Эти процессы систематически начинаются с двухступенчатого согласованного механизма, катализируемого лигазой. Они отличаются от других уже рассмотренных нами процессов того же типа тем, что активированная группа прикреплена к носителю, а не к биосинтетическому строительному блоку. Конечная сборка осуществляется на третьей стадии переносом группы от носителя к биосинтетическому акцептору.
Реакции, зависящие от уд-переноса. Два важных комплекса группы с носителем собираются с помощью АТФ-образующих лигаз по общей схеме уа-двухступенчатого последовательного переноса групп. Один из них — карбоксибиотин, имеющий сходную с карбаматом структуру, и связанный с ферментом карбоксилфосфат; он выступает в роли посредника и является донором активированных карбоксильных групп в ряде реакций карбоксилирования, как показано на схеме.
Биотин, или витамин Н, который играет каталитическую роль во всем трехступенчатом процессе, принадлежит к молекулам, представляющим исторический интерес. В названии этого вещества нашло свое отражение раннее открытие в области пищеварения, касающееся фактора роста дрожжей, которое принадлежит бельгийскому биохимику Эжену Вильдьерсу. Ис-следователь был так поражен жизненной силой найденного им фактора, что назвал его «биос». Позднее производное от этого названия нашло. отражение в названии одного из витаминов в память выдающегося открытия. При выполнении функций переносчика биотин ковалентно связывается с гибкой полипептидной «рукояткой», входящей в мультиферментный комплекс, который содержит лигазу и карбоксилазу. Его транспортная функция ограничена челночным движением карбоксильных групп между активными центрами двух ферментов.
Похожий трехступенчатый механизм, но с участием формилфосфата, связанного с ферментом, выступающим в роли посредника, служит для прикрепления форматов (солей муравьиной кислоты) (Н—СО—О"") к носителю, тетрагидрофолату (ТГФ) ->- производному витамина фолиевая кислота (лат. {оИит—лист), который является одним из скрытых ингредиентов шпината, известного своими противоанемическими свойствами. ТГФ не только несет активированную формильную группу к различным формилтрансферазам, но нередко «предлагает» ее некоторым модифицирующим фер-ментам, способным переводить ее в метениловую (—СН=), метиленовую (—СН2—), гидроксиметиленовую (—СНгОН), метиль - ную (—СНз) или формиминовую (—СН=ЫН) группы. Каждая группа принимает участие в ряде реакций переноса. Таким образом, мы имеем дело с весьма «многосторонним» коферментом, который действует одновременно и как носитель, и как «рукоятка» для активированных групп. Среди многих веществ, образование которых зависит от ТГФ, назовем аминокислоту метионин (см. с. 162—163), пури - новые основания и пиримидиновое основание тимин, один из компонентов ДНК Реакции, зависящие от рр-переноса. С помощью этого механизма происходят два главных биологических процесса. В обоих карбоновая кислота (К—СО—О-) является строительным блоком, а АТФ используется в качестве энергетического донора; оба зависят от АМФ-образующей лигазы для создания стабильного, растворимого ацилнесущего комплекса при помощи связанного с ферментами ацил-АМФ - посредника:
Одним из таких процессов является синтез белка, в котором аминокислоты являются X—О - строительными блоками, а соотвзтствующие транспортные РНК (тРНК) — носителями. Отметим, что полипептидные цепи растут с «головы» (см. с. 154—155). Это означает, что между промежуточной и конечной стадиями сборки в приведенной схеме имеется дополнительная стадия, на которой комплекс носитель —СО—К (аминоацил-тРНК) выполняет роль акцептора растущей цепи.
В другом процессе, также происходящем с помощью трехступенчатого ^-механизма, используется набор органических кислот, среди которых имеются жирные кислоты, обнаруживаемые в липидах в качестве строительных блоков X—0~, и кофермент А, выступающий в роли носителя. Своим названием последний обязан тому, что впервые его обнаружили как кофактор в реакциях ацетилирования. Он является производным витамина Р, или пантотеновой кислоты, — повсеместно распространенного вещества (греч. рап1о1Неп — всюду); в свое время оно получило весьма сомнительную известность как восстановитель волосяного покрова: нехватка витамина вызывает преждевременное поседение у крыс.
Кофермент А — сложная молекула, со-держащая, помимо пантотеновой кислоты, несколько других составляющих, в том числе молекулу АМФ. Это вещество имеет в своем составе тиольную группу (—5Н) в качестве реактивного конца и сокращенно обозначается КоА—5Н. Производными ацил-КоА являются тиоэфиры, которые, как мы уже отмечали, представляют собой высокоэнергетические соединения с «физиологическими» групповыми потенциалами порядка —14 ккал/г-моль. Тем * не менее их образование высокоэкзергонично, так как требует 28 ккал/г-моль.
Основными акцепторами V—Н-ациль - ных групп, представляемых коферментом А, являются спирты:
Получаемые в результате реакции эфиры — низкоэнергетические соединения, которые осуществляют заключительный перенос и делают его практически необратимым процессом. Среди молекул, образующихся таким образом, имеются нейромедиатор ацетилхолин (уксусная кислота плюс холин), различные эфиры жирных кислот и глицерин, обнаруживаемые в нейтральных липидах и фосфолипидах, а также ряд других веществ. Кофермент А участвует в ряде других важнейших реакций как медиатор активированных ацильных групп, метаболическая «рукоятка» и участник некоторых окфос-блоков субстратного уровня. (Вспомните роль тиоэфирных связей в работе таких блоков, о которых шла речь на с. 151 —153.) Это ключевой участок клеточного механизма.

Методы, с помощью которых эти вторгшиеся агенты проникают через мембрану в клетку, разнообразны, но всегда в их основе лежит обман клетки, который мы можем уподобить знаменитому троянскому коню, ^начала атакующий микроорганизм прикидывается беззащитной жертвой и без сопротивления позволяет клетке поглотить себя. Затем, когда излишне доверчивый хозяин уже готов сбросить свою добычу в кислую лизосомальную ванну, коварный захватчик обнажает свое тайное оружие, которое обычно представлено растворяющим мембрану ферментом или токсином, вскрывающим эндоцитарные вакуоли и освобождающим микроорганизм до его разрушения.
Некоторые вирусы, например возбудители гриппа, прибегают к еще более искусному способу: к моменту, когда эти частицы готовы покинуть клетку - хозяина, они приобретают способность распространять инфекцию на соседние клетки. Как только вирусы покидают клетку-хозяина, они заворачивают свои тельца, состоящие из нуклеиновых кислот и белков (нуклеокапсиды), в особые кусочки плазматических мембран, построенных по их указаниям. После встречи с другой клеткой они подвергаются влиянию различных процессов внутри беззащитной жертвы, что в данном случае включает, и погружение в кислую ванну. Затем происходит удивительная вещь: оболочка, содержащая вирус, каким-то образом возбуждается после местного контакта с кислой средой, сливается с мембраной вакуольной ловушки и выпускает своего инфекционного обитателя в цитоплазму. Такой механизм, вероятно, имеет место в эндосомах перед их слиянием с лизосомами.
Вот почему для безопасного проникновения в клетку нам потребуется всего лишь некий волшебный инструмент, который можно занять (на время) у микроорганизмов. У нас есть выбор между химической «отмычкой» мембран и автоматическим приспособлением, которое запускается под воздействием кислоты и открывает мембрану. Предлагаю воспользоваться - последним способом. Он не потребует от нас никаких действий и на нем не скажется неправильно рассчитанное время. При этом мы вспомним то волнующее состояние, которое пережили раньше, когда впервые надели другой вид лизосомно-защитного одеяния и погрузились в глубины клеточной системы вакуолей, изобилующей пещерами.
Какой бы ни была отправная точка АТФ, каким бы извилистым ни был маршрут этой молекулы, большинство путей АТФ в цитозоле направлено на выполнение главной функции — биосинтеза. Установив схемы движений молекул АТФ, мы находим ответы на ключевой вопрос, которого мимоходом касались в предыдущей главе: каким образом клетке удается построить тысячи различных соединений,пользуясь одним-единственным источником энергии, а именно расщеплением АТФ на АДФ и Фн — важнейшим процессом, который восстанавливается благодаря окфос-блокам? Попробуем рассмотреть эту проблему в более точных выражениях.
Большинство биосинтетических реакций представляют собой дегидратационное конденсирование между двумя молекулярными строительными блоками:
X—ОН + V—Н —к X—V + Н20.
Имеется много различных «иксов» и «игреков». В их число входят аминокислоты, комбинация которых друг с другом дает белки; простые сахара, которые объединяются в полисахариды и другие углеводные компоненты; мононуклеотиды, которые полимеризуются в нуклеиновые кислоты; жирные кислоты, которые, объединяясь с глицерином и другими спиртами, образуют липиды, а также множество других, более специализированных молекул. Для правильного их объединения необходимы два условия: информация и энергия.
Биосинтетические группировки не образуются беспорядочным образом. Они основываются на определенном типе X, который связывается с определенным типом V. Как правило, указания, согласно которым происходит правильный выбор биосинтетического партнера, закодированы в специфичности вовлеченных в процесс ферментов. При образовании самих ферментов инструкции поступают от генов, которые замыкают круг, снабжая самих себя информацией для собственного удвоения. Мы не станем сейчас подробно останавливаться на этом аспекте проблемы.
Энергетическая потребность биосинтеза обусловлена тем, что дегидратационное конденсирование не может происходить спонтанно в водной среде. Подавляющий избыток воды сдвигает равновесие такой реакции далеко в противоположную сторону, а именно в сторону гидролиза. Чтобы процесс стал обратимым, необходимо проделать работу, а для этого свободная энергия должна поступать в систему из какого-то внешнего источника. В живой клетке таким источником служит гидролиз АТФ, благодаря которому, как уже указывалось, на 1 г-моль производится 14 ккал энергии: АТФ + Н20 — АДФ + Фн.
В зависимости от типа реакции на образование каждой молекулы X—V потребляется одна или более молекул АТФ. Общий баланс свободной энергии всегда отрицательный, что не только соответствует законам энергетики, но и чаще всего делает биосинтетические процессы по существу необратимыми при любых условиях. Возникает вопрос: каким образом энергия передается из одной реакции в другую? Происходящим вначале расщеплением АТФ и последующим использованием высвобожденной в итоге энергии для связывания X и V этого не объяснить. Все, что мы можем получить в результате гидролиза АТФ, — это тепло, т. е. беспорядочное движение молекул, которое в условиях, преобладающих в живой клетке, не может направляться и использоваться для снабжения энергией специфического процесса. Расщепление АТФ и образование X—У должны быть сопряжены, только тогда один процесс будет снабжать энергией другой. Секрет такого сопряжения прост: никогда не рвать настоящую связь, всегда производить взаимный обмен с помощью механизма группового переноса.

С химической точки зрения, гликолиз заключается в простом делении пополам молекулы глюкозы и перестройке ее атомов, которые не приводят ни к приобретению, ни к потере материи.Подсчитайте количество атомов с двух сторон стрелок, и вы обнаружите одинаковое количество атомов углерода, водорода и кислорода. С головы до хвоста «змея» не приобретает и не теряет массы. Однако между этими частями в теле «змеи» возникают довольно сложные и тонкие изменения; все они направлены на осуществление одной-единственной функции — получение АТФ. Это происходит на шестой и седьмой стадиях гликолиза в результате сложного процесса окислительно-восстановительнопо фосфорилирования.
Роль пяти стадий, предшествующих этой основной реакции, заключается в подготовке молекул глюкозы к участию в ней. Это весьма сложная и дорогостоящая работа, так как она связана с превращением 6-углеродной молекулы глюкозы в две молекулы фосфорилированного 3-угле - родного соединения, называемого фосфоглицериновым альдегидом. Две фосфатные группы, необходимые для этой цели, поступают от АТФ, так что мы сталкиваемся с поистине парадоксальной ситуацией: реакция, предназначенная для образования АТФ, начинается с ее потребления! И это не исключение. Многие питательные вещества прежде, чем стать пригодными для расщепления, требуют активизации, которая происходит с потреблением энергии. Это еще один из видов поденной работы, которая взвалена на молекулу АТФ, ответственную за все хозяйство клетки. Разумеется, начальный вклад энергии в последующем с лихвой оправдывается, иначе он был бы бессмысленным.
С образованием фосфоглицеринового альдегида мы подходим к главнейшей реакции гликолиза, которая заключается в окислении этого компонента в фосфоглицериновую кислоту и сопряженном с ним конденсировании АДФ и Фн в АТФ. Не станем останавливаться на всех деталях этой реакции, ибо это увлечет нас в дебри химии. Но один из аспектов заслуживает внимания: речь идет об истинном значении слова «окисление». Всем нам знакомо выражение, что мы получаем энергию, «сжигая» пищу. Но аналогия с каким-то типом двигателя внутреннего сгорания, которая при этом возникает в нашем сознании, является искажением реальности, а потому нуждается в исправлении. Строго говоря, превращение фосфоглицеринового альдегида в фосфоглицериновую кислоту происходит при добавлении одного атома кислорода к альдегидной группе (ОНО) с образованием карбоксильной группы кислоты (СООН). В этом смысле процесс напоминает тип окисления, сопровождающий сгорание. Однако при сгорании на воздухе из атмосферы поступает
дополнительный атом кислорода, чего нет в нашем случае. Гликолиз — это анаэробный процесс, который происходит при полном отсутствии кислорода. Здесь мы имеем дело со «сгоранием без доступа воздуха».
Но если не атмосферный кислород, то что же является источником дополнительного атома кислорода, приобретаемого фосфоглицериновым альдегидом? Ответ на наш вопрос — вода, хотя это не обычная вода из окружающей среды. Это молекула воды, которая получается из совместного конденсирования АДФ и Фн и поступает непосредственно в реакции окисления в химически связанной форме. Мы указываем на этот факт, заключив НгО в скобки; теперь, если обозначить оставшийся фосфоглицериновый радикал буквой К, уравнение реакции будет выглядеть следующим образом:
АДФ + Фн >- АТФ + (Н20),
К—СНО + (Н20) К—СООН —2Н.
Из уравнения видно, что смысл окислительной стадии заключается в удалении водорода. Это так называемая дегидрогенизация. Но здесь мы вновь должны проявить осторожность. Водород, образую-щийся в этой реакции, не является газообразным водородом Нг, стабильной двухатомной молекулой. Это реактивный атом водорода, Н, который никогда не встречается в свободной форме, но переносится или обменивается при посредничестве носителей в такой форме или в виде отдельного электрона (е~), с которым он свободно уравновешивается согласно взаимодействию
Н - _ е - + Н+
Протоны, или ионы водорода, Н+, участвующие в этом равновесии, всегда имеются в водной среде благодаря диссоциации воды:
Н20^ Н+ + ОН".
Таким образом, окислительную реакцию гликолиза можно записать и как удаление электронов:
К —СНО+ (Н20)~ К—СООН+ 2е~+ 2Н+.
То, что справедливо для гликолиза, справедливо и для большинства други хокислительных реакций в живых организмах. Как правило, реакции биологического окисления происходят без непосредственного участия кислорода, путем удаления атомов водорода или электронов. Такой тип реакций, по-видимому, унаследован с тех давних времен, когда впервые зародилась жизнь, и подвергался эволюции на протяжении сотен миллионов лет в отсутствие атмосферного кислорода. Когда окисляемая молекула приобретает кислород, как, например, в рассматриваемом случае, источником дополнительного кислорода служит вода или какие-либо реакции, при которых образуется вода.
Что касается атмосферного кислорода, который необходим для всех аэробных организмов, в том числе и для нас с вами, его роль заключается в том, чтобы собирать электроны, высвобождающиеся при окислительных реакциях:
'ДО* + 2е~ + 2Н+-. Н20.
Конечный результат тот же, что и при обычном процессе сгорания, однако механизм иной. В этом легко убедиться с помощью тяжелого изотопа 1вО, который можно отличить от широко распространенного изотопа 1вО в масс-спектрографе. Если глюкоза сжигается в печи в присутствии |8С>2, изотоп будет выявляться в составе образующегося С02, что свидетельствует о соединении углерода глюкозы с атмосферным кислородом. Если же глюкоза сжигается в живом организме, дышащим |802, то образующийся изотоп мы найдем не в составе выдыхаемого СО2, а в НгО. Это, на первый взгляд, тривиальное различие составляет суть разницы, существующей между жизнью и смертью. Ни у одного организма не развился способ восстанавливать энергию в биологически пригодной форме из реакции окисления при сгорании. Напротив, имеются бесчисленные способы извлечения энергии посредством электронного переноса. Время от времени мы будем возвращаться к этому важному вопросу. Необходимо отметить, что в некоторых биологических реакциях действительно происходит добавление кислорода. Такие реакции, называемые реакциями оксигенации (в отличие от реакций окисления), не принимают . непосредственного участия в окислительном процессе восстановления энергии.Реакция, обратная окислению, — при-обретение атомов водорода или электронов — называется восстановлением. Так как электроны и атомы водорода не способны циркулировать в свободном виде в водной среде, оба вида реакций тесно связаны между собой. Электроны не могут высвобождаться, не будучи «пойманными»; если одно вещество окислилось, другое непременно должно восстановиться. Вот почему реакции всегда бывают окислительно-восстановительными (с переносок электронов). Ферменты, катализирующие такие переносы электронов, называются электронтрансферазами или оксидоредуктазами.
На основной окислительной стадии гликолиза акцептором электронов является НАД+, окисленная форма кофактора НАД, роль которого в этом и бесчисленном множестве других метаболических процессов определяется способностью выступать в качестве переносчика электронов:
НАД+ + 2е - + Н+ - НАДН.
Тогда полная реакция электронного переноса схематически запишется в следующем виде:
К—СНО + (Н20) 4 - НАД+ —
— К—СООН + НАДН + Н+.
Это и есть реакция, связанная с образованием АТФ (из которой, как вы, вероятно, помните, она получает свою скрытую ; молекулу воды). Каков бы ни был механизм этого сопряжения, он означает, что перенос одной пары электронов от фосфоглицеринового альдегида к НАД+, во-первых, высвобождает свободную энергию, достаточную для образования одной молекулы АТФ, и, во-вторых, подвергается ограничению, ибо этот процесс может происходить только при одновременном образовании АТФ.
Формально эту систему можно рассматривать как электрохимический преобразователь, который превращает поток электронов в химическую работу. Поэтому мы можем применить общую теорию электричества, которая гласит следующее: максимальное количество работы (реальная работа всегда меньше из-за неизбежных ' потерь тепла), которое может быть выполнено электрическим двигателем, определиется (в джоулях) количеством электричестм (в кулонах), проходящего через двигатель, умноженным на разность потенциалов /(в вольтах) электрического генератора.
В данном случае мы знаем количество работы. Она требует затраты 14 ккал (586 кДж) для образования 1 г-моль АТФ. Нем также известно количество электричества, проходящего через систему: % электрона на молекулу образующегося АТФ, или 2 электрон-эквивалента, или фарадея (2 X 96 500 == 193 кКл) на 1 г-моль АТФ. Если разделить джоули на кулоны, получится минимальное напряжение нашего электрического источника: 0,3 В или 300 мВ. Другими словами, перенос электронов между фосфоглицериновым альдегидом и НАД+ должен происходить при разности потенциалов как минимум 300 мВ, иначе он не сможет снабдить энергией синтез АТФ.
Конечно, гликолитическая «змея» построена далеко не так, как обычный электрический генератор. Она не имеет штепсельных розеток, в которые можно было бы вставить вольтметр и проверить наше заключение. Но в ней содержится донор электронов (фосфоглицериновый альдегид) и акцептор электронов (НАД+). Чтобы перенос электронов произошел, сродство к электронам у акцептора должно быть сильнее, чем у донора. . Это сродство можно измерить. Оно называется окислительно-восстановительным, или редокс - потенциалом, и выражается в вольтах. Каждая редокс-пара (восстановитель/окислитель, например, фосфоглицериновый альдегид/фосфоглицериновая кислота, НАДН/НАД+) обладает своим характерным редокс-потенциалом. Как мы уже установили в ходе предыдущих расчетов, при переносе пары электронов, необходимом для образования одной молекулы АТФ из АДФ и Фн, разность между окислительно-восстановительными потенциалами в парах донора и акцептора должна быть не меньше 300 мВ, что в действительности соответствует двум парам при гликолизе.
После того как главная задача, а именно образование АТФ, успешно решена, гликолитическая цепочка должна завершить свои дела и подвести итог проделанной работе. Это составляет основную функцию оставшейся части цепочки. Необходимо решить судьбу трех участников гликолиза: 1) фосфата, который первоначально был пожертвован цепи молекулой АТФ; 2) воды, которая поступила в цепь на окислительной стадии с тем, чтобы снабдить дополнительным кислородом фосфоглицериновую кислоту, и 3) электронов, которые покинули цепь на той же стадии. Эти дисбалансы теперь компенсируются. Во-первых, молекула воды отщепляется. Во-вторых, фосфатная группа возвращается к АДФ для восстановления АТФ, который был затрачен в самом начале процесса. И, в-третьих, НАДН возвращает свои электроны.
При молочно-кислом брожении акцептором является пировиноградная кислота, которая восстанавливается до молочной кислоты:
СНз—СО—СООН + НАДН + Н+ —
— СНз - СНОН—СООН + НАД+.
При спиртовом брожении акцептором является ацетальдегид — продукт декарбоксилирования пировиноградной кислоты, который восстанавливается до этилового спирта:
СНз—СО—СООН —СНз—СООН + С02,
СНз—СОН + НАДН + Н+ —
СНз—СН2ОН + НАД+
Последние электронные переносы происходят при очень малой разности потенциалов, без какой-либо энергетической выгоды. Они необходимы лишь для того, чтобы сделать систему автономной. Если отрезать хвост «змеи» и заменить его другим акцептором для сбора электронов,поступающих от НАДН, система будет; по-прежнему превосходно справляться со своей работой по производству АТФ, только теперь уже в качестве окислительной системы, и ее конечным продуктом будет пировиноградная кислота:
С6Н1206 — 2СН3—СО—СООН + 4е+ +4Н+
(глюкоза) (пировиноградная кислота)






На первый взгляд может показаться, что даже уменьшенные в миллион раз громоздкие частицы, имеющие наши размеры, не способны проникать через плазматическую мембрану без каких-либо непоправимых повреждений клетки. Однако имеется достаточно доказательств тому, что это может происходить. При ряде инфекционных заболеваний возбудитель, будь то вирус, бактерия или даже простейший паразит, спокойно существует и развивается в цитозоле живой клетки больного. Он попал в клетку из окружающей среды и таким образом успешно преодолел плазматическую мембрану, не уничтожив при этом клетку-хозяина.
Наш «вирусный проводник» поступил так, как и следовало ожидать, и теперь мы находимся в центре цитоплазмы. Вокруг нас много странных объектов, и потребуется некоторое время для их подробного изучения. Но сначала необходимо хорошенько оглядеться.
Возможно, нашим первым впечатлением будет ощущение, что мы находимся за сценой какого-то театра и видим обратную сторону декораций с веревками и блоками, благодаря которым они двигаются. Эндосомы, лизосомы, эндоплазматические цистерны, мешочки и пузырьки аппарата Гольджи, секреторные гранулы — все те структуры в виде пузырьков, которые мы видели только изнутри, теперь мы созерцаем снаружи. Все вместе они составляют тысячи шариков различных размеров и форм, начиная от сферических структур и кончая бесформенными мешочками. Молочно-белые или блекло-коралловые, а иногда охряно-коричневые лизосомы опалесцируют в полутени цитоплазмы. Их поверхности в основном атласно-гладкие, за исключением тех шершавых участков, по кото-рым ползают полисомы, и небольших конических или сферических возвышенностей, образованных решетками клатриновых нитей. Позднее мы вернемся к этим загадочным выростам.
Некоторые более крупные мембранные мешочки, части эндоплазматического ретикулума и аппарата Гольджи, объединяются друг с другом витками трубчатых соединений. Одни представляют собой крупную систему, вялую и неподвижную, поверхность которой изменяется только при выдавливании внутреннего пенистого содержимого. Другие медленно дрейфуют, подхваченные каким-то внутренним цито - плазматическим потоком, или неожиданно делают сальто, словно подброшенные невидимой пружиной. Между ними легко и бесшумно двигаются стайки мелких везикул, многие из которых имеют наружную оболочку. В этом густом потоке транспорта часто происходят столкновения. Как правило, они не имеют последствий, и оба партнера выпутываются из этой ситуации, не пострадав. Но время от времени в результате столкновения происходит слияние или расщепление, что вызывает небольшой местный взрыв, от которого ударные волны распространяются по всей цитоплазме.
Между этими, теперь уже знакомыми нам частями импортно-экспортного механизма разбросан ряд толстых продолговатых телец ярко-розового цвета, резко контрастирующих с окружением. Размерами и формой они напоминают бактерии и находятся в состоянии нескончаемого движения — изгибаются, дергаются, расталкивают соседние структуры с неустанным автоматизмом, сходным с поведением подростков в дискотеке. Время от времени они взрываются и распадаются на несколько частей или объединяются, образуя фантастически похожие на гидру структуры. Это митохондрии, главные центры по производству энергии в клетке (см. гл. 9).
В некоторых клетках, например в печени или почках, можно встретить еще один тип тускло-зеленых гранул, окруженных мембраной. Это пероксисомы. Они несколько меньше митохондрий и встречаются в скоплениях, вероятно, из-за того, что связаны друг с другом (гл. 11).
Если вместо животной клетки мы посетим растительную, то зрелище, открывшееся нашему взору, во многом будет похожим, только еще более разноцветным и ярким, ибо помимо уже перечисленных компонентов мы встретимся с ярко-зелеными центрами фотосинтеза — хлоропластамн (см. гл. 10). Нам также может встретиться одна или несколько связанных с мембраной вакуолей и гранул, в которых растения откладывают свои запасы крахмала и масла, а также те восхитительные пигменты, которые украшают их цветы. Но не следует думать, что это великолепие является прерогативой только растительного мира. Если человек представляет собой тусклое, неяркое создание, цветовая гамма которого зависит в основном от цветового эффекта только одной черной краски, меланина, упакованного в тельца,называемые меланосомами, то окраска многих других видов животных — птиц, бабочек, рыб — по яркости не уступает самым красивым цветам.
Вместе эти частицы занимают более половины всего объема клетки. Пространство между ними заполнено вязким, желатинообразным матриксом, образующим цитозоль или клеточный сок, который является основным веществом клетки. Этот отдел ограничен только плазматической мембраной снаружи и мембранной оболочкой, окружающей ядро внутри клетки. Таким образом, мы можем свободно двигаться в нем, огибая цитоплазматические тельца, а иногда протискиваясь сквозь них, если они плотно прижаты друг к другу. Примерно так же нам приходится поступать в каком-нибудь музее авиации, загроможденном красочными экспонатами.
И все-таки мы не настолько свободны, как это кажется. Нашему движению мешает целый ряд других препятствий. С одним из них мы уже встречались (детальнее рассмотрим в следующей главе). Это рибосомы, которые обычно представ-ляют собой прядки из 10—20 частиц,объединенных нитью информационной РНК. До сих пор такие полисомы мы видели только на поверхности мембран ЭР, однако многие из них также свободно плавают в цитозоле, где и выполняют свои функции. Рибосомы с тонкими нитями растущих полипептидных цепей представляют собой вероломные ловушки, подобно невидимым морским водорослям на пути пловца.
В некоторых областях, например возле гладких соединений, связывающих ЭР с аппаратом Гольджи, мы можем натолкнуться на почти непреодолимые препятствия: плотные скопления белоснежных частиц размерами с рибосому. Однако если мы рассмотрим их в наше молекулярное увеличительное стекло, то увидим,что они очень отличаются от рибосоМ. Каждая частица выглядит как отдельная древовидная структура, разветвляющаяся на тысячи отростков; в свою очередь, каждый из них является цепью молекул глюкозы, связанных друг с другом своими концами. Это частицы гигантских макро-молекул крахмалистого полисахарида, называемого гликогеном или иногда «животным крахмалом». Гликогеновые «деревья» обладают способностью объединяться в небольшие «рощицы», которые образую «леса» поистине огромных размеров. 0нИ хорошо различимы под электронным микроскопом и выглядят как агрегаты, состоящие из небольших плотных частиц, называемых «гликогеновыми озерами».
Другим препятствием на нашем пути!
является железосодержащий белок ферритин, темно-коричневая компактная частица гораздо меньше молекулы гликогена. Хотя под электронным микроскопом она едва заметна, столкновение с ней довольно опасно: почти на четверть ферритин состоит из твердой гидроокиси железа. Добавим, что по пути нам будут встречаться также разбросанные крупные капли запасенного жира с водоотталкивающими поверхностями.
И наконец, цитозоль во многих участках перекрещивается довольно плотной сетью перекладин и канатов, состоящих из микронитчатых и микротрубчатых элементов. Эти структуры объединяют различные части клетки друг с другом; они определяют форму клетки и отвечают за ее прикрепление к соседним клеткам и другим внеклеточным якорным точкам. Сама по себе сеть не статична, отдельные ее части постоянно разъединяются и вновь объединяются, а то скользят друг мимо друга благодаря маленьким молекулярным двигательным элементам. От подобных изменений зависит движение как внутри клетки, так и ее самой. В гл. 12 мы рассмотрим эти разнообразные структуры, составляющие «кости и мышцы» наших клеток.
Если отбросить гранулярные и нитчатые элементы, населяющие цитозоль, то все равно останется значительное количество вещества — примерно одна треть от общей массы клетки. Оно состоит в основном из водорастворимых компонентов и образует непосредственно сам цитозоль. Об архитектуре этой части живой клетки много спорят. Одни исследователи считают, что цитозоль функционирует как обычный концентрированный раствор беспорядочно разбросанного вещества. По мнению других, это высокоорганизованная система, составные части которой связаны между собой специфическими взаимодействиями или неподвижны благодаря сети «микро - трабекул». Некоторые ученые придерживаются того мнения, что в цитозоле происходят постоянные обратимые пере-ходы между этими двумя состояниями. Такая концепция, получившая название «трансформация зольгеля», сформировалась на заре коллоидной химии. Скорее всего в каждой гипотезе имеется рациональное зерно, а реальность представляет собой компромисс между ними. В целом же беспорядочность, вероятно, преобладает над организацией. Судя по всему, цитозоль каким-то образом проникает в любые закоулки и щели клетки, не занятые чем-либо другим. Он является основным ее наполнителем, настоящим почвенным веществом клетки, но наполнителем не инертным; в нем разыгрываются некоторые наиболее жизненно важные события, в частности те, что связаны с энергией. И хотя цитозоль — не единственный энергетически важный участок, а для многих клеток и не самый главный, однако это, по всей видимости, самая древняя с точки зрения геологического времени часть клетки и поэтому он может много рассказать о зарождении жизни.
Некоторые детали гликолигической «змеи», будучи всеобъемлющими, применимы ко всему Энергетическому обмену. Наиболее универсальное из этих обобщений касается производства АТФ. Всюду; в природе эта главная часть энергетической «валюты» образуется, как и при гликолизе, в результате сопряженных электрохимических реакций, которые связывают фосфорилирование АДФ с переносом электронов посредством разности - электрических потенциалов. Исключений из этого правила нет. Животные, растения, грибы, бактерии, все живые существа, включая человека, получают АТФ в результате процессов, состоящих из таких сопряженных реакций. Как и следовало предположить, в природе происходит множество разнообразных реакций этого типа и их химия зачастую сложна. Не станем вникать в детали этих реакций, но все же попытаемся отчасти, понять работу основных энергетических центров клетки при их посещении.
Назовем системы, которые катализируют окислительно-восстановительное фосфорилирование окфос-блоками, и представим их схематически в виде закрытой в ящике молнии, как это изображено на рисунке. Обратите внимание на то, что употребляемая нами терминология и символы не относятся к общепринятому языку биохимии. Они введены здесь исключительно для облегчения восприятия материала в процессе нашего путешествия.В основе окфос-блока лежит принцип электрохимического преобразователя, который объединяет процесс сборки одной молекулы АТФ из АДФ и Фн с падением двух электронов посредством разности потенциалов, равной 300 мВ. Электроны поступают в окфос-блок от донора (Д), который переходит из восстановленного состояния в окисленное, и собираются на другом конце акцептором (А), который превращается из окисленного состояния в восстановленное. В зависимости от природы участвующих в процессе молекул протоны могут сопровождать или не сопровождать электроны.
При гликолизе донорная пара представлена фосфоглицериновым альдегидом фосфоглицериновой кислотой, а акцепторная пара--НАД+/НАДН. Но это лишь частный случай. В других системах используются другие доноры или акцепторы или совокупность тех и других; в результате создается огромное количество окфосблоков с самыми разнообразными механизмами работы. На нашем пути встретятся многие из них. Одни, как, например, при гликолизе, получают электроны от метаболических субстратов и поэтому о них говорят, что они катализируют реакции фоефорилирования субстратного уровня. Ряд других, включая наиболее значимые, например, те, что протекают в митохондриях и хлоро - пластах, питаются электронами от НАДН и других носителей. Они катализируют реакции фосфорилирования на уровне носителей; механизм их действия полностью отличается от механизма, наблюдаемого при фосфорилированиях субстратного уровня. Подробнее на этих механизмах мы остановимся в гл. 9.
Окфос-блоки получают энергию от потока электронов. Для работы им необходимо соединиться с источником, а также коллектором электронов. Гликолиз и другие виды анаэробного брожения обладают характерной особенностью, заключающейся в следующем: их поток электронов питается от одного-единственного потока вещества благодаря тому, что метаболическая цепь вырабатывает свой собственный конечный акцептор электронов. Главное преимущество этого вида метаболизма в том, что от окружающей среды требуется только соответствующее питание, например глюкоза. Но в то же время он необычайно расточительный, ибо конечные продукты брожения, такие, как молочная кислота или этанол — энергетически богатые молекулы. Как мы увидим в дальнейшем, когда они покидают клетку, то свыше 90% потенциальной энергии глюкозы остается неиспользованными. Такого не должно быть, и, действительно, это исключительный случай. Чаще электроны, высвобожденные в окислительных реакциях, собираются непосредственно или косвенными путями экзогенным электронным акцептором; в этом случае клетке не нужно отказываться от ценных веществ, и катаболическая деградация субстрата может продолжаться дальше. Но тогда для под-держания потока электронов требуется двойной поток вещества.
Вещества, способные выполнять роль электронного акцептора, в изобилии встречаются в природе: это сульфатный ион SО!- (который может быть восстановлен до S или сероводорода Н2S); ион железа Fе3+ (который быстро восстанавливается до Fе2+); нитратный ион N0^ (который быстро превращается в нитритный N0^ и далее в аммиак NНз); СО2 (который может быть восстановлен до метана, СН4) и даже простой протон, Н+ (который может превратиться в газообразный водород, Н2o). Самым распространенным и эффективным электронным акцептором является молекула кислорода, О2, которая восстанавливается до воды, Н2О (а иногда до перекиси водорода, Н2О2).
Каждое из перечисленных веществ наряду со многими другими используется не которыми организмами в качестве электронных акцепторов благодаря соответствующим ферментам. Их восстановление лежит в основе многих природных явлений; в частности, им объясняются сернистые испарения, преобразования железосодержащих пород, рециркуляция атмосферного азота, а также таинственные излучения в виде призрачных блуждающих огоньков, которые вспыхивают на поверхности болот. Между бактериями, вызывающими эти явления, и бесчисленным множеством живых организмов, в том числе человеком, который дышит атмосферным кислородом, имеется скрытая общая связь: все они поддерживают вырабатывающие энергию метаболические процессы окисления с помощью экзогенного акцептора электронов.
Здесь мы сталкиваемся с новым важным обобщением. Не только глюкоза, но любое другое питательное вещество, используемое живым организмом для поддержания своих энергетических потребностей, снабжает электронами АТФ-генерирующий окфос-блок. Просто нет другого источника метаболической энергии для гетеротрофных организмов — тех, что питаются продуктами биосинтетической деятельности других организмов (греч. heteros—другие; (trophe — пища). Аутотрофы (греч. autos — сам) также поставляют электроны в окфос-блоки, но из других источников.
«Сгорание» пищи для получения энергии на деле означает расщепление пищевых продуктов и обогащение их кислородом за счет воды таким образом, чтобы можно было получить электроны, которые поступают в АТФ-генерирующий окфос - блок, из которого они затем собираются кислородом (или каким-либо другим акцептором).
Как мы увидим при посещении митохондрий, жизнь проявила удивительную изобретательность в использовании этого потока электронов, поставив на пути метаболических электронов до четырех последовательных окфос-блоков. Многие электроны, спускаясь вниз, преодолевают разность потенциалов примерно в 1 В и более. Таким путем может быть восстановлено и использовано для образования АТФ почти 80% свободной энергии, высвобождаемой при окислении продуктов питания. Мы еще вернемся к этому вопросу в гл. 9.
Белки, нуклеиновые кислоты, нейтральные липиды, фосфолипиды, полисахариды, стероиды, терпеноиды, нуклеотиды, коферменты, аминокислоты, пурины, пиримидины — этот далеко не полный список веществ, которые встретились нам за время короткой экскурсии, выглядит как справочник по современной биохимии «Кто есть кто». Уже сейчас ясно, что наша простая схема позволила ответить на многие вопросы. Но ничего удивительного, что на все вопросы ответить не удалось. Об отдельных исключениях из правил следует упомянуть.
Во-первых, некоторые реакции переноса не зависят от прямой нуклеофильной атаки. Среди них назовем трансаминирование и транстиолирование, в ходе которых в действительности происходит обмен групп. Кроме того, встречаются случаи, и таких немало, когда образующаяся связь имеет более высокую свободную энергию гидролиза, чем связь НТФ, используемая в процессе биосинтеза. Интересно, откуда же идет снабжение энергией, вернее, как она высвобождается? Как и следовало ожидать, почти всегда ее источником служит гидролиз АТФ. Что же касается средств, то их можно классифицировать как «повышение энергии донора» или «понижение энергии акцептора».
Примером первого случая служит процесс сульфурилирования — реакций, в ходе которых эфирные сульфогруппы сульфомукополисахаридов и сульфолипидов образуются из неорганического сульфата. Реакция начинается типичной рр-атакой сульфата на АТФ; в результате образуется двуглавый аденилилсульфат, который высвобождается в легко растворимой форме. Однако «физиологическая» свободная энергия гидролиза этого ангидрида настолько высока (особенно при очень низких концентрациях неорганического сульфата, преобладающих в большинстве живых клеток), что даже полный комплект из 28 ккал/г-моль, образующийся в результате разрыва р-связи АТФ, недостаточен, чтобы повысить концентрацию этого ангидрида до уровня, необходимого для его распространения и достижения отдаленных участков сборки. Поэтому он не может служить донором сульфогрупп (реакция указана пунктирными стрелками на схеме). Природа эту проблему решила путем фосфорилирования З'-гидроксильной группы аденилилсульфата — высокоэкзергони - ческой реакции, способной повысить концентрацию ее фосфорилированного про-дукта как минимум на четыре порядка по сравнению с субстратом. Образующийся З'-фосфоаденилилсульфат способен выполнять роль транспортной модели и в ряде реакций сборки действует как донор сульфогрупп. После того как он выполнит свои обязанности, 3-фосфатная группа АМФ расщепляется. Полностью процесс выглядит следующим образом:
2АТФ + ЗОГ + V" >
-»• У—ЗОз" + АМФ АДФ + ФФн (2 Фн) + Фн.
Расход энергии составляет 42 ккал/г - моль.
Примеры акцепторного активирования можно наблюдать при синтезе жирных кислот, например в порфириновом кольце, а также в ряде реакций аминирования. В каждом случае акцептор в конечной сборочной реакции соединяется с карбоксильной (—СО—О-) или ацильной (—СО—Р—) группой, которая отделяется после сборки. Тем самым свободная энергия декарбоксилирования или дезацилирования добавляется к потенциалу отдаваемой группы для поддержания стоимости образования новой связи, как показано на приводимой ниже схеме.При синтезе жирных кислот донором является растущая ацильная цепь, а в роли носителя выступает белок-носитель (ацилпереносящий белок, АПБ), активная группа которого состоит из части молекулы кофермента А - Акцептор — малонил-АПБ, производное малонил-КоА, который активирован ацетил-КоА в реакции карбоксилирования (с помощью биотин-зависимого Уа-механизма, наподобие описанного на с. 157), как показано на схеме внизу.
Заметим, что конечным продуктом реакции сборки (р-кетоацил-АПБ на два углеродных атома длиннее, чем донор ацил - АПБ) выступает вещество, которое было бы получено при прямом переносе ацильной группы на ацетил-АПБ. Однако обычно такой реакции не происходит, так как потенциал переносимой ацильной группы в р-кетоацильном продукте намного выше, чем у тиоэфирного донора. Эта реакция происходит в живых клетках (с кофер - ментом А в качестве носителя), но в обратном направлении (тиолиз 0-кетоацил - КоА производного при посредничестве кофермента А), как часть процесса деградации жирных кислот. Путем карбоксилирования акцептора ацетил-АПБ за счет дополнительных 14 ккал/моль клетка снабжается дополнительной энергией, равной 6—8 ккал/г-моль. Этого достаточно для сдвига реакции в направлении сборки. Реакция заключается в наращивании цепочки к двууглеродному строительному блоку. После сокращения цепочки на две Р-кетогруппы процесс повторяется, чередуясь со стадиями редукции до тех пор, пока не будет построена вся цепочка Перед нами еще один пример роста цепочки с «головы» (с. 154—155).
Аналогичная стадия имеется И при построении порфиринового кольца, идуще го на формирование таких важных молекул, как гемоглобин, цитохромы (гл. 9) и хлорофиллы (гл. 10). В этом случае до-нором является сукцинил-КоА, акцептором — аминокислота глицин, которая в данной реакции ведет себя как метиламин (СНз—активированный в результате карбоксилирования (см. верхнюю схему на с. 163). В результате вырабатывается б-аминолевулиновая кислота — предшественник порфиринового кольца.
В реакциях аминирования, которые, за редким исключением, представляют собой невыгодные в термодинамическом плане реакции из-за низкой концентрации аммиака в клетках, последний заменяется в качестве акцептора глутамином (амидом глутаминовой кислоты), который образуется в результате типичного уd-двухступенчатого процесса, как мы видели раньше. В этих реакциях аминирования глутамин обладает свойствами молекулы аммиака,активированнои в результате ацилирования с глутаминовой кислотой (см. схему на с. 163).
В некоторых реакциях аминирования активированной формой аммиака является аспарагиновая кислота. Механизм реакций отличается от рассмотренного нами.
В заключение нашего короткого путешествия по биосинтетическим причудам клетки познакомимся с важнейшим представителем крайне редких процессов, зависящих от ар-атаки на АТФ (трансаденозилирование). Атакующим агентом здесь выступает метионин — аминокислота, ха-рактеризующаяся наличием тиометильной группы (—5—СНз). В данном случае атака осуществляется атомом серы, а не атомом кислорода. Кроме того, последующие реакции сборки включают в себя перенос не целой активированной молекулы, а толь-ко ее концевой метильной группы, которая оказывается легко переносимой из-за поло-жительного заряда, приобретенного атомом серы при аденозилировании. Неорганический трифосфат — другой продукт ар-атаки — образуется не сам по себе, а в результате гидролиза до неорганического фосфата и пирофосфата; последний затем расщепляется под влиянием пирофосфата - зы (см. схему на с. 163, внизу).
Этот процесс ответствен за многие важные реакции метилирования, в том числе и за относящиеся к нуклеиновым кислотам, что, как вы заметите, весьма дорого обходится клетке: почти 35 ккал/г-моль. Процесс начинается не с крахмала и метанола (СНзОН) в качестве строительного блока; источником метильной группы служит метионин. Последний восстанавливается из гомоцистеина; при этом донором метила является метилтетрагидрофолат (см. с. 157—158):


В этих реакциях некоторая часть НТФ переносится к конечному биосинтетическому акцептору. Переносимая группа берется от предшественника, обычно от Фн или НМФ; на нашей сводной двухступенчатой диаграмме он обозначен как строительный блок X—О-, предварительно активированный или включенный в НТФ с помощью центрального восстановительного механизма. Жертвуемая молекула НТФ обладает свойствами посредника —двуликого Януса.
Реакции, зависящие от переноса уа. НТФ, вовлеченный в эти реакции, почти всегда представлен молекулой АТФ и действует как НДФ-носитель, переносящий фосфорильную группу.Большая часть фосфора, содержащегося в природных веществах (это разнообразные группы, которые включают нуклеозидфосфаты, несколько коферментов, нуклеиновые кислоты, фосфолипиды и многочисленные метаболиты),, первым вступает в комбинации по такому типу реакции. Исключение составляют концевая фосфорильная группа самой молекулы АТФ, которая включается благодаря действию окфос-блока, и те случаи, когда неорганический фосфат атакует предсуществую - щую связь (фосфоролиз).
«Стоимость» биосинтетического преоб-разования уже установлена:
АОбиосинт — 14 ДОгндр (V —ф) .
Обычные фосфатные эфиры, в том числе и НМФ, имеют «физиологические» групповые потенциалы от —6 до —8 ккал/г-моль. Таким образом, потеря свободной энергии, связанная с их образованием, колеблется между 8 и 6 ккал/г-моль, что делает реакцию практически необратимой. Однако ряд других фосфатных компонентов имеют «физиологические» групповые потенциалы около —14 ккал/г-моль, что делает транс - фосфорилирование с участием АТФ легко обратимым (ДО ~ 0). Среди них — все НТФ и НДФ, которые, как мы уже видели, могут свободно подвергаться трансфосфорилированию с участием АТФ. Благодаря этим реакциям любые НМФ или НДФ, которые образуются, немедленно реактивируются в НТФ и готовы к участию в новом биосинтетическом процессе (см. выше). И напротив, в случае острой потребности АТФ, например в начале работы мышц, клетки могут обратиться за помощью к собственным молекулам НТФ и НДФ (в том числе, и к АТФ) для восстановления затраченных молекул АТФ путем обратимых реакций трансфосфорилирования. Но главная ответственность падает на другую группу высокоэнергетических соединений, называемых фосфогенами, для которых характерно наличие амидофосфатной связи. Фосфогеном позвоночных служит креатинфосфат, образующийся из креатина по уа типу реакций переноса фосфорильной группы от АТФ:
АТФ + Креатин « АДФ + Креатин ~ Ф.
Равновесие этой реакции благоприятствует образованию АТФ. Только при достаточно высоком соотношении концентраций АТФ и АДФ, что, например.наблюдается в клетках, не подверженных энергетическому стрессу, происходит сдвиг реакции слева направо: запас креатин - фосфата восстанавливается. Как только начинается потребление АТФ и уровень АДФ поднимается, направление реакции изменяется справа налево и креатинфосфат служит для восстановления АТФ из АДФ. Это позволяет клетке продержаться до того времени, пока окфос-блок' не заработает в полную силу.
Ферменты, катализирующие уа-реакции трансфосфорилирования из АТФ, называются фосфокиназами или просто киназами . Помимо участия во многих биосинтетических процессах и в кругообороте энергии фосфокиназы также выполняют важную роль в качестве инициаторов катаболических реакций. Именно в этих реакциях установили их существование, после чего было обнаружено, что перед поступлением в гликолизную цепь глюкоза должна быть активирована «гексокиназой» (см. гл. 7).
Имеется также особая группа фосфокиназ, действующих на белки. Они управляют рядом регуляторных процессов, включая ответственные за деление клеток, и поэтому могут быть вовлечены в процесс беспорядочного размножения раковых клеток.
Реакции, зависящие от Ра-переноса. НТФ, принимающий участие в этом редком типе реакций, выступает как НМФ-носитель, несущий пирофосфорильную группу (предварительно отделенную от Фн и активированную с помощью центрального восстановительного механизма):К числу важнейших акцепторов фос - форильной группы относится тиамин, или витамин В1 — первый среди всех обнаруженных витаминов. Тиаминпирофосфат (ТПФ) является очень важным коферментом в реакциях декарбоксилирования. Чтобы отделить от Фн пирофосфорильную группу, требуется 28 ккал. Часть этой энергии запасается в ТПФ и высвобождается только после гидролиза группы ФФ. Однако между свободной энергией гидролиза пирофосфатной связи, связывающей ФФ с АМФ в АТФ, и энергией присоединения эфира к тиамину в ТПФ имеется существенная разница. Она составляет от —8 до —10 ккал/г-моль. Этого вполне достаточно, чтобы сделать транспирофосфорилирование полностью необратимым.
Реакции, зависящие от рр-переноса. НТФ здесь представлен активированной группой НМФ, связанной с пирофосфат - ным носителем, как показано в верхней части приводимой ниже схемы. Энергетический вклад пирофосфатазы делается на начальной стадии реакции переноса, поэтому для формирования связи НМФ—У имеется около 28 ккал/г-моль.
Большинство процессов, при которых происходит включение нуклеотидильных групп в стабильные продукты биосинтеза, протекают по типу рр транснуклеотидилирования. К ним относятся фундаментальные процессы образования РНК и ДНК, а также реакции, протекающие в процессе синтеза НАД и других коферментов, таких, как НАДФ, ФАД, и кофермента А (см. с. 158—159); все они также содержат АМФ. Аденилирование играет важную роль в регуляции некоторых ферментных белков.
В отдельных самоатакующих вариациях реакций Рр-переноса атакующим веществом является внутренняя З'-гидроксильная группа самой переносимой нуклеотидильной группы. Важнейшая реакция такого рода, катализируемая аденилатциклазой, приводит к образованию 3' 5'-циклического АМФ (цАМФ), важного внутриклеточного медиатора действия гормонов:Реакции этого класса подчиняются основным правилам последовательного переноса групп. Они либо катализируются одним ферментом лигазного типа и затем проходят путь посредника Януса, связанного с ферментом, либо переносятся с по-мощью двул различных ферментов, нередко физически отделенных друг от друга. Янус переносит группу X с места активации к месту сборки вместе с группой от активированного НТФ, выступающей в качестве носителя в комбинации с атомом кислорода, отобранным от строительного блока X—V-.
Реакции, зависящие от уд-переноса Они протекают с участием НТФ в качестве носителя группы X в составе посредни ка Януса:
В ряде таких реакций строительный блок X—О" представлен карбоновой кислотой и в роли двуликого посредника выступает соответствующий ацилфосфат:
Такие соединения обычно нестабильны. Кроме того, подобно многим ангидридам — веществам, образующимся при дегидрата - ционном конденсировании двух кислот, — они являются высокоэнергетическими, с групповыми потенциалами, имеющими величину, сравнимую с величиной потенциала у-связи пирофосфата (ангидрид фосфорной кислоты) в молекулах НТФ. Это препятствие можно устранить с помощью ферментов типа лигаз. В таких случаях АТФ выступает в роли стандартного поставщика энергии, а лигазы являются АДФ-образующими (не путать с АМФ-образующими лигазами, которые нам встретятся при рассмотрении реакций, снабжаемых энергией р-связи).
Конечными акцепторами активированной ацильной группы часто выступают аммиак (МН3) или первичные аминогруппы (К—Г^Ня). Образующаяся при этом амидная связь (—СО—ЫН—) имеет сравнительно низкую «физиологическую» свободную энергию гидролиза, от —6 до —8 ккал/г-моль. Таким образом, процесс в целом является достаточно экзергони - ческим, а потому и необратимым. Синтез аспарагина из аспарагиновои кислоты, а глутамина — из глутаминовой кислоты (см. гл. 2) и трипептида глутатиона из глутаминовой кислоты, цистеина и глицина — все это примеры двухступенчатого согласованного механизма, использующего энергию уа-связи. То же можно сказать и о синтезе производных карбамоила (К—СО—ЫНг), к которым относятся промежуточные продукты, образующиеся при синтезе аминокислоты аргинина, а также мочевины и пиримидиновых оснований. Но эта реакция представляет для нас интерес своей особенностью: активация и сборка катализируются двумя различными ферментами, связанными со свободно циркулирующим посредником Янусом, карба - моилфосфатом. Термодинамическая сложность, возникающая на пути такого механизма, преодолевается в ходе согласованного процесса, посредством которого карбамат — субстрат на стадии активации — образуется в виде связанного с ферментоу продукта конденсации бикарбоната с аммиаком. Этот процесс также катализируется посредством двухступенчатого уа-механизма. Таким образом, перед нами цепь двух последовательных уа-двухступенчатых механизмов. Первые три реакции катализируются одним трифункциональным фер-ментом — карбамоилфосфатсинтетазой, при участии двух нестабильных связанных ферментом посредников (они указаны внутри скобок в последовательности реакций в верхней части схемы): карбоксилфосфа - та, продукта Януса, получаемого в результате первой активации, и карбамата, продукта первой стадии сборки, который затем становится субстратом при вторичной активации. Вторая стадия сборки (пунктирные стрелки) катализируется отдельным ферментом.
На образование низкоэнергетической амидной связи карбамата и высокоэнергетической связи его ангидрида с фосфорной кислотой затрачиваются две у-связи, или 28 ккал/г-моль, что в сумме составляет 20—22 ккал/г-моль. Весь процесс в сильной степени экзергонический благодаря запасам энергии в связанном с ферментами карбамате. То же относится и к последующему переносу карбамоильной группы, к ее биосинтетическому акцептору, в результате которого она переводится с высокого уровня группового потенциала на низкий.
Иногда конечный продукт двухступенчатой уа-реакции, X—V, сам по себе является высокоэнергетическим соединением, например тиоэфир (характеризующийся связью —СО—5). В этом случае процесс легко обратим и может также способствовать образованию НТФ из соответствую-щего НДФ и Фн за счет расщепления связи X—У:
Реакции такого типа играют важную УДФ — О — роль в действии некоторых окфос-блоков на субстратном уровне, в которых тиоэфир - ная связь образуется за счет окислительного конденсирования Р1—5Н-тиола с аль - ™ дегидом (К—СН=0):
Добавив эти две реакции, получим полную картину окисления альдегида до соответствующей кислоты с сопряженным образованием НТФ. Этот процесс протекает в окфос-блоке гликолитической цепи (гл. 7):
В другом окфос-блоке на субстратном уровне окисляемым субстратом является а-кетокислота, которая в подобной окислительной комбинации с тиолом образует тиоэфир и побочный продукт декарбокси - лирования:
В этих реакциях К1—ЗН-тиол играет каталитическую роль в процессе сопряжения. Тиоэфир является промежуточным продуктом очень редкого типа. Он способен выполнять функции преобразователя электронсвязанной энергии и энергии, связанной с группами, и может образовываться за счет той или другой энергии
Реакции, зависящие от псевдо-ур-переноса. При синтезе гликогена, разветвленного древовидного полимера, состоящего из тысяч молекул глюкозы (см. гл. 2 и 7), активированные гликозильные единицы переносятся на концы растущих ветвей («рост с хвоста», см. с. 155) с УДФ в качестве носителя:
Этот пример может служить образцом синтеза углеводов, независимо от того, являются ли они дисахаридами, олигоса - харидными боковыми цепочками глико - протеинов и гликолипидов или полисахаридами. Всякий раз активированные молекулы Сахаров передаются акцептору с помощью НДФ, который, в зависимости от природы сахара, может быть представлен УДФ, АДФ, ГДФ или ЦДФ. Перенос осуществляется непосредственно до конечного биосинтетического акцептора, как при синтезе гликогена, или с помощью жиро-растворимого носителя долихилмоно - или дифосфата, как при некоторых реакциях гликозилирования, которые происходят в эндоплазматическом ретикулуме (гл. 6). НДФ-носители действуют как «рукоятки». Например, молекула глюкозы претерпевает ряд метаболических трансформаций в процессе прикрепления к УДФ.
Любопытно, что структура НДФ-саха - ров полностью соответствует структуре, которую можно ожидать для посредников, образующихся при ур-переносе (перенос НДФ) на свободную молекулу сахара:
НТФ + Сахар *- НДФ—Сахар + Фн.
Однако природа пошла не по этому
пути. На самом деле НДФ-сахара образуются за счет рр-переноса с участием гликозилфосфата в качестве акцептора. Сам гликозилфосфат образуется непосредственно или косвенно в результате у<)- трансфосфорилирования из атф, как показано в приводимой выше схеме.
Обратите внимание на двойственный характер двуликого посредника Януса. В начальной стадии своего образования он имеет два лица — НМФ-ное и гликозил - фосфорильное. При реакциях сборки с ним происходит метаморфоза и он превращается в молекулу с НДФ-иловым и гликозиловым ликами. Из-за гидролиза ФФн каждая гликозильная часть (6—8 ккал/г-моль) «стоит» двух у-связей или 28 ккал/г-моль, что вдвое дороже по сравнению со стоимостью простого двухступенчатого ур-механизма. Почему природа не воспользовалась последним путем, остается только гадать. Быть может, не представлялось такой возможности, а быть может, такой путь имеет недостатки, которые мы не замечаем.
Реакции, зависящие от Bd-переноса. В этих очень редких реакциях пирофосфат является носителем групп X в посреднике Янусе, как показано на схеме.Общее количество энергии, расходуемой на синтез X—V, 28 ккал/г-моль. Однако большая ее часть может оставаться в двуликом промежуточном продукте, поскольку это стадия сборки, которая выигрывает от низких концентраций ФФн, образующихся в результате действия пиро - фосфатазы. Эти процессы отличаются от Рр-механизма (см. ниже).
Важнейший X—О - строительный блок Ра двухступенчатых реакций — 5-фосфорибоза, молекула, остающаяся при гидролизе пуринового или пиримидинового оснований и мононуклеотида. Перестройка некоторых мононуклеотидов может происходить согласно типичному Ра-двухступенчатому механизму с участием фосфорибозилпиро - фосфата (ФРПФ) в качестве посредника Януса. Например, гуанин может объеди-ниться с 5-фосфорибозой и образовать ГМФ, как показано выше.
Такое «спасение» оснований — только одна из функций ФРПФ. Кроме того, он является промежуточным продуктом при синтезе аминокислот гистидина и триптофана, а также тех, которые имеют пури - новое кольцо.
Другим ключевым промежуточным продуктом, имеющим структуру X—О—ФФ, является изопентенилпирофосфат — предшественник важных жирорастворимых молекул, в том числе хиноновых электронных переносчиков (см. гл. 9 и 10), а также витаминов А, Э, Е и К, стеролов и стероидов, каротиноидов, терпеноидов, латекса (резины), эфирных масел и многих других веществ из группы изопреновых:
Это важное вещество образуется не в результате Ра-пирофосфатного переноса, а путем сложного механизма, включающего два уа-фосфорильных переноса. Иными словами, здесь мы сталкиваемся с псевдо - в-механизмом. В совокупности с подлинным механизмом он оказывает дополнительную энергетическую поддержку на стадии сборки благодаря действию пирофосфатазы и заслуживает того, чтобы мы его здесь рассмотрели.
Как правило, две или больше 5-угле - родных единиц объединяются вместе с высбождением неорганического пирофосфата; этот процесс происходит при помощи повторяющегося механизма переноса, при котором конечный атом углерода изопен - тилпирофосфата является акцептором, а растущая цепь — переносимой группой (см. приводимую ниже схему реакций). Перед нами типичный пример «роста с головы» удлиняющейся цепочки. Синтез жирных кислот (см. с. 161) и белка происходит по-другому. Характерная черта данных механизмов заключается в том, что «двуглавый» продукт реакции активации сначала выступает в роли акцептора части цепочки, которая уже почти закончила свой рост, а затем выполняет функции группового донора. Если же рост происходит с хвоста, «двуглавый» промежуточный продукт сразу же отдает группу растущей цепочке.Этот процесс наблюдали при синтезе полисахаридов.Здесь мы рассматриваем, вероятно, наиболее широко распространенный биосинтетический механизм.Он происходит согласно следующей схеме с участием НМФ—О—X в качестве промежуточного продукта:Преимущество этого механизма заключается в том, что он полностью обладает силой р-связи (до 28 ккал/г-моль), т. е. энергией, необходимой для активации. Получающиеся в результате промежуточные вещества часто представляют собой нестабильные молекулярные соединения, которые остаются связанными с ферментами. Активация и сборка катализируются в отработанной последовательности с помощью единственного фермента. Эти лигазы используют АТФ в качестве энергетического донора, как это делают АДФ - образующие лигазы, которые катализируют подобные согласованные реакции, снабжаемые энергией от у-связи (см. с. 150). К важным ферментам этой группы принадлежит ДНК-лигаза — один из основных агентов, участвующих в синтезе ДНК - Ряд других биосинтетических процессов осуществляется с помощью АМФ-образую - щих лигаз.
Для некоторых двухступенчатых процессов, зависящих от рр-переноса, требуется участие двух отдельных ферментов, связанных стабильным промежуточным продуктом, в котором активированная группа X переносится НМФ-ностелем. Напомним, что таким образом образуются НДФ-сахара, хотя при сборке они ведут себя несколько иначе. Более ортодоксальные промежуточные, продукты этого же класса образуются при рр-переносе между ЦТФ и различными фосфорилированными строительными блоками, используемыми при синтезе фосфолипидов, в том числе фосфатидных кислот, фосфорилхолина, фосфорилэтаноламина. Эти соединения имеют структуру ЦДФ—К и таким образом обозначаются (например, ЦДФ-холин). Однако в отличие от НДФ-сахаров они не выступают в роли К-доноров при последующей сборке, а продолжают вести себя как промежуточные продукты, внешне выглядящие как ЦМФ и К-фосфорил, как показано на схеме.











У древних римлян было божество по имени Янус — в честь него назван месяц январь. Янус был двуликим — одно его лицо обращено в прошлое, другое — в будущее. Биохимия открыла своего Януса в качестве связующего демона биосинтеза. Он образуется в результате нуклеофильной атаки кислородсодержащего строительного блока (X—ОН или X—О" ) на АТФ или какую-либо родственную богатую энергией молекулу, которую мы обозначим условно А—В, чтобы не вдаваться в дебри химии. Атака начинается атомом кислорода:В этой реакции осуществляется перенос радикала В+ (группы В) от А—В к X—О-.Двойственный характер структуры В—О—X объясняется тем, что она может также участвовать в переносе радикала Х+ (группы X), например при атаке со стороны строительного блока У—Н или У-:Теперь посмотрим, что происходит, когда две реакции протекают одна за другой.Мы наблюдаем гидролиз А—В и дегид-ратационное конденсирование X—У. Но воды в этой реакции нигде нет. Она переносится в скрытой форме от X—ОН к В—ОН центральным атомом кислорода Януса, когда происходит (в большей или меньшей степени) возврат группового потенциала от А—В в связь X—У. Таким образом, Янус выполняет роль передатчика связанной с группой энергии и носителя скрытой воды; образно говоря, это Меркурий и Аквариус в одном лице, если позволительна такая вольность в отношении мифологии.
Этот механизм можно подтвердить экспериментально, добавив к клеткам молекулы X—ОН, меченные тяжелым изотопом — кислородом 18 О, и проанализировав продукты реакции на масс-спектрографе. 18 О обнаруживается в В—ОН, а не в воде, как можно было бы ожидать, если бы реакция представляла собой обычное дигидратационное конденсирование.
Таков многоликий механизм биосинтеза. Но суть его всегда заключается в после довательном транспорте групп, связанных двуликим промежуточным звеном (посредником). Характерные анатомические черты посредника — две способные к переносу группы, связанные центральным атомом кислорода. При приближении к ним слева можно увидеть богатую энергией группу В, связанную с носителем X—О-. При приближении справа вполне убедительно покажется, что группа X предлагается носителем В—О-.
Согласно этой общей схеме, биосинтез всегда происходит как минимум в два этапа, объединенных Янусом. Первый этап, зависящий от какого-либо типа переноса групп от энергетического донора (АТФ или другой родственной молекулы), необходим для того, чтобы поднять группу X с нулевого энергетического уровня (X—ОН) на вы-сокоэнергетический уровень, который она занимает в Янусе. Этот этап называется активацией. Второй, заключительный этап или сборка, во время которого группа X переносится к ее естественному акцептору У, сопровождается понижением уровня активации с высокоэнергетического до уровня X—У.
В одном из вариантов этого основного двухэтапного механизма, имеющем важное значение, Янус жертвует свою активированную группу носителю, который сам переносит ее к конечному биосинтетическому акцептору, как показано ниже в последовательности реакций.
В таком трехэтапном механизме группа X, в комбинации с носителем, остается на сравнительно высоком энергетическом уровне, оставляя основную часть энергии для последнего этапа сборки (см. выше), что вполне соответствует процессу, который приводит к образованию стабильного продукта. Таким образом, работа клетки во многом напоминает работу носителя, который сначала поднимает строительные материалы вверх с помощью подъемного крана, затем передвигает их вокруг в горизонтальном направлении и только после этого опускает на место.
В ряде случаев активация и сборка осуществляются ферментом, затем катализирующим какой-то согласованный процесс, в котором Янус остается связанным с ферментом. Такие бифункциональные ферменты называются синтетазами или лигазами (лат. Идаге — связывать). Без них многие биосинтетические процессы были бы неэффективными или вовсе бы не происходили. Промежуточные продукты часто представляют собой крайне нестабильные молекулы, которые не в состоянии долго существовать в одиночку. Нередко они являются соединениями с таким высоким групповым потенциалом, что не могут с помощью сопряженного расщепления донорской группы А—В, единственного источника энергии, образовываться в концентрациях, достаточно высоких для их эффективного распространения между двумя физически разобщенными ферментами. Посредники связаны с ферментами и стратегически располагаются таким образом, чтобы их можно было немедленно захватить в процессе экзергонической сборки. Такое расположение помогает преодолеть трудности описанного процесса.
С другой стороны, зачастую для клетки важно, а иногда даже необходимо, чтобы два этапа синтеза происходили на разных участках. Активация требует затрат энергии и участия АТФ; обычно она происходит в цитозоле или каком-нибудь участке, тесно связанном с цитозолем и снабженном молекулами АТФ, например на цитозольной стороне мембраны. Что же касается сборки, то она во многом зависит от получения информации, которая легко обеспечивается структурным субстратом, например рибосомами при синтезе белка или нуклеиновыми кислотами в хромосомах. Другое преимущество поэтапного физического разделения заключается в том, что при этом обеспечивается централизация. Одной-единственной реакции активации достаточно для каждой группы X, чтобы затем ее можно было перенести в готовой к утилизации форме к любому количеству участков сборки. На самом же деле экономия энергии еще больше: клетка часто использует этап транспортировки для модификации или какого-либо изменения группы X, так что энергия от одной реакции может питать несколько биосинтетических блоков для химической модификации каждого из них.
Когда сборка отделена от активации, требуется стабильная транспортная форма активированного строительного блока; вот почему этап активации должен быть достаточно экзергоническим сам по себе, чтобы производить достаточные концентрации вещества. Этим требованиям отвечают некоторые посредники Януса; их часть В—О - выступает в качестве носителя группы X. В других случаях требования удовлетворяются благодаря специфическим носителям. Почти неизменно в таких случаях активация строительных блоков и их прикрепление к носителю совершаются одним ферментом типа лигазы, а несколько важных коферментов являются носителями групп.
Роль активации как предпосылки метаболического процесса не ограничивается биосинтезом. На самом деле значительная часть метаболизма требует прежде всего активации субстрата. Это характерно так-же для многих катаболических реакций, как мы могли убедиться на примере гликолиза. Таким образом, носители групп служат своего рода «рукоятками», посредством которых присоединенные молекулы представляются модифицирующим ферментом.
Но вот наконец настало время облечь схематические абстракции в химическую плоть. Готовясь к нашему путешествию, мы всячески старались избегать химических тонкостей. Но есть предел тому, что можно понять в основополагающем механизме химии без знания химического языка. Те, для кого следующая часть нашего путешествия покажется слишком сложной, не должны терять самообладания. Даже если они во многом пропустят ее, то позже смогут при-соединиться к нам без особого труда. Те же из вас, кто имеет лучшую подготовку по биохимии, надеюсь, получат удовольствие от путешествия и, возможно, с высоты птичьего полета смогут по-новому взглянуть на биосинтез. Итак, приглашаем последовать за нами.

Добро пожаловать в интересный мир молекул и клеток



Разделы сайта
 Рейтинг@Mail.ru
Календарь обновлений
«    Март 2016    »
ПнВтСрЧтПтСбВс
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
 
Архив новостей
Облако тегов
Популярные новости
Наш опрос