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.

Митохондрии растут и делятся так, как этого следует ожидать от симбиотических микроорганизмов. Однако в отличие от их предполагаемых бактериальных предшественников они вряд ли производят хотя бы один из своих компонентов. Большинство митохондриальных белков синтезируется в экстрамитохондриальной цитоплазме согласно приказам, посылаемым из ядра. Но, каким образом белки направляются в митохондрии и проходят через два слоя мембраны митохондрий, еще далеко не ясно.
С определенностью можно сказать, что это происходит не так, как у бактерий. Бактерии сами производят белки с помощью своих рибосом, считывая информацию с генов. Казалось бы, симбиотические потомки должны были последовать примеру своих далеких предков. Поскольку это не так, значит, мы должны отвергнуть симбиотическую теорию происхождения митохондрий. Но не обязательно, так как митохондрии не полностью контролируются генами ядра. У них имеется собственная генетическая система, очень примитивная и рудиментарная, кодирующая только небольшое количество белков. Но все же она цельная, законченная, содержит ДНК, а также все другие структуры, необходимые для репликации, транскрипции и трансляции генетической информации. Эта система функционирует, что проявляется в синтезе некоторых специфических митохондриальных белков, например части комплекса цитохромоксидазы. Она даже может подвергаться мутациям, которые поэтому передаются цитоплазмой, а не ядром, согласно обычному менделевскому хромосомному механизму. Типичный пример наследственных изменений, затрагивающих митохондриальную ДНК, — так называемая «реtitе» мутация дрожжей.
Удивительно другое: система митохондриального генетического аппарата имеет типичные черты бактерий. ДНК кольцевая, напоминающая бактериальную ДНК. Рибосомы меньше цитоплазматических и почти таких же размеров, как бактериальные. Их способность синтезировать белки блокируется антибиотиком хлорамфениколом, ингибитором синтеза белка бактерий, но не синтеза белка эукариотов; на синтез белка не влияет циклогексимид — ингибитор белкового синтеза эукариотов, который также неактивен у бактерий. И, что самое поразительное, митохондрии даже не «разговаривают» на языке, свойственном всей остальной клетке; у них несколько иной генетический код.
Таковы несколько причин, в силу которых многие ученые верят в происхождение митохондрий от каких-то далеких прокариотических предков, которые были «усыновлены» эндосимбиотическим путем. В процессе длительной интеграции они постепенно утеряли контроль над собственной судьбой, но все же умудрились сохранить определенные признаки своей ранее существовавшей автономии, которые пронесли без изменения в ходе длительного, изнуряющего процесса эволюции. Они в какой-то степени проливают свет на исторические события необычайной важности,которые происходили более миллиарда лет назад. События эти могли бы навсегда остаться погребенными во мраке прошлого, если бы не митохондрии-«сплетники». Однако взгляды на раскрытие тайн расходятся, и эти явления интерпретируются разными учеными по-разному.

Митохондриальные энергетические преобразователи располагаются исключительно внутри розового, складчатого «футляра», который образует внутреннюю мембрану телец. Это очень тонкая оболочка толщиной 7 при нашем увеличении в миллион раз она составит чуть больше 60 мм. Снаружи она гладкая, а изнутри покрыта мелкими узелками. Узелки имеют в диаметре около 9 им (что составляет примерно 80 мм при увеличении в миллион раз) и прикрепляются к мембране короткими, узкими стволиками, отчего внутренняя сторона мембраны похожа на поверхность, покрытую крошечными грибами.Для дальнейшего исследования нам потребуется наше молекулярное увеличительное стекло. Вид, который открывается с его помощью, поистине удивителен; это один из величайших шедевров молекулярной инженерии. Вся поверхность мембраны покрыта микросферами; каждая из них состоит из 15—20 различных видов электронных носителей, объединенных для обеспечения необходимого электронного переноса. В одном-единственном теле митохондрий может существовать почти 100 000 таких микросфер.
Эти микросферы, обычно называемые дыхательными цепочками, включают набор различных молекул. Наиболее известные среди них — флавины и гемы. Флавины — удивительный класс зеленовато-желтых пигментов, образованных из рибофлавина, или витамина Вг. Наиболее важными флавиновыми производными являются флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид (ФАД). Их основное свойство заключается в способности выступать в роли носителей водорода. Таким образом, они служат коферментами для многочисленных фла - виновых дегидрогеназ.
Гемы близкие родственники хлорофиллов, зеленых фотосинтетических пигментов, с которыми их роднит одно характерное свойство: наличие порфиринового ядра — плоской, дискообразной молекулы, состоящей из четырех пиррольных колец, связанных метеновыми (—СН=) мостиками. В центре диска имеется отверстие, окруженное электронами четырех резонирующих атомов азота. Если мы поместим в отверстие ион магния, то получим молекулу хлорофилла. При замене иона магния на ион железа получится гем Благодаря свойству железа принимать форму двухвалентного (Ре2+) или трехвалентного (Ре3+) иона гем представляет собой электронный носитель:
Гем—Ре2+ ^ Гем—Ре3+ + е~.
В комбинации с белками гемы образуют целый набор «доспехов», состоящий из разноцветных молекул с оттенками от кроваво-красного до горохово-зеленого. Все они в той или иной степени участвуют в утилизации кислорода. Наиболее известная функция заключается в доставке кислоро-да, который переносится красным кровяным пигментом — гемоглобином. В дыхательной цепочке гемопротеиды представлены рядом цитохромов, названных так из-за того, что они были обнаружены среди самых первых пигментов, постоянно присутствующих в клетках.
Помимо двух упомянутых главных классов переносчиков электронов дыхательная цепь содержит дифенолы, которые окисляются до соответствующих хинонов,железосерные белки, в которых ионы, несущие электроны, заключены в оболочке сульфгидрильных групп, связанные с белками ионы меди и, возможно, другие компоненты. Отметим (как тему для дальнейшего обсуждения), что одни из этих молекул выступают непосредственно как электронные носители (гемопротеиды и металлопротеиды), тогда как другие переносят атомы водорода (т. е. электроны в комбинации с протонами).
Внутри каждой дыхательной микросферы эти различные молекулы организованы таким образом, что могут работать как высокоэффективные «сборочные бригады» электронов. Это означает прежде всего, что они построены в виде нисходящих электронных потенциалов, поэтому электроны могут легко падать от одного компонента к другому. Кроме того, они ориентированы друг к другу так, чтобы их активные центры могли легко обмениваться электронами с партнерами по обеим сторонам; для достижения необходимых контактов достаточно только малейших изменений положения, вызванных тепловыми колебаниями и вращениями. И наконец, они должны подходить к соответствующим входным и выходным отверстиям. Как мы увидим, главный вход обеспечивается флавопротеидным ферментом, который переносит электроны от матричной НАДН к верхней части дыхательной цепи. На более низких энергетических уровнях существуют несколько вторичных вводов. Главное выводное отверстие ведет к кислороду через сложный комплекс цитохромов и меди, известный в настоящее время как цитохромоксидазы, но первоначально названный его первооткрывателем, немецким биохимиком Ото Варбургом, дыхательный фермент. Нам это название представляется наиболее подходящим, поскольку большая часть кислорода, потребляемого для дыхания, в биосфере ис-пользуется благодаря данному ферменту.
Для сборки такой электронно-транспортной цепи требуется большое искусство. И все же эти архитектурные ухищрения кажутся почти тривиальными по сравнению с некоторыми другими свойствами дыхательной цепи, так как микросферы являются не только электронными проводниками. Они также проводники энергии, организованные таким образом, чтобы улавливать энергию, излучаемую электронами по мере их падения к кислороду, и тем самым подготовить их к использованию в биологической работе с АТФ. Другими словами, в микросферах содержатся окфос-блоки.
Это вносит два дополнительных условия в их устройство. Во-первых, потенциал носителей должен быть сбалансирован таким образом, чтобы обеспечить необходимое падение электронов. Вспомним: для производства парой электронов энергии, достаточной для поддержания синтеза молекул АТФ, электроны должны упасть вниз с разностью потенциалов как минимум 300 мВ. Во-вторых, электроны, претерпевающие такие падения, должны подчиняться условиям, так или иначе связывающим их поток с синтезом АТФ. Такая же картина наблюдается при прохождении потока воды через гидротурбину, в результате чего вырабатывается электричество.
Первое условие обеспечивается весьма умело и эффективно. На пути движения электронов имеется по крайней мере три окфос-блока или фосфорилирующих участка, объединенных вместе. Это так называемые участки I, II и III, разделенные плат формами, которые мы обозначим как уровни НАДН, Ь — Начнем с рассмотрения уровня с. Он получил название от цитохрома с, своего основного компонента. Среди веществ, способных отдавать электроны в цепь на этом уровне, имеется аскорбиновая кислота, или витамин С—'вещество, содержащееся в свежих фруктах и овощах и пред-отвращающее развитие цинги — обычной болезни мореплавателей в прошлом. (Слово «аскорбиновая» произошло от сочетания греческой приставки «а», означающей «нет», и английского слова зсогЬи! — цинга.) Не ясно, связано ли противоцинготное свойство витамина С непосредственно с его способностью отдавать электроны, хотя и не исключено, что это осуществляется каким-то особым путем. Однако в лабораторных экспериментах аскорбиновая кослота взаимодействует с митохондриями на с-уровне, и это позволило выявить окфос-блок на участке III, когда обнаружилось, что одна молекула АТФ синтезируется для каждой пары электронов, перенесенной с аскорбиновой кислоты на кислород
Подход к участку II осуществляется через Ь — Q-уровень, названный так потому, что в нем находятся одновременно цитохром Ь и кофермент С, или убихинон — электронный носитель хинонового типа. С уровнем Ь — С? связано несколько ФАД-зависимых флавопротеидов: они служат входными отверстиями для электронов, поступающих от определенных метаболических субстратов, таких, как янтарная кислота — промежуточный продукт цикла Кребса и жирные производные ацилкофермента А — активированные формы жирных кислот. Когда пара электронов поступает на этот уровень, она падает вниз через два последовательных окфос-блока. При этом образуются две молекулы АТФ.
Уровень НАДН занят специфическим флавопротеидом, который переносит электроны от НАДН на участок I фосфорилирования. Для каждой электронной пары, поступающей на этот уровень и собираемой кислородом на дне, синтезируется всего три молекулы АТФ. НАД+ сам по себе служит электронным акцептором в бесчисленном ряде реакций. Таким образом, в этот поток направляется большинство катаболических электронов у аэробных организмов.
Эффективность этих митохондриальных трансформаторов поистине удивительна. При участии НАДН, выступающего в роли донора электронов, свыше 85% свободной энергии окисления восстанавливается в виде АТФ: ЗХ 14=42 ккал на пару электрон - эквивалентов из общей суммы 49. При участии ФАДН2 эффективность ' несколько меньше, но все же значительна и составляет 2X14=28 ккал на пару электрон-эквивалентов из 37, или 76%.
В сочетании с высокой эффективностью реакций холодного сгорания общая эффективность процесса достигает 80%. Эту величину легко рассчитать по данным, приведенным в табл. 4. А данные эти просто ошеломляют! С ними не идут в сравнение никакие источники энергии, созданные руками человека. Они отражают удивительное свойство энергетических преобразователей, заключенных в микросферах внутренней мембраны митохондрий.
Механизм работы этих преобразователей занимал умы лучших исследователей более трех десятков лет. По мнению английского ученого Питера Митчелла, родоначальника широко распространенной хемиосмотической теории, все дело в движущей протоны силе. Эта проблема для туристов представляет исключительную трудность, но все же попытаемся к ней приблизиться. Ибо, как нам станет ясно из гл. 10, это один из центральных механизмов жизни, а потому его рассмотрение стоит затраты дополнительных усилий.

Групповой перенос — основа биосинтеза. Его проявления бесконечно разнообразны и часто крайне запутаны, но главный принцип удивительно прост. По существу он заключается в переносе химического радикала или группы от донора к акцептору,где буквами А, В и С обозначен вид молекулярных группировок, в частности В — переносимая группа. Как видно из схемы, в групповой перенос вовлечены некоторые виды неустойчивых триад промежуточных продуктов (они показаны внутри скобок), в которых одна группа временно принадлежит бывшему и настоящему партнерам. Это типичный пример извечного треугольника на молекулярном уровне: А—В представляют собой достаточно счастливую пару до появления С, который после некоторого непонятного обмена партнерами уводит с собой В. В соответствии с той злодейской ролью, которую в данном случае играет С, подобную реакцию можно представить как нападение С на В или как лизис (расщепление) группы А—В под влиянием группы С. (Пример: гидролиз, при котором вода выступает в качестве атакующего агента.) Жертва атаки, А, называется остаточной группой. Если реакция протекает справа налево, то группы меняются ролями: А является атакующей группой или литическим агентом, а С — остаточной группой. И в том, и в другом случае происходит перенос В, что позволяет считать термин «перенос» наиболее удачным для обозначения этого процесса.
Чтобы подобного рода драма могла произойти среди людей, необходимы два условия. Во-первых, ее участников должны связывать интимные отношения. Во-вторых, В должен иметь большую склонность или сродство к С, чем к А, что делает связь В—С более прочной, чем А—В. Если помнить о дистанции, отделяющей мир человека от мира молекул, то окажется, что реакции переноса групп подчиняются тем же двум условиям.
Первое из них — кинетическое условие реакции. Обычно требуется участие специфического фермента или трансферазы, способствующих достаточно тесному контакту А—В с С (или В—С с А), с тем чтобы появилась возможность дестабилизации существующей связи и образования промежуточного продукта, состоящего из трех составных частей. В клетках содержатся сотни таких групповых трансфераз. Вместе с электронными трансферазами они составляют более 90% общего количества ферментов в живом организме.
Вторым условием является термодинамика. Если связь В—С сильнее, чем А—В, для разрыва связи В—С необходимо приложить больше усилий, чем для А—В. Это означает что при связывании В с С теряется больше свободной энергии, чем при связывании В с А. Поэтому на энергетической шкале группа В в связи В—С распологается ниже, чем в А—В, и при первой возможности упадет на еще более низкий уровень. То же можно сказать и о человеческих отношениях: проникнувшись чувством к одному человеку, мы не гарантированы от того, что не влюбимся в большей степени в другого. Но в мире молекул важна не только сила двух связей. Относительное содержание четырех участников (А—В, С, А и В—С) также очень важно. Молекулярные «супружеские неверности» — массовые события, вовлекающие множество участников. Связь, способная устоять перед десятком атакующих групп, не выдержит штурма 10 000 групп из-за влияния концентрации на силу химических реакций.
Большинство переносчиков биологических групп действуют согласно механизму так называемой нуклеофильной атаки; это означает, что атакующий агент обладает сродством к положительно заряженным радикалам (ядро атома заряжено положительно). Электрофильные атаки встречаются реже, если не считать наиболее ярко выраженной формы — электронного транспорта.
Нуклеофильные атаки обычно осуществляются отрицательно заряженными ионами или их протонированными двойниками.Если имеются протонированные агенты то происходит обмен протонов со средой, как при электронном переносе:В обеих формулах нестабильный тройственный промежуточный продукт имеет одинаковую структуру. Он состоит из двух отрицательно заряженных групп, соперничающих между собой за право обмена электронной парой с таким же положительно заряженным радикалом В+:Победителем, как мы уже видели, окажется тот, кто свяжется с группой на более низком энергетическом уровне. Очень важно знать энергетический уровень, занимаемый данной группой в ее различных положениях; не менее важно знать и энергетический уровень, занимаемый электронами, поскольку в данном случае можно предсказать спонтанные направления группового переноса между любыми двумя партнерами и одновременно рассчитать максимальное количество работы, которое может быть совершено при этом переносе (что является в то же время и минимумом, который необходим для того, чтобы реакция переноса пошла в обратном направлении) .Наиболее удобным способом оценки энергетического уровня переносимых групп в данной комбинации представляется определение ее свободной энергии гидролиза АОгидр, т. е. свободной энергии, высвобождаемой при атаке группы со стороны воды или гидроксильного иона ОН - Например,
А—В + Н20 — АН + В —ОН
или
В-С + ОН - — СН + в—О-
Свободная энергия этих реакций гидролиза называется групповым потенциалом. Установленные для «физиологических» условий, которые приближаются к условиям, преобладающим в живой клетке, групповые потенциалы позволяют правильно оценить энергетические уровни переносимых групп, так же как электронные потенциалы характеризуют переносимые электронные пары. В обоих случаях мы измеряем уровни относительно наиболее распространенных природных веществ, служащих для нас точками отсчета: НгО или ОН-, выступающих в роли акцептора групповых потенциалов, О, (до Н20), выступающего в роли акцептора электронных потенциалов (Обратите внимание на важную роль воды.)
Согласно сказанному выше, «физиологические» показатели ДОГидр. (А—в) и АОгидр. (В—с) представляют собой групповые потенциалы группы В в ее комбинациях А—В и В—С соответственно. «Физиологическую» свободную энергию при переносе группы В от А—В к С несложно вычислить из разности двух групповых потенциалов:
АОперенос = АОГИдр. (А—В) — АОГИдр. (В—С) •
Если (отрицательный) потенциал А—В больше по абсолютной величине В—С, то ДО переноса отрицательный: В падает с более высокого энергетического уровня в А—В на более низкий в В—С; его перенос из А—В в С может происходить спонтанно. В обратном случае перенос будет эндер - гоническим, и В должен быть снабжен свободной энергией, чтобы подняться с более низкого уровня в А—В на более высокий в В—С.
Групповые потенциалы также оказываются удобными средствами для оценки свободных энергий сопряженных биосинте
тических реакций. Если, ^ например, дегидратационная сборка одной молекулы X—V (см. с. 137) поддерживается гидролизом п молекул АТФ и расщеплением их на АДФ и Фн, то независимо от механизма сопряжения справедливо следующее, взаимоотношение:
Как было впервые показано Фрицем Липманном, одним из основателей современной биоэнергетики, связи, обнаруживаемые в природных веществах, бывают двух видов: высокоэнергетические, обозначаемые волнистой линией (~), и низко-энергетические, обозначаемые прямой линией (—). Концевая связь АТФ с фосфатом — прототип высокоэнергетических связей. Многие связи, имеющиеся в природных соединениях (эфиры, амиды, пептиды, гликозиды), являются низкоэнергетическими; их «физиологические» групповые потенциалы составляют от —6 до —8 ккал на 1 г-моль. Именно благодаря различию между двумя типами связей протекает гидролиз АТФ, снабжающий энергией биосинтетические процессы. На вопрос, каким образом это происходит, ответ гласит: с помощью двуликого Януса.

Для нас, как и для большинства живых организмов, воздух настолько жизненно необходим, что мы не можем себе представить жизни без него. И тем не менее, как уже отмечалось , жизнь зародилась и длительное время существовала в мире, лишенном кислорода. Только после возникновения механизма фотосинтеза, известного специалистам как фотосистема II (а произошло это, вероятно, около 3 миллиардов лет назад, кислород начал поступать в атмосферу в значительных количествах, и его концентрация медленно поднималась до современного уровня, составляющего 20%.
Этот феномен представлял собой угрозу для жизни и послужил причиной исчезновения многих видов организмов, сходных с современными облигатными анаэробными организмами. Дело в том, что молекулярный кислород способен взаимодействовать различными способами с восстанавливающимися биологическими молекулами; в результате образуются такие высокотоксичные продукты, как супероксидный ион СЬ" и перекись водорода Н2О2. У выживших в этих условиях организмов, кроме тех, что нашли убежище в свободной от кислорода нише, развились защитные ферменты, в частности супероксиддисмутаза и каталаза. А некоторые со временем преуспели настолько, что «приручили» кислород и превратили его в самого верного союзника жизни — этого им удалось достигнуть благодаря приспособлению АТФ-генерирующих окфосблоков к использованию кислорода в качестве конечного акцептора электронов. И теперь их многочисленные потомки заполняют большую часть живого мира.Судя по известным анаэробным бактериям, адаптация к кислороду, повидимому, происходила постепенно. В конечном счете этот процесс увенчался одним из величайших достижений Природы — созданием фосфорилирующей дыхательной цепочки: рядом, который состоит из 15 с лишним электронных носителей. Разность потенциалов между НАДФ и кислородом составляет в целом 1, 070 мВ. Цепочка построена таким образом, что включает до трех последовательных окфос-блоков в ряду. Такого рода систему можно обнаружить в плазматической мембране некоторых современных бактерий, которые, как предполагают, унаследовали ее от древнейших предков, впервые приобретших плазматическую мембрану около миллиарда лет назад. По существу такая же система имеется и на внутренней стороне двух мембран, окружающих митохондрии, — это отдельные, покрытые оболочкой тельца размерами с бактерии, во множестве разбросанные по всей цитоплазме подавляющего большинства эукариотов растительного и животного происхождения; в этих клетках митохондрии выполняют роль главных центров дыхания и восстановления окислительной энергии. Связь между бактериальными и митохондриальными системами (если допустить, что таковая существует, а это вполне вероятно) представляет собой захватывающую гипотезу.
В наиболее популярной версии этой истории «героем» выступает примитивный фагоцит — гипотетическая гигантская прожорливая, как бактерия, клетка, которая считается промежуточной формой между прокариотами и эукариотами. Среди ее ежедневной добычи, во всяком случае так гласит упоминаемая версия, имелись некоторые аэробные бактерии, которые не были захвачены и уничтожены с целью получения пищи. Но эти бактерии в свою очередь пощадили своего захватчика в отличие от многих уцелевших патогенных бактерий. Более того, они установили с ним постоянное, выгодное для обеих сторон симбиотическое сотрудничество. Их потомки дожили до наших дней в виде митохондрий эукариотов. Полностью слившись с клеткой-хозяином, что вполне естественно и должно было произойти более чем за миллиард лет совместной жизни, эти органеллы тем не менее сохранили остатки генетической системы типичного бактериального вида наряду с некоторыми другими рудиментарными свойствами, присущими их предкам. Как мы увидим в следующей главе, хлоропласты растительной клетки скорее всего также произошли из симбиотически приспособленных фотосинтетических бактерий.
Эта теория, известная под названием эндосимбионтной гипотезы, имеет немало доказательств в свою пользу, в том числе некоторые филогенетические древа, созданные на основе молекулярных последовательностей. Однако ученые ничего не берут на веру, особенно когда дело касается восстановления событий далекого прошлого. По мнению некоторых исследователей, митохондрии с таким же успехом могли произойти из внутренних складок плазма-тической мембраны увеличивающейся аэробной бактерии, подобно тому как образовался вакуом (гл. 6), но с другим типом дифференцировки, который привел к разделению фосфорилирующей дыхательной цепи на отдельные везикулы. Можно предположить и ряд других вариантов, в том числе независимое происхождение бактериальных и митохондриальных систем путем конвергентной эволюции.
Скромному гиду не следует брать на себя смелость предлагать аргументы, которые до сих пор вызывают спор среди знатоков. Однако для тех, кто питает романтическую склонность к эндосимбионт-ной гипотезе, не могу не упомянуть о некоторых чертах митохондрий (и хлоропластов), которые свидетельствуют в пользу их происхождения из бактериальных эндосимбионтов.

В сокращенном названии АТФ буквой А обозначен аденозин. Это нуклеозид, который определяется как комбинация основания, в данном случае аденина с атомом 1 углерода рибозы — пятиуглеродного сахара, или пентозы. В подобных нуклеозидных комбинациях с рибозой участвуют три других важных основания: гуанин, который, как и аденин, относится к группе пуринов, цитозин и урацил — представители пиримидинов. Соответствующие нуклеозиды называются гуанозином (Г), цитидином (Ц) и уридином (У).
Не останавливаясь подробно на структуре оснований, сконцентрируем наше внимание на другом конце молекулы нуклеози - да, который занят атомом углерода в положении 5 рибозы (его принято обозначать 5' в отличие от атома 5 основания). Этот углерод несет гидроксильную группу ОН, которая в наиболее естественных сочетаниях с нуклеозидом несет форфорильную группу. Такие нуклеозидмонофосфаты называются нуклеотидами; они обозначаются как адениловая, гуаниловая, цитидиловая или уридиловая кислоты или сокращенно АМФ, ГМФ, ЦМФ, УМФ, где буквы МФ обозначает монофосфат.
С этой концевой фосфорильной группой нуклеотидов могут связываться дополнительно одна-две фосфорильные группы по типу связи, которая имеется в пирофосфорной кислоте (пирофосфатная связь). В этих случаях образуются нуклеозиддифосфаты АДФ, ГДФ, ЦДФ и УДФ, а также нуклеозидтрифосфаты АТФ, ГТФ, ЦТФ и УТФ (табл. 2).
Таким образом, обозначив нуклеозид символом N (который означает А, Г, Ц или У) и связав его с 5'-гидроксильной группой, получим Нуклеозид - трифосфат (НТФ).Все НТФ являются настоящими супер - янусоподобными типами молекул, трижды двуликими. Три атома кислорода, связанные с фосфорильными группами (а, р, у), по отдельности представляют собой определенные пары групп, способных к переносу. Это свойство делает НТФ чувствительными, по крайней мере теоретически, к воздействию шести видов нуклеофильных атак, которые можно обозначить следующим образом: ар, ал, РР, Р<ь "ур, та, где а, р, у — связи, подвергающиеся атаке, а индексы р и й — проксимальный и дистальный концы (по отношению к ы):на самом деле все эти реакции происходят крайне неравномерно. за исключением редких атак ар и ра, все биосинтетические атаки на нтф происходят в положениях рр и уй. до сих пор неизвестны случаи атак см или 7р.>
Большинство биосинтетических процессов можно классифицировать как регулярно действующие двух - и трехступенчатые механизмы, зависящие от одного из указанных выше типов атак. Как и следует ожидать в этой весьма сложной области, основная тема иногда сопровождается вариациями. Но для знатоков, которыми мы можем считать всех туристов, которые до сих пор не покинули нас, решение этой проблемы не составляет труда. Один нети пичный, на первый взгляд, случай происходит, когда НТФ действует по типу Януса, в качестве донора группы в процессе конечной сборки. Однако нам только кажется, что этот одноступенчатый механизм не подчиняется правилу двух этапов. Группа, которая жертвуется НТФ, подвергается предварительной активации — со стороны ли группы, которая переносится от какой-либо другой молекулы НТФ, или благодаря работе окфос-блока, или в ре-зультате и того и другого — перед тем, как осуществляется ее экзергонический перенос. В таких случаях этап активации совпадает с фазой восстановления обычного двух - или трехступенчатого механизма (см. с. 146—149).
Групповые потенциалы, участвующие в различных видах атаки на НТФ, различаются между собой. Как уже упоминалось, «физиологическая» свободная энергия гидролиза связи у в АТФ равна примерно — 14 ккал/г-моль. Все концевые фосфорильные группы в НТФ и в НДФ имеют одинаковый групповой потенциал. В отличие от них «физиологическая» свободная энергия гидролиза связи р в НТФ значительно выше, частично из-за различия стандартной свободной энергии гидролиза (около 3 ккал/г-моль) и, что важнее, из-за того, что большинство клеток содер-жат высокоактивные пирофосфатазы, гид - ролизующие неорганический фосфат по мере его образования. Поэтому гидролиз Р-связи сопровождается гидролизом образующегося пирофосфата:
НТФ + Н20 - НМФ + ФФн ДОгидр. (р.связы ФФн + Н20—2Фн ДОГИДР (ФФН)
НТФ + 2Н20 — НМФ + 2Фн ДОг„др. (общий)
Такой же конечный результат может быть достигнут при гидролизе сначала у-, а затем р-связей; в каждом из этих случаев «физиологические» свободные энергии реакций известны:
НТФ + Н20 — НДФ + Фн —14 ккал/г-моль НДФ + Н20 — НМФ Фн —14 ккал/г-моль
НТФ + 2Н20 — НМФ +2Фн —28 ккал/г-моль
Независимо от того, начнется процесс с р - или с у-связи, изменение общей свободной энергии при гидролизе обеих
связей должно быть одинаковым. Поэтому, согласно элементарным правилам подсчета.«Физиологическая» свободная энергия гидролиза р-связи НТФ зависит от величины АОридр. (ффн), т. е. от того, насколько близко к состоянию равновесия действие пирофосфата изменяет концентрацию ФФн и Фн. Определить это точно невозможно. Но вполне допустимо, с точки зрения высокой активности ферментов, что достигается состояние, очень близкое равновесию, иными словами, что АСг„др, <ффн) = 0. в соответствии со сказанным мы примем для «физиологической» свободной энергии гидролиза р-связи максимальную величину, равную —28 ккал/г-моль. любопытно отметить, что у некоторых микроорганизмов не образуются очень низкие концентрации пирофосфата; они функционируют за счет экономии пирофосфата. по-видимому, расход лишней энегии, получаемой в результате реакций, протекающих по в-механизму благодаря действию пирофосфатаз, не является жизненной необходимостью.>
Что касается а-связи, то ее «физиологическая» свободная энергия гидролиза имеет величину около —7 ккал/г-моль НМФ. В силу указанной выше причины (гидролиз ФФн) она приближается к вели-чине — 21 ккал/г-моль НДФ и — 35 ккал/г-моль НТФ (распространяя рассуждения до ФФФн).
В табл. 3 суммированы величины групповых потенциалов, которыми мы будем пользоваться в наших дальнейших рассуждениях. Необходимо помнить, что эти величины подвержены довольно значительным изменениям, зависящим от условий, которые преобладают в клетке. Но они все же могут помочь нам лучше понять основные энергетические характеристики биосинтетических механизмов.
Когда связь НТФ разрывается для совершения биосинтеза, ее необходимо восстановить. В случае у-связи в АТФ восстановлением занимается окфос-блок. В любом другом случае связь НТФ восстанавливается за счет одной или нескольких у-связей АТФ благодаря действию транс - фосфорилирующих ферментов, которые катализируют следующие реакции:
АТФ + Н — АДФ + НМФ.
АТФ + НМФ АДФ + НДФ.
АТФ + НДФ АДФ + НТФ.
Первая реакция необратима из-за существенных различий в «физиологической»свободной энергии гидролиза между у-связью АТФ и а-связью НМФ. В двух других реакциях происходит обмен связей с одинаковым энергетическим уровнем и они легко обратимы. Вот почему стоимость такого рода переносов определяется действием окфос-блоков, которые оплачивают счета по затрате энергии. Следует, однако, заметить, что этот счет покрывает только часть биосинтетических процессов — зачастую существенную, а иногда даже единственную, — которая зависит от переносов групп. Могут также происходить и другие процессы, особенно электронный перенос от высокоэнергетических доноров. Биосинтетические восстановительные процессы играют особо важную роль среди аутотрофных организмов (см. гл. 10).
Объединяя различные восстановительные реакции, мы закончим этот раздел сводной диаграммой, на которую в дальнейшем будем ссылаться как на центральный восстановительный механизм. Этот механизм способствует также активации таких строительных блоков, как, например, Фн или НМФ, которыми жертвуют в одноступенчатых биосинтетических процессах. Заметим, что ФФн не может быть включен в НТФ сам по себе, а должен быть сначала гидролизован (то же происходит и с ФФФн, не указанным в диаграмме из-за того, что его появление в свободной форме, если вообще он встречается, крайне редкое и мимолетное явление).
н2о

Полость, ограниченная плотной, внутренней митохондриальной мембраной, заполнена жидкостью, митохондриальным матриксом. Это богатый белками раствор, в основном состоящий из катаболических ферментов, вовлеченных в окислительное расщепление всех основных пищевых продуктов, в том числе аминокислот, которые состэвляют белки, жирных кислот, которые являются основными компонентами липидов, и пировиноградной кислоты, которая, как мы уже знаем, образуется в цитозоле в виде продукта аэробного гликолиза. Все эти пути объединяются в центральном метаболическом водовороте, известном как цикл Кребса. Свое название он получил в честь Ганса Кребса, англо-немецкого биохимика, обнаружившего это явление в конце 1930-х гг.
В этих превращениях участвует пестрая коллекция экзотических молекул; мы не будем пытаться их выявить, отметим только конечные продукты, которые являются очень простыми веществами: это вода, углекислый газ, аммиак или мочевина, неорганический сульфат, т. е. те или почти те вещества, которые образуются при сгорании в печи. Но здесь мы имеем дело с удивительно холодной печью, в которой вещество сгорает, а тепла образуется мало.
Этот парадокс, как вы, возможно, помните из гл. 7, объясняется просто: пищевые продукты не смешиваются с кислородом, они взаимодействуют с водой и в результате отдают атомы водорода или электроны соответствующим акцепторам. Такого рода превращения протекают при температуре клетки; при этом высвобождается небольшое количество энергии. В редких случаях, когда пищевые продукты производят довольно большое количество энергии, они направляются для участия в работе окфос - блоков на субстратном уровне, как, в частности, происходит при гликолизе.
Возьмем, к примеру, глюкозу. На каждую молекулу этого сахара, окисляемого в живой клетке, высвобождается в общей сложности 12 пар электронов:
С6Н|206 + 6Н20 >- 6С02 + 24е~ + 24Н+.
Две из этих пар образуются за счет окислительного гликолиза («ампутированная змея», см. гл. 7):
С6Н|206 ^ 2СН3—СО—СООН + 4е~ + 4Н+.
Другие десять получены при дальнейшем окислении в цикле Кребса из молекул пировиноградной кислоты, образующейся в результате гликолиза:
2СН3—СО—СООН + 6Н20 к
>- 6С02 + 20е~ + 20Н+.
При гликолизе, как мы уже убедились, электроны переносятся на НАД+ через окфос-блок субстратного уровня:
4е~ + 2Н+ + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн >-
>- 2НАДН + 2АТФ + 2Н20.
В цикле Кребса четыре из пяти пар электронов, высвобожденных в результате окисления одной молекулы пировиноградной кислоты, переносятся на НАД+, в одном случае через окфос-блок субстратного уровня. Пятая пара поступает к фла - виновому коферменту, ФАД (см. ниже) Таким образом, для двух молекул пировиноградной кислоты имеем:
20е" + 12Н+ + 8Н АД + + 2ФАД + 2АДФ + 2Фн ->- 8НАДН + 2ФАДН2 + 2АТФ + 2Н20.
Сложив оба процесса, получим:
24е~ + 14Н+ + 10НАД+ + 2ФАД +
+ 4АДФ + 4Фн >- 10НАДН +
+ 2ФАДН2 + 4АТФ + 4НгО.
что для анаэробного окисления глюкозы, которое обычно происходит в живой клетке с участием быстро вступающих в реакцию электронных акцепторов, дает:
СбН12Об + 2Н20 + 10НАД+ + 2ФАД +
+ 4АДФ + 4Фн 6С02 + 10НАДН +
+ 10Н+ + 2ФАДН2 + 4АТФ.
Аэробная часть этого процесса связана с переносом электронов от восстановленных коферментов к кислороду:
10НАДН + 10Н+ + 2ФАДН2 + 602 *
* 10НАД+ + 2ФАД + 12Н20.
Энергетические балансы анаэробных и аэробных частей легко вычислить. Как мы уже видели (гл. 7), «физиологическая» свободная энергия окисления (электронный потенциал) НАДН составляет —49 ккал на пару электрон-эквивалентов, переносимых на кислород. С учетом того, что «физиологический» электронный потенциал ФАДН2 составляет около —37 ккал .на пару электрон-эквивалентов, переносимых на кислород, для аэробной части сумма составит —:564 (10X49 + 2X37) ккал/г-моль окисленной глюкозы.
С другой стороны, согласно калориметрическим измерениям, «физиологическая» свободная энергия окисления глюкозы с кислородом в качестве электронного акцептора равна — 686 ккал/г-моль. В таком случае анаэробный баланс составляет при-мерно — 122 (686—564) ккал/г-моль, из которых 56 (4Х 14) ккал/г-моль получены в результате работы окфос-блока на субстратном уровне, а 66 расходуются на теплоту.
Другими словами (см. табл. 4), когда живая-клетка «сжигает» глюкозу с использованием собственных электронов вместо кислорода, то сохраняется более 90% свободной энергии, которая будет потеряна, если в процессе в роли акцептора участвует кислород. Большая часть этой энергии запасается в виде восстановленных коферментов и меньшая часть — в виде АТФ. По аналогии с гидродинамикой, которую мы про вели в конце гл. 7, это означает, что элект роны, высвобождаемые при биологическом окислении глюкозы, в первую очередь переносятся в энергетически богатые резервуары, расположенные намного выше уровня вода/кислород. В восьми из двенадцати случаев эти переносы осуществляются через небольшие различия в высоте, с малой потерей энергии. В остальных случаях различия в высоте значительные, но падение электронов используется в работе окфос-блоков субстратного уровня, производящих АТФ.
Жирные кислоты и аминокислоты в основном претерпевают такой же вид холодного сгорания, как пальмитиновая и глутаминовая кислоты (см. табл. 4). Их полное окисление сопровождается запасанием свыше 90% свободной энергии, полу-чаемой при сгорании, в энергетически богатых кофакторах.
Зная эти показатели, мы можем лучше понять положение наших древних анаэробных предков. Поскольку НАД, ФАД и другие электроннесущие коферменты находятся в клетке в каталитических количествах, преимущества холодного сгорания проявляют ся только в том случае, если для электронов, запасаемых в этих коферментах, имеется возможность оттока. При брожении проблема решается путем возврата элект-ронов в субстратный поток. При этом процесс протекает, но с очень низким энергетическим выходом. Так, анаэробный гликолиз, как мы убедились, дает только 47 ккал/г-моль использованной глюкозы, или менее 7% энергии, которая может быть получена при полном окислении. Он снабжает клетку только двумя молекулами АТФ, или 28 ккал готовой к использованию энергии.
Другой недостаток брожения заключается в том, что он налагает жесткие стехиометрические ограничения на метаболические пути. Субстрат . отдает ровно столько электронов, сколько поступит обратно в субстратный поток. Однако если электроны, запасаемые в коферментах, выгружаются на экзогенный акцептор, эти ограничения перестают существовать. В таких случаях любой вид окисляемого пищевого продукта можно полностью использовать. Это обеспечивает большую степень гибкости и зачастую лучший энергетический выход, по крайней мере с точки зрения клетки. Однако, с точки зрения мировых запасов энергии, крайне расточительно, если электроны будут выгружаться без возврата энергии.
Еще раз обратимся к примеру с глюкозой. Как мы имели возможность убедиться, фосфорилирование на субстратном уровне обеспечивает анаэробное брожение двумя молекулами АТФ или 28 ккал/г-моль использованной глюкозы. Из табл. 4 видно, что при полном окислении этот выход удваивается. Но какой дорогой ценой! В то время как при брожении высвобождается только 47 ккал из полученных 686, а оставшиеся возвращаются в окружающую среду в виде энергетически богатых молекул молочной кислоты или этанола, при свободном окислении все 686 ккал растрачиваются для ничтожно малого дополнительного выигрыша, составляющего 28 ккал/г-моль использованной глюкозы И если при изобилии с таким расточительством еще можно мириться, то при нехватке пищи оно становится преступным. И все же, возможно, некоторые примитивные аэробные организмы действовали именно таким путем, и у самых развитых эукариотов до сих пор происходят такие расточительные реакции .
Очевидно, единственный путь свести к минимуму непроизводительную затрату энергии окисления — использовать энергию, которая высвобождается при переносе электронов от восстановленных коферментов к конечному акцептору. Но это сопряжено с удачным расположением окфос - блоков на пути движения электронов. В ходе эволюции сформировалось немало приспособлений такого рода, которые «впряглись в одну упряжку» с определенными акцепторами электронов. Наилучшие результаты были достигнуты с кислородом, выступающим в роли конечного акцептора, особенно после того как фосфорилирующая дыхательная цепочка приобрела свою окончательную структуру — такую, которую мы сегодня обнаруживаем в митохондриях и некоторых аэробных бактериях. Клетки, оснащенные такими современными «спасателями» энергии, в состоянии производить до 38 молекул АТФ из одной - единственной молекулы глюкозы, восстанавливая около 80% всей свободной энергии, высвобождаемой в результате окислительного процесса в готовой к усвоению и использованию форме.