Метаболизм: структурно-химический и термодинамический анализ: в 3 т. Т. 1

Н.Н. Мушкамбаров




    МЕТАБОЛИЗМ:

        Структурно-химический и термодинамический анализ

В трех томах

Том 1

Монография

3-е издание, стереотипное







Москва Издательство «ФЛИНТА» 2020

УДК 577.3/13/15
ББК 28.072
     М93





    Мушкамбаров Н.Н.
М93     Метаболизм: структурно-химический и термодинамический
     анализ [Электронный ресурс] : монография : в 3 т. / Н.Н. Муш-камбаров. — 3-е изд., стер. — М. : ФЛИНТА, 2020. — Т. 1. — 342 с.

    ISBN 978-5-9765-2288-6

          Настоящая монография не имеет аналогов в мировой биохимической литературе. В ней вводится новый язык (язык химических операторов), который позволяет дать точное описание структурно-химической сущности биоорганических реакций. Приводится способ расчета изменения энергии Гиббса в биохимических процессах всех уровней (от элементарных операций до сложнейших макромолекулярных синтезов). На основании этих расчетов выявлена большая серия термодинамических и биологических закономерностей. Основную часть монографии составляет детальный анализ всех наиболее известных метаболических путей. Здесь содержатся операторные представления и конкретные оценки энергии Гиббса для многих сотен реакций метаболизма. Одновременно конструируются другие, гипотетически возможные, варианты путей. Все это позволяет выявить и объяснить многочисленные причинноследственные связи в организации метаболизма.
           Для специалистов по биохимии, биофизике, биоорганической химии.
УДК 577.3/13/15
ББК 28.072






ISBN 978-5-9765-2288-6

        © Мушкамбаров Н.Н., 2015
© Издательство «ФЛИНТА», 2015

                   Своей матери, Мушкамбаровой Офелии Романовне и своей неце, Мушкамбаровой Алле Павловне, посвящает этот труд автор.

                 ПРЕДИСЛОВИЕ
I» Настоящая книга - не обзор литературы и не изложение результатов собственных экспериментов, как чаще всего бывает в монографиях биологического профиля. Почти вся она (за исключением главы 3) - итог теоретического осмысления автором тех аспектов метаболизма, которые указаны в названии.
  2.   В процессе этого осмысления оказалось, что рамки и понятия "чистой” биохимии узки для решения поставленных задач (о которых будет сказано чуть ниже).- Пришлось обратиться к множеству органических реакций вообще (а не только реакций метаболизма); пришлось использовать физико-химические характеристики реакций и соответствующие методы физической химии; пришлось привлечь некоторые представления линейной алгебры.
   Поэтому работа, задумывавшаяся как биохимическая, оказалась на стыке сразу нескольких дисциплин. Тем не менее, автор стремился строить изложение так, чтобы оно было доступным широкому кругу специалистов.
  3.   Начальной идеей послужила аналогия с шахматами. В последних после каждого хода соперников открывается масса новых вариантов, из которых путём тщательного анализа определяется лучший. Так же и любой метаболический путь, в принципе, мог совершаться разными способами, из которых природа (эволюция) отобрала один. Отобрала путём выработки соответствующих ферментов.
   Сразу возникает серия вопросов.   а)    А действительно ли в каждом случае можно представить иные варианты пути ? Если да, то какие они ?
   б)    И действительно ли отобранный вариант является лучшим ?
   в)    И по каким признакам, собственно, сравнивались (если сравнивались) варианты ? Что являлось критерием отбора ?
    Может показаться удивительным: в таком аспекте метаболизм ещё не исследовался (в то время как варианты шахматных партий анализируются во всём мире десятками тысяч людей). Но удивление это легко разрешается. Каждый вид анализа должен иметь свой язык и свои методы. В случае

-6биохимическжх процессов эти инструменты просто отсутствуют»
   4» Итак, речь идёт о том, чтобы объяснить ход метаболических путей. Но решение этой общей задачи требует, как ухе говорилось, решения ряда других задач. Причём, получаемые решения представляют интерес и безотносительно породившей их проблемы.
    Вот, в кратких чертах, последовательность задач и проблем.
    а)      Чтобы формализовать поиск всевозможных вариантов путей метаболизма, необходимо научиться выражать (математически строго) существо каждой реакции.
    Проведём ещё одну аналогию. В математике существо преобразования
       1 выражается записью:
                  Bin? - |                                    (1).
В более общем плане преобразование элементов представляется в виде:
R X « Y                                    (2),
где R - операция, преобразующая х в jr • Аналогичную форму следует придать и записи химических превращений, для чего необходимо разработать систему химических операторов.
   б)     В свою очередь, чтобы придти к такой системе, необходима классификация реакций, которая исходила бы строго из структурно-химического принципа.
   в)     А по каким параметрам сравнивать выявленные варианты ? - Очевидно, прежде всего, по физико-химическим; в частности, по значениям энергии Гиббса, AG • Но эти параметры для подавляющего большинство биохимических реакций неизвестны. Значит, надо их как-то оценить.
   г)     Отсюда - очередная задача: разработка способа оценки энергии Гиббса произвольных реакций.
   д)     Но если мы научились выражать структурно-химическую сущность реакций и находить их энергию, то естественно обратиться к поиску закономерной связи между первой и второй. Имеется в виду зависимость:
AG « f(R)                             (3),
где R - оператор химического преобразования.

-7е)    Можно предпринять поиск и ивах закономерностей в организации метаболизма. В частности, аргументом опять может выступать структурно-хи-мич е с кая сущность реакций (R ):
                     р -    7<R)                             (4),
                     а -    Х(Ю                              (5).
Здесь Р - частота, с которой встречается в метаболизме операция r, а а - биоэнергетическая ценность этой операции (т.е. число макро-эргических связей, образуемых за счёт реакции R .
    5. Всё это и привело последовательно к той совокупности взглядов и результатов, которая излагается в книге. Её графологическая структура показана на рис» I. Вот краткий перечень содержания.
   а)     В первом разделе (главы 1-6) описываются принципы структурнохимического и термодинамического анализа биоорганичеоких процессов.
     I? В качестве исходного принимается представление об одноуглеродных фрагментах (ОУФ) как структурных единицах построения биоорга-нических молекул. Поэтому составляется полный перечень ОУФ (около 150), встречающихся в метаболитах. Система ОУФ имеет матрично-периодическую структуру.
     2? На базе этой системы, разрабатывается матричная классификация биоорганичеоких реакций, которая исходи? из характера превращения и структуры реагирующих ОУФ. Одновременно вводится операторная запись биоорганичеоких реакций вида (2) и понятие об операторных уравнениях путей метаболизма. По определению, такое уравнение отражает кратчайший способ преобразования метаболитов.
     3? 0 помощью табличных значений энергии Гиббса более чем 400 органических веществ (из которых метаболитами являются лишь 60-70), рассчитываются инкременты (вклады) почти всех ОУФ в энергию Гиббса сгорания молекул. Система инкрементов ОУФ - тот инструмент, с помощью которого далее можно быстро и достаточно точно оценить энергию Гиббса произвольной реакции.
     4? Вначале инкременты ОУФ используются для обобщённого дермоди

      Рис. I. Содержание и логическая структура книги

      Примечание: не упомянутая на схеме глава 3 содержит изложение известных сведений из термодинамики.

-9намического анализа реакций. - Рассчитываются средние значения энергии Гиббса реакций разных классов и типов (в рамках матричной классификации реакций) и получается целая серия соотношений вида (3), т.е. соотношений, связывающих энергию реакций с их структурно-химической сущностью»
    5? Вводится представление об ИМП - интегральных метаболических путях, - необходимое для расчёта энергии Гиббса наиболее сложных биохимических процессов. Здесь хе определяется (в общем виде) совокупность термодинамических показателей, с помощью которых можно характеризовать метаболические пути.
  б)    Второй раздел книги (главы 7-12), занимающий основую часть её объёма, посвящён анализу конкретных метаболических процессов - свыше 500 биохимических реакций, объединённых в 90 метаболических путей. Имеются в виду общие пути катаболизма, а также пути обмена углеводов, липидов, аминокислот, нуклеотидов, других азотсодержащих веществ.
    Для всех этих процессов (на уровне промежуточных и отдельных реакций, метаболических путей и ИМП)
     I? выражается их структурно-химическая сущность (на языке химических операторов),
     2? рассчитываются оценки энергии Гиббса,
     3? составляются и анализируются другие гипотетически возможные способы превращения, и в первую очередь кратчайшие,
     4? объясняются те или иные конкретные особенности: механизм реакций, отличия реального пути от кратчайшей схемы преобразования и т.д.
     Таким образом, здесь, с одной стороны, приводится большой массив новой термодинамической информации, а с другой стороны, производится тот самый анализ причинно-следственных отношений в организации процессов, который был исходной целью исследования. В частности, комментируются метаболические "ходы", сделанные природой, и указываются более"сильные" продолжения, если таковые возможны.

-10  в)    В третьем разделе (глава 13-15) конкретные результаты используются для получения ряда общих соотношений.
    I? Так, выводятся точные и приближённые формулы расчёта материальных и энергетических затрат при синтезе каждого типа макромолекул» (белков, нуклеиновых кислот, углеводов) и при удвоении клетки.
   2? Исследуется зависимости вида (4) и (5), т.е. влияние структурно-химической' сущности реакций на частоту их отбора для метаболизма, на их биоэнергетическую ценность, а также на способ осуществления. Формулируется серия правил отбора реакций и аккумуляции их энергии.
    3? В конце излагаются некоторые концепции и гипотезы, вытекающие из полученных результатов.
   6.    Отметим следующее. Вся термодинамическая часть анализа выполнена о позиций классической термодинамики. Между тем, всё более распространяется представление о том, что возможности этого раздела термодинамики при рассмотрении биологических процессов ограничены. В таком представлении - немалая доля истины, о чём более подробно говорится в главе 3.
   Но истиной является и то, что возможности классической термодинамики ещё далеко не исчерпаны. Об этом свидетельствует хотя бы то обстоятельство, что на её уровне оказывается возможным и объяснить большое число конкретных особенностей метаболизма, и обнаружить целый ряд значимых для биосистем закономерностей.
   Лишь получив классические термодинамические характеристики всех метаболических процессов, имеет смысл пытаться исследовать их с позиций т.н. неравновесоной термодинамики и определять те или иные поправки, обусловленные стационарным характером этих процессов. Т.е. настоящая работа - обязательный, с точки зрения автора, этап в термодинамическом анализе метаболизма.

   7.    Литературы по рассматриваемым в книге проблемам очень мало. Во