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ANNEXE
VERS LE METABOLISME DE L'AVENIR
Bulletin de l'Académie Internationale CONCORDE, 2014, N1, p. 36-48.
This article represents very short and popular statement of the big fundamental monograph "The Metabolism: the structural-chemical and thermodynamic analysis" (in 3 volumes, "Chemistry". Moscow), published in already far 1988 and remained inaccessible for various reasons to the majority of potential readers. Meanwhile, in the monograph ideas and results are stated, which, speaking to elevated style, still keep spring freshness and revolutionary novelty. I hope, the impartial reader will feel it, having studied the present article. Then, probably, he will feel practical need to address to the full version of stated work.
Key words: Metabolism, the structural-chemical analysis, thermodynamic analysis.
Pressentiment d'un mystère
Au printemps de 1979, j'ai donné les leçons de biochimie aux étudiants en médecine. Nous avons commencé à étudier le métabolisme : les réactions biochimiques qui se produisent dans le corps humain. Ces réactions sont remarquables à bien des égards. Tout d'abord, afin que les chimistes réalisent au moins une d'entre eux il faudrait dans la majorité des cas une installation complexe et une haute température. Il suffit à voir les usines chimiques où il est dangereux de s'approcher des réacteurs. Tandis que dans nos cellules à 36-37 ° C se produisent avec une grande vitesse des milliers de différentes transformations. Car il existe des molécules de protéines étonnantes - enzymes dont chacune catalyse une réaction bien définie. Ainsi un ensemble d'enzymes dans une cellule détermine l'ensemble des réactions qui se produisent dans cette cellule (bien sûr, en présence des participants à ces réactions et des substances auxiliaires - comme les vitamines).
La seconde circonstance remarquable est l'existence d'un ordre clair dans le chaos apparent de milliers de réactions. En particulier, ces réactions composent des chaînes dites des voies métaboliques. A titre d'exemple (que nous utiliserons à plusieurs reprises) considérons ce qu'on appelle glycolyse (Fig. 1) - dislocation du glucose en deux molécules d'acide lactique (lactate), ce processus se produit dans les muscles pendant une activité physique intense ainsi que dans les érythrocytes.
Il existe plus d'une centaine des chaînes similaires. Elles sont comme les routes faites par les enzymes dans la vaste forêt de toutes les transformations possibles de métabolites (produits intermédiaires du métabolisme ) .
Et ici nous arrivons aux questions fondamentales qui ont surgi pendant mes discussions avec les étudiants :
Pourquoi les voies métabolique sont telles que nous les connaissons et pas les autres ?
Et pourquoi, par exemple, pour la transformation du glucose en deux molécules d'acide lactique sont utilisées les 13 réactions existantes ?
Dans cette voie métabolique il y a les 13 réactions intermédiaires.
Pourquoi dans un manque d'oxygène (conditions anaérobies) le glucose se divise en deux molécules de l'acide lactique et ne dégage pas d'énergie en autre manière de décomposition?
Et ainsi de suite - un nombre infini de «pourquoi» à chaque étape de l'errance dans le métabolisme. Est-il possible de " paver la route " de façon plus bénéfique pour l'organisme ?
En d'autres termes, comment expliquer l'apparition dans l'évolution des enzymes pour les certaines réactions et pas pour les autres ? Ou on ne peut pas l'expliquer, on ne peut que le constater ? Et il n'y a pas ni les explications ni les lois ?
Comparons avec les Echecs. Après chaque coup dans ce jeu des nombreuses suites sont possibles. C'est pareil pour les voies métaboliques : après une réaction, en principe, une multitude de transformations est possible, dont la nature n'a choisi (en créant les enzymes appropriées) qu'un ou deux.
Jouons alors avec la nature dans les échecs biochimique. Tout d'abord, afin de comprendre sa logique et de la sagesse, et ensuite, (on ne sait jamais !) pour la surpasser éventuellement par un coup original ?!
« Échecs biochimique » : les figurines et les règles du jeu
J'ai commencé par l'introduction de l'axiome suivant : «Tout métabolite n'est composé que des fragments mono-carbonés (qui contiennent 1 seul atome carbone). »
Cela signifie que tout ce qui est inclut dans la composition de métabolites doit être inclus dans l'un ou l'autre fragment mono-carboné (FMC). En d'autres termes, selon cet axiome, tout métabolite peut être décompose en plusieurs FMC.
Eh bien, en combien de ces fragments : dix, quinze?
Essayez d'imaginer certains d'entre eux : d'abord, les plus simples (ne contenant aucun des hétéroatomes autres que l'oxygène), puis contenant l'azote, ensuite contenant le soufre, et enfin contenant le phosphate. Dans chacun de ces quatre groupes tenons compte si le fragment forme une liaison avec un autre FMC par l'intermédiaire d'un hétéroatome ou non, forme-il une double liaison C=C ou non. Réunissions les FMC homogènes pour plus de commodité dans les tableaux angulaires (figure 2).
Ainsi, en "dessinant" les divers fragments possibles, nous trouvons pas dix ou quinze FMC mais beaucoup plus - environ 150. Un peu plus que le nombre d'éléments dans le tableau périodique de Mendeleïev. Et comme toute la nature est composée des éléments chimiques, tous les milliers de métabolites que l'on trouve dans les êtres vivants sont composés de ces 150 FMC.
Nous voudrions construire différents schémas de transformation de substances et de les comparer avec ce qui se passe dans la nature. Et pour cela il nous faut un langage qui décrit clairement les transformations en cours.
Prenons l'exemple des mathématiciens : ils ont déjà un tel langage. Ils leur suffit d'écrire une expression (par exemple y = sin2x + ln x - x2) - et nous voyons l'ensemble des opérations qui transforment x en y .
Supposons maintenant que x est une substance initiale, tandis que y est le produit de la réaction. Les chimistes et les biochimistes peuvent-ils exprimer aussi clairement et de façon laconique l'essence d'une réaction ? Un tel problème n'a jamais été formulé.
Le table des FMC rend possible la résolution de ce problème ! On essayait toujours de classer les réactions ce qui rendait ces classifications complexes. Tandis que nous allons classer les transformations des FMC et les appellerons « opérations élémentaires ». Alors une réaction est une combinaison des opérations élémentaires.
The nitrogen containing, nonethereal (by nitrogen) MCFs without 2-fold C-C links
MCF - mono carbonic fragment
The simplest nonethereal MCFs without 2-fold C-C links
\nc nh 0 1 2 3 4
a CH4 -CH, -CHi- -CH- 1 1 -C-1
l CHj OH -CHn OH -CH-OH 1 -C-OH
2 CH-n 1! 0 -CH II 0 -cII 0
3 HCOH li 0 -COH II 0
4 co2
The nitrogen containing, nonethereal (by nitrogen) MCFs
without 2-fold C-C links
nc
nt
CH3 NHn
-CH, NH2
-CH-NH2
c
NH3
ca
I!
NH
CHi-0 NH-.
-CH I
NH
CH o NHj
HC-NHj I
o
-C-NHn
I
o
HOC-NH-n i:
o
-cli
NH
-C-0 NHj
An arrow («■)means that MCF is connected with, another MCF through heteroatom and so is ail ethereal one.
Pic. 2. Examples of MCFs
nc- the total number of C-C Sinks, formed by MCF:
nb - the totaf number of iinks, formed by C-atom of MCF with heteroatoms (O, N, S}
Mais peut-être ces opérations sont trop nombreuses, par exemple, quelques milliers comme les sinogrammes ? Car nous avons environ 150 FMC et leurs diverses transformations
Pas du tout ! On va voir que dans le domaine du métabolisme les règles sont beaucoup plus élégants. Une analyse minutieuse nous a conduit à la découverte surprenante - la quasi-totalité de la variété infinie de réactions biochimiques est réduite à 4 types des opérations élémentaires, que je désigne par les lettres D, Ê, Ô et C (voir le tableau).
Type of
operations
The essence of direct operations
Exampes
D
hydrolytic (or equivalent with it) breakaway from MCF of
nitrogen-, sulfur- or phosphorus-
containing group
-C-ll
NH
► -Cl
O
H2O
NH,
E
hydrolytic disrupton of bond between an ethereal MCFs
-C-O-CH2-l
-C-OH + HOCH2-
O
O
H2O
o
oxydation of MCF:
monofragment operations,
as a result of which the index nh increases per unit
-CHI
NH2
-C-ll
NH
O2
H2O
nonreduction disruption
of C-C bond
(the index nh of one of the two MCFs increases per unit)
-C-CH2-l
O
-C-OH + CH3-
ll
O
H2O
Dans chaque cas une opération peut être directe et en sens inverse. Voilà tout. C'est facile d'exprimer presque toutes les réactions métaboliques avec ces quatre lettres. Il suffit une seule opération élémentaire dans certaines réactions, dans les autres, plus complexe, les 5-10 opérations concernant une ou plusieurs fragments d'une molécule.
Mais afin de mieux décrire un événement, il est souhaitable de préciser non seulement son contenu mais aussi le type des participants impliqués. Par exemple, il n'y a pas suffisant à dire qu'il y avait un match de football. L'intensité de l'événement, c'est -à-dire, l'énergie est aussi important.
L'énergie d'une réactions ne dépend que des opérations qui la décrivent, la nature des FMC participants à cette réaction a une influence majeure sur son énergie. La caractéristique la plus importante de cette nature est un paramètre nh - nombre des liens de l'atome de carbone avec des hétéroatomes .
Sur cette base, les opérations de chaque groupe peuvent être divisées en types suivants (un type est spécifié par une ou deux index) :
Di , Êu , Ôi , Ci,j , -
et pour les opérations directes ces index ne sont que les valeurs nh des FMC participants à la réaction.
Par exemple, la deuxième réaction de glycolyse s'exprime dans le langage des opérations élémentaires de la façon suivante :
Glucose-6-phosphate —> [ Ê2,i x (Ô"i + Ôi) x Ê_2,i ] —> Fructose-6-phosphate
On a les quatre opérations de base:
Ê2, 1 - coupure des liens entre deux FMC avec nh égal à 1 et 2;
Ô-1 - opération de reconstruction du premier type (opération inverse à l'opération de l'oxydation du premier type) , etc.
On peut d'exprimer dans le même langage les voies métaboliques : en introduisant le concept de l'équation opérationnelle d'une voie. Cette équation contient le nombre minimal des opérations élémentaires reliant les métabolites initial et final. Ces équations sont étonnement simples. Par exemple, l'équation opérationnelle de la glycolyse (avec ses 13 réactions intermédiaires) ne contient que les 5 opérations élémentaires (au lieu de plusieurs dizaines opérations attendues) :
2 (Ô 2 + Ô 0) x Ci,i (Glucose) — 2 Lactate
C'est la voie la plus courte qui exprime l'essence de la conversion de glucose en deux molécules d'acide lactique. Pourquoi dans la réalité les 35 opérations sont utilisées à la place des 5 ce qui est beaucoup plus compliqué ?
C'est le problème que nous avons formulé plus tôt de la façon plus générale : "comprendre la logique de la nature ."
Incréments - ce n'est pas ce que vous pensez
Ainsi il faut expliquer la complexité des équations opérationnelles de métabolisme. Mais comment nous allons comparer les voies hypothétiques avec les voies réelles ?
Qu'est ce qui détermine le chemin des rivières ? - La pente de la surface, c'est à dire l'énergie potentielle de l'eau. En outre, l'eau est acheminé par les endroits où le sol est plus souple. Ces deux facteurs agissent aussi en chimie : le premier est énergétique (thermodynamique), le seconde est cinétique. En biochimie il y a un autre facteur : c'est l'utilité biologique. Voici trois critères permettant de comparer les différents modalités de transformation des matières initiales aux substances finales.
Nous souhaitons ainsi connaître l'énergie de la réaction. Il s'agit de l'énergie de Gibbs définie par la relation :
AG = AH - T AS.
Cette relation montre que l'énergie de Gibbs a deux composantes : la chaleur (ou enthalpie) de processus AH et le terme entropique T AS. Selon le second principe de la thermodynamique, cette énergie détermine la capacité au processus spontané (AG doit être négatif). Ainsi, la valeur AG mesure énergétie "potentiels" des métabolites (AGcropaHHa, ou AGcr) et son changement au cours de la réaction (AGpea^™ , ou AGp).
Nous rencontrons ici une énorme tache blanche : l'énergie de Gibbs expérimentale est définie seulement pour quelques dizaines de métabolites et de leurs réactions. Pas même de question des réactions et des métabolites hypothétiques : ils n'existent pas dans la nature, donc personne ne pense de les explorer.
Comment calcule-t-on d'habitude l'énergie de Gibbs ? - Tout d'abord, il faut avoir toutes les substances nécessaires (métabolites dans notre cas) à l'état pur. Puis, il faut les brûler dans une bombe calorimétrique et mesurer de la chaleur dégagée. Ainsi on peut trouver la première composante ahct. de l'énergie de Gibbs. Encore plus difficile de déterminer le second composant. - Il faut mesurer la capacité thermique (cp) des substances dans les calorimètres pour un large intervalle de températures, allant de très basse (de préférence - du zéro absolu). Et ensuite par l'intégration graphique de la fonction cp/t on peut calculer l'entropie de la matière et par conséquent le produit de T- Assg. Afin de réaliser tout cela pour des milliers de métabolites, sans parler des produits des réactions intermédiaires, il faut des dizaines d' années de travail acharné de la part de nombreuses institutions.
Existe-t-elle une façon simple et pas onéreux ?
Jetons un coup d'œil sur le système FMC. En fait, il suffit de connaître la contribution de chaque fragment à l'énergie de Gibbs de la combustion d'une substance, alors tous les problèmes seraient résolus ! La connaissance de ces contributions (incréments) permet de déterminer l'énergie de Gibbs de toute substance, et donc de toute la réaction.
Inspiré par cette idée, en 1984, j'ai commencé à calculer les incréments en utilisant les données de référence pour plusieurs centaines de composés organiques -dans la grande majorité, non métabolites. Mais aucune différence ! L'énergie d'un fragment dans une certaine mesure dépend de ses voisins dans une molécule des substances, mais elle est complètement indépendante du fait si la substance est un métabolite ou non. Ainsi la chimie organique a rendu un service à la biochimie.
J'ai trouvé de cette manière les estimations des incréments pour la plupart des 150 FMC ainsi que les 30 estimations des modifications dues à l'interaction des fragments, à leur ionisation et à la géométrie des molécules.
Ainsi le système des FMC a montré sa très grande utilité. Les incréments pour un ensemble des FMC cités sont représentés sur la figure 3.
The increments of simplest nonethereal MCFs in the Gibbs' energy of substances combustion (without numerous amendments) are given in the boxes under formulae of MCFs.
Near vertical arrows - differences of Gibbs energy, corresponding to increase in nh at unit.
Near horizontal arrows - the same for increase no on unit.)
Dans le cadre, sous les formules, les incréments des FMC à l'énergie de Gibbs (kJ / mol). Modifications (pour l'ionisation, l'interaction des FMC et la géométrie des molécules) ne sont pas représentés.
A côté des flèches verticales - changements de l'énergie de Gibbs correspondant augmentation de nh à l'unité.
A côté des flèches horizontales - la même chose correspondant augmentation de nc à l'unité.
On peut maintenant évaluer l'énergie de Gibbs de toute réaction métabolique existante et d'un processus hypothétique, né dans notre esprit.
"Essence" de métabolisme - la loi de l'oxydation du carbone
Nous allons analyser d'abord l'énergie des opérations élémentaires. Et nous trouverons une série des belles lois énergétiques.
Comme nous avons déjà mentionné, l'énergie des opérations élémentaires dépend non seulement de la nature de l'opération mais aussi de la structure des fragments réagissants, principalement du paramètre nh.
Donc on observe un phénomène central que j'appelle la loi de l'oxydation du
carbone : L'énergie libérée dans l'opération d'oxydation d'un fragment de carbone est proportionnelle au niveau de son oxydation.
Ceci est clairement visible sur la Fig. 3. Les transitions verticales vers le bas sont les étapes de l'oxydation.
Prenez, par exemple, la chaîne gauche de ces transitions. Elle lie des mono-carbones bien connus : méthane, méthanol, formaldéhyde, acide formique, anhydride carbonique. Cette chaîne est composée des oxydations de type croissant : Ôo, Ôi , Ô2 , Ô3. Et en mesure de l'augmentation de type d'oxydation (c'est à dire d'augmentation de la paramètre nh d'un FMC réagissant) augmente la valeur absolue de l'énergie de Gibbs (kJ / mol):
-114, -186, -246, -270.
Dans la chaîne suivante de transitions verticales il y a seulement trois étapes d'oxydation, mais le schéma est le même :
-147, -195, -253.
Et ainsi de suite: on voit la même chose dans toute chaîne continue des oxydations et dans tout ensemble des FMC.
On peut supposer approximativement que les oxydations de trois types principaux (Ôo, Ôi, Ô2) sont caractérisées respectivement par les valeurs suivantes de l'énergie de Gibbs :
-150, -200 et -250 (kJ / mol).
Par exemple, écrivons à nouveau l'équation opérationnelle de la glycolyse (Fig. 1) :
2 (O 2 + O 0) x Ci,i (Glucose) — 2 Lactate
En l'utilisant nous obtenons le bilan énergétique de processus (en kJ / mol). Les valeurs sont arrondies à 5 unités près) :
Deux opérations d'oxydation de deuxième type : -265 • 2 = -530,
Deux opérations de reconstitution de type zero : +145 • 2 = +290
Une opération de coupure du lien C-C: +40
TOTAL : - 200 (kJ / mol de glucose)
Ainsi, l'énergie dans le processus anaérobie ne peut être obtenu que les oxydations de différents types ne sont pas équivalentes énergétiquement. L'oxydation d'un type (Ô2) est combinée avec la reconstitution ( Ô-o) d'un type inférieur.
La même chose se produit pendant la fermentation alcoolique dans la levure. La formation de l'alcool se produit aussi grâce à la loi de l'oxydation du carbone. En général, les divers processus de fermentation sont nombreux chez les micro-organismes. Et presque toujours la libération d'énergie est basée sur la même loi. En d'autres termes, les formes de vie anaérobies sont la première conséquence importante de la loi de l'oxydation.
Mais la plupart des éléments nutritifs, l'acide lactique compris, se disloquent par une voie aérobique, c'est à dire s'oxydent avec de l'oxygène. L'énergie qui se dégage (dans la glycolyse aussi) en partie se disperse et en partie s'accumule dans les ATP .
Ainsi, de la loi de l'oxydation du carbone découle la règle de l'accumulation de
l'énergie : par suite de l'oxydation des types zéro, un et deux peuvent être formés respectivement 2 , 3 et 4 molécules d'ATP ( ou, plus exactement, les liaisons macroénergetiques).
Et combien des ATP sont formées pendant la combustion complète d'un métabolite ? Pouvons-nous l'évaluer sans connaître le schémas de désintégration correspondant ? - Pas de problème. On divise un métabolite en FMC et pour chaque fragment comptons le nombre des opérations d'oxydation nécessaires. En utilisant la règle de l'accumulation de l'énergie on peut déduire une formule générale pour le calcul des ATP par la combustion complète. La valeur obtenue coïncide généralement avec le rendement effectif des ATP pendant la combustion d'un métabolite.
Et tout cela, comme nous le voyons, dérive de la loi de l'oxydation .
Il y a beaucoup d'autres manifestations de cette loi. - Par exemple, la règle de la coupure de liaison C-C : de deux versions des coupures irréversibles de cette liaison l'avantage énergétique revient à celle, dans laquelle nh augment de 1 dans le fragment avec la plus grande valeur initiale de ce nombre.
Et ainsi de suite, mais nous n'allons pas plonger dans les détails.
Rôle décisif de la thermodynamique
Après avoir traité l'énergie des opérations élémentaires, j'ai commencé l'analyse détaillée et rigoureuse des différentes réactions et voies métaboliques.
Réaction après réaction, voie après voie : comment, quoi, pourquoi ? Toujours le calcul de l'énergie de chaque substance et de chaque réaction, y compris, de tous les stades intermédiaires. Toujours l'écriture des équations opérationnelles. Toujours l'étude des schémas alternatifs. Et toujours : pourquoi, pourquoi, pourquoi?
Mais en présence des outils d'analyse efficaces les réponses à de nombreuses questions se sont révélées faciles. Il s'est avéré que l'énergie explique bien des virages des «rivières» métaboliques.
Considérons encore une fois l'exemple de la glycolyse (Fig.1). Pourquoi les 5 opérations élémentaires se sont transformées ici en 13 réactions complexes de plusieurs dizaines d'opérations élémentaires ? La réponse est très simple.
La première de ces opérations Ci,i (coupure du lien C-C) est un barrage énergétique AG ~ +40 kJ / mol) et les 5 opérations sont destinées à son contournement.
Les quatre opérations 2 (Ô2 + Ô~o) sont double oxydoréduction intramoléculaire (où un FMC d'une molécule subit l'oxydation tandis qu'un autre FMC de la même molécule subit la restauration).
Dans chacun de ces procédés combinés la libération totale de l'énergie est trop élevé :
AG ~ -265 + 145 — - 120 kJ / mol
qui est "gênant" pour la conversion en énergie d'ATP. C'est pourquoi la Nature fait tout pour n'est pas «déverser» cette énergie et la stocker dans le plus grand nombre possible de molécules d'ATP.
Pour cela quelques transformations supplémentaires sont nécessaires. En particulier,
chacune des combinaisons ci-dessus est divisée en deux autres :
Ô2 + Ô-0 = (Ô2 + Ôl) + (Ô1 + Ô-o) -120 -60 -60 kJ / mol kJ / mol kJ / mol
Et pour l'accumulation de l'énergie dans chacun de ces transformations intermédiaires est utilisé la phosphorylation du substrat, ce qui nécessite également des réactions supplémentaires.
Tout cela conduit aux 13 réactions et parmi celles-ci il n'y a pas aucune réaction superflue.
J'ai montré plusieurs fois les exemples de la prise en compte très précise des lois énergétiques dans le métabolisme.
Les différents types d'oxydation donnent une quantité différente d'énergie et les différents mécanismes et coenzymes sont utilisés afin d'obtenir 2, 3 ou 4 molécules attendues de l'ATP ( la règle de stockage de l'énergie des oxydations) .
En outre, si le métabolite est oxydé de deux manières différentes, le premier sera toujours (sans exception !) l'oxydation d'un type plus élevé, c'est-à-dire avec une énergie plus élevée (la règle de sélection des opérations de l'oxydation).
Nous avons mentionné également que pour la coupure de la liaison C- C une des deux options est généralement énergétiquement plus avantageuse. Et cette option sera utilisée dans le métabolisme (la règle de sélection des opérations de C). Et ainsi de suite.
Ainsi aux règles thermodynamiques (apparemment purement abstraites) correspondent dans le métabolisme les règles similaires de sélection des réactions et de l'accumulation de leur énergie. En bref, selon les estimations prudentes, le métabolisme est expliqué par l'énergie au moins à 50 % , ainsi au moins la moitié des questions liées au cours de voies métaboliques ont les réponses purement thermodynamiques.
Une partie des reposes sont basées sur des raisons biologiques et le reste est expliqué par des problèmes cinétiques.
Ce qui concerne des raisons biologiques, on peut noter, en particulier, le principe de minimisation du nombre de réactions d'oxydation dans le métabolisme que j'ai formulé comme une hypothèse. La décomposition par oxydation de substances dans le corps est organisée de telle sorte que le nombre total des différentes réactions d'oxydation est réduite pratiquement à son minimum.
Ceci est particulièrement visible dans l'existence des voies communes de catabolisme (décomposition). Les divers acides gras, les acides aminés, les hydrates de carbone au cours de leur désintégration sont d'abord réduits aux mêmes métabolites (dont le plus importante est l'acétyl- coenzyme A qui est une forme active de l'acide acétique). Les principaux réactions d'oxydation effectuent ensuite la "combustion" de ces métabolites.
Il y a d'autres exemples en faveur de ce principe. La signification biologique de la minimisation du nombre d'oxydation peut être liée avec l'accumulation d'énergie. - Si le nombre des différentes réactions d'oxydation est petit, on a moins besoin de «prendre soin» de la création de mécanismes spéciaux de conversion d'énergie. Et il est plus facile de contrôler la fonctionnement des mécanismes déjà établis.
Qui sont les premiers - les enzymes ou les réactions ?
Ainsi le métabolisme est expliqué principalement par la thermodynamique. Cette conclusion est une révolution dans les points de vue sur l'origine du métabolisme. On
suppose généralement que tout a été créé dans l'évolution (pendant la sélection naturelle) sur la seule base de l'utilité biologique. Mais nous sommes arrivés à la conclusion que dans 50 % des cas l'énergie des réactions est primaire.
Dans cette sélection par les critères énergétiques il n a souvent aucune raison biologique.
Par exemple, pendant la pleine décomposition aérobique un métabolite s'oxyde de toute façon en dioxyde de carbone et en eau. Alors, quel est la raison de commencer toujours par l'étape d'oxydation, ce qui donne plus d'énergie ? Car on obtient à la fin la même chose pour chaque ordre des opérations !
Ou prendre la règle de la coupure de liaison C-C. - Très souvent, deux options sont possibles d'après les critères énergétiques. Mais il se réalise toujours celle qui est plus rentable énergétiquement. Bien qu'il n'existe aucune raison biologique dans ce fait. Et les autres exemples similaires peuvent être cités .
Tout cela indique que le métabolisme, au moins les voies de désintégration des substances (catabolisme), est formé initialement pendant l'évolution uniquement sous l'influence des facteurs physico-chimiques.
Ensuite ces réactions ont été fixés par le développement de catalyseurs à base de protéines et compliquées pour le stockage de l'énergie. Et plus tard encore par l'inversion simple des voie de décomposition (mais avec quelques différences) ont été formés des voies de synthèse des substances.
Vous comprenez : d'abord - les réactions (cataboliques), puis - les enzymes ! Le dogme central de la biologie est strictement inverse:
ADN ^ protéines (enzymes) ^ réactions.
Tandis que nous sommes arrivé à une conclusion révolutionnaire : apparemment autrefois tout était contraire :
Réactions ^ enzymes ^ gènes .
Essayez d'imaginer le premier maillon de ce schéma. Supposons que la phase prébiologique de l'évolution dans le milieu primaire en plus des substrats et des produits des réactions spontanées existaient des différentes chaînes polypeptidiques.
L'une des chaînes pouvait avoir une certaine affinité pour les substrats et les produits d'une réaction. Il y avait ainsi une liaison initiale. Mais cela, à son tour, favorisait l'adhésion à une chaîne de peptide des acides aminés (une ou plusieurs) ce qui constituait une partie du centre actif de l'enzyme en formation.
L'effet inverse se produisait simultanément : la réaction s'accélérait un peu sous l'influence d'une chaîne peptidique devenue plus compliquée.
Et ainsi de suite : le développement d'un biocatalyseur qui continuait avec l'accélération progressive d'une réaction correspondante.
Peut-on imaginer mieux que la Nature ?
Revenons au métabolisme réel. Est-ce qu'il est parfait et sans faille ? Peut-on trouver des schémas de transformations plus optimals ?
Parfois c'est possible. Par exemple, la glycolyse.
Notons que le schéma utilisé dans nos cellules n'est pas la seule possible. Il contient les 5 opérations élémentaires mais l'ordre de ces opérations pourrait âtre différent. Parmi les options rejetées on ne trouve pas mieux. Et quand on prend en compte le principe de minimisation du nombre de différentes réactions d'oxydation, mentionnés ci-dessus, l'option réalisée par la Nature est presque certainement est seule.
Cependant le sens de la glycolyse est la récupération anaérobe de l'énergie à partir du glucose et ce résultat est obtenu par la formation de deux molécules d'acide lactique.
Peut-on obtenir plus d'énergie ? - C'est possible. Par exemple, lors de la fermentation alcoolique utilisée par les levures :
2 (C 3,1 x Ô2 + Ô 0) x Ci,i (Glucose) — 2 Ethanol AG = -230 kJ/mol
Mais l'augmentation est légère (de 30 kJ par mole de glucose) et de la fabrication excessive de l'alcool dans un corps ne serait pas supportable même pour les grands consommateurs.
Voici le schéma qui nous convient mieux :
3 (Ô 2 + Ô 0) x 2 Ci,i (Glucose) — 2 Acetate AG = -290 kJ/mol
On ne le trouve nulle part dans la nature. Cette équation opérationnelle montre qu'il s'agit d'une transformation anaérobie du glucose à trois molécules de l'acide acétique. L'énergie dégagée est 1,5 fois plus grande que pour la glycolyse.
Quant à l'acide acétique, on sait que sa forme active est un produit normal de dégradation dans les cellules de presque toutes les substances. Alors l'intoxication à l'acide acétique n'aurait pas eu lieu .Et que se passerait-il ? - Notre résistance à des conditions hypoxiques aurait augmenté de 50 % (ce que nous manque souvent). Les sportifs alors pourrait améliorer leurs résultats. Et ainsi de suite .
Afin de mettre en œuvre un tel système il ne nous manque qu'un ou deux enzymes supplémentaires. Qui pourront un jour être introduits dans les cellules humaines par la techniques de l'ingénierie génétique.
Résumons nos résultats les plus importants.
1) La base et la clé de notre théorie est le système des FMC.
2) Afin d'ouvrir par cette « clé » la «porte» du côté énergétique du métabolisme, on a effectué son «traitement» supplémentaire : nous avons calculé les incréments (apports) des FMC à l'énergie des molécules.
Ce qui nous a ouvert une large panorama, où pour chaque métabolite et toutes les réactions biochimiques (y compris hypothétiques) il existe une "fenêtre" avec la valeur correspondante de l'énergie.
3) La même «clé» (ou sa « double») a été traité d'une manière différente. D'elle a été «faite» (dériver) le système des opérations élémentaires ( Di , Êi,j , Ôi , Ci,j ) - des transformations des FMC.
Alors dans la même panorama pour chaque réaction sous la "fenêtre" avec une valeur de l'énergie s'ouvre une autre "fenêtre" avec une combinaison des opérations élémentaires représentant l'essence de cette réaction chimique. Et pour les voies métaboliques sont apparue les gracieuses équations opérationnelles.
4) De plus, notre "clé" magique après que ce traitement double a commencé à briller comme un "diamant" - en donnant un ensemble des belles lois et règles reliants l'énergie des opérations élémentaires avec leur type. Parmi eux - les lois de l'oxydation du carbone, de la coupure de C-C (la règle de sélection des opérations de C), etc.
Dans le panorama des mêmes réactions métaboliques brillent les règles biologiques lumineuses: le règles de l'accumulation d'énergie et le règle de sélection des réactions du métabolisme.
5) De ces «lumières» découle une conclusion qui semble simple. Que les raisons énergétiques ont eu une influence décisive sur la formation de voies métaboliques déjà dans la phase pré-biologique de l'évolution.
La même conclusion est suggérée par les autres faits de décompte "respectueux" dans le métabolisme des plus petits détails énergétiques des réactions, souvent sans aucune raison biologique.
6) Et enfin, notre conclusion "simple" dit que même pendant le stade prébiotique de l'évolution ce n'est pas le dogme central de la biologie moléculaire qui "travaillait" mais le dogme contraire : la structure émergente des enzymes s'adaptait aux réactions de l'environnement.
7 ) Mais la Nature, malgré toute sa puissance et sa «diligence», ne trouvait pas toujours une voie la plus optimale (en termes des raisons énergétique et biologique). Et cela ouvre la possibilité pour la construction de la «métabolisme de l'avenir». Avec qui nos descendants seront plus résistants et vivront beaucoup plus longtemps que nous.
Références
1. Mouchkambarov. N. N. Métabolisme : Analyse structurelle, chimique et thermodynamique. Volume 1. - M. : Khimia, 1988. - p. 1-342.
2. Mouchkambarov. N. N. Métabolisme : Analyse structurelle, chimique et thermodynamique. Volume 2. - M. : Khimia, 1988. - p. 343-652.
3. Mouchkambarov. N. N. Métabolisme : Analyse structurelle, chimique et thermodynamique. Volume 3. - M. : Khimia, 1988. - p. 653-1020.
4. Tomski. G. V. Professeur Nikolay Mouchkambarov : Aperçu des traveaux et de la créativité (Томский Г. В. Профессор Николай Мушкамбаров: Обзор работ и творчества) // Bulletin de l'Académie Inrenationale CONCORDE, 2013, N 1, p. 46-59.
5. Мушкамбаров Н. Н. Удивительные тайны метаболтзма // Bulletin de
l'Académie Inrenationale CONCORDE, 2013, N 1, p. 60-72.
