АТР-эквиваленты

В схеме на рисунке аденилаты занимают центральное положение, и поэтому их роль необходимо рассмотреть подробнее. Во многих отношениях аденилатная система — это одна из самых удивительных конструктивных особенностей клетки. Уже более 30 лет известно, что АТР участвует в работе почти всех достаточно длинных метаболических путей. Никакой другой метаболит не может даже отдаленно сравниться в этом с аденилатами: они действуют повсюду — в энергетическом обмене, реакциях биосинтеза, мышечном сокращении, транспорте ионов и т. д. Энергию, передаваемую в сопряженных процессах, принято измерять в АТР-эквивалентах; один такой эквивалент соответствует энергии, высвобождающейся при превращении АТР в ADP {или затрачиваемой при обратной реакции). Поскольку любые превращения метаболитов могут быть в энергетическом отношении соотнесены с реакцией АТР—>ADP, их можно оценивать числом АТР-эквивалентов. Например, «цена» окисления NADH в NAD+ составляет три АТР-эквивалента, а реакции FADH2—>HFAD+ — два АТР-эквивалента; цена же окисления NADPH в NADP+ более высока и равна четырем АТР-эквивалентам.

Поскольку аденилаты участвуют в сопряжении обменных процессов, для каждого конкретного метаболита можно подсчитать число АТР-эквивалентов, получаемых при его окислении (или сбраживании — у анаэробов) или же необходимых для его биосинтеза. Таким образом сахара и полисахариды, аминокислоты и белки, жирные кислоты, жиры и ДНК (и даже такой сложный процесс, как рост) можно соотнести с определенным количеством АТР-эквивалентов, которые были фактически затрачены или потенциально необходимы для их синтеза или образовались при их расщеплении.

Важно,

Читать дальше

Адаптация «оборудования» и адаптация его «производительности»

Биохимические адаптации возможны во всех трех функциональных блоках. В блоке I они влияют на пути и скорости образования АТР и сопрягающих интермедиатов; при этом могут изменяться конечные продукты катаболизма и приниматься меры, предотвращающие их накопление — «загрязнение фабрики». Адаптации в блоке II изменяют потребность в специфических продуктах биосинтеза и/или в АТР (в связи с той или иной клеточной функцией).

В блоке III осуществляются адаптивные изменения совершенно иного рода. В отличие от первых двух блоков, где обычно модулируются скорости определенных метаболических процессов или интенсивность работы, идущей с потреблением АТР (перенос ионов, сокращение и т. п.), в блоке III адаптация затрагивает структурные (и как следствие — функциональные) компоненты клетки. Таким образом, происходит адаптация метаболизма клетки и — в широком смысле — всей ее биологии к специфическим внешним условиям. Например, ферменты адаптируются к определенной температуре, давлению, солености среды; каждый изозим по своим кинетическим особенностям приспособлен к функционированию в каких-то конкретных условиях; от набора имеющихся в клетке терминальных дегидрогеназ зависит, какими будут конечные продукты при ограниченном доступе кислорода. Структурная организация ионных насосов, встроенных в мембраны, может определять как направление, так и скорость переноса ионов. Все подобные адаптации (и многие другие, которые мы детально обсудим позже) можно сравнить с техническим переоснащением фабрики или цеха: суть дела в обоих случаях состоит в замене оборудования. Таким образом, при адаптации на уровне блока III модифицируется «метаболическая машина» клетки и механизмы,

Читать дальше

Функциональные блоки в системе метаболизма и их сопряжение

Рис. Блок-схема главных функциональных элементов клеточного метаболизма. NTP — нуклеотидтрйфосфат; NDP — нуклеотиддифосфат; ДГАФ — дигидроксиацетонфосфат; ФГ — фосфоглицерат; Г-6-Ф — глюкозо-6-фосфат; Р-5-Ф — рибулозо-5-фосфат; Э-4-Ф — эритрозо-4-фосфат; ФЕП — фосфоенол-пируват.

Обсуждение процессов клеточного метаболизма обычно начинают с трех важнейших условий, необходимых для поддержания жизни любых клеток (микробных, растительных и животных). Это наличие энергии, запасенной в форме АТР (адено-зинтрифосфата), восстановительной силы в форме NADPH (восстановленного никотинамид-адениндинуклеотидфосфата) и исходных материалов для процессов биосинтеза. Любопытно, что на подробных картах метаболических путей сущность этих ус-ловий и способы их достижения часто теряются среди множества деталей метаболизма. Сложность и запутанность таких карт порою мешает видеть основные принципы организации метаболических процессов в клетке. Как подчеркнул Эткинсон (Atkinson, 1977), схемы биохимических процессов во многом сходны со схемами электронных устройств. Как и в электронике, при описании метаболизма для объяснения сути общих принципов проще всего использовать функциональные блок-схемы. Такого рода блок-схема показывает, что метаболизм живой клетки можно представить в виде трех функциональных блоков:

  1.  Блок катаболизма (I), в котором различные вещества пищи окисляются до ,С02 и Н20„ а большинство высвобождающихся при этом электронов переносится на 02; с этим процессом сопряжено образование АТР (так называемое окислительное фосфорилирование). При полном отсутствии 02 или его недостатке окисление не доходит до конца, и электроны переносятся на различные органические соединения, которые при этом восстанавливаются и в такой восстановленной форме накапливаются в клетке в качестве конечных продуктов обмена.
Читать дальше

«Конструкция» клеточного метаболизма

Будучи конечным результатом ряда циклов мутирования и отбора, живые организмы могут в известном смысле рассматриваться как «сконструированные» системы, вполне аналогичные продуктам технического конструирования. Хотя организмы были созданы в процессе адаптации, а не руками инженеров, как машины, тем и другим системам свойственны функция и цель понятия, неприменимые, конечно, к природным неодушевленным объектам). Создание тех и других систем связано с испытанием различных вариантов и отбором тех из них, которые оказываются эффективными. Историю создания тех и других конструкций и их свойства невозможно выяснить, опираясь на одни только принципы физики и химии; даже исчерпывающее познание всех физических и химических свойств белков, жиров и углеводов не позволит нам предсказать форму тела быстро плавающей рыбы. Для понимания свойств и предсказания поведения любых таких систем (созданы ли они руками человека или процессами эволюции) необходимо знать правила или принципы их построения в каждом данном случае. Какие ограничения свойственны данной системе? Каковы пределы ее адаптивных возможностей? Только располагая такой информацией, судостроитель сможет предвидеть, как скажутся на скорости движения и прочности судна изменения в форме его корпуса, в полимерном покрытии или в расположении парусов. В подобной же информации нуждается биомеханик, чтобы сказать, как отразится на скорости и экономичности движения данной пелагической рыбы изменение формы ее тела, положения плавников или конфигурации хвоста.

В области биохимии общие конструктивные принципы разработаны не так хорошо, как в большинстве областей техники; и все же биохимиков сильно воодушевило осознание того,

Читать дальше

Почему нужно изучать биохимическую адаптацию?

Что, кроме радости чистого познания, дает ученому проникновение в механизмы приспособительных реакций биологических систем? И есть ли нечто такое, что можно узнать только при изучении разнообразных форм биохимической адаптации? Мы не сомневаемся в утвердительном ответе на последний вопрос. Нашу убежденность в важности анализа адаптивных процессов на биохимическом уровне можно обосновать следующим образом: для полного раскрытия «главных тем» биологии необходимо знакомиться со всеми их вариациями — только такой сравнительный подход позволит нам уяснить себе фундаментальные принципы конструкции живых организмов. Поясним эту мысль на примере. Можно потратить десятилетия на изучение различных свойств какого-либо фермента, имеющегося у данного вида животных, например у кролика. Итогом наших трудов явится длинный перечень свойств этого фермента. Какие же из них следует отнести к важнейшим свойствам, присущим всем ферментам или хотя бы всем гомологам данного фермента у разных видов? А какие свойственны только кроличьему варианту и никаким другим? Ни на один из этих вопросов невозможно ответить, не исследовав гомологичные белки. Только такое изучение позволит выявить то, что действительно важно для работы любых ферментов, а также те специфические особенности, которые нужны, чтобы фермент мог функционировать в организме теплокровного (эндотермного) животного, например кролика. Мы будем постоянно проводить такого рода сравнительный анализ биохимических процессов. Вычленяя каждый раз те свойства, которые обнаруживаются у всех изученных объектов, мы сможем особенно хорошо понять все то, что играет ключевую роль в конструкции биохимических систем.

Читать дальше

Компенсаторная и наступательная (эксплуатативная) адаптация

При любом способе биохимической адаптации (количественные и качественные изменения макромолекул, их микроокружения или скоростей ферментативных реакций) этот процесс, каковы бы ни были его временные масштабы, может привести к благоприятным последствиям двоякого рода. Адаптация может завершиться восстановлением биохимических функций, нарушенных воздействием внешней среды; такого рода адаптацию мы будем называть «компенсаторной». Она может в равной мере обеспечить как гомеостаз, так и энантиостаз. Обычно в качестве примера приводят компенсацию влияния температуры у эктотермных организмов: благодаря такой компенсации интенсивность метаболизма у них сравнительно мало зависит от температуры окружающей среды. Во всех случаях компенсаторная адаптация служит средством, обеспечивающим стационарное состояние тех или иных структур или функций.

Этим консервативным по своей сути адаптациям можно противопоставить более радикальные биохимические изменения, придающие организмам новые благоприятные для них свойства. Такая наступательная («эксплуатативная») адаптация может приводить к освоению новых местообитаний, новых источников питания и т. п., словом, наделять организм дополнительными способностями, позволяющими извлекать пользу из окружающей среды. Превосходный пример такого рода адаптации — молекулы антифриза, имеющиеся у полярных рыб. Другим примером могут служить симбиотические отношения между суль- фидокисляющими хемоавтотрофными бактериями и животными в зоне глубоководных термальных источников. Именно такие адаптивные процессы вносят главный вклад в эволюцию и наглядно показывают, как биохимические изменения могут приводить к освоению новых местообитаний или использованию новых ресурсов прежнего местообитания.

Читать дальше

Скорость биохимической адаптации и ее связь с имеющимися адаптивными механизмами

Временные параметры биохимической адаптации варьируют в широких пределах — от длительных периодов, необходимых для эволюционного изменения аминокислотных последовательностей, до долей секунды, за которые может измениться активность уже присутствующих в клетке ферментов. Из этого ясно, что выбор того или иного механизма (или механизмов) адаптации в значительной мере определяется требованиями к ее быстроте. Чем больше времени предоставляется для адаптивных изменений, тем больше выбор возможных стратегий. Приступая к обсуждению вопроса о временных масштабах адаптации, полезно выделить несколько ее типов, которые будут рассмотрены ниже.

Генетическая адаптация

В тех случаях, когда адаптивный процесс идет на протяжении многих поколений, популяция может использовать все стратегии приспособления. Мутации регуляторных генов приведут к изменению базальных концентраций ферментов и других молекул, т. е. к количественной макромолекулярной адаптации. Аминокислотные замены в белках обусловят появление новых изозимов (или аллозимов), а в особых случаях — и ферментов совсем нового типа. Замены аминокислот могут облегчить выработку новых способов регуляции ферментативной активности, обеспечивающих более адекватную реакцию на сигналы, вызывающие изменения в скоростях метаболических процессов. При генетической адаптации могут также возникать совершенно новые молекулы, придающие организму способность к освоению новых местообитаний. Классическим примером такого рода адаптаций может служить появление гликопротеиновых и полипептидных «антифризов» у морских костистых рыб, живущих в высоких широтах, благодаря чему эти рыбы (в отличие от других костистых рыб) могут существовать среди льдов.

Акклимация и акклиматизация

Адаптивные реакции этих типов происходят у отдельных особей,

Читать дальше