинацию ЭХО. То же относится и к биохимической реакции в целом, какой бы сложной она ни была.
И соответствующая комбинация ЭХО есть формальное выражение тех изменений, которые происходят в ходе реакции.
А от понятия «операция» – совсем ничего до понятия «оператор». И введённые символы естественно считать операторами, действующими на метаболит.
И вот тут появляются первые признаки тени. Оживись, читатель!
Чтобы написать операторное уравнение реакции типа
R (субстраты) = продукты ,
надо определить правила расстановки знаков между операторами.
Я ввёл два таких правила:
- если операторы действуют на разные ОУФ (в одной или в разных молекулах), между ними ставится знак плюс (сложение операторов),
- если же операторы последовательно действуют на один и тот же ОУФ, между ними ставится знак умножения (произведение операторов).
Тем самым систему операций (ЭХО) я превратил в систему операторов; обозначим последнюю следующим образом: |ЭХО|.
Так где же тень? Да вот она:
- мои химические операторы обладают свойством коммутативности по сложению (это последнее светлое пятно),
- но они не обладают ни коммутативностью по умножению, ни свойством ассоциативности (зловещая чёрная тень).
Последнее означает, что эти операторы не образуют операторную алгебру, то есть математические операции с ними весьма ограничены.
Ну, конечно, Москва не сразу строилась. И любой желающий может попробовать усовершенствовать мою или создать свою систему химических операторов |ЭХО|.
Для этого надо либо усовершенствовать систему операций (ЭХО), либо по-иному определить операции сложения и умножения между операторами.
За 30 лет, прошедшие после издания «Метаболизма..», я уже не раз пытался увлечь этой проблемой людей, сведущих в химии и математике. Нередко мне это удавалось – увлечь. На первый взгляд, задача не очень сложная.
Но ни один увлеченный так и не сообщил мне, как же он её решил.
II. Яркая вспышка света
Ну, а теперь – очень коротко о том, какую роль сыграла моя несовершенная (в математическом отношении) система химических операторов в анализе метаболизма.
1) Кроме операторных уравнений отдельных реакций (информативных самих по себе), я составлял операторное уравнение и каждого рассмотренного метаболического пути.
Оно, по введённому мною определению, включает минимальный набор ЭХО (элементарных химических операций), необходимых для преобразования исходного субстрата пути в его конечные продукты.
Очень часто оказывалось, что этот набор операций гораздо меньше (короче), чем общая сумма операций всех промежуточных реакций.
Почему так получилось? Какой в этом биологический смысл? Или, может быть, это обусловлено физико-химическими характеристиками реакций?
А могло ли превращение субстрата пути в те же конечные продукты произойти иначе – более коротким способом?
А мог ли тот же исходный субстрат претерпеть иное преобразование (в другие конечные продукты) – более выгодное для организма?
Между тем, это именно те вопросы, ради ответа на которые вся работа и затевалась. И, как мы видим, она была осуществлена с помощью специально выработанного языка – языка химических операторов.
2) Система ЭХО, при всём её математическом несовершенстве, оказалась очень удачной также в термодинамическом отношении.
ЭХО каждой группы я подразделял на типы – по параметру nh, количеству связей углерода реагирующего ОУФ с гетероатомами. Проще говоря, это характеристика степени окисления углеродного атома.
И была выявлена целая серия закономерностей, связывающих энергию элементарной операции с указанным параметром.
Причём, эти чисто термодинамические зависимости нашли множество проявлений в метаболизме. Настолько важных, что центральной из них я присвоил гордое звание закона – закона окисления углерода.
Итак, пришла пора затронуть термодинамический аспект «Метаболизма…».
III. Термодинамика – не монстр, но требует уважения
Давно известно, что огромную роль в неживой и живой природе играет ряд фундаментальных законов. Например, трудно даже представить, что творилось бы в мире (и вообще существовал ли бы мир) без закона всемирного тяготения.
К законам такого же уровня относятся два начала термодинамики.
Первое начало обычно для простоты отождествляют с законом сохранения энергии.
Второе же начало имеет много формулировок – главным образом, потому, что его наиболее общее математическое выражение применительно к разным системам преобразуется по-разному.
В частности, для Вселенной в целом получается, что в любых процессах общая энтропия Вселенной возрастает. Энтропия – самое загадочное понятие, используемое вторым началом термодинамики.
Обычно его трактуют как степень разупорядоченности системы, откуда заключают, что, по второму началу термодинамики, Вселенная движется к всеобщему хаосу и гибели.
Аналогично, процессы старения как в неживой, так и в живой природе многие тоже объясняют как проявления второго начала термодинамики.
Таким образом, из этого начала делают демона, монстра, всемирное зло, ответственное и за индивидуальную смерть всего живого, и за грядущий конец света.
Не буду сейчас вдаваться в детали: вопросы термодинамики я так или иначе обсуждал в пяти своих книгах.
Скажу лишь, что, если следовать вышеприведённой логике, то на Земле были бы невозможны ни зарождение жизни, ни последующая эволюция, ни постоянно проходящие бесчисленные случаи эмбриогенеза самых разных организмов.
Я хочу сказать, что при всей справедливости начал термодинамики, они вовсе не отрицают возможность жизни, а ставят перед организмом определённые рамки, границы, которые можно обойти; а можно и следовать им.
Например, процессы синтеза в организме: сами по себе в изолированной системе они были бы невозможны, так как требуют энергии. Но Природа давно научилась использовать энергию одних веществ (в данном случае, АТФ) для увеличения энергии других соединений.
Таким образом, как сказано в заголовке, термодинамика – не монстр, конец света из неё не следует – так же, как закон всемирного тяготения не означает, что все планеты нашей системы попадают на Солнце.
Тем не менее, можно было ожидать, что термодинамика в своё время (на предбиологической стадии эволюции) оказала влияние на вид формировавшихся тогда метаболических процессов. А чтобы мы сейчас могли обнаружить это влияние, оно должно было закрепиться уже на генетическом уровне.
Вот с этой идеей я и обратился к термодинамике реакций.
