| |
 |
Затем, в 1919 году, британский физик Фрэнсис Уильям Астон изобрел масс-спектрограф – устройство, искажающее траекторию полета ионов в магнитном поле. Чем тяжелее ион, тем меньше искажается его траектория. Таким образом стало возможно отделить С12 от С13 в случае, когда они присутствуют в одном и том же наборе. Поскольку траектория их полета искажается в разной степени, то и конечная точка попадания на фотопластину у этих двух изотопов оказывается разной, и по окончании сортировки можно подсчитать сравнительную частоту их наличия по степени потемнения пластины. Так было установлено, что в природном угле соотношение С12 к С13 составляет 989 к 11.
Теперь предположим, что пища для лабораторных животных изготавливается только с использованием С13 , без единого атома С12. Для организма разницы нет. Поэтому он подвергнет вещество, содержащее С13, той же обработке, какой подверг бы и вещество, содержащее С12. Это вещество будет превращено организмом в другое, тоже с аномально высоким содержанием С13; в итоге понятно, что любое вещество с аномально высоким содержанием С13 всегда окажется происходящим от исходного питательного продукта, помеченного изотопом. Наличие аномального количества изотопа определяется экспериментатором путем сжигания вещества, получения углекислого газа, и прогона этого газа через масс-спектрограф. По результатам спектрографии ученые уже могут строить предположения о метаболических механизмах, действующих в тканях живых существ.
Легко сказать, да трудно сделать. Для этого сначала надо набрать изотопов (которые встречаются в природе, как уже было показано, очень редко), создать питательные вещества с их участием, потом выделить из организма другие вещества в чистом виде, и в конце концов провести очень непростую процедуру масс-спектрографии. Из-за всех этих трудностей масс-спектрография так и не получила широкого распространения до 1932 года, когда американский химик Гарольд Юри открыл «дейтерий», или «тяжелый водород».
Ядро обычного водорода состоит только из протона, так что его атомный вес – 1, а ядро дейтерия – из протона и нейтрона, поэтому его атомный вес – 2. Эти изотопы обозначаются, соответственно, как Н1 и Н2. И если между С12 и С13 разница масс составляет 8%, то между Н1 и Н2 – 100%.
Из такой колоссальной разницы масс между водородом и дейтерием можно извлечь определенные преимущества. Более тяжелые изотопы участвуют в тех же реакциях, что и более легкие, но с меньшей скоростью. Для всех остальных элементов, кроме водорода, разница в скорости вполне пренебрежима; однако в случае с водородом уже заметно, что реакции с участием дейтерия протекают медленнее. Перегонка и электролиз воды, в состав которой входит не водород, а дейтерий, происходят заметно медленнее. Если подвергать перегонке или электролизу большое количество воды, то ближе к концу процедуры оставшаяся часть воды будет представлять собой высокую концентрацию воды тяжелой. Из такой тяжелой воды можно изготавливать дейтерийсодержащие продукты. Ну и отделять дейтерий от водорода в спектрографе тоже сравнительно несложно.
В 1935 году американский физик немецкого происхождения Рудольф Шонхаймер пометил жирные кислоты дейтерием, так же как Кнуп за поколение до того – бензольным кольцом. Позже, по мере развития технологий, Шонхаймер использовал для пометки аминокислот «тяжелый азот», N15 (обычный азот – N14). В результате своих экспериментов он сумел доказать, что организм ведет чрезвычайно активную химическую деятельность. Даже в тех ситуациях, когда никаких видимых следов активности не заметно, постоянно идут перемещения, переносы, соединения и распады, постоянно перемешиваются атомы.
Но технология маркирования изотопами по-прежнему оставалась неуклюжей и неудобной. Попав в организм, вещество, содержащее изотоп, растворялось по всему существу, и найти его потом оказывалось очень непросто.
Но выход был найден. Атомы некоторых изотопов содержат неустойчивое соединение протона с нейтроном. Из таких атомов с известными скоростями и в известном количестве испускаются различные субатомные частицы. К примеру, С14, ядро которого состоит из шести протонов и восьми нейтронов, испускает энергетические частицы такими темпами, что половина С14 превращается в N14 (самый распространенный вариант азота) за пять тысяч лет.
Такое явление называется радиоактивностью. Если в пищевые вещества включить радиоактивный атом С14, то с точки зрения обмена веществ он будет проявлять все те же свойства, что и обычные стабильные изотопы С12 или С13, но по маркеру из энергетических частиц экспериментатор всегда сможет его найти. С14 можно отловить даже в том случае, если его концентрация крайне мала.
Оставалось только придумать способ производства самих радиоактивных изотопов в достаточном количестве. До Второй Мировой Войны приходилось полагаться только на естественно встречающиеся в природе радиоактивные изотопы – а это были по большей части изотопы атомов, не участвующих в пищевой цепочке животных. Но после окончания войны практически ни одно исследование метаболизма уже не велось без использования веществ, помеченных радиоактивными изотопами С14, Н3, Na24, и так далее. Теперь работу биохимика невозможно представить без них.
Но вернемся же к Кнупу и его первым в мире опытам с молекулярными маркерами…
Предоставляя собакам с пищей маркированные жирные кислоты с четным количеством атомов углерода, ученый выделял из мочи животных бензольное кольцо в сочетании с группой, включающей в себя два атома углерода – такое вещество называется фенилуксусной кислотой. Кислота эта, в свою очередь, крепилась к молекуле глицина. Если же на входе подавались кислоты с нечетным числом атомов углерода, то на выходе получалось бензольное кольцо, к которому крепился только один атом углерода («бензойная кислота»), и она тоже крепилась к молекуле глицина (см. рис. 68). Организм часто добавляет глицин к молекуле, которую надо вывести из организма, чтобы она легче выводилась через почки, так что Кнуп не стал обращать на глицин внимания, и сосредоточился на фенилуксусной и бензойной кислотах.
Кнуп объяснил полученные результаты тем, что длинная цепочка жирной кислоты разрезается на блоки по два атома углерода, начиная с карбоксильной группы. Оторвать углерод от бензольного кольца организм не может, поэтому если общее количество звеньев цепочки оказывается четным, то прикрепленными к бензольному кольцу остаются два звена, если нечетным – то одно.
Такое предположение казалось тем более логичным, что известно, что все жирные кислоты всех жиров живых тканей состоят из четного числа атомов углерода – значит, двухуглеродные блоки по какой-то причине естественны для организма, и именно их он использует при строительстве собственных жирных кислот. В природе очень часто встречаются восемнадцати- и шестнадцатиуглеродные жирные кислота, а семнадцатиуглеродных не встречал пока еще никто (те жирные кислоты с нечетным числом атомов углерода, которые Кнуп скармливал собакам – не в счет, они были искусственно синтезированы в лаборатории).
Два года спустя немецкий биохимик Густав Эмбден внес в систему еще одно усовершенствование. Он обнаружил, что при обработке жирной кислотой тканей печени в растворе появляется цепочка из четырех атомов углерода – ацетоуксусная кислота.
Это вещество вместе с рядом других входит в группу «кетонных тел», названных так из-за присутствия кетогруппы С = О. Ацетоуксусная кислота – пример жирной кислоты, от которой начал отщепляться двухуглеродный отрезок, как я сейчас объясню, и это утвердило Кнупа в его предположении о «нарезании» организмом двухуглеродных отрезков.
Кетонные тела не встречаются в каких-либо значительных количествах ни в крови, ни в моче здоровых животных, несмотря на то, что печень производит их, будучи изолированной. А вот в крови и моче диабетиков – встречается! Поскольку диабет – это расстройство в первую очередь углеводного метаболизма, то его связь с производством кетонных тел – продуктов метаболизма жиров – демонстрирует связь между этими двумя метаболическими механизмами.
Несмотря на столь давний интерес ученых к проблеме, подробности метаболизма жиров оставались неизвестными до тех пор, пока не была разработана вышеописанная технология изотопного маркирования. Лишь в 1951 году биохимики получили возможность писать формулы жирового метаболизма хоть с какой-то степенью уверенности в написанном.
В свете сегодняшнего знания мы можем сказать, что Кнуп был прав: действительно, углеродная цепочка жирных кислот «нарезается» организмом на фрагменты по два атома углерода, начиная с карбоксильного конца. Только надо внести два уточнения. Во-первых, для того, чтобы подвергнуться катаболизму, жирная кислота должна конденсироваться с коферментом А. Во-вторых, сам процесс отрезания двух атомов углерода происходит в четыре этапа (см. рис. 69).
Первый этап – дегидрогенизация. От каждого из двух атомов углерода, соседствующих с карбоксильной группой, отщепляется по атому водорода. Второй этап – гидратация. К веществу добавляется вода, таким образом, что гидроксильная группа присоединяется ко второму атому углерода карбоксильной группы (этот атом называется бета-углерод, соответственно, вся реакция получает название «бета-оксидация»). На третьем этапе удаляются еще два атома водорода, так что бета-углерод становится частью кетогруппы. Если посмотреть сейчас на формулу ацетоуксусной кислоты, то станет ясно, что она – продукт именно этого, третьего, этапа. На четвертом этапе два атома углерода отщепляются одновременно в составе ацетилкофермента А, и от цепочки остается новая, укороченная на два атома углерода, жирная кислота, которая конденсируется с коферментом А и отправляется на следующую итерацию цикла.
Полное название этого цикла – «цикл окисления жирной кислоты». На самом деле это скорее спиралеобразный, чем циклический, процесс, поскольку нельзя сказать, что в конце мы приходим к тому же, что имели в начале, поскольку с каждой итерацией жирная кислота становится короче на два атома углерода. Таким образом восемнадцатиуглеродная жирная кислота, например, стеариновая, в конце концов превращается в девять молекул ацетилкофермента А.
После формирования ацетилкофермента А он вступает в соединение с щавелево-уксусной кислотой для образования лимонной кислоты и входит, таким образом, в цикл Кребса, описанный в предыдущей главе. Неважно, сформирован ли ацетилкофермент А из жирной кислоты или путем катаболизма глюкозы; организм не может определить происхождение вещества (см. рис 70).
Ацетилкофермент А тоже можно рекомбинировать с получением в итоге жирной кислоты. Для этого надо обратить цикл окисления жирных кислот. То есть, две молекулы ацетилкофермента А объединяются для получения ацетоацетилкофермента А, затем добавляются два атома водорода, удаляется вода, добавляются еще два атома водорода – и вот мы получили четырехуглеродную жирную кислоту, конденсированную с коферментом А. Эту цепочку можно продолжать сколько угодно, добавляя каждый раз по ацетилкоферменту А.
Получается, что ацетилкофермент А и есть тот самый «общий строительный кирпичик», наличие которого я логически обосновал в главе 19, рассуждая о том, как крахмалистая пища переводится в жир, а нормальный уровень глюкозы в крови поддерживается за счет расщепления жира.
Конечно, и в метаболизме жирных кислот, как и в метаболизме глюкозы, важное место занимает дыхательная цепь. При каждой итерации цикла окисления жирных кислот происходит две дегидрогенизации. Первая катализируется флавоферментом, а вторая – пиридин-ферментом. Можно считать, что в первом случае производится две молекулы АТФ, а во втором – три, так что при каждой итерации цикла производится в целом пять молекул АТФ путем окислительного фосфорилирования.
В случае, скажем, стеариновой кислоты, в состав которой входят восемнадцать атомов углерода, происходит восемь итераций цикла (понятно, почему не девять? Попробуйте разрезать полоску бумаги на 9 частей и увидите, что потребуется совершить всего 8 разрезов), и производится при этом девять молекул ацетилкофермента А.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
