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):
