Рассмотрим последовательность реакций, в которой на каждом этапе продукты — с участием дополнительных реагентов или без них — подвергаются дальнейшим превращениям. Если в такой последовательности какой-либо из продуктов идентичен исходному реагенту какой-либо предшествующей стадии, то такая система подобна реакционному циклу, а цикл в целом — катализатору. В простейшем случае катализатор — это отдельная молекула, например фермент, превращающий субстрат в продукт;

Механизм, который стоит за этой формальной схемой, требует по меньшей мере трехчленного цикла (рис. 1). Более сложные реакционные циклы, выполняющие фундаментальные каталитические функции, показаны на рис. 2 и 3. Цикл Бете — Вайцзекера (рис. 2) вносит существенный вклад в поддержание высокой скорости высвобождения энергии в "массивных звездах. Он, если можно так сказать, заставляет Солнце светить и, следовательно, является одной из наиболее важных внешних предпосылок существования жизни на Земле. Не меньшее значение, по-видимому, имеет цикл Кребса, или цикл лимонной кислоты [6], изображенный на рис. 3, хотя он касается внутреннего механизма живого. Этот цикл реакций опосредует и регулирует метаболизм углеводов и жирных кислот в живой клетке и выполняет также важные функции в анаболических.

Рис. 1. Общий механизм ферментативного катализа по Михаэлису-Меитен.

В этом процессе участвуют по меньшей мере три интермедиата: свободный фермент (Е), комплекс фермент — субстрат (ES) и комплекс фермент — продукт (ЕР). Схема показывает, что каталитическое действие фермента эквивалентно циклическому воспроизведению интермедиатов при превращении субстрата (S) в продукт (Р). Впрочем, она дает лишь формальное представление истинного процесса, который может включать в себя многоступенчатую активацию субстрата и индуцированные конформационные изменения фермента.

Рис. 2. Углеродный цикл, предложенный Бете и фон Вайцзекером, ответствен — по крайней мере частично — за высвобождение энергии в массивных звездах.

Его компоненты — 12С, 13N, 13С, 14N, 150 и l5N — постоянно воспроизводятся в ходе реакционного цикла. Циклическая схема в целом представляет собой катализатор, который превращает четыре атома 'Н в один атом 4Не с высвобождением энергии в виде Y позитронов (е+) и нейтрино (v).

Рис. 3. Цикл трикарбоновых кислот, или цикл лимонной кислоты, — это общий каталитический аппарат биологического окисления «топливных» молекул.

Полная схема цикла была предложена Кребсом, важный вклад в ее построение был внесен также Сеит-Дьёрди, Марциусом и Кнопом. Основные компоненты цикла? цитрат (С), чисаконитат (А), изоцитрат (I), а-кетоглутарат (К), сукцинил-СоА (S*), сукцинат (S), фумарат (F), 1-ма-лат (М) и оксалоацетат (О). Ацетат вступает в цикл в активированной форме в виде ацетил-СоА (этап 1) и реагирует с оксалоацетатом и Н20 с образованием цитрата (С) и СоА (+Н+). Во всех превращениях участвуют ферменты и такие кофакторы, как СоА (этапы 1, 5, 6), Fes+ (этапы 2, 3), NAD+ (этапы 4,5,9), ТПФ, липоевая кислота (этап 5) и FAD (этап 7). На схеме не показаны дополнительные реагенты: Н20 (этапы 1, 3, 8), Pt и QDP (этап 6) и продукты реакций — Н20 (этап 2), Н+ (этапы 1, 9) и QTP (этап 6). В результате всех реакций цикла происходит полное окисление двух ацетильных углеродов до CQ2 (и Н20). За одни оборот цикла генерируется 12 макроэргических фосфатных связей, причем одна из них образуется в самом цикле (QTP, этап 6), а 11—в результате окисления NADH и FADH2 [три пары электронов переносятся к NAD+ (этапы 4, 5,9) и одна пара — к FAD (этап 7)].

Однонаправленность циклического воспроизведения интермедиатов, конечно, предполагает, что система находится в состоянии, далеком от равновесия, и всегда связана с расходованием энергии, часть которой диссипирует в окружающую среду. С другой стороны, установление равновесия в замкнутой системе приведет к тому, что все стадии будут находиться в состоянии детального равновесия. Каталитическое действие в такой замкнутой системе будет микроскопически обратимо, т. е. оно будет происходить с равной эффективностью в обоих направлениях.

Теперь, пользуясь простой итерацией, построим иерархии реакционных циклов и зададим их частные свойства. Это означает, что на следующем этапе мы рассматриваем реакционный цикл, в котором по меньшей мере один, но, возможно, и все интермедиаты сами являются катализаторами. Отметим, что эти интермедиаты, будучи катализаторами, теперь остаются неизменными во время реакции. Каждый из них образуется из потока высокоэнергетического строительного материала с использованием каталитической поддержки от предшествующего интермедиата (рис. 4). При большом числе интермедиатов такая система становится очень сложной по составу и поэтому вряд ли может встретиться в природе. Самым известным примером является четырехчленный цикл, связанный с матричной репликацией молекулы РНК (рис. 5). Такого рода механизм исследовался in vitro: использовали реакционную среду, содержащую нуклеозидтрифосфаты четырех типов в качестве высокоэнергетических строительных материалов, а также фаговую репликазу, которая играла роль постоянного фактора среды [7, 8] (более детальное описание дано Кюпперсом [9]). Каждая из двух цепей действует как матрица, инструктирующая синтез своей комплементарной копии,— как при фотографической репродукции.

Простейшим представителем этой категории реакционных систем является отдельный автокатализатор или — в случае целого класса объектов I,-, несущих информацию,— самовоспроизводящаяся единица. Такой процесс формально может быть описан следующим образом:

В этом реферате будут часто рассматриваться реакции такого типа; мы будем обозначать их символом

Рис. 4. Каталитический цикл представляет собой более высокий уровень организации в иерархии каталитических схем.

Компоненты цикла сами являются катализаторами, которые образуются из каких-либо высокоэнергетическнх субстратов (S), причем каждый интермедиат является катализатором для образования E+i. Каталитический цикл в целом эквивалентен автокатализатору, инструктирующему свое собственное воспроизведение. Для существования каталитического цикла достаточно, чтобы одни из интермедиатов был катализатором для одной из последующих реакций.

Такой истинно самовоспроизводящейся формой является двухцепочечная ДНК (в отличие от одноцепочечной РНК) — обе ее цепи одновременно копируются полимеразой (рис. 6). Эта же формальная схема применима и в случае прокариотической клетки, где все наследование осуществляется в основном независимо в каждой клеточной линии.