Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
В свете сегодняшнего знания мы можем сказать, что Кнооп 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 (рис. 67).
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 имеет 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. Не важно, сформирован ли ацетилкофермент А из жирной кислоты или путем катаболизма глюкозы; организм не может определить происхождение вещества (рис. 68).
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.
Рис. 68. Соединение путей катаболизма углевода и жираПолучается, 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 при этом производится девять молекул ацетилкофермента А.
То есть при переводе молекулы стеариновой кислоты в девять молекул ацетилкофермента А получается 8 умножить на 5, то есть 40 молекул АТФ. Если посмотреть на схему цикла Кребса, приведенную на рис. 64, то видно, что в этом цикле из ацетилкофермента А производится 12 молекул АТФ. Соответственно, если 9 молекул ацетилкофермента А умножить на 12, получим 108 молекул АТФ.
Таким образом, в процессе перехода от стеариновой кислоты к углекислоте и воде образуется не менее 40+108, то есть 148 молекул АТФ. Но это еще не все. Типичная молекула жира, например стеарин, состоит из трехуглеродного спирта, глицерина, в соединении с тремя молекулами стеариновой кислоты. Каждая из трех молекул стеариновой кислоты послужит формированию 148 молекул АТФ, то есть всего образуется 3 x148 = 444 молекулы АТФ. Глицерин же будет превращен в пировиноградную кислоту, что само по себе даст еще 15 молекул АТФ — итого организм получит 459 молекул АТФ в результате катаболизма каждой молекулы стеарина.
Идем дальше. При переходе одного грамма жира в углекислоту и воду высвобождается 9 килокалорий тепла (см. главу 14). Один моль стеарина весит 891 грамм, соответственно, при переходе одного моля стеарина в углекислоту и воду высвобождается 891 х 9 = 8019 килокалорий. Путем образования 459 молекул АТФ запасается 459 х 8 = 3672 килокалории химической энергии. Значит, эффективность процесса — 3672: 8019 = чуть более 45 процентов. Это превосходный результат.
Но если посмотреть на рис. 64, видно, что ацетилкофермент А попадает в цикл Кребса путем соединения с щавелево-уксусной кислотой. А щавелево-уксусная кислота производится в достаточном количестве только путем углеводного метаболизма (до какой-то степени — белкового метаболизма), но никак не метаболизма жиров.
Если в пище много жиров, но мало углеводов, ацетилкофермента А производится много, но щавелево-уксусной кислоты — мало. Ацетилкофермент А начинает накапливаться, конденсироваться сам с собой, образовывая ацетоуксусную кислоту, и в организме образуется повышенная концентрация кетонных тел, находящая выражение в состоянии, известном как «кетоз».
Такая диета, богатая жирами, но бедная углеводами, называется «кетогенной», потому что способствует повышению концентрации кетонных тел. Голодание — тоже кетогенный процесс, потому что все углеводородные запасы организм исчерпывает за день, а дальше начинаются процессы извлечения энергии из жиров. Если печень обрабатывать жирной кислотой, не добавляя при этом углеводов, то, по наблюдениям Эмбдена, тоже начинается кетоз.
Ни голодание, ни кетогенные диеты обычно не приносят большого вреда, поскольку человеку свойственно избегать и первого, и второго. Но даже если обстоятельства вынуждают человека к таким условиям, то даже небольшое количество переваренных углеводов произведет корректирующий антикетогенный эффект.
Вот при диабете кетоз становится действительно опасным. Если болезнь не лечить, то развивается хроническое расстройство углеводного метаболизма, приводящее ко все более жесткой нехватке щавелево-уксусной кислоты и, соответственно, прогрессирующему кетозу. Именно токсическое действие кетоновых тел обычно и приводит к коме и смерти диабетика.
Строго говоря, не все жиры имеют своим основным предназначением производство энергии. Те жиры, что я обсуждал в этой главе, относятся к «простым» жирам, состоящим из глицерина и жирных кислот. Существуют также «сложные» жиры, в состав которых входят еще и фосфатная группа и одна из нескольких азотсодержащих групп. А еще есть такие вещества, как холестерин, обладающие свойствами жиров, но имеющие совершенно другое молекулярное строение.
У этих последних в организме есть особые функции. Из фосфатсодержащих жиров состоит мембрана митохондрий, служащая, как я уже писал, полем деятельности для различных ферментов, катализирующих реакции цикла Кребса и дыхательной цепочки. Что же касается холестерина, то из него состоит большая часть жировой оболочки нервов.
Сложные жиры и холестерин содержат не меньше энергии, чем простые жиры, но их роль в клеточном механизме настолько велика, что их энергозапасы не расходуются даже при крайних стадиях истощения. Я не привожу здесь подробного рассмотрения этих крайне важных веществ только потому, что они не задействованы в процессах энергообмена.
Теперь давайте вернемся к белкам, попадающим после процесса переваривания в организм в виде аминокислот. Перед тем как использовать их для производства полезной энергии, надо сначала убрать из них азот.
В 1773 году французский химик Руэль (учитель Лавуазье) обнаружил в моче азотистое соединение и назвал его, естественно, мочевиной. Когда в начале XIX века химики стали изучать строение белков, мочевина была сразу признана «тем самым» веществом, посредством которого организм избавляется от азотистой составляющей белков.
Формула мочевины —
Ее короткая запись — NH2CONH2. Получилось так, что именно с мочевиной оказались связаны два самых замечательных открытия в биохимии. Она стала первым органическим веществом, которое удалось синтезировать из неорганического материала (см. главу 13), и катализирующий ее распад фермент был кристаллизован первым (см. главу 15).
