Случайность и необходимость

На основании приведенных выше примеров существование стереоспецифичного комплекса как переходной стадии в ферментативных реакциях может быть выведено только в качестве объяснительной гипотезы. Однако в некоторых случаях существование комплекса удается продемонстрировать непосредственно. В частности, фермент β-галактозидаза специфично катализирует гидролиз соединений, обладающих структурой, обозначенной буквой (А) на схеме ниже:

Изомеров у таких соединений достаточно много – шестнадцать геометрических, отличающихся ориентацией групп OH и H относительно атомов углерода 1–5, плюс их энантиомеры.

Фермент точно различает все эти изомеры и гидролизует только один из них. Примечательно, что его можно «обмануть», синтезировав «стерические аналоги» соединений данного ряда, в которых кислород гидролизуемой связи заменен на серу (формула Б). Хотя атом серы крупнее атома кислорода, валентности обоих атомов и их ориентации одинаковы. Таким образом, трехмерная форма серных производных совпадает с формой их кислородных аналогов. Однако связь, образованная серой, гораздо стабильнее связи с кислородом. Как следствие, фермент не способен к гидролизу этих соединений. В таких случаях образование стереоспецифичного комплекса с белком можно продемонстрировать непосредственно.

Подобные наблюдения не только подтверждают теорию комплекса, но и указывают на то, что ферментативную реакцию следует рассматривать как протекающую в две стадии:

1) образование стереоспецифичного комплекса между белком и субстратом;

2) каталитическая активация внутри комплекса химической реакции, направляемой и определяемой структурой этого комплекса.

Ковалентные и нековалентные связи

Данное разграничение имеет большое значение и в дальнейшем позволит нам прийти к одному из ключевых понятий молекулярной биологии. Однако прежде отметим, что среди различных видов связей, обеспечивающих устойчивость химического соединения, принято выделять два основных типа: ковалентные и нековалентные связи. Ковалентные связи, часто называемые химическими sensu stricto[17], обусловлены обобществлением электронных облаков двух или более атомов; нековалентные связи обязаны своим существованием иным типам взаимодействия, не подразумевающим общности электронных облаков.

Учитывая главную цель данного очерка, нам нет необходимости подробно останавливаться на природе физических сил, участвующих в этих взаимодействиях. Достаточно подчеркнуть, что два типа связей отличаются друг от друга энергией ассоциаций, которые они образуют. Если рассматривать только те реакции, которые протекают в водной фазе, можно сказать, что среднее количество энергии, поглощенной или высвобожденной в ходе реакции, затрагивающей ковалентные связи, составляет от 5 до 20 ккал на связь. Для реакции, затрагивающей только нековалентные связи, среднее количество энергии будет составлять от 1 до 2 ккал[18].

Эта существенная разница частично объясняет разную стабильность «ковалентных» и «нековалентных» химических соединений. Главное, однако, заключается не в ней, а в так называемой энергии активации, необходимой для запуска двух типов реакций. Данный момент имеет первостепенное значение. Напомним, что всякая реакция, в результате которой популяция молекул переходит из одного стабильного состояния в другое, должна включать промежуточное состояние, потенциальная энергия которого выше, чем любого из двух конечных состояний. Данный процесс часто изображается в виде графика, абсцисса которого отражает течение реакции, а ордината – потенциальную энергию (Рис. 1). Разница в потенциальной энергии конечных состояний соответствует энергии, высвобождаемой в ходе реакции. Разница между начальным и промежуточным («активированным») состояниями – это энергия активации, т. е. энергия, которую молекулы должны временно приобрести, чтобы вступить в реакцию. Хотя эта энергия, поглощаемая в ходе первой фазы и высвобождаемая во второй, не фигурирует в окончательном термодинамическом балансе, именно от нее зависит скорость реакции. Так, при обычной температуре скорость реакции будет практически равна нулю, если энергия активации высока. Следовательно, чтобы спровоцировать такую реакцию, необходимо либо значительно повысить температуру (тем самым обеспечив молекулы достаточным количеством энергии), либо использовать катализатор, роль которого заключается в «стабилизации» активированного состояния, за счет чего происходит уменьшение разности потенциальной энергии между этим состоянием и исходным.

Рис. 1. Диаграмма, показывающая изменение потенциальной энергии молекул в ходе реакции. А: начальное стабильное состояние; Б: конечное стабильное состояние; Х: промежуточное состояние, потенциальная энергия которого выше, чем потенциальная энергия двух стабильных состояний. Сплошная линия: ковалентная реакция; серая линия: ковалентная реакция в присутствии катализатора, снижающего энергию активации; пунктирная линия: нековалентная реакция.