Биологически активные
Шрифт:
Скажем, некий фермент катализирует реакцию с участием определенной молекулы (она называется в этом случае субстратом); катализирует очень эффективно, ускоряя в миллионы раз или даже более. И вот стоит хоть чуть-чуть изменить что-то в структуре этой молекулы, заменить одну группу атомов другой, или слегка нарушить строение той ее части, которая в реакции не участвует вовсе, или расположить иным образом заместители у какого-нибудь атома углерода – фермент перестает действовать как катализатор.
Благодаря высокой специфичности ферментов в организме не воцаряется хаос: каждый фермент выполняет строго отведенные ему
Всякий каталитический эффект наступает в результате того, что молекула катализатора связывается неким образом с одной или несколькими молекулами – участницами реакции. В составе такого комплекса реакционная способность связанных молекул повышается, они реагируют друг с другом или с какими-то еще молекулами окружения. Продукт реакции обычно обладает меньшим сродством к катализатору, комплекс распадается, и молекула катализатора готова для следующей операции.
Удивительную специфичность действия ферментов Эмиль Фишер объяснил точным взаимным пространственным соответствием молекул субстрата и связывающего ее участка фермента (он называется активным центром фермента). Эта гипотеза получила название «гипотезы ключа и замка» или гипотезы «руки и перчатки».
В самом деле» не наденешь левую перчатку на правую руку, а если и натянешь, то с трудом. И если активный центр фермента представляет собой как бы слепок молекулы субстрата, ориентированной определенным образом, то ясно, что даже незначительная модификация структуры субстрата не дает ему возможности образовать плотный (а следовательно и прочный) комплекс с ферментом.
Гипотеза Фишера (с небольшими последующими модификациями) получила прямое экспериментальное подтверждение лишь много десятилетий спустя, однако была повсеместно взята на вооружение биохимиками сразу.
Более того, эти представления были перенесены и на другие взаимодействия белков с различными веществами. Например, при появлении в организме некоторых чужеродных соединений вырабатываются антитела – белки, прочно связывающие эти соединения и предотвращающие тем самым их возможное токсическое влияние. Пауль Эрлих, стоявший у истоков возникновения этих представлений, говорил в Нобелевской лекции, читанной в 1908 году.
«А так как отношения между токсином и его антитоксином (антителом. – С.Г.) носят строго специфический характер – например, столбнячный антитоксин нейтрализует исключительно яд столбняка, дифтерийная сыворотка – только яд дифтерии, противозмеиная сыворотка – только яд змеи и т.д., – то необходимо допустить, что между каждой такой парой антиподов происходит химическое связывание; последнее же ввиду строгой специфичности процесса легче всего объяснялось бы существованием двух групп с определенной конфигурацией, а именно двух групп, которые, по меткому сравнению Э. Фишера, так же хорошо подходят друг к другу, как ключ к замку».
С идеей взаимного пространственного соответствия двух взаимодействующих биологических молекул нам придется иметь дело еще не раз, на самых различных примерах; на этой идее, можно сказать без преувеличения, стоит вся современная физико-химическая биология. А обязана она ей Эмилию Фишеру, так же как, впрочем, и еще многими, многими идеями и фактами.
Заслуги Фишера были высоко оценены еще
В 1902 году ему была присуждена Нобелевская премия. Все это, разумеется, неважно; мало ли было полностью ныне забытых нобелевских лауреатов, не говоря уже об академиках? Более всего о масштабах научных свершений Фишера свидетельствует то, что его идеи, его результаты и по сей день присутствуют во всех учебниках биохимии, органической химии, молекулярной биологии.
Согласно преданию семьи Фишеров отец Эмиля – богатый, солидный купец – хотел, чтобы сын продолжил его дело. Юноша был определен на практику к шурину своего отца, тоже купцу. То ли торговое ремесло было скучным занятием для него, то ли молодой Эмиль сознательно манкировал обязанностями купеческого практиканта, только некоторое время спустя учитель вернул его отцу с кратким и категорическим заключением:
– Ничего из него не получится.
– Что же поделать, – разочарованно сказал Фишер-старший. – Раз для купца он слишком глуп, придется отправить его в университет.
Жаль, что история, по-видимому, не сохранила для нас имени этого самого шурина, которому, как оказывается, столь многим обязана современная наука.
Белки, разрушающие белки
Вернемся, однако, к разговору о белках.
Структура остова белковой молекулы довольно проста. Боковые радикалы присоединены к атомам углерода, которые соединяются друг с другом посредством пептидной связи –CO–NH–.
До сих пор не последовало ответа на поставленный где-то выше вопрос о том, каким образом возникают белковые молекулы. Повременим и еще, рассмотрев противоположный процесс распада белков в организме. Он идет с помощью белков же – протеолитических ферментов, которые расщепляют пептидную связь с образованием на концах цепей в месте разрыва карбоксигруппы –COOH и аминогруппы –NH 2; при этом происходит гидролиз одной молекулы воды.
Как и большинство других ферментов протеолитические ферменты обладают специфичностью, подчас довольно высокой, и расщепляют далеко не каждую связь. То есть на каждый случай какой-нибудь фермент да найдется, но данный конкретный фермент обычно специфичен в отношении лишь небольшой части связей в молекуле белка.
Чаще всего такая специфичность определяется типом остатка, принимающего участие в образовании атакуемой связи и его ближайших соседей, однако существуют и чемпионы специфичности, которые привередливы гораздо более. Так, протеолитический фермент ренин атакует только пептидную связь, следующую за фрагментом совершенно определенной аминокислотной последовательности из восьми остатков!
Рассмотрим, однако, случай попроще: пищеварительный фермент химотрипсин, выделяемый поджелудочной железой. Он расщепляет пептидные связи, в образовании которых принимают участие неполярные, гидрофобные остатки, причем делает это тем охотнее, чем больше объем такого остатка. Методами рентгеноструктурного анализа удалось установить пространственное строение молекулы химотрипсина. Механизм его каталитического действия благодаря этому известен ныне во всех основных деталях.