| |
 |
Глава 18.
Как работают ферменты
Тот факт, что белковые молекулы имеют спиралевидную форму, удерживаемую водородными связями, объясняет не только хрупкость молекулы фермента и легкость, с которой она теряет свои свойства, но и огромную вариативность этих самых свойств.
Давайте сравним платиновый порошок и молекулу фермента. Как я уже объяснял в главе 12, каталитические способности платины, возможно, объясняются тем, что она имеет свободные валентные связи, с помощью которых притягивает к себе молекулы тех веществ, реакцию которых катализирует. Такое связывание происходит несколько активнее, если поверхность платинового катализатора имеет неправильную форму – поскольку молекулы реагирующих веществ также имеют неправильную форму, то им может оказаться естественнее плотно прилечь там, где форма поверхности платины соответствует их собственной.
Поскольку понятно, что на поверхности платины найдутся любые возможные неправильности, то для любой молекулы там окажется соответствующая форма. В результате, множество различных молекул могут оказаться временно привязанными к поверхности платины, где они, соответственно, с готовностью вступают в реакцию с другими молекулами. Поэтому платина, как и все прочие катализаторы такого рода, способна охватывать своим действием сравнительно большое число веществ. Но у катализаторов такого рода есть и недостаток – поскольку для каждого отдельно взятого вещества ими может использовать далеко не вся площадь (а только та ее часть, неправильность формы которой соответствует неправильности формы реагирующих молекул), то и коэффициент полезного действия таких молекул невелик. Для каждого отдельно взятого вещества большая часть поверхности катализатора оказывается неиспользуемой.
С ферментами все обстоит по-другому. Их поверхность имеет не случайную форму, а, напротив, строго упорядоченную с помощью биохимических процессов, происходящих в организме (см. рис. 32). Чередующиеся радикалы разных аминокислот, составляющих пептидную цепочку, представляют неправильности всех типов и размеров. Некоторые из радикалов, например, аспарагиновая кислота или глютаминовая кислота, обладают отрицательными зарядами и будут притягивать любой положительный заряд, как только в пределах досягаемости окажется несущая такой заряд молекула. Другие же – например, лизин, аргинин или гистидин – обладают положительным зарядом и будут притягивать молекулы с отрицательными. Третьи – например, серин, треонин или тирозин – электрически нейтральных, зато имеют в своем составе группы, способные к образованию водородных связей.
Что же касается радикалов, не образующих связей – например, Валина, аланина, лейцина, изолейцина, фенилаланина и еще нескольких, то их роль в данном случае – защитная; они служат барьерами для того, чтобы только молекулы строго определенной формы могли проникнуть в зону досягаемости тех радикалов, которые смогут их ухватить.
Все радикалы находятся друг к другу в строго определенном отношении, зафиксированном водородными связями, удерживающими молекулу в жесткой форме. В результате к определенному ферменту может присоединиться молекула только строго определенного вида, и только такая молекула в дальнейшем вступит в катализируемую ферментом реакцию. Молекула, подвергающаяся реакции, катализируемой ферментом, именуется субстратом этого фермента. Разумеется, любое воздействие на фермент, приводящее к разрыву водородных связей и установленных для него отношений между радикалами, приведет к потере ферментом его уникальных каталитических свойств.
У такой строгой специфичности молекулы фермента есть одно интересное следствие. Стоит лишь задуматься о химических механизмах жизни как таковой, как становится ясно, что функционирование организма зависит от бесперебойной работы тысяч различных химических реакций с участием множества веществ. Если ферменты настолько специфичны, то означает ли это, что каждый организм – да что там организм, что каждая клетка в организме – должна быть полна различных ферментов, каждый из которых необходим для одной-единственной реакции?
Да. Так оно и есть. Хоть клетка и имеет крайне малый объем, около 0,03 мм. в диаметре, она все же гораздо больше, чем молекула белка. В клетке достаточно места для тысяч различных ферментов. Более того, места хватит для тысяч молекул каждого из них.
На первый взгляд это совершенно неразумная избыточность. Но на самом деле – ровно наоборот, экономичность и эффективность такой системы выше всяких похвал.
Каждый фермент, имеющий строго определенную задачу, обладает гораздо большей полезной площадью поверхности, чем случайным образом оформленная платиновая частица. Он гораздо эффективнее.
Скорость катализируемой реакции измеряется «оборотным числом». Оборотное число – это количество молекул субстрата, ежеминутно подвергающихся реакции при заданной температуре под действием одной молекулы фермента. Фермент каталаза, катализирующий распад перекиси водорода на воду и кислород, имеет оборотное число в 2 500 000 при 0оС. Оборотные числа большинства ферментов ниже, чем каталазы, но все равно многократно выше, чем у катализаторов неферментного происхождения.
Предположим, что различные ферменты в некотором порядке распределены по клетке (а так оно и есть, как мы позже увидим) и тогда движущиеся по клетке субстраты каждую секунду систематически улавливаются и подвергаются преобразованиям.
Кроме того, наличие множества специализированных катализаторов, а не нескольких общих, предоставляет организму возможность тончайшего управления клеточной химией. Уменьшая или увеличивая число молекул того или иного фермента в клетке, можно ускорять или замедлять ход той или иной реакции – одной из тысяч, и только ее.
Если в живом организме ежесекундно проходят тысячи различных реакций взаимодействия, независимо контролируемые тысячами различных ферментов, то выходит, что даже самые примитивные формы жизни устроены сложнее, чем самые сложные рукотворные механизмы.
Факт в том, что живая клетка состоит из гораздо большего количества движущихся деталей, так сказать, чем любое творение рук человеческих, и лишь микроскопически малый размер этих деталей позволяет нам свысока утверждать, что клетка – это «всего лишь» микроскопическая капелька. А если мы говорим о целых организмах, состоящих из триллионов клеток, то тут сложность всей конструкции возрастает до неописуемых величин. Смехотворны были бы попытки сравнить ящерицу с камнем (разве что по параметру физического размера). Поэтому я даже не буду задерживаться на сравнивании человека со звездой – понятно, что разница будет не в пользу звезды.
Разумеется, в основе вышеприведенного анализа каталитической деятельности ферментов лежит представление о том, что субстрат вступает с ферментом в физический контакт и образует некий промежуточный комплекс «субстрат-фермент». Сложно избежать этого допущения, потому что иначе пришлось бы предположить, что фермент оказывает на молекулу некое бесконтактное воздействие – а ученые не любят бездоказательной мистики.
К тому же имеются убедительные, хоть и косвенные, свидетельства в пользу такого предположения. К примеру, предположим, что в раствор фермента добавили немного субстрата. Реакция начинается сразу же, и химики могут определить скорость, с которой исчезает субстрат, или появляется итоговое вещество реакции – так они получают скорость реакции. Если в тот же раствор фермента добавить больше субстрата – скорость реакции будет выше. Можно воспользоваться такой аналогией: если в супермаркет запустить больше покупателей, то они начнут выносить больше товаров. Если одномоментно удвоить количество покупателей в супермаркете, то логично ожидать, что и товары с полок будут исчезать в два раза быстрее. Вот по тому же принципу удваивается и скорость реакции, если удвоить концентрацию субстрата.
Однако все это верно лишь до определенного момента. По достижении некоторой концентрации субстрата скорость реакции достигает максимума и выше уже не поднимается, сколько субстрата ни добавляй (см. рис. 33). Аналогия с супермаркетом здесь не теряется – потому что скорость раскупания товара тоже не может возрастать вечно. Как только забиваются кассы, дальнейшее увеличение количества покупателей приводит только к удлинению очередей.
Точно так же, когда концентрация субстрата достигает такого значения, что каждая молекула фермента работает на полную мощность, дальнейшее добавление субстрата приводит только к увеличению, так сказать, очередей его молекул, стоящих в очереди на обслуживание ферментом. Наблюдаемое явление проще всего объяснить именно через формирование субстратом и ферментом некоего промежуточного комплекса, что и сделал в 1902 году французский химик В. Анри.
В 1913 году двое немецких биохимиков, Леонор Михаэлис и М. Л. Ментен, приняли это предположение и подвергли его математическому анализу сродни тому, что используется химиками при расчете скоростей обычных реакций. В итоге у них получилось уравнение, описывающее изменение скорости реакции в зависимости от концентрации субстрата – и математическая модель в точности совпадала с экспериментальными данными. В ходе наблюдений за конкретными реакциями они сумели с помощью своих уравнений рассчитать силу, привязывающую определенный субстрат к соответствующему ферменту. С тех пор для подобных целей всегда используются уравнения Михаэлиса-Ментена.
Тот факт, что на основе некоторого допущения можно разработать математическую модель, результаты которой в точности соответствуют экспериментальным данным, конечно, не является однозначным доказательством истинности этих допущений. Но некоторое свидетельство в их пользу все же представляет.
Еще одно подтверждение пришло совсем с другой стороны. Предположим, что строение некоего субстрата очень похоже на строение другого вещества. Что произойдет, если вместо это вещество добавить в раствор фермента вместо нужного субстрата? Так сделал в 1930 году биохимик Дж. Г. Кастел, работая с ферментом, субстратом для которого является вещество янтарная кислота (см. рис. 34).
По структурной формуле янтарная кислота очень близка к другому веществу, малоновой кислоте (см. рис. 34). Если в раствор фермента добавить вместо янтарной малоновую кислоту, реакции не происходит. У малоновой кислоты отсутствует одна группа СН2, и этого достаточно, чтобы фермент безошибочно различал их.
Но нельзя сказать, что на добавление малоновой кислоты фермент не реагирует вообще никак. Если сначала добавить в него сначала малоновую кислоту, а потом уже в смесь малоновой кислоты и фермента добавить янтарную кислоту, то реакции опять-таки не будет. Малоновая кислота «отравляет» фермент, или, если выражаться рациональнее – подавляет его действие.
Напрашивается вывод, что молекула малоновой кислоты достаточно похожа на молекулу янтарной, чтобы занять ее место на активной поверхности фермента, но недостаточно похожа, чтобы реакция стала осуществляться дальше. Связь малоновой кислоты с ферментом оказывается достаточно сильной, чтобы не распадаться. Это как если в замочную скважину вставить неправильный ключ и обломать его внутри. Теперь дверь нельзя открыть ни этим ключом, ни правильным. На самом деле, механизм улавливания ферментом конкретного субстрата так и именуется – «замочный механизм», см. рис. 35.
Малоновая кислота – ингибитор, угнетающее вещество, - конкурирует с «законной» янтарной кислотой за место на рабочей поверхности фермента, поэтому весь процесс носит название «конкурентное угнетение». С 1930 года изучено уже множество примеров конкурентного угнетения. Были внесены изменения даже в уравнение Михаэлса-Ментена для расчета формирования соединений фермента с ингибитором, а не только с субстратом, и снова математические расчеты совпали с экспериментальными данными.
Конкурентное угнетение может быть методом управления скоростью реакций, катализируемых ферментами в тех случаях, когда по какой-либо причине нельзя физически удалить сам фермент или наоборот, интенсифицировать его производство. Существует ряд групп важных для организма веществ, сходных по своему строению. Аминокислоты валин, лейцин и изолейцин – похожи. Сахара глюкоза и галактоза – похожи; и так далее. Отношения конкурентного угнетения между ними практически неизбежны. Похоже, что присутствие в клетке этих веществ в различных соотношениях постоянно производит конкурентное угнетение тех или иных ферментов в зависимости от их относительной концентрации, таким образом, оказывая тонкое влияние на биохимию клетки, изменяя ее в нужную сторону, или, наоборот, поддерживая в правильном состоянии. Получается своего рода автопилот на молекулярном уровне.
Гораздо более впечатляющих результатов можно добиться путем с помощью намеренного добавления в организм некоторых веществ. Такие вещества могут иметь лабораторное происхождение и быть полностью чужеродными живой ткани. Такого рода намеренное конкурентное подавление позволяет провести различие между организмами даже в том случае, если они тесно переплетены между собой, как, например, паразитирующая бактерия и зараженный организм носителя.
Действие многих ядов обуславливается именно их активным вмешательством в деятельность множества ферментов. Например, такой яд, как дихлорид ртути (сулема) убивает вообще все живое - и микроба и больного.
А вот если использовать конкурентное угнетение, то можно вывести из строя один и только один фермент из всех присутствующих в клетке. При правильно подобранной дозировке, можно добиться, чтобы фермент бактерии прекратил свою деятельность, а ферменты человека практически не пострадали – частично ввиду повышенной чувствительности фермента бактерии, частично благодаря тому, что ингибитор легче проникнет сквозь клеточную мембрану бактерии, чем человека. А может оказаться и так, что один и тот же фермент бактерии нужен больше, чем человеку, ввиду разницы в механизмах обмена веществ.
Первым важным примером такого рода стал сульфаниламид (см. рис. 36), вещество, впервые синтезированное в 1908 году. В 1932 году один немецкий биохимик занимался исследованием различных красителей на предмет того, могут ли они убивать бактерии, не нанося при этом существенного вреда высших организмам. Одно из исследуемых веществ, под названием «пронтосил», оказалось очень эффективным средством против некоторых видов стрептококков, о чем и было объявлено на весь мир в 1934 году.
Будучи введенным зараженной лабораторной мыши, пронтосил оказывал свое действие, но вот в пробирке бороться с бактериями отказывался. Соответственно, возникло предположение, что реальную пользу оказывает не сам пронтосил, а некое вещество, формируемое организмом на его основе. Французские биохимики разложили молекулу пронтосила и получили, в частности, составляющую, оказавшуюся сульфаниламидом. Вот она-то и оказалась эффективным средством борьбы с бактериями как в живом организме, так и в лабораторной пробирке.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21 :: 22 :: 23 :: 24 :: 25 :: 26 :: 27 :: 28 :: 29 :: 30 :: 31 :: 32 :: 33 :: 34 :: 35 :: 36 :: 37 :: 38 :: 39 :: 40 :: 41 :: 42 :: 43 :: 44 :: 45 :: 46 :: 47 :: 48 :: 49 :: 50 :: 51 :: 52 :: 53 :: 54 :: 55 :: 56 :: 57 :: 58 :: 59 :: 60 :: 61 :: 62 :: 63 :: 64 :: 65 :: 66 :: 67 :: 68 :: 69 :: 70 :: 71 :: 72 :: 73 :: 74 :: 75 :: 76 :: 77 :: 78 :: 79 :: 80 :: 81 :: 82 :: 83 :: 84 :: 85 :: 86 :: 87 :: 88 :: 89 :: 90 :: 91 :: 92 :: 93 :: 94 :: 95 :: 96 :: 97 :: 98 :: 99 :: 100 :: 101 :: 102 :: 103 :: 104 :: 105 :: 106 :: 107 :: 108
| |
| |
|
|
|
