Основы биохимии Том 2 - А. Ленинджер 1985

Биоэнергетика и метаболизм
Метаболизм. Общий обзор
Включение изотопной метки - весьма эффективный метод изучения метаболизма

Еще один мощный метод, дающий возможность проследить в общих чертах данный метаболический путь, основан на применении изотопов определенных элементов, вводимых в качестве метки в тот или иной метаболит (табл. 13-1). Так, в органические молекулы в качестве метки часто вводят атом радиоактивного изотопа углерода ¹⁴С (средняя масса атома углерода равна 12,01). Меченая молекула в химическом отношении не отличима от нормальной, т. е. немеченой, молекулы, но благодаря радиоактивности ее можно легко обнаружить и проследить за ее судьбой. Можно, например, с этой целью синтезировать уксусную кислоту, у которой углерод карбоксильной группы будет обогащен радиоактивным изотопом ¹⁴С. В норме этот изотоп присутствует в углеродных соединениях биосферы и геосферы в крайне малых и неизменных концентрациях. Скармливая животному ¹⁴С-ацетат, можно проследить метаболическую судьбу этого соединения. При этом мы убедимся, например, что выдыхаемая животным СО₂ содержит ¹⁴С, и это покажет нам, что некоторая часть ацетата претерпевает такие метаболические превращения, в процессе которых углерод его карбоксильной группы включается в состав СО₂. Если выделить затем у животного из липидов печени пальмитиновую кислоту, то и в ней обнаружится ¹⁴С; следовательно, карбоксильный углерод ацетата является биосинтетическим предшественником пальмитиновой кислоты. В опытах с химическим расщеплением такой пальмитиновой кислоты выяснилось также, что избыток ¹⁴С характерен не для всех положений атомов углерода в ее молекуле, а только для положений через один углеродный атом, считая от карбоксильной группы (рис. 13-21). Если же скармливать животному ацетат, меченный ¹⁴С только по метильной группе, то мечеными в молекуле пальмитиновой кислоты снова окажутся чередующиеся углеродные атомы, но на этот раз считая от а-углерода, или С-2. Эти наблюдения позволили сделать вывод, что все углеродные атомы пальмитиновой кислоты ведут свое происхождение от молекул ацетата и что при синтезе пальмитиновой кислоты углеродные скелеты ацетатных молекул соединяются по типу «голова - хвост».

Таблица 13-1. Некоторые изотопы, используемые в качестве метки

Рис. 13-21. Применение радиоактивного изотопа углерода для прослеживания метаболической судьбы углеродного атома карбоксильной группы ацетата. Значительная часть радиоактивного углерода меченого апетата обнаруживается в выдыхаемой СO₂, однако довольно большое его количество попадает также в пальмитиновую кислоту липидов печени. В молекуле пальмитиновой кислоты мечеными оказываются только нечетные атомы углерода (считая от карбоксильной группы; обозначены красным цветом), т.е. данный эксперимент свидетельствует о том, что пальмитиновая кислота образуется в результате соединения восьми молекул ацетата по способу «голова - хвост».

Метод изотопных меток применяется и для определения скорости обменных процессов в целом организме. Одним из самых важных результатов, которые удалось получить с помощью этого очень мощного метода, является открытие того факта, что макромолекулярные компоненты клеток и тканей подвергаются непрерывному метаболическому обновлению; иными словами, содержание этих компонентов в клетке в каждый данный момент носит динамический характер, т. е. является результатом непрерывно протекающих процессов их биосинтеза и распада, идущих с одинаковой скоростью. Методом изотопных меток было, например, установлено, что время полужизни белков печени крысы равно 5-6 дням (табл. 13-2). В то же время показано, что обновление белков скелетных мышц или мозга происходит гораздо медленнее.

Именно методу изотопных меток мы обязаны целым рядом крайне важных наблюдений, касающихся метаболизма.

Таблица 13-2. Метаболическое обновление некоторых компонентов тканей крысы (по данным одного из ранних исследований с радиоактивным углеродом)