Хранение энергии
Пирофосфатная связь макроэргична в указанном смысле — при ее гидролизе в стандартных условиях свободная энергия системы уменьшается на 7—10 ккал/моль, т. е. гидролиз идет практически до конца. За счет уменьшения свободной энергии при гидролизе макроэргических связей и может осуществляться соединение, например, нуклеотидов в поликлеотидную цепь. Так, в реакции с участием пирофосфатаденозина (АДФ) происходит (за счет энергии, выделяющейся при расщеплении пирофосфатной связи) присоединение аденозинмонофосфорной кислоты АМФ к другому нуклеотиду, например ГМФ.
Аналогичным образом можно сместить равновесие в случае синтеза пептидных связей при сопряженном расщеплении пирофосфатных связей в АТФ, образовании активированной, макро-эргической формы аминокислоты — аминоациладенилата. Пирофосфаты при нейтральном и щелочном значениях рН среды служат универсальными посредниками в превращениях энергии, необходимой для биохимических процессов. Однако создание больших концентраций пирофосфатных производных нуклеотидов невозможно: нуклеотидпирофосфаты активно участвуют в синтезе полинуклеотидов и их высокие концентрации могут повлиять на неконтролируемый синтез полинуклеотидов. Необходимы склады для хранения запасов термодинамического потенциала в менее активной форме.
Наиболее простой выход из создавшейся ситуации — хранение энергии в виде минерального пирофосфата или полифосфатов. Это и реализуется в клетках некоторых низших грибов и ряда бактерий (см. работы И. С. Кулаева). В таких организмах хранилищем энергии оказываются минеральные полифосфаты (при числе ортсфосфатных остатков в цепи, достигающем 200— 300). От компактных осмотически (а, значит, и кинетически) неактивных частиц по мере надобности «откусываются» посредством специальных ферментов пирофосфатные группы для энергетического обеспечения биохимических процессов.
Однако эти «питательные камни» все же не очень удобны: мала поверхность взаимодействия со средой, мала предельная скорость вовлечения в метаболизм содержащейся в них энергии. Необходимы относительно мелкие, биохимически узко специализированные хранилища термодинамического потенциала.
В организмах животных эти функции выполняют гуанидин-фосфаты: креатинфосфат и (у беспозвоночных) аргининфосфат.
Ясно, однако, что хранение больших количеств энергии в виде гуанидинфосфатных и прочих макроэргических соединений также невозможно: на самом-то деле количество энергии, освобождаемой при гидролизе каждой связи, очень мало (всего около 10—20 ккал/моль). Таким образом, мы приходим к вполне тривиальному выводу — наиболее удобно хранить энергию в виде запасов пищи: жиров, углеводов, белков (см. с. 131).
Тем не менее, и в данном случае по кинетическим соображениям именно макроэргические соединения служат непосредственным источником энергии для эндэргонических биохимнче-ких процессов: свободную энергию из них можно получить в оптимальных дозах наиболее быстрым образом.
Универсальным в процессах превращения энергии в живых организмах на Земле веществом является аденозинтрифосфор-ная кислота АТФ.
Представляется очень интересным установить причины, которые привели к выбору в процессе эволюции именно АТФ в качестве универсального посредника для подавляющего большинства видов превращения энергии в биохимических процессах. Возможно, что и в этом случае дело не столько в существенном, «деловом» превосходстве АТФ по сравнению, например, с ГТФ или ЦТФ, сколько в легкости спонтанного возникновения фосфорных производных именно аденина.
В соответствии с эволюционной логикой нашего анализа мы должны допустить, что образование АТФ сопряжено с поглощением света. Верность такого допущения можно оценить лишь при осуществлении в эксперименте синтеза пирофосфатных связей АТФ в относительно простой модельной системе при поглощении света.
Прежде, чем приступить к оценке возможностей такого эксперимента, попытаемся выяснить физико-химические причины макроэргичности пирофосфатных связей.
О причинах макроэргичности пирофосфатов. Большая величина изменения свободной энергии при гидролизе пирофосфатов, т. е. их макроэргичность, проявляется в сильном сдвиге равновесия реакции гидролиза в сторону продуктов. Как известно, связь константы равновесия реакции К с величиной сопровождающего реакцию стандартного изменения в ней свободной энергии.
Однако в написанной выше реакции не отражена нейтрализация образующихся ионов водорода ионами гидроксила среды, т. е. реакция, сопровождающаяся очень большим стандартным (AF0) изменением свободной энергии, равным примерно 20 ккал/моль. К сожалению (или к счастью), в биохимических системах отсутствуют сильные щелочи и кислоты — скрытые резервы ОН- и Н+ ионов представлены какой-либо буферной системой, т. е. обычно слабыми кислотами и их солями.