Серии периодов

При совмещении периодических последовательностей одного класса по общим соединениям и реакциям образуется периодическая сетка реакций. Ее повторяющиеся участки рассматриваются как периоды сети реакций метаболизма кислот с коротким углеродным скелетом. Соответствующие периодам комплексы реакций составлены в основном интервалами исходных последовательностей, пронумерованными одинаковыми цифрами. Некоторое исключение из этого имеется лишь в случае интервалов последовательностей, характеризующихся реакциями конденсации насыщенных кислот с глиоксилатом. В то время, как основные части интервалов этих последовательностей входят в состав соответствующих периодов, оканчивающие интервалы насыщенные кислоты отнесены к смежным высшим по порядку периодам. Это связано с тем, что интервалы указанных последовательностей включают в себя кислоты из следующих по порядку интервалов других последовательностей.

В соответствии с классами последовательностей, при совмещении которых образуются периоды, последние объединены в группы. Для того, чтобы не путать группы периодов с химическими группами и в то же время подчеркнуть их отличительные особенности, группы периодов в дальнейшем будут называться гомологическими сериями периодов.

Периоды в гомологических сериях на карте пронумерованы римскими цифрами в соответствии с номерами составляющих их интервалов периодических последовательностей. Принадлежность периодов к определенным сериям обозначается буквенным символом, помещенным рядом с номером периода. При этом используются те же буквы, что и для обозначения последовательностей одинаковых классов. В соответствии с числом классов последовательностей образуется четыре гомологических серии периодов. Это серия М, состоящая из двух периодов, серия Д - из четырех периодов, серия И - из двух периодов и серия И' - из одного периода.

Соединения периодов на карте размещены в вертикальных колонках. В общем случае периоды состоят из двух колонок. Для определенности эти колонки будут в дальнейшем называться первой и второй в соответствии с направлением отсчета периодов в сериях. Молекулы соединений вторых колонок содержат на два атома углерода больше, чем соответствующих соединений первых. Такое различие в размерах молекул связано с тем, что соединения вторых колонок образуются из продуктов конденсации соединений первых колонок с двухуглеродными фрагментами (ацетил-КоА, глиоксилатом и глицином). Поэтому вторые колонки отсутствуют в тех случаях, когда в соответствующих периодам интервалах последовательностей отсутствуют участки, содержащие реакции конденсации с двухуглеродными фрагментами.

К периодам, не содержащим вторых колонок, относятся периоды И', IIИ, IIIД, IVД, и IIМ. Отсутствие на карте второй колонки в периоде IIM и последующих периодов этой серии связано с тем, что карта была составлена существенно раньше настоящего текста, когда соответствующие этим периодам реакции автору еще не были известны. Этим же объясняется отсутствие на карте реакций конденсации глиоксилата с пропионатом и бутиратом, а также других соединений и реакций, входящих в состав приведенных на рис.10-14 последовательностей и решеток.

Особое место среди периодов гомологических серий занимает период, обозначенный символом 0. Этот период образуется в результате сложения нулевых интервалов последовательностей М и Д. Поэтому он не имеет буквенного обозначения и рассматривается как общий для обеих серий период. Однако, поскольку большая часть соединений и реакций нулевых интервалов последовательностей Д неизвестна, этот период практически может рассматриваться в качестве нулевого периода серии М. Особенность размещения М-части нулевого периода на карте состоит в том, что составляющие ее колонки расположены в обратном порядке по отношению к порядку расположения колонок в остальных периодах серии М. Такое размещение удобно тем, что позволяет оптимально совместить эту часть нулевого периода с периодом IД, который перекрывается с ней по малату и оксалоацетату. Последнее является следствием перекрывания по этим соединениям М-нулевых интервалов с Д-первыми интервалами последовательностей, характеризующихся реакциями конденсации ацетата с a-кетокислотами и глиоксилата с насыщенными кислотами.

С периодом IД связан комплекс реакций цикла Кребса. Как можно заметить, сходные комплексы реакций имеются также в периодах IИ, IM и IIД. Однако в противоположность периоду IД циклические окислительные процессы, аналогичные циклу Кребса, указанным периодам не свойственны. Последнее может быть объяснено затрудненностью реакций гидратации a,b-непредельных кислот в a-положении в первых колонках этих периодов. Особенность периода IД состоит в том, что реакция гидратации фумарата в a-положении в первой колонке периода является по отношению ко второй карбоксильной группе фумарата реакцией гидратации в b-положении. Поэтому она существенно облегчена по сравнению с аналогичными реакциями в первых колонках периодов IИ, IM и IIД. Поскольку реакции гидратации a,b-непредельных кислот с карбоксильными группами в b-положении характерны для вторых колонок периодов, то цикл Кребса можно также интерпретировать как результат совпадения первой колонки периода IД со второй колонкой М-части нулевого периода, т.е. исходя из особенностей симметрии схемы метаболизма органических кислот. Интересно отметить, что наличием у сукцината и фумарата второй карбоксильной группы в b-положении Сцент-Дьердьи [73] объяснял особую роль этих соединений в биологическом окислении еще в 1936 г.

Решетки реакций изомеризации и декарбоксилирования на карте совмещаются с периодами IIM, IM, 0, IД и IIД. Колонки решеток и соответствующие колонки периодов совпадают по составляющим их соединениям и реакциям. Благодаря этому горизонтальные реакции декарбоксилирования в решетке на рис.14 а соединяют первую колонку периода IM с первой колонкой периода IД, а горизонтальные реакции изомеризации и декарбоксилирования в решетке на рис.14 б соединяют, соответственно, первую колонку периода IД со второй колонкой периода IM и вторую колонку периода IM с первой колонкой периода IIM.

Цепочки реакций, соединяющие последовательности И и И' с последовательностями М, связывают на карте соответствующие серии периодов. При этом соединения реакций, связывающих последовательности И и И' с последовательностями М в группе последовательностей, характеризующихся реакциями конденсации a-кетокислот с ацетатом, размещены в вертикальных колонках над первыми колонками периодов IИ и И' соответственно. Соединения реакций, связывающих последовательности тех же классов в группе последовательностей, характеризующихся реакциями декарбоксилирования a-кетокислот, размещены в дополнительных колонках справа от первых колонок периодов IM и IIИ соответственно. Ввиду сходства с продуктами возможных реакций окислительного декарбоксилирования оксалоацетата и метилоксалоацетата промежуточный продукт окисления метакрилата - метилмалонилполуальдегид, а также образующиеся из них кислоты располагаются соответственно во второй колонке периода IM и в колонке периода 0, общей с первой колонкой периода IД.

Ряды

Серии периодов на карте скомпонованы таким образом, чтобы не только сохранить ряды гомологов периодических последовательностей и горизонтальные ряды решеток, но и объединить те из них, соединения которых являются функциональными аналогами. Признак функциональной аналогичности в этом случае ограничивается наличием у соединений одинаковых химических групп, способных участвовать в сходных реакциях последовательностей. Хотя такая организация рядов на карте затемняет изомерную симметрию и приводит к дублированию в нулевом периоде соединений, общих для последовательностей М и Д, она обладает тем преимуществом, что упрощает структуру карты в целом и подчеркивает сходство различных периодов независимо от их принадлежности к той или иной гомологической серии. Общие ряды функциональных аналогов позволяют также разграничить область метаболизма азотсодержащих и не содержащих азота соединений по прямой линии.

Всего на схеме метаболизма кислот с коротким углеродным скелетом насчитывается двенадцать рядов функциональных аналогов. Названия этих рядов приведены с левой стороны карты. Соединяющие их жирные стрелки обозначают общие для составляющих ряды соединений реакции, катализируемые одним или группой сходных ферментов.

В трех верхних рядах схемы размещаются третичные, вторичные и первичные амины. Вторичные и третичные амины являются метильными производными первичных. Первичные амины образуются в реакциях декарбоксилирования a-аминокислот [223 с. 325-337], ряд которых расположен ниже ряда первичных аминов.

В ряду аминокислот сосредоточены монокарбоновые и дикарбоновые a-аминокислоты, а также их оксипроизводные [223 с. 1-107]. Аминокислоты этого ряда служат в качестве исходных соединений для биосинтеза всех остальных азотсодержащих соединений этой области. В природе аминокислоты широко представлены как в связанном состоянии в составе белков и пептидов, так и в свободном виде [223 с. 108-112]. В частности, в высокой концентрации свободные аминокислоты встречаются в крови насекомых [79].

Роль границы раздела между областями азотсодержащих и не содержащих азота соединений на карте выполняют ряд кодонов генетического кода и обозначения периодов и серий.

Ряд a-кетокислот [223 с. 16-167] является первым рядом безазотистых соединений. С рядом a-аминокислот он связан реакциями окислительного дезаминирования и переаминирования [223 с. 294-324, 338-368]. Этот ряд включает все a-кетокислоты, независимо от их местоположения в интервалах периодических последовательностей. Ряд a-оксикислот состоит из продуктов восстановления a-кетокислот по кетогруппе.

Соединения ряда a,b-непредельных кислот образуются в результате дегидратации a-оксикислот или дегидрирования насыщенных карбоновых кислот. Соединения ряда b-оксикислот возникают при гидратации a,b-непредельных кислот предыдущего ряда.

Ряд продуктов окисления b-оксикислот-b-кетокислот представлен лишь двумя соединениями: a-метилоксалоацетатом и ацетоацетатом. Оба эти соединения, так же как и соединения, предшествующие им в двух предыдущих рядах, относятся к периодическим последовательностям реакций расщепления жирных кислот, которые будут рассмотрены в разделе 3.1.

Соединения ряда альдегидов образуются в результате декарбоксилирования a-кетокислот, приводящего к образованию альдегидов в сериях И', И и М [162,163], а также альдегидокислот в серии Д. Соединения ряда спиртов не входят ни в одну из периодических последовательностей и могут рассматриваться как тупиковые продукты метаболизма соединений ряда альдегидов. Почти все спирты этого ряда могут синтезироваться дрожжами [24].

Соединения ряда альдегидов образуются в результате декарбоксилирования кетокислот или окислительного дезаминирования первичных, вторичных или третичных аминов в сериях М, И и И' и соответствующих a-аминокислот в серии Д.

Ряд кислот совмещает в себе два ряда аналогов: собственно кислоты и их КоА-производные. Эти соединения образуются как в результате окислительного декарбоксилирования a-кетокислот, так и при восстановлении a,b-непредельных кислот по двойной связи.