Действие ферментов
Как биологические катализаторы, ферменты ведут самые разные реакции - от метаболических процессов в нашем организме до реакций, позволяющих вирусам размножать- ся у нас в клетках. Существует две модели ферментных реакций, разработанные за прошлый век. Обе модели пытаются объяснить, почему тот или иной фермент специфичен для реакции, которую он катализирует.
Немецкий биохимик Герман Эмиль Фишер, похоже, имел примечательную слабость к горячим напиткам: его интересовали пурины в чае, кофе и какао. Как-то раз он добавил к смеси сахара и молоко в виде лактозы. Окольными путями это привело его к изучению ферментов. В 1894 году он доказал, что реакции гидролиза, в которых происходит распад лактозы на два составляющих ее сахара, можно катализировать ферментом, и в тот же год опубликовал статью, в которой обрисовал теорию работы фермента.
Ключ-замок
Ферменты — это биологические катализаторы, которые ведут реакции во всех живых существах. Теория «ключ-замок», предложенная Фишером, основывается на наблюдении, как один из его любимых сахаров встречается в двух слегка отличающихся разновидностях (в двух изомерных формах) и их гидролиз ведут два разных природных фермента. Реакция с альфа-изомером происходила только посредством фермента, полученного из дрожжей, а с бета-изомером — с ферментом, полученным из миндаля. В состав обоих изомеров входят одни и те же атомы, соединены эти атомы примерно одинаково, но все же им требуются разные ферменты. Фишер представил две разные формы сахара как ключи, которые подходят лишь к своим замкам.
Распространив эту теорию на ферменты и их субстраты («ключи») шире, Фишер разработал первую модель действия ферментов, которая могла объяснить их важнейшую особенность — специфичность. После смерти Фишера прошел не один десяток лет, прежде чем его теория оказалась опровергнута, но меж тем с ферментами еще было чем заняться.
Показать им всем
От Фишера ускользнуло одно наблюдение: у всех ферментов единое происхождение — все они белки, состоящие из аминокислот. А вот Джеймсу Самнеру, еще одному харизматичному химику, это стало очевидно, однако доказательство далось ему нелегко. Самнер был человеком упрямым: несмотря на ампутацию левой руки, случившуюся из-за неудачного инцидента на охоте, еще в юности, он решил, что добьется успехов в спорте, и выиграл кубок Корнеллского преподавательского теннисного клуба. Его упрямство, судя по всему, распространялось и на его исследовательские труды: несколько человек советовали ему перестать глупить и бросить попытки выделить фермент, но он продолжил двигаться к цели — и через девять лет ее достиг.
В 1926 году Самнер стал первым человеком, кристаллизовавшим фермент, — он выделил уреазу из бобов канавалии мечевидной. (Уреаза — фермент, из-за которого в человеческом желудке процветает Helicobacter pylori, а из-за этих бактерий приключается язва. Фермент расщепляет мочевину, pH повышается, и среда делается для этих бактерий приятнее.) Самнеру никто не верил, что уреаза — белок, и он взялся доказать всеобщую неправоту: опубликовал десять статей на заданную тему, просто чтобы все поняли наверняка и бросили спорить. И конечно, Нобелевская премия, врученная Самнеру, его точку зрения поддержала дополнительно.
Лучшее соответствие
В те времена по-прежнему считали, что модель «ключ-замок» наиболее точно описывает действие фермента. Если уреаза — замок, тогда мочевина — ключ. Но в 1950-х американский биохимик Дэниэл Кошленд пересмотрел стареющую Фишерову модель. Его модель индуцированного соответствия жива и поныне. Кошленд адаптировал жесткий «замок» теории Фишера, поскольку ферменты состоят из белковых цепочек, а у них структура гибче.
«Много кто говорил мне, что глупы мои попытки выделить фермент, но эти соображения укрепили меня в мысли, что цель моя достойна, особенно если до нее добраться» Джеймс Бетчеллер Самнер (1887-1955), американский биохимик
На белки и ферменты влияют внешние условия — нагревание, например: когда температура человеческого тела повышается, деятельность ферментов быстро затухает; влияет на нее и присутствие других молекул. Кошленд понял: когда молекула субстрата сталкивается со своим высокоспецифичным ферментом, происходит изменение формы фермента, и они точнее подходят друг другу. Отсюда и название модели — «индуцированное соответствие». Эти изменения случаются в области активного центра в ферменте, который и образует Фишеров «замок». То есть мочевина не совпадает с активным центром уреазы, как рука с перчаткой. Скорее, молекула субстрата усаживается поудобнее, как мы с вами — в кресле-мешке.
Модель индуцированного соответствия получила более широкое применение — в механизмах биохимического связывания и распознавания. Эта модель помогает разобраться, к примеру, в том, как гормоны связываются со своими рецепторами и как действуют некоторые лекарства. Действие препаратов от ВИЧ — невирапина или эфавиренца — основано на их связывании фермента под названием «обратная транскриптаза», с помощью которого вирус создает в человеческой клетке свою ДНК и размножается. Лекарства образуют химические связи рядом с активным центром фермента, меняют, таким образом, его структуру и не дают ферменту выполнять его работу, в результате чего вирус не может воспроизводить свою ДНК и размножаться.
Обе модели действия ферментов преподают в школе, и это прекрасный пример того, как по мере поступления новых сведений эволюционирует научная мысль. Ревизия модели, произведенная Дэниэлом Кошлендом, основывалась и на данных о гибкости белковой структуры, и на наблюдаемых аномалиях катализируемых процессов, и Кошленд постепенно понял, что со старой теорией не все ладно. Тем не менее, из глубочайшего почтения к Фишеру, которого считают отцом биохимии, Кошленд неизменно говорил, что лишь развил работу великого ученого. Он даже писал: «Говорят, любой ученый стоит на плечах исполинов, предшествовавших ему. Нет места почетнее, чем на плечах у Эмиля Фишера».
Активный центр
Активный центр фермента - участок, удерживающий субстрат, именно здесь происходит реакция между ферментом и субстратом. Этот участок может состоять всего из нескольких аминокислот. Все, что меняет структуру активного центра, влияет и на особенности соединения фермента с субстратом, и вероятность успешного протекания реакции при этом уменьшается. К примеру, повышение или понижение pH среды - это увеличение или уменьшение концентрации ионов водорода, а ионы водорода взаимодействуют с группами в аминокислотах в активном центре и меняют его устройство. Любая молекула, химически связываясь с ферментом так, что активный центр блокируется, называется конкурентным ингибитором, поскольку соперничает с молекулой субстрата.
Молекулы, связывающиеся с ферментом не в активном центре, но все же меняющие при этом его структуру, называются неконкурентными ингибиторами. Генетические изменения тоже могут влиять на действие ферментов, особенно если такие изменения происходят в порядке аминокислот в активном центре. К примеру, болезнь Гоше - это мутация, при которой меняется устройство активного центра фермента глюкоцереброзидазы, в результате чего в организме накапливается избыток субстрата (глюкоцереброзида). Впрочем, заменить порченый фермент можно: по всему миру проходят лечение примерно 10 000 человек, страдающих болезнью Гоше, - им заменяют фермент.
Ферменты в промышленности
Ферменты применяются в самых разнообразных отраслях промышленности. Биоактивные моющие средства содержат ферменты, разрушающие вещества в составе пятен на тканях, и тем сберегают энергию, необходимую для очистки одежды от грязи. Пищевая промышленность применяет ферменты в превращениях одних сахаров в другие. Загвоздка лишь в том, что ферменты - это белки, и их действие ограничено довольно узким диапазоном внешних условий, и потому температуру, давление и кислотность среды приходится жестко контролировать.