Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

То есть производство мочевины — это энергоемкая реакция. На каждой итерации цикла потребляется по две молекулы АТФ.

Не стоит считать, что единственными аминокислотами, способными отдавать аминогруппу на производство мочевины, являются глютаминовая и аспарагиновая кислоты. В 30-х годах XX века, работая с изотопом N 15, о чем я рассказывал в этой же главе, Шёнхеймер установил, что если дать на входе один вид аминокислоты, помеченный изотопом, то вскоре изотопы окажутся в составе аминокислот всех видов, за исключением лизина. Естественно, напрашивается вывод, что аминогруппа легко передается от одного вещества к другому. Были обнаружены и ферменты, катализирующие подобные реакции (трансаминазы), и установлены подробности переносов, получивших название «трансаминирование» (от «транс» — перенос и «амино»). После трансаминирования аминогруппу NH 2заменяет связанный двойной связью кислород (рис. 71).

Трансаминазы представляют собой пример ферментов, использующих в качестве кофермента пиридоксальфосфат, в котором содержится группа атомов, организмом не синтезируемая в принципе. Так был обнаружен еще один витамин группы В, пиридоксин.

Итак, движение аминогрупп осуществляется от аминокислот в целом к глютаминовой кислоте и аспарагиновой кислоте, а от них уже в цикл производства мочевины. Те аминокислоты, в состав которых входит лишний атом азота или атом серы, избавляются от них с помощью механизмов, которые я здесь не буду описывать. Достаточно будет сказать, что, так или иначе, все атомы азота и серы устраняются и остается только «углеродный скелет».

Этот углеродный скелет может представлять собой одно из тех веществ, с которыми мы уже сталкивались при описании катаболизма углеводов или белков. К примеру, когда аланин подвергается трансаминации, он теряет аминогруппу и приобретает связанный двойной связью кислород, вследствие чего образуется пировиноградная кислота.

С помощью кофермента А пировиноградная кислота избавляется от гидроксильной группы обычным способом, и образуется ацетилкофермент А, который уже может вступить в цикл Кребса. Для организма нет разницы, образована ли пировиноградная кислота из глюкозы или из аланина. И в том и в другом случае это одна и та же пировиноградная кислота, с одним и тем же энергетическим содержанием. Другие аминокислоты, например валин, серии, треонин и цистеин, тоже преобразуются, несколько более длинным путем, в пировиноградную кислоту.

Несколько аминокислот, например лизин, подвергаются изменениям, в ходе которых превращаются в ацетоуксусную кислоту и далее — в ацетил-кофермент А, после чего входят в цикл Кребса по пути катаболизма жиров.

А некоторые аминокислоты входят в цикл Кребса и сами по себе. К примеру, аспарагиновая кислота сразу после деаминации становится щавелево-уксусной кислотой, а глютаминовая кислота — альфа-кетоглутаровой кислотой. Оба этих вещества являются промежуточными продуктами цикла Кребса и могут сразу быть приняты в него на соответствующих этапах.

На рис. 72 подведены итоги катаболических взаимосвязей белков, жиров и углеводов.

Конечно, обратив различные реакции катаболизма, можно получить аминокислоты из соответствующих углеродных скелетов. К примеру, если организм пресыщен глютаминовои кислотой и в то же время наблюдается нехватка аланина, в некоторых случаях запускается процесс передачи аминогруппы от глютаминовои кислоты к пировиноградной кислоте и формирования из последней аланина. В случае обратной ситуации организм точно так же может инициировать процесс передачи аминогруппы от аланина к альфа-кетоглутаровой кислоте, а из последней — образовывать глютаминовую. Присутствие в пище аминокислот, которые могут быть синтезированы подобным образом, не обязательно.

С другой стороны, некоторые аминокислоты проходят во время реакций получения углеродных скелетов хотя бы один необратимый этап. Такие аминокислоты уже нельзя вернуть в исходное состояние с помощью каких бы то ни было промежуточных веществ. Их присутствие в пище необходимо, я приводил список этих аминокислот в главе 19.

В двух предыдущих главах я указывал на то, что энергия, производимая с помощью катаболизма углеводов и жиров, переводится на хранение в виде высокоэнергетических фосфатных связей с эффективностью 45 процентов. Хоть это и высокий показатель эффективности, гораздо более высокий, чем у многих полезных изобретений человека, все равно очевидно, что больше половины энергии, получаемой при расщеплении пищевых продуктов, теряется. (Ну, не то чтобы она совсем уж прямо терялась, даже в тепловой форме она помогает человеку, как теплокровному созданию, поддерживать температуру тела на должном уровне.)

Более того, энергия теряется и при использовании ее из АТФ. Так, если АТФ используется для образования сахарофосфата или пептидной связи, то тратятся все 8 килокалорий, тогда как для реакции необходимо только 4, то есть эффективность снижается еще в два раза.

В целом получается, что лишь процентов 10 от энергетического содержания пищи уходит действительно на уменьшение энтропии. А пустая трата оставшихся 90 процентов — это вклад живого существа в общее увеличение энтропии, неизбежно следующее из второго закона термодинамики.

Из этого можно сделать вывод, что из десяти килограммов переваренной пищи получится один килограмм живой ткани. Теперь предположим, что один вид живых существ («потребитель») получает пищу путем поедания другого живого существа («производителя»). Если потребителю необходимо лишь поддерживать свою клеточную массу на протяжении жизни, то получается, что производитель должен поддерживать свою клеточную массу на уровне в десять раз большем.

Если же и потребитель, в свою очередь, служит пищей для третьего типа организмов (назовем его потребитель-2), то выходит, что клеточная масса потребителя тоже должна десятикратно превышать клеточную массу потребителя-2. Можно ввести еще потребителя-3, -4 и так далее.

Поясню на примере: допустим, львы живут за счет поедания зебр. Если популяции обоих видов стабильны, то на каждый килограмм массы львов должно приходиться по десять килограммов массы зебр. А поскольку зебры живут за счет поедания травы, то на каждый килограмм массы зебр должно приходиться по десять килограммов массы травы.