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.
