Рассказ предка

Жизнь сильно зависит от способности ферментов к виртуозному катализу биохимических реакций. Впервые я услышал о ферментах в школе. Тогда было распространено мнение (на мой взгляд, ошибочное) о том, что науку нужно преподавать на основе жизненных примеров, в связи с чем мы плевали в воду, чтобы продемонстрировать способность фермента амилазы, содержащегося в слюне, расщеплять крахмал и образовывать сахар. В результате складывалось впечатление, что фермент похож на агрессивную кислоту. Примерно так же работают стиральные порошки, содержащие ферменты, которые расщепляют грязь. Однако это разрушительные ферменты, служащие для расщепления крупных молекул. Конструктивные же ферменты участвуют в синтезе крупных молекул из небольших составляющих. Действуют они при этом как “роботы-сводники”.

Клетка содержит раствор тысяч молекул, атомов и ионов. Существует почти бесконечное число способов объединиться друг с другом, однако большинство этих способов не реализуется. Иными словами, в клетке есть широкий диапазон потенциальных химических реакций, большинство которых никогда не происходит. Теперь представьте лабораторию с сотнями бутылок, надежно закупоренных, чтобы их содержимое могло смешаться лишь тогда, когда этого захочет химик. То есть имеется огромный диапазон потенциальных химических реакций.

Теперь представьте, что вы снимаете все бутылки с полок и выливаете содержимое в бочку с водой. Это, конечно, бессмысленный акт вандализма, однако живая клетка в значительной степени есть такая бочка. Сотни содержащихся в клетке компонентов тысяч потенциальных химических реакций не хранятся в бутылках. Они смешаны, но при этом ожидают, находясь преимущественно в инертном состоянии, пока их не смешают для участия в реакции. Они как бы хранятся в бутылках. Ферменты действуют как сводники или лаборанты. Ферменты умеют распознавать вещества – как радиоприемник, который ловит радиостанции, игнорируя сотни других сигналов.

Допустим, есть некая важная химическая реакция, в которой компонент А соединяется с компонентом B, чтобы образовать Z. В лаборатории мы проведем эту реакцию, достав бутылку с этикеткой А с одной полки, бутылку с этикеткой B с другой и смешав их содержимое в чистой колбе с соблюдением необходимых условий. То есть для осуществления нужной реакции нужно взять две бутылки. В клетке множество молекул А и B, плавающих в растворе среди огромного разнообразия других молекул. Молекулы А и B вполне могут встретиться, но даже при встрече они редко объединяются. В любом случае, встреча их не более вероятна, чем тысячи других комбинаций. Так что теперь мы вводим в клетку фермент под названием абзаза ((ABZ-аза), который предназначен для катализа реакции A + B = Z. В клетке миллионы молекул абзазы, и каждая действует как “робот-лаборант”. Каждый лаборант-абзаза захватывает одну молекулу A из смеси свободно плавающих молекул. Затем захватывает одну проплывающую мимо молекулу B. Он удерживает А, придавая молекуле определенное положение. Молекуле B он тоже придает правильное положение, чтобы она могла соединиться с A и создать Z. Кроме того, фермент способен делать и другое (как и лаборант, например, умеет обращаться с мешалкой или бунзеновской горелкой): образовывать временное химическое соединение с A или B, обмениваясь атомами или ионами, которые в итоге возвращаются на места. Таким образом, фермент, как катализатор, не расходуется. В “захватах” фермента образуется молекула Z. После этого “лаборант” выпускает полученную молекулу в раствор и ждет, пока мимо не проплывет следующая молекула А. Фермент захватывает ее, и цикл повторяется.

Если бы “робота-лаборанта” не существовало, свободно плавающая молекула A время от времени сталкивалась бы со свободно плавающей молекулой B в условиях, благоприятных для образования соединения. Но это случайное событие было бы крайне редким – не менее редким, чем столкновения молекул A и B со множеством других потенциальных партнеров. A может столкнуться с C и образовать Y. Или B может столкнуться с D и образовать X. Действительно, небольшие количества Y и X постоянно синтезируются благодаря такому случайному дрейфу. Но в присутствии “лаборанта”, фермента абзазы, все меняется. Благодаря абзазе производство Z приобретает промышленный (с точки зрения клетки) масштаб: типичный фермент многократно увеличивает скорость спонтанной реакции: с миллиона до триллиона. Если бы у нас был другой фермент, ациаза, то A вместо B соединялась бы с C и конвейерным способом образовывала Y. Ведь это те же молекулы А, о которых мы говорили. Они не заключены в бутылку, а свободно плавают в растворе и могут соединяться с B или C, в зависимости от того, какой фермент окажется рядом.