А в этом и, возможно, в ряде последующих сообщений, уважаемые читатели, я собираюсь слегка подвести вас (да, только слегка подвести!) к тем тайнам нашего мира, которые, как мне кажется, приоткрылись передо мной четверть века назад при анализе метаболизма.
К тому времени (восьмидесятым годам ХХ века) метаболизм (т.е. совокупность тех биохимических реакций, которые происходят в живых организмах) считался вполне изученным, и ни у кого не возникало мысли подозревать в нём наличие каких-то тайн.
Не было такой мысли и у меня. Но всё изменилось после моего одного, внешне совершенно рядового, занятия со студентами. Я тогда был младшим научным сотрудником на кафедре биохимии и, наряду с научной работой, вел две студенческие группы. Это было, да и сейчас остается вполне обычной практикой. Необычным было то, что я почти не тратил аудиторное время на выполнение студентами малоинформативных лабораторных работ, а обсуждал с ними все хитросплетения очередной темы.
И вот однажды весной 1979 года – мы повторяли тогда гликолиз и цикл Кребса – я решил, что было бы полезно объяснить ход этих метаболических путей. Мы начали думать, зачем нужна та или иная реакция, как она способствует достижению конечного результата. Кое-какие объяснения у меня уже были, другие появились тут же на ходу. И, вроде, так всё неплохо объяснилось, и даже выявились кое-какие закономерности, что потом я подумал, а почему бы мне не «пройтись» так же по другим метаболическим путям.
И с сентября я стал писать «Теорию метаболизма». Я учился тогда на четвёртом (последнем) курсе вечернего отделения физического факультета МГУ (получал второе образование) и, по аналогии с известными физическими теориями, попытался вывести многообразие всех метаболических процессов из нескольких центральных закономерностей. Этот труд вчерне был закончен в конце 1979 года и составил собой 66 страниц.
Правда, я чувствовал, что многие следствия и выводы у меня весьма натянуты. Но чувствовал и то, что эти теоретические размышления о метаболизме – не на пустом месте, что я ухватился за что-то живое.
Конечно, жизнь шла свом чередом, у меня была еще экспериментальная работа по интереснейшей теме, преподавание, учеба в университете, только недавно созданная семья. Наконец, меня все больше поглощала работа над учебным пособием "Биохимия в таблицах и упражнениях" и борьба за публикацию каждой из его четырех частей.
Поэтому к проблеме метаболизма я обращался лишь в редкие промежутки между всеми прочими занятиями. И каждое обращение кардинально расширяло, во-первых, арсенал моих методов анализа метаболизма, во-вторых, круг охватываемых анализом реакций и метаболитов и, в-третьих, объем полученных новых сведений, не известных, видимо, больше никому.
Я быстро понял, что на выбор каждой последовательности реакций, сделанный некогда эволюцией, конечно, оказали влияние биологическая целесообразность и структурные особенности метаболитов – те факторы, которые мы учитывали в своем первом, импровизированном, анализе гликолиза и цикла Кребса. Но не меньшее, а то и большее, значение имели физико-химические параметры реакций - те, которые характеризуют их энергетику и кинетику. Особенно первое – энергетику, а ее оценивают по разности энергии Гиббса сгорания участников и продуктов реакции.
Не стану морочить читателям головы в попытке объяснить, что такое энергия Гиббса реакции. Скажу лишь, что, в соответствии со вторым началом термодинамики (см. пост от 20.12.16 "В защиту "мирового зла""), это баланс двух стимулов самопроизвольного протекания реакции – уменьшения внутренней энергии системы и увеличения ее энтропии. Все: больше таких слов упоминать не буду!
Короче говоря, к лету 1985 года я уже имел огромную сложную таблицу с множеством циферок в ее ячейках, и с помощью этой таблицы мог оценить энергию Гиббса практически для любого метаболита (как реального, так и гипотетического), а значит – и для любой реакции (тоже – как реальной, так и гипотетической).
На фоне того, что на тот момент экспериментально энергия Гиббса была определена лишь для нескольких десятков метаболитов и для реакций только двух путей (все тех же гликолиза и цикла Кребса), это достижение было очень впечатляющим. Оно не только заполняло огромную дыру знаний о термодинамике существующих реакций метаболизма, но и позволяло рассчитывать энергии других - гипотетически возможных - реакций.
А ведь именно это и было нужно для того, чтобы решить, почему на данном своем участке метаболический путь "выбрал" именно такую реакцию, а не какую-нибудь другую из множества возможных. Точнее, был ли обусловлен этот "выбор" именно энергетическими "соображениями" или чем-то иным.
Кроме этой "волшебной" таблицы, сопоставимой (по крайней мере, по размерам) с таблицей Менделеева, у меня к тому времени уже имелась также своя собственная классификация элементарных химических операций. Это значит, что любую биохимическую реакцию я мог представить как определенную комбинацию элементарных операций.
Причем, оказалось, что таких операций - всего 4 (четыре!) вида. И в символах этих операций можно было выразить (в виде так называемых операторных уравнений) существо не только отдельных реакций, но и целых метаболических путей. И тогда стали выявляться прямо-таки любопытные вещи.
Но прежде чем сказать о последних, должен сообщить, что в основе и таинственной «волшебной» таблицы, и системы элементарных операций лежал один общий подход. Он базировался на принципе: энергетика и преобразования молекул сводятся к энергетике и преобразованию более мелких единиц – одноуглеродных фрагментов (ОУФ).
Поэтому прежде всего я составил систему всех ОУФ, которые встречаются в метаболитах. Чтобы работал вышеизложенный принцип, структуру любого метаболита следовало разлагать только на ОУФ и ни на что больше. То есть каждый атом этой структуры надо было включать в состав того или иного ОУФ. Но, естественно, в каждом ОУФ – один и только один углеродный атом.
Оказалось, что всего в известных мне метаболитах – около 150 видов ОУФ. Конечно, в реальности почти все эти ОУФ самостоятельно не существуют. Так что это, скорее, виртуальные единицы , из которых строятся молекулы метаболитов.
Но это ровным счётом ничего не меняет. Мнимые числа тоже в природе не существуют, но с их помощью производят множество отражающих реальность расчётов.
Так же и здесь: путём анализа органических веществ (в большинстве своём – не метаболитов) с уже известным значением энергии Гиббса, я смог оценить вклад (инкремент) каждого вида ОУФ в это значение. А затем использовать инкременты для расчёта энергии Гиббса ещё не исследованных экспериментально метаболитов.
Таким образом, читатель, очевидно, догадывается, что «волшебство» упоминавшейся выше таблицы состояло в том, что она содержала инкременты всех 150 ОУФ. Добавлю – вместе с многочисленными поправками на различные особенности структуры: ионизацию, цикличность молекулы, соседство определённых ОУФ и т.д. Это-то и давало восхитительную возможность, сидя за столом, быстро и с достаточно высокой точностью оценивать энергию Гиббса почти любых веществ и реакций.
Аналогично, всецело была завязана на ОУФ и система элементарных операций. Ведь под последними я понимал возможные преобразования именно ОУФ. Это для 150 ОУФ все преобразования сводятся лишь к четырём видам. Из них в двух видах операций участвует лишь по одному ОУФ, а в двух остальных – по два ОУФ.
Вот теперь можно сказать о тех неожиданных феноменах, которые обнаружились сразу же после появления системы операций и таблицы инкрементов.
Во-первых, преобразование исходного метаболита пути в конечные продукты часто могло бы, в принципе, происходить значительно короче, чем в действительности. Так, например, в том же гликолизе превращение глюкозы в две молекулы лактата в кратчайшем виде включает всего пять элементарных операций, а вме-
сто этого в реальности совершается 11 реакций с общим числом операций порядка 35. Это ли не удивительно: зачем понадобились ещё пятнадцать прямых и столько же их отменяющих обратных операций?
Во-вторых, в энергетике элементарных операций обнаружилась целая серия изящных закономерностей, и главную из них я вначале назвал «первым нелинейным эффектом», а затем, увидев во множестве метаболических событий «руку» этого эффекта, повысил его ранг до закона – "закона окисления углерода".
Это, как я сказал, уже было наработано к лету 1985 года. И я жаждал всеми фибрами души использовать такой многообещающий задел для вдумчивого, систематического анализа всего массива метаболических путей... Я хотел написать о метаболизме книгу, которая бы, наконец, раскрыла всем глаза на то, что до этого увидел я.
Но… нельзя превращать посты в целые статьи. Другой жанр. Читатель на статью не рассчитывает. Читателю нужно короткое и законченное энергичное сообщение.
А то, что я написал выше, не отличается ни краткостью, ни законченностью, ни энергичностью.
Что же делать? Что же делать? Ну, не усугублять же отсутствие краткости и энергичности в угоду законченности?! Тем более, что какая-никакая законченность есть. Именно летом 1985 года я навсегда распростился с кафедрой биохимии, будучи изгнан из неё «за систематическое нарушение трудовой дисциплины».
