Г Л А В А IVНЕКОТОРЫЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРЕДСТАВЛЕНИЙО СИММЕТРИИ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ СЕТИВ предыдущей главе была рассмотрена рациональная систематизация материала о метаболизме низкомолекулярных соединений на карте. Однако совершенно очевидно, что возможности использования симметрии метаболической сети для целей систематизации этим не ограничиваются. На основе обсуждаемой симметрии может быть систематизирована любая другая связанная с метаболизмом информация. Симметрия метаболической сети открывает большие возможности для прогнозирования нового материала. Такое прогнозирование основано на требовании полноты симметрии и стимулирует поиск недостающих в ней звеньев. При этом одинаково важными следует считать как положительные результаты целенаправленного поиска отсутствующих элементов симметрии, так и отрицательные. Положительные результаты подтверждают вытекающие из симметрии закономерности. Отрицательные указывают на существование ограничивающих ее проявление внешних причин и соответственно новых, независимых от данной симметрии закономерностей функционирования метаболической системы. Большой интерес представляет проявление симметрии метаболической сети в конкретных живых объектах и способ ее реализации в биосфере через различные таксономические группы организмов. Эти вопросы удобно рассматривать, выражая симметрию метаболической сети организмов на картах. Поскольку построенная на основе симметрии систематизация существенно облегчает восприятие информации, представления о симметрии метаболической сети могут быть эффективно использованы в преподавании биохимии. В настоящей главе рассматриваются вопросы использования симметрии метаболической сети для систематизации биополимеров, различных нарушений обмена веществ, антиметаболитов и природных ингибиторов метаболизма, а также для прогнозирования связанной с метаболизмом информации и построения метаболических карт отдельных видов организмов, изучения и преподавания биохимии.^ 1. Систематизация белковСоответствие между ферментами и реакциями позволяет рассматривать карту как своеобразную форму систематизации белков по их каталическим функциям. Ввиду того, что принятая номенклатура ферментов [54] основана на сходстве катализируемых ими реакций, она в значительной степени коррелирует с задаваемой структурой карты формой систематизации ферментов. Эта корреляция выражается в совпадении первых трех цифр у кодов ферментов, катализирующих сходные превращения соединений в рядах функциональных аналогов. Совпадение объясняется тем, что начальные цифры кодов номенклатуры и сходство реакций на карте определяются одними и теми же признаками: сходством модификации одинаковых химических групп субстратов и сходством участвующих в реакциях коферментов. В качестве примеров соответствия кодов ферментов рядам соединений и реакций на карте можно привести коды изомераз (5.3.1), катализирующих превращения альдоз в кетозы в симметричных рядах схемы метаболизма моносахаридов, или коды лиаз (4.1.3), катализирующих конденсацию a-кетокислот с ацетил-КоА на схеме метаболизма кислот с коротким углеродным скелетом. Изложенное выше позволяет рассматривать существующую номенклатуру ферментов как одно из следствий симметрии сети реакций метаболизма. Исходя из этого, номенклатуру можно дополнять и совершенствовать. Последнее, в частности, может быть сделано следующим образом. Четвертой цифрой кода в номенклатуре обозначается порядковый номер фермента внутри подподкласса, кодируемого первыми тремя цифрами. Эта нумерация случайна, так как не связана с какими-либо свойствами ферментов. Исходя из того, что задаваемая картой форма классификации не только группирует ферменты, но и определяет порядок их размещения в рядах, четвертая цифра кода может быть использована для обозначения положения ферментов в рядах. В этом случае для кодирования ферментов с низкой специфичностью, катализирующих превращения всех аналогов ряда, в качестве четвертой цифры было бы удобно использовать нуль или опустить ее совсем. Обозначение последней цифрой кода порядкового номера ферментов в рядах реакций на карте сделало бы существующую номенклатуру ферментов более рациональной и придало бы ей более законченный вид. Если учесть, что многие ряды реакций соответствуют рядам гомологов, то модифицированная таким образом номенклатура наряду с типом реакций во многих случаях могла бы кодировать размеры молекул участвующих в них соединений. Задаваемая картой классификация ферментов может быть распространена и на те белки, которые способны специфически взаимодействовать с метаболитами, но при этом не обладают каталитическими функциями ферментов. К таким белкам, в частности, относятся пермеазы. Подобно ферментам, пермеазы различаются по признаку высокой и низкой специфичности взаимодействия их с субстратами. Так, известны пермеазы, осуществляющие перенос отдельных аминокислот, и пермеазы, специфичные к группам аминокислот, например, к группе ароматических аминокислот, к группе аминокислот с разветвленным углеродным скелетом и т.д. [23]. Интересно отметить, что между этими группами и сериями гомологичных периодов на карте наблюдается определенное соответствие. Если допустить, что высокоспецифичная узнающая функция в ферментах и пермеазах имеет одну природу, то ее отсутствие у низкоспецифичных ферментов и сочетание с катализирующей функцией у высокоспецифичных ферментов приводит к выводу о независимости этих функций друг от друга. Последнее позволяет высказать гипотезу о том, что каждая из этих функций определяется собственной аминокислотной последовательностью и что эти последовательности могут выражаться как порознь - в разных белках, так и вместе - в одном белке. При этом одна из них осуществляет модификацию части молекул, выполняющей в субстратах роль признака функциональной аналогичности, а другая отвечает за узнавание и специфическое связывание неизменяемой части молекулы субстратов. Подтверждением этой гипотезы может служить пример сходства узнающих центров у ферментов, осуществляющих различные превращения УДФ-глюкозы [86], или данные о сходстве первичных структур ферментов цепи реакций расщепления муконата [306]. Предположение о том, что специфическая ферментативная активность является результатом комбинации ограниченного числа аминокислотных последовательностей, представляется особенно вероятным для ферментов, катализирующих бисубстратные реакции. В каталитическом центре таких ферментов должно быть два субстратсвязывающих участка, каждый из которых избирательно взаимодействует только с одним из реагирующих субстратов. В качестве примера можно привести трансаминазы или оксидоредуктазы. Аналогичные суждения могут быть высказаны и относительно строения антител, специфически взаимодействующих с антигенами [287]. Понятно, что ответственные за каталитическую и узнающую функции аминокислотные последовательности не обязательно должны быть непрерывными и отделенными друг от друга. В составе общей белковой цепи они могли бы частично перекрываться или иметь разрывы, заполненные случайными аминокислотами. Способностью небольшого числа обладающих различными функциями аминокислотных последовательностей сочетаться друг с другом можно было бы объяснить как многообразие ферментов биосферы, так и симметрию структуры сети реакций метаболизма. С другой стороны, систематизация ферментов на основе симметрии метаболической сети указывает пути проверки этой гипотезы. В частности, из нее следует, что обладающие различными функциями аминокислотные последовательности следует искать, сравнивая первичные структуры полипептидных цепей ферментов, катализирующих реакции, составляющие ячейки решетчатых форм. Само конструирование белков со специфической функциональной активностью из таких монофункциональных аминокислотных последовательностей в организме можно было бы объяснить механизмом, подобным сплайсингу [124], заключающемуся, как известно, в комбинировании мРНК из РНК-предшественниц, образующихся при транскрипции различных участков матричной ДНК.^ 2. Систематизация полисахаридовЕсли для систематизации белков на основе симметрии сети реакций метаболизма используется сходство их функциональной активности, то систематизацию полисахаридов удобнее осуществлять исходя из сходства в строении молекул. Поскольку между полисахаридами и принадлежащими к средним периодам схемы метаболизма углеводов моносахаридами имеется достаточно полное соответствие, симметрия размещения последних на карте распространяется также и на полисахариды. В качестве примера могут быть приведены сходные полисахариды: ксилан, целлюлоза, хитин, соответствующие функционально аналогичным моносахаридам верхнего ряда УДФ-альдоз, из которых они образуются: УДФ-D-ксилозе, УДФ-D-глюкозе и УДФ-D-глюкозамину. При этом сходство приведенных полисахаридов проявляется не только в сходстве химического строения, но также в сходстве физико-химических свойств, функций, выполняемых в организмах, и распространенности в природе. Так, содержание ксилана в стеблях злаков и древесине, где он, наряду с целлюлозой, выполняет функции конструкционного материала, достигает 25-30% от сухого веса общей биомассы [42 с.113, 87 с.352]. Целлюлоза является наиболее распространенным биополимером в природе. Это главный компонент клеточных стенок у растений. Целлюлоза входит также в состав клеточных оболочек некоторых бактерий [87 с. 49]. Хитин выступает в качестве главного компонента наружного скелета членистоногих. Из хитина строят свои клеточные стенки грибы [40 с. 540]. Все три полисахарида труднорастворимы в обычных растворителях и довольно устойчивы к химическому воздействию. Интересно отметить, что перевод органического вещества в устойчивую нерастворимую форму характерен не только для пятого и шестого периодов схемы метаболизма моносахаридов. Аналогичный перевод веществ в нерастворимую форму (но уже не в виде полисахаридов, а в виде лигнина) осуществляется в седьмом периоде. Как и синтез перечисленных выше полисахаридов, в природе этот процесс также осуществляется в больших масштабах. В отличие от прямых путей конденсации низших моносахаридов в полимеры, путь превращения гептоз в лигнин лежит через промежуточное образование ароматических соединений. Еще одним примером закономерного соответствия полимерных соединений аналогичным мономерным являются тейхоевые кислоты [72 с. 232]. Остов этих биополимеров составляют молекулы глицерина или рибита, последовательно сшитые фосфодиэфирными связями. Обе разновидности полимера обнаружены в клеточных стенках бактерий. Нельзя также исключить существование в природе тейхоевых кислот на основе других восстановленных моносахаридов, например эритрита. Однако в настоящее время такие соединения неизвестны. Основу структуры нуклеиновых кислот составляют повторяющиеся сахарофосфатные звенья. В этом отношении они родственны тейхоевым кислотам и могут рассматриваться как особый класс фосфорсодержащих полисахаридов. Являясь информационными предшественниками белков, нуклеиновые кислоты могли быть систематизированы по тому же принципу, что и ферменты. Однако, ввиду недостатка конкретных данных об отношениях нуклеиновых кислот со структурой сети реакций метаболизма низкомолекулярных соединений, лишь немногие представители этого класса соединений могут быть систематизированы на основе ее симметрии. К ним в первую очередь относятся составляющие генетический код триплеты нуклеотидов [66 с.55] и соответствующие им тРНК [20]. Триплеты генетического кода помещены на карте около соответствующих протеиногенных аминокислот. Между симметрией генетического кода и симметрией метаболической сети наблюдается определенная связь. Эта связь проявляется в том, что средние нуклеотиды кодирующих аминокислоты триплетов постоянны для аминокислот, относящихся к определенным гомологическим сериям. Так, триплеты, кодирующие аминокислоты серий И и И', имеют в качестве центрального нуклеозида уридин. Триплеты, кодирующие аминокислоты в серии М, - цитидин. При переходе от аминокислот серии М к нулевому периоду цитидин замещается на гуанозин. Триплеты, кодирующие аминокислоты серии Д, в качестве среднего нуклеозида имеют аденозин. Эта закономерность может указывать на то, что между эволюцией генетического кода и особенностями метаболизма кодируемых им аминокислот существовала тесная связь.^ 3. Систематизация нарушений обмена веществНарушение обмена веществ, вызываемые неспособностью организма вырабатывать полноценные ферменты в достаточном количестве или отсутствием в пище некоторых соединений, проявляются соответственно как врожденные заболевания или болезни недостаточности. В настоящее время насчитывается несколько сот такого рода заболеваний, происхождение которых установлено достаточно четко на молекулярном уровне [13]. Эти заболевания составляют довольно пеструю картину и нуждаются в рациональной систематизации. Такая систематизация может быть проведена на основе симметрии сети реакций метаболизма. Болезни, вызванные мутационными повреждениями ферментов или механизмов экспрессии кодирующих их генов, могут быть разбиты на группы в соответствии с принадлежностью ферментов к определенным рядам и периодам карты. В качестве примера таких групп можно привести группу заболеваний, вызываемых недостаточностью активности декарбоксилаз a-кетокислот [13 с. 205]: a-кетоадипиновая ацидурия (кетоадипатдегидрогеназа), молочнокислый ацидоз (пируватдегидрогеназа), болезнь кленового сиропа (декарбоксилаза разветвленных a-кетокислот); группу болезней, вызываемых недостаточностью активности трансаминаз a-аминокислот: тирозинемия (тирозинтрансаминаза), глутаматацидурия (трансаминаза глутамата), гипервалинемия (валинтрансаминаза), b-аминокислот: гипер-b-аланинемия (b-аланин-a-кетоглутараттрансфераза), b-аминоизобутиратемия (b-аминоизобутиратаминотрансфераза) и т.д. Аналогичным образом могут быть систематизированы болезни, вызываемые недостаточностью в пище незаменимых a-аминокислот [223 с. 201-225]. Рассмотренные типы болезней связаны с точечными разрывами метаболической сети. К другому типу заболеваний относятся вызываемые недостатком коферментов авитаминозы [28 с. 36-98] и болезни недостаточности микроэлементов [53]. Недостаток в организме коферментов приводит к выключению целых классов сходных реакций и разрыву метаболической сети вдоль рядов функционально аналогичных соединений. Микроэлементы выполняют в ферментах функции, сходные с функциями органических коферментов. Поэтому вызываемые недостатками микроэлементов болезни по своему механизму аналогичны авитаминозам. Оба типа заболеваний на карте соответствуют группам болезней повреждения ферментов и аминокислотной недостаточности, так же как и неспецифичные ферменты соответствуют группам специфичных ферментов, катализирующих сходные превращения функциональных аналогов. В качестве примеров можно привести соответствие между бери-бери - авитаминозом по витамину B1 и болезнями, вызываемыми повреждениями декарбоксилаз a-кетокислот, или авитаминозом по витамину B6 и болезнями, вызываемыми повреждениями трансаминаз. Таким образом, систематизация нарушений обмена веществ на основе симметрии структуры метаболической сети позволяет наглядно продемонстрировать сходство и различие их молекулярных причин, их отношение друг к другу и к метаболизму в целом. Такая систематизация может оказаться весьма полезной при разработке рациональных методов диагностики, профилактики и терапии этих болезней. Аналогичным образом симметрия метаболической сети может быть использована для систематизации мутаций и соответствующих им изменений в метаболизме у растений и микроорганизмов.^ 4. Систематизация ингибиторов метаболизма [4]В биохимических исследованиях, медицинской практике и в сельском хозяйстве широкое применение находят соединения, являющиеся ингибиторами ферментов. Эти соединения используются для изучения биохимических процессов, в моделировании врожденных нарушений обмена веществ и авитаминозов, в качестве лекарственных препаратов, а также как средства борьбы с сорняками и различными сельскохозяйственными вредителями. Ввиду большого разнообразия эти соединения нуждаются в рациональной систематизации. Ингибиторы подразделяются на природные и синтетические. Последние часто называются антиметаболитами. В качестве природных ингибиторов обычно выступают метаболиты - функциональные аналоги субстратов ферментов. Во многих случаях это гомологи из смежных периодов карты. Примерами могут служить: малонат - низший гомолог и антагонист сукцината в сукцинатдегидрогеназной реакции [71 с. 40], метилмалонат - аналог малоната и конкурентный ингибитор его биосинтеза [149], a,b-диаминобутират - низший гомолог и антагонист орнитина в орнитинкарбоксилтрансферазной реакции [236], азетидинкарбоксилат - низший гомолог и антагонист пролина в реакциях включения последнего в белки [223 с. 255] и другие. Хорошо известен антагонизм между протеиногенными аминокислотами [223 с. 239], например между серином и треонином [222] или между разветвленными аминокислотами [108, 169, 176]. То, что природные субстраты одних ферментов могут выступать в качестве ингибиторов для других ферментов, должно иметь большое значение для функционирования и развития, как отдельных организмов, так и биосферы в целом. В частности, установлено, что метаболитами-антагонистами могут регулироваться различные физиологические процессы. В качестве примера можно привести регулирование половых функций парами половых гормонов-аналогов [80 с.137] или регулирование сокращений гладкой мускулатуры парами простагландинов-аналогов [62]. Противоположное действие на организм оказывают гормоны-аналоги: адреналин и норадреналин [37-76]. Некоторые соединения, будучи нормальными метаболитами в одних организмах, оказываются ингибиторами метаболических процессов в других. Это явление получило название аллелопатии [64]. Обладающие отравляющим действием низкомолекулярные продукты метаболизма в зависимости от источника выделения или направленности действия называются антибиотиками, фитонцидами, маразминами, колинами и т.д. Такие соединения, накапливаясь в почве, водоемах, а иногда и в воздухе, способны избирательно подавлять развитие различных видов организмов, и в некоторых случаях даже видов, продуцирующих эти соединения, осуществляя тем самым регуляцию численности и размещения популяций в биоценозах. В тех случаях, когда процессы накопления продуктов метаболизма идут в геологических масштабах и изменяют среду обитания, они выступают как существенные факторы эволюции биосферы. Вымирание старых видов, для которых эти продукты являются ядовитыми, сопровождается возникновением новых, соответствующих изменившимся условиям среды. Наиболее ярким примером такого процесса может служить осуществленная фотосинтезирующими растениями в масштабах планеты замена бескислородной атмосферы на кислородную [69 с. 354-361]. Эта замена привела к возникновению аэробных организмов, для которых кислород необходим в той же степени, в какой для анаэробных он не нужен. Следует при этом заметить, что как субстрат кислород также имеет своих антагонистов. Наиболее эффективные из них - это двухатомные соединения: СО, NO, СN- . Ввиду сходства электронной структуры межатомных связей в этих соединениях и в молекуле кислорода они могут рассматриваться как аналоги кислорода. В отличие от природных ингибиторов, число возможных антиметаболитов практически не ограничено. Для многих ферментов антиметаболиты могут быть получены в результате незначительных изменений в строении молекул субстратов. В случае одинаковых модификаций функционально аналогичных субстратов образующиеся антиметаболиты также являются аналогами. В качестве примеров антиметаболитов-аналогов можно привести a-метил-a-аминокислоты [49 с. 141-145]: a-метилсерин, a-метиласпартат, a-метилглутамат, a-метилтирозин, a-метил-5-окситриптофан или различные b-производные аланина [137]. Эти соединения являются антагонистами соответствующих природных a-аминокислот. Очевидно, что такого рода антиметаболиты удобно систематизировать на основе симметрии сети реакций метаболизма, так же, как и соответствующие им природные субстраты. К другому типу антиметаболитов следует отнести антивитамины и ионы металлов. Так же как и недостаток витаминов или микроэлементов, действие этих антиметаболитов приводит к выключению рядов сходных реакций. В качестве примеров таких антиметаболитов можно привети антивитамин B1 - окситиамин, антивитамины B2 - 6,7-дихлоррибофлавин и люмифлавин, антивитамины B6 -дезоксипиридоксин и 2-метил-3-амино-4,5-оксиметилпиридон [28], а также ионы-антагонисты: Mg2+ и Be2+, Zn2+ и Cd2+, PO43, и AsO43- [52] и т.д. Поскольку действие антивитаминов и ионов-антагонистов соответствует суммарному действию антиметаболитов-аналогов субстратов, при систематизации на основе симметрии сети реакций метаболизма они должны располагаться вместе с неспецифичными ферментами.^ 5. Эвристичность систематизациина основе симметрии сети реакций метаболизмаСимметрия метаболической сети не только обеспечивает рациональную систематизацию информации о метаболизме, но и сообщает этой систематизации эвристические свойства. Уже при построении карты положенная в ее основу симметрия позволила осуществить целенаправленный поиск соединений и реакций в литературе и благодаря этому сделать карту более полной. Четкое распределение материала на карте в рядах и периодах, а также применение цветовых полей подчеркивает пропуски в сети реакций метаболизма низкомолекулярных соединений и таким образом обеспечивает возможность прогнозирования неизвестных соединений и реакций. В качестве подтверждения эвристических свойств карты могут быть приведены отсутствующие на карте соединения и реакции, существование которых следует из симметрии метаболической сети и сведения о которых впоследствии были действительно обнаружены в литературе. Это, например, многочисленные гептозы, относящиеся к седьмому периоду схемы метаболизма моносахаридов (см. рис.9); мезоксалат, аминомалонат и реакции их превращений, относящиеся к нулевому периоду средней карты (см. рис.12), и т.д. Нарушения симметрии метаболической сети, связанные с наличием уникальных комплексов реакций, могут свидетельствовать о больших, но пока не обнаруженных участках метаболической сети, которые, включая в себя эти комплексы, характеризуются симметрией более высокого уровня сложности. В качестве примера можно привести открытие гомоизопреноидов и доказательство аналогичности их биосинтеза биосинтезу обычных изопреноидов [122, 187]. Поэтому стало очевидным, что казавшийся ранее уникальным комплекс реакций биосинтеза обычных изопреноидов является лишь частью более сложного комплекса реакций, в котором схемы метаболизма изопреноидов и гомоизопреноидов можно рассматривать как его симметричные составляющие. Использование симметрии метаболической сети в прогнозировании нового материала не ограничивается областью низкомолекулярных соединений и их реакций. Симметрия метаболической сети может быть использована для прогнозирования всех видов связанной с метаболизмом информации. Это, в первую очередь, относится к биополимерам. Так, симметрия метаболической сети одновременно с предсказанием реакций автоматически предполагает существование соответствующих ферментов. Новые полисахариды могут быть предсказаны по аналогии с уже известными на основе сходных моносахаридов. Возможность такого предсказания в отношении тейхоевых кислот уже отмечалась в разделе 2 настоящей главы. Симметрия метаболической сети может быть использована для выявления молекулярных механизмов недостаточно изученных заболеваний посредством поиска аналогий между их биохимическими симптомами и биохимическими симптомами хорошо изученных заболеваний. Сходным образом симметрия метаболической сети может быть использована для предсказания мутаций, приводящих к патологическим изменениям обмена веществ у растений и микроорганизмов. Что касается поиска новых антиметаболитов, то использование симметрии метаболической сети в этом случае может оказаться наиболее эффективным. Так, если антиметаболит образуется в результате модификации части молекулы метаболита, определяющей его принадлежность к данному ряду функциональных аналогов, то посредством сходной модификации могут быть получены антиметаболиты для каждого соединения ряда. Например, исходя из того, что фторцитрат является специфическим ингибитором цитратизомеразы, логично предположить, что фторпроизводные аналогов лимонной кислоты - фторцитратмалат в периоде IM, фторгомоцитрат в периоде IIM, фтор-b-карбоксиизокапроат в периоде IИ - также могут быть специфическими ингибиторами соответствующих изомераз. Весьма вероятно, что эти соединения могут возникать в организме и в результате конденсации соответствующих a-кетокислот и фторацетата подобно тому, как фторцитрат образуется из оксалоацетата и фторацетата [245]. То, что сделанные на основе симметрии предсказания оправдываются, позволяет рассматривать симметрию как неотъемлемое внутреннее свойство метаболической сети. Это, в свою очередь, дает право квалифицировать нарушающие симметрию причины как внешние по отношению к метаболической сети. К такого рода причинам могут быть отнесены несовместимость симметрии с физиологией организмов, а также факторы внешней среды, ответственные за мутагенез, естественный отбор и т.д. Этими факторами, например, может быть обусловлено отсутствие в метаболической сети пути биосинтеза 5-метилпиримидиновых производных в периоде IM, аналогичного пути биосинтеза безметильных пиримидиновых производных в нулевом периоде [183, 304], отсутствие полисахаридов, аналогичных ксилану, целлюлозе и хитину на основе гептоз и октоз, и т.д. Наиболее очевидными нарушениями симметрии в структуре метаболической сети, причины которых следует искать за ее пределами, являются оптическая асимметрия биогенных молекул и ограничение числа аминокислот, способных участвовать в построении белковых молекул, двадцатью строго определенными аминокислотами. Вопрос о метаболической неравноценности зеркально симметричных молекул неоднократно обсуждался в литературе в связи с проблемой происхождения жизни, но не получил определенного разрешения [22, 69 с. 286]. Вопрос о протеиногенных аминокислотах обычно связывается с эволюцией генетического кода [33 с. 262]. Качественная стабильность аминокислотного состава белков в настоящее время установлена достаточно строго. Встречающиеся немногие исключения обычно объясняются постсинтетической модификацией аминокислот в белке. Примерами модифицированных таким образом аминокислот могут служить цистин, оксилизин, оксипролин и другие. Особо в этой связи хотелось бы остановиться на обнаружении a-аминоадипата в белках некоторых злаковых [41 с. 316]. Несмотря на то, что наличие этой аминокислоты в белках может быть объяснено окислением по e-аминогруппе содержащегося в них лизина, нельзя полностью исключить и другой вариант, предполагающий, что a-аминоадипат включается в белки в процессе трансляции. При этом в качестве кодонов могли бы, например, использоваться близкие по структуре к кодонам глутамата и аспартата кодоны УАА и УАГ, известные в настоящее время как терминирующие. В пользу возможности второго варианта говорит факт отсутствия жесткой связи между структурой кодонов и их кодирующими функциями. В частности, было показано, что в митохондриях [89] терминирующий кодон УАГ может быть использован для кодирования триптофана, а изолейциновый кодон АУА может кодировать метионин. Здесь уместно также отметить интересную статистическую закономерность, имеющую эвристическое значение для мутагенеза. Эта закономерность связана с рядом аминокислот, образующимся в результате размещения всех протеиногенных аминокислот, за исключением гистидина, друг за другом в порядке их расположения на карте. (Гистидин в этой последовательности помещен в соответствии со своей структурой между глутаматом и аргинином.) При сравнении удельных частот мутационных взаимозамещений аминокислот, вычисленных из данных по аминокислотным заменам в десяти белках [129 с. 96], было обнаружено, что вероятность взаимозамещений больше для тех аминокислот, которые располагаются в ряду аминокислот ближе друг к другу. Эта закономерность хорошо прослеживается на рис.17, где по осям координат размещены аминокислоты в порядке их расположения в ряду, а в соответствующих парам аминокислот клетках приведены числа, характеризующие удельные частоты взаимозамещений аминокислот в белках. Эти числа вычислены по следующей формуле: Axy I=K -----------------------19 19 Axi Ajy i=1 j=1где Axy - общее число обнаруженных для данной пары аминокислот взаимозамещений, взятое из атласа Дейгоф [129 с. 96]; 19 19 Axi , Ajy - суммы замещений для каждойаминокислоты из данной пары i=1 j=1остальными аминокислотами; К - коэффициент, равный 104. Как можно заметить, наибольшие значения удельных частот взаимозамещений аминокислот в белках располагаются в клетках, близких к диагонали рисунка. Это свидетельствует о том, что наибольшую склонность к взаимозамещению имеют аминокислоты, расположенные в ряду аминокислот поблизости друг от друга. Последнее указывает на то, что между симметрией метаболической сети и механизмом спонтанного мутагенеза имеется какая-то причинная связь. Рассмотренная закономерность может быть использована в генетических исследованиях для оценки вероятностей взаимозамещений аминокислот в белках при спонтанном мутагенезе. ^ 6. Метаболические карты отдельных таксономических групп организмовОбсуждаемая карта охватывает метаболическую сеть биосферы и поэтому заключенная в ней информация не разделяется по отдельным видам или каким-либо другим таксономическим группам организмов. Однако для практической работы во многих случаях удобнее были бы карты, описывающие метаболизм отдельных видов. В настоящее время более или менее полные метаболические карты могут быть составлены лишь для небольшого числа видов. Среди них - человек, некоторые лабораторные животные, некоторые высшие растения и микроорганизмы, такие как дрожжи и E.coli. Выпадение из метаболической сети соединений и реакций часто оказывается закономерным. Например, известно, что у млекопитающих отсутствуют сходные реакции биосинтеза разветвленных аминокислот [46 с. 316], а у высших растений не обнаружены кобаламин-зависимые реакции изомеризации [10 с.188] из решетки реакций изомеризации и декарбоксилирования (см. рис.14). То, что в эволюции из метаболической сети удаляются сходные элементы, способствует сохранению в ней симметрии на уровне отдельных таксономических групп организмов. Карты, демонстрирующие симметрию метаболической сети отдельных видов, могли бы быть полезны не только как хемотаксономические справочники, но также и для исследований, имеющих важное общебиологическое значение. Так, весьма вероятно, что симметрия метаболической сети организмов имеет определенное выражение в их физиологии. Подтверждением этому могут служить приведенные в предыдущем разделе примеры регуляции физиологических процессов парами соединений-аналогов. Сравнение построенных по плану универсальной карты метаболических карт организмов с различиями в их физиологии могло бы привести к обнаружению связей между симметрией метаболической сети организмов и протекающими в них физиологическими процессами. Не меньший интерес представляет составление карт, характеризующих симметрию метаболических сетей биоценозов. Биохимически организмы в биоценозах связаны в одно целое отношениями, выражающимися через пищевые цепи и другие взаимодействия, регулирующие состояние биоценозов как систем. Эти связи реализуются таким образом, что консервация органических соединений в какой либо неизменной форме оказывается практически невозможной. Исключения здесь не составляют даже такие прочные биополимеры, как целлюлоза, хитин и лигнин. Связь через пищевые цепи в биоценозах допускает существование организмов с неполноценным метаболизмом. В отличие от отдельных организмов стационарное равновесие в биоценозах может сохраняться практически неограниченное время. Все это делает биоценозы более замкнутыми, чем конкретный организм, системами, с более полной и, следовательно, более симметричной сетью метаболизма. В этой связи большой интерес приобретают исследования симметрии структуры метаболических сетей биоценозов и роли симметрии во взаимодействии метаболических сетей организмов, составляющих биоценозы. Обнаружение здесь определенных закономерностей внесло бы дополнительную ясность в вопросы межвидовых взаимоотношений в биоценозах.^ 7. Перспективы использования симметрииметаболической сети в преподавании биохимииИзложение материала в известных учебниках биохимии обычно подразделяется на две части: часть, посвященную характеристике химических свойств основных классов соединений живой природы, и часть, описывающую обмен веществ на основе классических представлений о метаболических путях. Недостатки и противоречивость систематизации информации об обмене веществ на основе классических представлений о метаболических путях уже обсуждались в первой главе. Одним из следствий этих недостатков является чрезмерная сложность биохимии для изучения. Использование в преподавании биохимии представлений о симметрии метаболической сети могло бы заметно облегчить изучение биохимии. Большую помощь в этом может оказать метаболическая карта, построенная на основе симметрии сети реакций метаболизма. Тот факт, что симметрия метаболической сети на карте подчеркивает сходство химических свойств участвующих в метаболизме соединений, позволяет при изложении биохимии объединить вместе химическую характеристику соединений и описание их метаболизма. Карта позволяет свести характеристику различных классов соединений к описанию рядов функциональных аналогов и образующихся из них биополимеров. При этом закономерное изменение углеродного скелета метаболитов в рядах облегчает запоминание их химических формул. Периодическая форма карты позволяет на примере одного периода показать общие закономерности строения больших участков метаболической сети. Если для этого выбрать периоды, содержащие важные участки классических метаболических путей, например третий и шестой периоды в области обмена моносахаридов, включающие путь гликолиза и реакции пентозофосфатного цикла, или периоды IД и IIД в средней области карты, включающие реакции цикла Кребса, то можно сочетать традиционный подход к описанию метаболизма с подходом, учитывающим симметрию метаболической сети. Сходство между различными периодами позволяет ограничиться изучением у остальных периодов лишь отличающих их особенностей. Общая организация каждой области карты такова, что знания последовательности соединений в одном ряду и строения одного периода, в принципе, достаточно для того, чтобы воспроизвести всю область в целом. Поэтому изучение биохимии с использованием карты может существенно облегчить полное овладение фактическим материалом и развить способность свободно ориентироваться в сети реакций метаболизма.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ заключение целесообразно остановиться на общенаучной методологической стороне изложенных в книге вопросов. Обнаруженные в строении метаболической сети структурно-химические закономерности раскрываются через определение симметрии. Однако для того, чт