Случайность и необходимость

Даже простейшие организмы содержат огромное количество разных белков. Так, у бактерии Escherichia coli (весом 5х10^–13 грамм и длиной примерно 2 микрона) их насчитывается около 2500 ± 500. У высших млекопитающих, таких как человек, это значение достигает порядка одного миллиона.

* * *

Каждую из тысяч химических реакций, содействующих развитию и функционированию организма, избирательно запускает особый белок-фермент. Незначительно упрощая, можно сказать, что любой фермент проявляет свою каталитическую активность только на одной, строго определенной стадии метаболизма. Прежде всего, именно своей необычайной избирательностью ферменты отличаются от небиологических катализаторов, используемых в лаборатории или в промышленности. Некоторые из последних чрезвычайно активны – даже в очень малых количествах они способны значительно ускорять различные реакции. Тем не менее по специфичности действия ни один них не может сравниться с самым обычным ферментом.

Эта специфичность проявляется двояко:

1. Каждый фермент катализирует только один тип реакции[15].

2. Хотя в организме обычно присутствует множество соединений, способных вступать в реакции такого типа, фермент, как правило, активен только в отношении одного из них.

Чтобы прояснить эти положения, рассмотрим несколько примеров. Фермент фумараза катализирует реакцию гидратации фумаровой кислоты в яблочную. Эта реакция обратима; иными словами, тот же самый фермент катализирует дегидратацию яблочной кислоты в фумаровую:

Хотя геометрический изомер фумаровой кислоты – малеиновая кислота – химически способен подвергаться той же реакции гидратации, по отношению к нему фермент совершенно неактивен.

Существуют также два оптических изомера яблочной кислоты, обладающих асимметричным атомом углерода[16]:

Будучи зеркальными отражениями друг друга, эти два соединения химически эквивалентны и практически неразличимы с помощью классических химических методов. Тем не менее фермент распознает их без труда.

Так,

а) фермент дегидратирует исключительно L‐яблочную кислоту с образованием исключительно фумаровой кислоты

и

б) из фумаровой кислоты фермент производит исключительно L‐яблочную кислоту, но не D‐яблочную кислоту.

Способность безошибочно различать оптические изомеры – не просто яркая иллюстрация стерической специфичности ферментов. Здесь мы прежде всего находим объяснение тому загадочному явлению, что среди многочисленных ассиметричных химических компонентов клетки (а таково большинство из них) лишь один из двух оптических изомеров, как правило, представлен в биосфере.

Во-вторых, согласно общему принципу Кюри о сохранении симметрии, тот факт, что из оптически симметричного соединения (фумаровой кислоты) образуется асимметричное соединение, предполагает, что:

а) именно фермент является «источником» асимметрии; следовательно, он сам должен обладать – и обладает – оптической активностью; и

б) первоначальная симметрия субстрата теряется в процессе его взаимодействия с белком-ферментом. Таким образом, реакция гидратации должна проходить внутри «комплекса», образованного за счет формирования временной связи между ферментом и субстратом; в таком комплексе начальная симметрия фумаровой кислоты будет утрачена.

Концепция «стереоспецифичного комплекса», объясняющего специфичность и каталитическую активность ферментов, имеет первостепенное значение. Мы вернемся к ней после обсуждения других примеров.

Фермент аспартаза, обнаруженный в некоторых бактериях, также действует только на фумаровую кислоту, исключая все остальные соединения, в том числе и ее геометрический изомер – малеиновую кислоту. Реакция «присоединения по двойной связи», катализируемая этим ферментом, аналогична рассмотренной выше. Только на этот раз с фумаровой кислотой соединяется не молекула воды, а молекула аммиака. В результате образуется аспарагиновая кислота:

Аспарагиновая кислота обладает асимметричным атомом углерода; следовательно, она оптически активна. Как и в предыдущем случае, ферментативная реакция дает только один из изомеров – L. Такие изомеры называют природными, поскольку все аминокислоты, входящие в состав белков, принадлежат к левовращающим соединениям.

Таким образом, оба фермента – аспартаза и фумараза – четко различают не только оптические и геометрические изомеры своих субстратов и продуктов, но и молекулы воды и аммиака. Можно сказать, что последние также входят в состав стереоспецифичного комплекса, в рамках которого происходит реакция присоединения, и что в этом комплексе молекулы расположены в строгом порядке одна относительно другой. И специфичность действия, и стереоспецифичность реакции, по всей видимости, являются результатом такого расположения.