2015-05-06
332
Первоначально биохимия возникла как физиологическая химия, то есть область знаний, использующая методы химии для решения задач физиологии. В соответствии с этим сформировались два принципиально различных подхода к систематизации фактического материала: химический и физиологический.
Химический подход состоит в классификации отдельных соединений и реакций на основе сравнения их химических характеристик. Так, соединения объединяются в классы по признаку сходства их химического строения. Реакции классифицируются исходя из природы подвергающихся превращениям функциональных групп субстратов, характера их изменений, а также природы кофакторов. Химическая классификация лежит в основе современной номенклатуры ферментов. Однако на уровне описания метаболизма, которое требует выражения отношений между многими соединениями, химический подход почти не используется. В большинстве случаев авторы монографий о метаболизме ограничиваются лишь разделением материала на части в соответствии с основными классами соединений живой природы (обмен белков, жиров, углеводов). Среди современных монографий исключение в этом отношении составляет, пожалуй, только учебник биохимии Мецлера [51], в котором автор излагает сведения о метаболизме в последовательно химическом плане.
При описании метаболизма обычно используется физиологический подход. С точки зрения этого подхода метаболизм рассматривается как система метаболических путей. Под метаболическими путями при этом понимаются последовательности реакций, сопряженные с некоторыми явно выраженными физиологическими процессами, дыханием, мышечной деятельностью, усвоением пищи, выделением продуктов метаболизма и т.д. Систематизация на основе физиологического подхода нашла свое крайнее выражение в создании обобщенных схем метаболизма, или так называемых метаболических карт. В качестве примера можно привести получившие широкое распространение карты, издаваемые фирмами "Koch Light" [242],"Boechringer Mannheim" [230] и "Calbiochem" [226]. Сеть реакций метаболизма представлена на картах в виде системы совмещенных метаболических путей.
Однако на современном этапе развития биохимии систематизация материала о метаболизме на основе традиционных представлений о метаболических путях уже не может быть признана удовлетворительной, так как страдает рядом серьезных недостатков. Метаболические пути, особенно на картах, представляются слишком запутанными. В результате восприятие материала о метаболизме оказывается весьма затрудненным. Традиционный подход не в состоянии также охватить обширную информацию об отдельных соединениях и реакциях, связь которых с известными метаболическими путями еще не изучена. Вопрос осложняется и тем, что в систематизации нуждается материал, полученный не на одном отдельном организме, а при изучении метаболизма как общебиологического явления в рамках всей биосферы. Необходимость такого широкого охвата материала вытекает из представлений о биохимической общности живых организмов и непрерывности обмена веществ в биосфере [21]. Таким образом, недостатки традиционного подхода к систематизации материала о метаболизме вызывают потребность в поиске новых, более рациональных путей его систематизации и интерпретации. В чем же может состоять эта рациональность и как осуществить такой поиск?
Ситуации, когда традиционные формы систематизации естественно научного материала вступают в противоречие с новым уровнем знаний, характерны для развития науки. Чаще всего эти противоречия разрешаются открытием общих закономерностей и созданием рациональных систем. Рациональность таких систем обычно выражается во внутренней правильности и регулярной организации составляющего их материала. Для обозначения этих свойств в естествознании в последнее время широкое распространение получил термин "симметрия". Системы, которые можно назвать симметричными, встречаются в самых различных областях науки [6, 74, 77, 85]. Классическими примерами таких систем являются гелиоцентрическая система движения планет в астрономии, периодическая система элементов в химии, система элементарных частиц в физике. При всех различиях эти системы характеризуются одним общим свойством симметрией. Если учесть, что именно это свойство обеспечило приведенным системам центральное положение в соответствующих областях науки, становится совершенно ясным, какое большое значение имеет симметрия для рациональной организации естественно научного материала. Симметрия упрощает научную информацию и открывает доступ к ее целостному восприятию. Симметрия сообщает системам эвристические свойства. Другими словами, рациональная систематизация сложной информации становится возможной тогда, когда в ней удается обнаружить внутреннюю симметрию. Естественно, что этот вывод оказывается справедливым и в отношении информации о метаболизме.
Ввиду многообразия составляющих метаболическую сеть соединений и реакций присутствие в ней симметрии сначала представлялось совершенно неочевидным. Сомнения относительно наличия в метаболической сети симметрии вызывали не только кажущаяся хаотичность ее структуры, но и общеизвестный факт отсутствия симметрии в метаболизме соединений, являющихся зеркальными изомерами, например D- и L-аминокислот или D- и L-моносахаридов. Однако возражения подобного рода были преодолены на основе более широкого понимания симметрии как свойства объектов состоять из закономерно соединенных сходных частей. Преимущество такого определения симметрии не только в том, что оно допускает отсутствие у симметричных объектов зеркальной симметрии, но и в том, что из него прямо вытекает общий подход к обнаружению симметрии. Смысл этого подхода состоит в исследовании объектов на сходство составляющих их частей. В случае метаболической сети такое исследование заключалось в выявлении сходства у составляющих ее соединений, реакций и комплексов реакций. Нетрудно видеть, что выявление в метаболической сети симметрии это по существу дальнейшее развитие химического подхода, применявшегося до сих пор лишь для систематизации отдельных соединений и реакций.
Обнаружение в метаболической сети симметрии позволило представить эту сеть на карте в периодическом виде. Такая карта имеет ряд существенных преимуществ перед традиционными. Периодическая структура карты значительно облегчает целостное восприятие материала о метаболизме и открывает возможности для предсказания еще неизвестных соединений, путей их биосинтеза и распада, а также прогнозирования другой связанной с метаболизмом информации. Распространение симметрии на всю сеть реакций метаболизма и тот факт, что последняя характеризует систему реальных превращений соединений в живых организмах, позволяет надеяться, что в перспективе представления о симметрии метаболической сети найдут широкое применение для интерпретации различных процессов в физиологии.
Г Л А В А II
