Фотохимический синтез АТФ
Макроэргичность пирофосфатов определяется в значительной степени значением рН, поддерживаемым в среде, т. е. величиной буферной емкости. Расход свободной энергии, накопленной в рН-буферной системе векторизуется, т. е. направляется в нужную реакцию посредством сопряжения гидролиза пирофосфата с тем или иным эндэргоническим процессом.
Рассмотренные выше причины макроэргичности нельзя считать единственно возможными.
Так, основной вклад в изменение свободной энергии при гидролизе гуанидинфосфатов (креатинфосфат, аргининфосфат), по-видимому, вносит протонирование освобождающейся NH2-группы гуанидина и снятие запрета на резонанс структур.
Основной вклад в макроэргичность вносит превращение термодинамически нестабильной енольной формы пирувата в стабильную кетоформу.
В этом случае макроэргичность молекулы не проявляется в ее физических свойствах. Термодинамическая невыгодность существования молекулы выявляется лишь в процессе ее разрушения при гидролизе. Макроэргичность такого типа, характерная для пирофосфата, фосфоенолпирувата и гуанидинфосфатов особенно привлекательна для биохимических целей. Перечисленные выше молекулы кинетически устойчивы, запас энергии, содержащийся в них, выделяется лишь при катализе — специфическом ускорении реакции их гидролиза. Вероятно, именно в силу особой кинетической стабильности и достаточной макроэргичности пирофосфаты и заняли столь выдающееся место в процессах превращения энергии в биологических системах.
Мне здесь хочется особенно подчеркнуть, что запасания энергии в виде одних только пирофосфатов невозможно — нужно еще располагать соответствующей буферной системой, поддерживающей рН на должном уровне.
Займемся теперь поисками способов запасания энергии, например, света, посредством сопряженного с поглощением света синтеза пирофосфатных связей н образования буферных систем.
Из рассмотренных выше соображений очевидно, что сами молекулы ортофосфата или пирофосфата не пригодны для фотохимического сопряженного синтеза: они не поглощают свет в необходимом для этих целей диапазоне. Вообще-то здесь нужны вещества окрашенные, поглощающие видимый свет. Однако для начяля эволюционного совершенствования пригодились бы и молекулы, поглощающие в ближнем ультрафиолете. Естественно предположить, что такими поглощающими свет молекулами могут быть спонтанно возникающие в первичном бульоне молекулы нуклеиновых оснований и нуклеотидов. Уже удалось осуществить синтез фосфорных производных аденозина за счет энергии ультрафиолетового излучения, но в присутствии этилмета-фосфата и метафосфата.
Каким образом энергию, поглощенную нуклеиновым основанием, можно направить на синтез нирофосфатной связи? Мне представляется чрезвычайно привлекательной гипотеза о механизме фосфорилирования АДФ в АТФ, выдвинутая много лет назад Л. А. Блюменфельдом и М. И. Темкиным.
Эта гипотеза основывается на том, что при нарушении сопря жения в пиримидиновом кольце 6-аминопурина (аденина) резк< возрастает способность азота аминогруппы переходить в поло жительно заряженное четырехвалентное состояние (четвертич ный азот): заряженного неорганического фосфата и, вероятно, также фосфатного конца молекулы АДФ или АМФ. При этом соответствующие нуклеотиды приобретают скорпионоподобную конфигурацию:
Изменение рК-аминогруппы, например, в результате нар? шения сопряжения, как изображено выше, при восстановлен!! азота пуринового кольца с образованием свободнорадикально1 состояния углерода, соответствует изменению свободной энерги примерно на 10 ккал/моль, т. е. приблизительно на столью сколько нужно для синтеза нирофосфатной связи из ортофосфг тов. Мы видим здесь яркий пример преобразования энерги, окислительно-восстановительного превращения в энергию ионных взаимодействий.
Нарушение сопряжения в пуриновом кольце может возникнуть в результате фотохимического восстановления кольца. Для этого нужен довольно большой квант энергии света. Во всяком случае поглощение излучения с длиной волны 260 нм (энергия около 100 ккал/моль), характерное для пуриновых и пиримиди-новых колец, заведомо обеспечивает возможность нарушения сопряжения в кольце — величина этих квантов даже излишне велика.