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.

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.

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.

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