Лекция 3. БЕЛКИ

(курс лекций "Общая биология", читавшийся О.Э. Костериным на первом курсе психологичесого факультета НГУ в 2006-2011 гг.)

Наконец мы приступаем к одному из двух классов биополимеров, на которых зиждется жизнь на Земле в той форме, в которой мы ее знаем. Не факт, что на заре становления жизни те же два класса играли столь же важную роль. Скорее всего какой-то из них был первичен, а какой-то приложился позже. Более того, тогда важная роль могла принадлежать и каким-то другим сложным веществам, которые могли даже не относиться к органическим. Одна из серьезных теорий происхождения жизни утверждает, что органическая жизнь возникла как своего рода паразит на «жизни» сложных глин – цеолитов (основу которых составляет соединение кремния с кислородом и водородом), а потом смогла оторваться от породившего ее носителя и приобрести самостоятельное существование. Однако мы с вами знакомимся с той жизнью, к которой принадлежим мы сами, а другой сейчас и нет. Поэтому заявим утвердительно, что основу жизни на Земле составляют белки и нуклеиновые кислоты. Видимо, белки были вторичны по отношению к нуклеиновым кислотам. И мы сейчас займемся белками.

Мир белков поражает простотой и логичностью устройства и эффективностью и разнообразием достигаемых результатов. Белки – это линейные нерегулярные полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Вернее, этому определению соответствует строгое понятие полипептиды. Под белками понимаются функциональные молекулы, которые могут состоять из одного полипептида, нескольких полипептидов – одинаковых или разных, или включать в качестве дополнения к полипептидам какое-то другое вещество – олигосахарид, нуклеотид (это элемент нуклеиновых кислот – об этом позже) или что-то еще. Но в любом случае основой любого белка являются полипептиды.

Итак, полипептиды состоят из аминокислот. Аминокислотой называется органическая молекула, включающая как кислотную группу -СООН, которая в растворах с нормальной кислотностью заряжена отрицательно, так и аминогруппу -NH2, которая при нормальной кислотности заряжена положительно. (Давайте привыкать изъясняться так, как принято в этой науке: кислотность раствора измеряется величиной pH, которая представляет собой минус десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода. Так называемое нейтральное значение pH, соответствующее чистой воде, – около 7. Это значит, что в литре воды находится 10-7 молей ионов водорода. В одном моле содержится 6 х 1023 (число Авогадро) молекул, значит в одном литре чистой воды присутствует 6 х 1016 ионов водорода. Кислой среде соответствуют значения pH равные 1–3, щелочной – 9–10.) Получается, что при нормальной pH молекулы аминокислот несут на разных своих концах одновременно и положительный, и отрицательный заряд (такие молекулы называются цвиттер-ионами). Однако в составе белков обе эти группы задействованы в связях между соседними аминокислотами, и заряда они не имеют. У аминокислот, входящих в состав белков, и кислотная, и аминогруппа присоединены к одному и тому же атому углерода. Такие вещества называются альфа-аминокислотами. У этого атома углерода остаются две свободные связи, одна из которых занята водородом, а вторая несет нечто называемое боковым радикалом.

Таким образом, мы, между прочим, снова имеем асимметричный атом углерода, обладающий свойством хиральности (оптической изомерии), что показано на рис. 3.1.

Как вы помните, в живых организмах встречались почти исключительно d-формы сахаров. Таким же точно образом аминокислоты в них тоже представлены только одним типом оптических изомеров, однако в данном случае – левовращающими, или l-формами. В составе белков встречаются только альфа-l-аминокислоты, различающиеся строением боковых радикалов. Во всех учебниках вы найдете, что аминокислот в белках всех известных организмов встречается ровно 20. И это почти верно. Все они представлены на следующий рисунках:

Аминокислоты делятся на две большие группы – неполярные, или гидрофобные и полярные, или гидрофильные, в зависимости от того, имеется ли у их боковых радикалов дипольный момент (т. е. по-разному заряженные участки). У неполярных аминокислот радикалы составлены из углерода и водорода, у полярных в них содержится также кислород, азот или сера. Кроме того, аминокислоты можно подразделять и по другим принципам. Найдите на рис. 3.2 все перечисленные ниже аминокислоты и соотнесите упомянутые их свойства со строением молекулы.

Прежде всего мы видим простейшую аминокислоту глицин с «нулевым» боковым радикалом – обе свободные связи углерода заняты у нее водородом. (Следовательно, эта аминокислота не имеет оптических изомеров.) Мы также видим пролин, у которого боковой радикал замкнут в кольцо на аминогруппу. Строго говоря, это не аминокислота, а иминокислота. Важной особенностью пролина является то, что он резко изгибает полипептидную цепь.

Далее идет группа алифатических аминокислот – аланин, валин, лейцин и изолейцин. Их боковые радикалы представлены простыми углеводородами. Неполярной является также аминокислота фенилаланин, которая несет ароматическое бензольное кольцо. (Можно особо выделить класс ароматических аминокислот, которые будут включать неполярную и несколько полярных аминокислот.)

Переходим к полярным аминокислотам.

Аминокислоты со спиртовой группой – серин, треонин. Аминокислота  тирозин одновременно и ароматическая, и «спиртосодержащая», она несет фенольную группу.

Еще две ароматические аминокислоты, содержащие циклы с участием азота, – триптофан и гистидин.

Серосодержащие аминокислоты – метионин и цистеин. Цистеин очень важен как элемент структуры – боковые радикалы двух не находящихся по соседству цистеинов способны терять водород с образованием связи –S–S–. Эти так называемые S–S-мостики – единственный вид ковалентной связи, которая может соединять разные полипептиды или удаленные участки одной полипептидной цепи.

Очень важны аминокислоты, боковые радикалы которых в нейтральных растворах несут заряд. Положительно заряженные аминокислоты – лизин и аргинин, отрицательно заряженные аминокислоты – аспарагиновая и глутаминовая кислоты. Амиды этих кислот – аспарагин и глутамин – также находятся среди биологических аминокислот, они полярны, но не заряжены.

Вот объемные модели молекул аминокислот

<IMG SRC="lecture3/aminoacidmodels.jpg" BORDER=0 HEIGHT=546 WIDTH=509>

Почему именно 20 и почему именно эти 20? Правильного ответа на этот вопрос не существует. Так получилось. Увы, это самый верный ответ практически для всех вопросов по биологии, когда какой-то другой ответ не самоочевиден. Этих 20 оказалось достаточно для построения белков с практически неограниченными функциональными возможностями. Скорее всего разнообразие боковых радикалов даже несколько избыточно, так как многие аминокислоты способны заменять друг друга. И аминокислоты скорее всего могли быть и какими-то другими (кроме самых простых), лишь бы были представлены основные их химические классы.

На самом деле аминокислот «чуть больше» 20. Некоторые аминокислотные радикалы уже после синтеза белка химически модифицируются и превращаются в несколько другие. Так, в коллагене (белке связок – он же желатин) содержатся в значительных количествах гидроксипролин и гидроксилизин – результат модификации соответственно пролина и лизина. Наконец, недавно обнаружилось, что у всех животных в некоторых белках используется аминокислота селеноцистеин – аналог цистеина, в котором сера заменена на селен. Причем это «законная» аминокислота. Как и у 20 канонических аминокислот, информация о ней записана в ДНК, хотя и несколько другим способом, и в тех белках, где эта кислота используется, она не может быть заменена на другую. (А используется она, в частности, в ферменте, который отщепляет атом йода в метаболизме гормонов щитовидной железы.)

Наш организм способен расщеплять некоторые аминокислоты в целях извлечения энергии. При их недостатке реакции расщепления этих аминокислот могут быть обращены в сторону их синтеза. Остальные аминокислоты наш организм делать не умеет и должен получать с пищей. Это так называемые незаменимые аминокислоты. У разных животных набор незаменимых аминокислот несколько различен. У человека незаменимых аминокислот ровно половина – 10: аргинин, валин, гистидин, изолейцин, лейцин, лизин, метионин, треонин, триптофан и фенилаланин. Растения и микроорганизмы умеют синтезировать все аминокислоты.

Аминокислоты объединяются (конденсируются) в белки следующим образом. Один из двух водородов аминогруппы одной аминокислоты и –OH из гидроксильной группы другой аминокислоты отщепляется с образованием молекулы воды, а соответствующие атомы углерода и азота связываются друг с другом с образованием амидной, или пептидной, связи. Это прочная ковалентная связь. Она, между прочим, задействована в капроне, который тоже состоит из аминокислот (но не альфа-аминокислот). На следующем рисунке представлен фрагмент пептида – цепочка из аминокислотных остатков, связанных пептидной связью:

Как правило, все свойства полипептида, включая его пространственную укладку, полностью определяются последовательностью аминокислотных остатков – его первичной структурой. Таким образом, любой полипептид можно полностью задать словом, длина которого равна количеству аминокислотных остатков и в котором используется 20 букв, каждая из которых соответствует одной аминокислоте (забудем пока для простоты про селеноцистеин). Этот простой, "буквенный" способ хранения и передачи информации и задействован в живых организмах – вся информация о первичной структуре белков содержится в ДНК, а ее главная функция как раз и состоит в хранении и передаче именно этой информации.

Заметим, что можно построить 20n полипептидов длиной n. Причем, если буквы написать в прямом и строго обратном порядке, это не будет один и тот же пептид, так как концы его будут различаться: в одном случае это свободная кислотная группа, в другом – аминогруппа. Это очень большое число! Допустим, для пептида длиной в 100 аминокислотных остатков - а по биологическим меркам это будет очень короткий пептид - оно составит приблизительно 1,27 х 10130. Так что в практическом отношении разнообразие белков безгранично.

Каждая полипептидная цепь более или менее характерным образом организована в пространстве. Прежде всего, атом водорода, связанный с атомом азота, вовлеченным в пептидную связь, может образовывать водородную связь с атомом кислорода, также вовлеченным в пептидную связь, но в другом месте. Эти связи укладывают полипептидную цепь определенным образом. Такая укладка называется вторичной структурой. Когда принципиальное устройство белков было выяснено, ученые начали строить модели вторичной структуры и нашли два удачных варианта, в которых водородные связи образовывали регулярную вторичную структуру, которая, казалось бы, могла неограниченно продолжаться (рис. 3.4). Одна из них – спиральная (так называемая альфа-спираль), другая – плоская (так называемые бета-складки):

Однако оказалось, что боковые радикалы многих аминокислотных остатков вносят такие возмущения во вторичную структуру, что в реальных белках встречаются только довольно небольшие фрагменты альфа-спиралей, а бета-складки реализуются редко и только при определенном аминокислотном составе.

Следующий уровень оганизации белков – их третичная структура – общая укладка полипептидной цепи в пространстве. Она целиком определяется расположением боковых радикалов аминокислот. Прежде всего это касается цистеинов, которые, как сказано выше, способны образовывать
S–S -мостики.

Радикалы неполярных аминокислот в водной среде имеют тенденцию слипаться друг с другом (за счет упоминавшихся в предыдущей лекции гидрофобных взаимодействий). Такое слипание сворачивает белок в глобулы – некие компактные образования. Участки, богатые полярными аминокислотами, в водной среде, наоборот, стремятся развернуться как можно сильнее – за счет этого они не имеют устойчивой третичной структуры.

Наконец, если белок включает несколько полипептидных цепей, одинаковых или разных, которые объединяются друг с другом (при помощи тех же взамодействий боковых радикалов аминокислот), то это называется четвертичной структурой белка. На рисунке показан белок инсулин (гормон поджелудочной железы), состоящий из двух полипептидных цепей, в которых имеется несколько S-S мостиков, как внутри, так и между цепями. В первом случае эти мостики являются элементами третичной структуры, во втором - следующего уровня организации - четвертичной структуры.

На следующем рисунке схематически показана третичная и четвертичная структура белка гемоглобина. Это белок из красных кровяных телец, который обратимо связывается с кислородом и переносит его с током крови. В виде красной пластинки изображен так называемый гем – комплексная молекула с ажурным органическим каркасом и атомом железа посередине. Именно гем и связывает молекулу кислорода. Гем ковалентно присоединяется к полипептидной цепи, называемой глобин. Существует несколько типов глобинов, два из которых участвуют в создании гемоглобина. Четыре полипептидных цепи глобина, по две двух типов, каждая будучи связанной с гемом, формируют тетрамер, которым, собственно, и является гемоглобин.

Как видим, вторичная структура белков образована слабыми водородными связями, а в третичной и четвертичной только S–S-мостики представляют собой ковалентные связи, остальное же определятся опять-таки слабыми водородными связями и гидрофобными либо ионными взаимодействиями. Все эти слабые связи легко разрушаются при нагревании. Потеря белком своей вторичной, третичной и четвертичной структуры называется денатурацией. Денатурация бывает обратимой и необратимой. Обратимая восстанавливается при возвращении температуры в норму, необратимая – нет. Все, что связано с приготовлением мясной пищи, – это необратимая денатурация белков. Приготовление творога – тоже необратимая денатурация, сопровождающаяся склеиванием молекул казеина, – коагуляцией. Денатурацию может вызвать не только нагревание, но и, к примеру, изменение ионного состава среды.

Белки бывают большие и маленькие. Некоторые водорастворимые белки невелики – всего около сотни аминокислот. Рекордсменом среди белков, синтезируемых в виде единой полипептидной цепи, является титин. Он состоит из 26 926 аминокислотных остатков (молекулярная масса – 2 993 килодальтон, а 1 дальтон – это приблизительно масса нуклона, т. е. протона или нейтрона). Причем в момент синтеза его длина составляет 34 350 аминокислотных остатков, но после синтеза он определенным образом укорачивается. Эта полипептидная цепь в длину превосходит 1 микрометр. (Кстати, если кто-то еще не вник в то, какой мелочью мы занимаемся, тот может прикинуть длину полипептида в 100 аминокислотных остатков – в 270 раз меньше!) Это важный компонент поперечнополосатой мускулатуры, своеобразные пружины, которые обеспечивают мышцам остаточное натяжение покоя. Кстати, его полное химическое название состояло бы из 189 819 букв и, по-видимому, являлось бы самым длинным словом в европейских языках.

Мы помним, что строение углеводов имеет самые разные особенности, которые очень плохо ложатся на обыденный человеческий ум: при каком атоме находится кислород с двойной связью; как именно образуется циклическая форма, как направлены все четыре гидроксильные группы относительно цикла; какие атомы углерода вовлечены в гликозидную связь. Все это требует достаточно сложных описаний и схем, особенно в случае нерегулярных олигосахаридов. В то же время по своим физико-химическим свойствам углеводы не особенно разнообразны. Устройство же белков достаточно простое и логичное, но достигаемое разнообразие на практике мало отличается от бесконечного. Нужно запомнить 20 боковых радикалов аминокислот, а дальше можно просто записывать их последовательность в виде последовательности букв, и свойства белка будут заданы. (Впрочем, условия «правильного» синтеза в клетке «помогают» многим белкам принять «правильные» третичную и четвертичную структуры, тогда как последовательность аминокислот предполагает возможность нескольких вариантов.) Приведем такую аналогию: работа с белками и углеводами отличается примерно так же, как игра на фортепиано и скрипке – в одном случае имеется одна клавиатура, в другом – параллельные струны с возможностью континуального извлечения разных тонов.

При единообразном в своей основе устройстве белков их свойства могут быть самыми диковинными, а функции удивительно многообразны. Для простоты начнем с конца – со структурной функции. Какие вы знаете белки, выполняющие структурную (механическую или защитную) функцию?

Пример, в буквальном смысле лежащий на поверхности. Кератин – белок, из которого состоят волосы, рога, копыта, ногти, роговой слой кожи, роговица глаза. Это вещи очень прочные и практически химически инертные – ни в чем не растворимы, ни с чем не реагируют, гидролизовать крайне трудно. Разве что горят. Полипептидная цепь кератина свернута в правую альфа-спираль. Две такие молекулы закручиваются в левую суперспираль. Такие суперспирали, в свою очередь, соединяются попарно и получается протофибрилла, и 8 протофибрилл образуют фибриллу. В составе коллагена очень много цистеина – единственной аминокислоты, которая, как вы помните, формирует ковалентные сшивки между разными полипептидными цепями.

Далее вспомним произведения искусства членистоногих – шелк и паутину. Их образует фиброин – тоже очень прочный белок. В структуре этого белка большую роль играют бета-складки.

Коллаген и эластин – белки, которые формируют соответственно нерастяжимые и эластичные нити в межклеточном веществе соединительной ткани. Они придают прочность внутренним органам, из них состоят связки. Аминокислотный состав коллагена также довольно необычен; 33,5 % составляет самая простая аминокислота – глицин, 11 % – следующая по простоте алифатическая аминокислота аланин, 10 % – иминокислота пролин, которая резко изгибает полипептидную цепь, а еще 9 % приходится на модификацию пролина – гидроксипролин. В его последовательности многократно повторен мотив «глицин – пролин – Х», где Х чаще всего представлен аланином или гидроксипролином. Молекулы коллагена формируют трехспиральные нити, причем они располагаются так, что эти нити могут продолжаться неограниченно долго. При кипячении трехспиральная структура частично разрушается (денатурирует), освободившиеся молекулы связывают довольно много воды. Мы получаем  хорошо нам известный желатин, столь не похожий по своим физическим свойствам на коллаген.

Упоминавшийся выше титин также является структурным белком.

Менее общеизвестны, но еще более важны и универсальны белки, обеспечивающие внутриклеточную структуру. Одни из них, вместе с фосфолипидами образуют клеточные (наружные и внутриклеточные) мембраны, другие – так называемый цитоскелет, поддерживающий форму клетки и взаиморасположение ее частей. Положительно заряженные гистоны взаимодействуют с отрицательно заряженной ДНК и формируют так называемый хроматин – нуклеопротеиновый комплекс, из которого состоят хромосомы. Белки принимают участие в формировании клеточных стенок бактерий (которые в основном образованы полисахаридами). Белки, которые формируют оболочку вирусов, также относятся к белкам со структурной функцией.

Белки, несущие положительно и отрицательно заряженные аминокислоты, тем самым попадают в класс амфотерных веществ. Такие вещества имеют свойства буфера – они способствуют стабилизации рН раствора. Поступающие в среду ионы водорода связываются с остатками отрицательно заряженных в норме аспарагиновой и глутаминовой кислот, вместо того чтобы повышать кислотность среды. ОН-ионы, наоборот, забирают протон от положительно заряженных аминогрупп лизина и аргинина, вместо того чтобы нейтрализовывать ионы водорода и тем самым создавать щелочную реакцию. В этом состоит одна из важных функций белков – буферная.

К буферной близки еще две функции – по удержанию влаги в условиях ее недостатка (у растений для этого есть специальные белки – дегидрины) и по предотвращению замерзания внутриклеточной среды при низкой температуре (т. е. функция антифриза). Эти функции выполняют белки, состоящие в основном из полярных аминокислот. При помощи водородных связей они связывают большое количество молекул воды, предотвращая их испарение или кристаллизацию.

Функция питательного ресурса. В организме белки как правило не используются в качестве энергетического резерва. Это было бы крайне нерационально, все равно как использовать нефть в качестве топлива. Однако питательный белок содержится в молоке. Как вы понимаете, растущему детенышу нужна и энергия, и материалы для построения своего организма, а он строится в основном из белков. Питательный белок молока называется казеин. Что любопытно, казеин – это то же самое, что столярный клей. Бесценный аминокислотный ресурс для одних может выполнять грубую механическую функцию для других. В семенах растений присутствуют так называемые запасные белки, которые также служат резервом готовых аминокислот для построения белков быстро растущего проростка. А в яйцеклетках животных большое количество аминокислот запасено в белках желтка.

Транспортная функция. Мы уже упоминали гемоглобин. Это белок, который обратимо связывается с кислородом – при этом большая часть молекул оказывается связанной с ним там, где кислорода много и свободной от него там, где кислорода мало. На этом основан перенос кислорода в крови. Многочисленные, разнообразные и весьма сложные белки осуществляют перенос разнообразных веществ из одной части клетки в другую.

Функция движения. Все движения в живом мире осуществляются белками. Определенные белки изменяют свою конформацию в ответ на определенные химические изменения. Актин и миозин, обеспечивающие мышечные сокращения, – белки. Жгутики бактерий и простейших также приводятся в движение белками.

Но все перечисленные выше функции можно смело назвать второстепенными. Большинство из них появляются только у достаточно сложных организмов. Главная функция, которую выполняет большинство белков, в том числе и у самых просто устроенных организмов, – это ферментативная функция. В химии есть понятие – катализатор. Катализатор – вещество, облегчающее протекание какой-либо химической реакции. Само оно либо не принимает участия в этой реакции, либо в ходе сложной реакции восстанавливается. Суть в том, что оно в ходе реакции не расходуется. Катализаторы очень важны в химических технологиях, в особенности для реакций с участием газов, и обычно представляют собой вещества, часто с участием нескольких металлов, с очень развитой поверхностью. Биологические системы целиком основаны на химическом катализе, причем подавляющую часть биологических катализаторов представляют собой белки. Белки, обладающие каталитической функцией, называются ферментами или энзимами. Оба этих слова образованы от слова «закваска»: fermentum по-латыни и ζυμε – по-гречески, у нас больше прижилось слово «фермент», в английском – enzyme.

Задачей каждого фермента служит осуществление одной (иногда более) химической реакции. Это может быть превращение двух молекул в одну, одной – в две или преобразование молекулы из одной в другую, т. е. осуществление некоей элементарной реакции. Но бывает, что ферменты осуществляют и очень сложные реакции, например удвоение цепи ДНК. Молекула или молекулы, вступающие во взаимодействие с ферментом и как следствие подвергающиеся химическим превращениям, называются субстратом (субстратами) данного фермента. Молекула или молекулы, возникающие в результате реакции, называются продуктами данной ферментативной реакции (почему-то не принято говорить «продукт фермента»). В любом случае каждый фермент специально рассчитан на определенную реакцию, т. е. субстратами для него служат какие-то строго определенные молекулы, либо семейства молекул, имеющих сходные или идентичные части. Таким образом, каждый фермент в той или иной степени специфичен.

Как работает фермент? У каждого фермента есть как минимум один активный центр. Обычно это несколько строго определенных боковых радикалов вминокислот, расположенных в строго определенной пространственной ориентации по отношению друг к другу. Если они и располагаются рядом в пространстве, то совершенно не обязательно, что находятся рядом в полипептидной цепи, и, как правило, это совсем не так. Ориентация радикалов активного центра достигается укладкой всей белковой молекулы, так что часто длинные участки полипептидной цепи с более или менее жестко фиксированной последовательностью служат только для правильной ориентации нескольких строго определенных аминокислотных радикалов. Радикалы активного центра расположены так, что молекула субстрата обладает к ним сродством, образно говоря - подходит как ключ к замку. Как правило, это притяжение между определенными атомами субстрата и определенными атомами радикалов активного центра. Первая стадия ферментативной реакции состоит в связывании молекулы субстрата с активным центром. Обычно в результате связывания несколько изменяется конформация как фермента, так и субстрата, т. е. чисто механически меняется характер пространственной укладки их молекул. При этом вследствие связывания субстрата с активным центром определенные химические группы оказываются в таком взаимном расположении, что они должны прореагировать друг с другом, – это как раз и происходит. После такого химического превращения продукт (продукты) реакции освобождают активный центр. Таким образом, каждая ферментная реакция состоит из трех частей – формирование фермент-субстратного комплекса, химическое превращение субстрата в продукт и диссоциация продуктов и фермента. Часто реакция образования комплекса вполне обратима, а реакции превращения и диссоциации необратимы, но некоторые ферментативные реакции обратимы полностью.

Если субстратов несколько, то реакция протекает сложнее, но по тем же самым принципам.

Активный центр многих ферментов содержит вещества, которые не относятся к белкам. Они присоединяются к белку (обратимо или необратимо) уже после их синтеза. (Конечно же это также чаще всего делается специальными ферментами!). Если такие вспомогательные вещества пришиты к ферменту ковалентно, они называются простетическими группами, если ассоциированы обратимо (за счет ионных связей, к примеру) – кофакторами, или коферментами. Рассмотренный выше гем у гемоглобина – это простетическая группа. Коферментами является большинство наших витаминов. Наш организм (в отличие от растительного и бактериального) не умеет их делать сам и вынужден получать с пищей. Но их много и не надо, так как в ходе ферментативных реакций витамины не расходуются.

Часть ферментативных реакций идет без затраты энергии. Это означает, что реакция переводит молекулы из менее энергетически выгодного в более энергетически выгодное состояние, или эти состояния энергетически эквивалентны. Однако самопроизвольно такая реакция не идет или идет крайне медленно из-за кинетических ограничений – вероятность, что молекулы субстрата случайно сориентируются таким образом и примут такую конформацию, что смогут прореагировать, необыкновенно низка (вплоть до того, что это практически невозможно). На самом деле формирование фермент-субстратного комплекса требует некоторых затрат энергии. Однако этот энергетический барьер (количество энергии, которое нужно затратить на производство комплекса) невелик и не превосходит энергию, выделяющуюся в результате реакции, а необходимая энергия поставляется простым тепловым движением молекул.

Однако очень многие химические реакции идут с затратами энергии, т. е. переводят вещества из термодинамически более выгодных в менее выгодные состояния. Это означает, что для требуемого превращения веществ необходимо затратить работу, причем часто это чисто механическая работа по перемещению определенных химических групп в реакционноспособное состояние. Например, против электростатических сил или против сил упругости, возникающих при деформации той оптимальной конфигурации молекулы, которая определяется задействованными в ней химических связей. Энергия для этой работы должна быть привнесена в реакцию извне. Универсальным энергоносителем и конвертируемой валютой в биохимических процессах является так называемая АТФ (аденозинтрифосфат) – о ней несколько позже. Так вот, ферменты, осуществляющие реакцию с затратой энергии, имеют еще и специальный энергетический центр, который связывается с молекулой АТФ. Связав молекулу АТФ, активный центр отщепляет от нее одну или две фосфатные группы, а энергия, запасенная в связях фосфора с кислородом, идет сначала на изменение конформации молекулы фермента и его активного центра и как следствие этого изменения – на осуществление химической работы по превращению. Следовательно, такие ферменты катализируют сразу две сопряженные реакции – отщепление фосфатных групп от АТФ и свою специфическую реакцию, что сопровождается переносом энергии от первой реакции ко второй. Эти реакции соглсованы, т. е. происходят только когда оба активных центра связаны с соответствующими субстратами.

Наконец, у многих ферментов есть еще один центр, он связывается с веществом – конечным продуктом цепочки реакций, в которых данный фермент участвует. Связывание продукта меняет конформацию фермента и делает его нереакционноспособным, т. е. он ингибирует (подавляет) фермент. Таким образом происходит регулировка всего процесса по принципу отрицательной обратной связи – избыток конечного продукта тормозит реакцию на каких-то ранних стадиях.

Ферменты принято называть по названию субстрата и реакции, которую они осуществляют, с прибавлением суффикса «аза». Поэтому где встретите какую-нибудь «Азу», значит, это фермент. По характеру катализируемых реакций ферменты можно разделить на шесть групп:

– гидролазы осуществляют гидролиз;

– трансферазы переносят химические группы с одной молекулы на другую;

– лиазы отщепляют или присоединяют небольшие группы атомов (в частности, фосфорилазы отщепляют фосфатную группу, а киназы присоединяют);

– лигазы сшивают две молекулы в одну;

– изомеразы осуществляют перестройки внутри молекул.

- оксидоредуктазы переносят электроны, окисляя один субстрат и восстанавливая другой;

Эффективность ферментов как молекулярных устройств поразительна. Во всех учебниках приводится скорость работы фермента уреазы, который выделяется бактериями и расщепляет мочевину на углекислый газ и аммиак. Одна молекула фермента за секунду расщепляет 30 000 молекул мочевины. Самопроизвольное расщепление такого количества молекул при тех же «нормальных условиях» потребовало бы 3 млн лет. Таким образом, мы получаем представление о том, что такое биологический катализатор и как именно данный фермент ускоряет реакцию.

К ферментам близки белки-рецепторы – белки, которые связываются с сигнальными веществами, например гормонами. Гормоны передают через кровь некий химический сигнал определенным клеткам. На поверхности этих клеток есть белки-рецепторы, которые связываются с гормоном и передают сигнал в клетку. Как и в случае с ферментом, здесь имеет место специфическое связывание субстрата с активным центром рецептора, что влечет за собой определенные изменения в рецепторе химического, электрического или механического характера, посредством которых сигнал передается дальше. Рецепторы участвуют в передаче возбуждения через синапсы – места контакта нервных клеток. Они связываются с медиаторами – веществами, передающими сигнал между клетками. Таким образом, нервный импульс, будучи в пределах одной нервной клетки электрохимическим явлением, передается на следующую клетку через чисто химического посредника. Бывают, однако, рецепторы не только к химическим сигналам, но и к физическим – свету, механическому напряжению. На них основан механизм действия органов чувств.

Иммунная система человека основана на белках, которые необратимо связываются с чужеродными (иногда, к сожалению, и своими тоже) веществами, переводя их тем самым в неактивную форму. В основе их действия, как и в случае ферментов и рецепторов, лежит специфическое химическое узнавание и связывание. Принцип их действия тот же самый, но несколько проще – отсутствует момент химической трансформации субстрата, так как целью здесь является только его связывание.

Поговорим еще о ферментах, имея в виду, что многое будет справедливо и для рецепторов. Работа каждого фермента рассчитана на определенные условия. Прежде всего, рН среды. Чтобы фермент имел рабочую конформацию, его полярные аминокислотные радикалы должны быть определенным образом заряжены. К примеру, если фермент рассчитан на нормальную рН, а его поместить в кислую, где много положительно заряженных ионов водорода, то остатки аспарагиновой и глутаминовой кислот потеряют свой отрицательный заряд и конформация молекулы изменится. Однако некоторые ферменты, допустим фермент пепсин, расщепляющий белки у нас в желудке, рассчитаны на крайне кислую среду. Крайне важный фактор – температура. Существует закон Аррениуса, согласно которому увеличение температуры на 10о С ускоряет все химические процессы приблизительно в 2 раза. В принципе, ферментативные реакции подчиняются этому закону. Однако «правильная» структура фермента обеспечивается в том числе и довольно слабыми связями. В частности, очень велика роль водородных связей. При температуре выше «расчетной» эти связи начинают разрушаться – белок денатурирует. Таким образом, у каждого фермента существует температурный оптимум активности и температурный диапазон, часто достаточно узкий, в котором реакция в принципе возможна. У некоторых археобактерий, живущих в горячих источниках на дне океана (где еще и давление высокое), этот оптимум может находиться в районе 120 оС.

Таким образом, ферменты – это специализированные и в высшей степени эффективные станки биологического конвейера, ответственные каждый за какую-то одну операцию. Работа конвейера тонко налажена, а результаты – поражают воображение. Достаточно вам посмотреть друг на друга и подумать, как такое возможно было сделать. И вот, к примеру, Вы – диверсант и перед Вами стоит задача сорвать данное производство. Как бы Вы стали это делать? Нет, есть способы похитрее, чем, подобно луддитам, разрушать их тотально (кстати, способ весьма трудоемкий). Все помнят анекдот про суровых русских мужиков? Которые подсовывали лом в японскую пилораму? Такой же лом можно подсунуть и в фермент. Это должно быть вещество, настолько похожее на субстрат, чтобы связаться с активным центром и в то же время достаточно на него не похожее, чтобы фермент не мог с ним ничего сделать. Тогда процесс заканчивается образованием фермент-субстратного комплекса, с которым далее ничего не происходит. Если такого вещества достаточно, чтобы блокировать большинство молекул фермента, ферментативная реакция останавливается. Это называется конкурентное ингибирование. Именно такими псевдосубстратами и является большинство ядов.

В 1930–1940-е гг. было осуществлено замечательное издание «Флора Казахстана». Его редакторы в соответствии с тогдашней идеологией заботились о том, чтобы максимально охарактеризовать хозяйственное значение каждого растения. Читаем про аконит джунгарский. Хозяйственное значение: «Применяется в качестве отравы для волков». Читаем про аконит анторовидный. Хозяйственное значение: «Применяется как противоядие при отравлении аконитом джунгарским». Токсин аконита – это в основном алкалоид аконитин. Он связывается с белком, выполняющим функцию натрий-калиевого насоса, т. е. регулирующим концентрацию этих ионов внутри и вне клетки и тем самым блокирует передачу возбуждения в мышцах. И вот смотрите: один аконит является противоядием от другого. Ясно, что речь идет о родственных веществах. Одно из них – сильнейший токсин. Другое явно более слабый токсин – раз противоядие, т. е. его связывание с белком гораздо слабее. Но можно предположить, что если его принять много, то его молекулы способны вытеснять молекулы предыдущего из того центра белка, с которым они связывались, тем самым его освобождая.

Белковую машину можно не только испортить. Она может сойти бракованной с конвейера. Во всех учебниках приводится классический пример серповидноклеточной анемии – наследственной болезни, распространенной в Африке. У людей с этим заболеванием эритроциты имеют форму не двояковогнутой линзы, а неправильного полумесяца. Их прохождение по капиллярам затруднено, они хрупкие и они плохо выполняют функцию транспорта кислорода. Как выяснилось, болезнь связана с одной-единственной аминокислотной заменой в одном из глобинов - полипептидов, формирующих гемоглобин, а именно в шестой с конца позиции остаток отрицательно заряженной глутаминовой кислоты заменен на неполярного остаток валина. В результате при недостатке кислорода не связанные с ним молекулы гемоглобина слипаются в цепочки, что и ведет ко всем печальным последствиям.

Понятно, что замена одной аминокислоты в таком важном месте, как активный центр, полностью блокирует функцию белка. В то же время замена где-то в боковой петле может вообще не иметь последствий - допустим, если важна только длина данной части молекулы. Такие функциональные ограничения, строго дифференцированные по длине полипептидной цепи, оказывают сильное влияние на эволюцию белков, которая, несмотря на ограничения, породила все многообразие белков в отдельно взятом организме, равно как у разных организмов. Разным белкам и разным частям одного белка позволено изменяться с разной скоростью и в разных пределах.

Приведем еще один (необычный) пример испорченного белка. Он имеет интригующую историю, включающую целых две Нобелевские премии, но не будем описывать всю интригу, а приведем сразу результат. Возсможно, вы помните, как в связи со случаями так называемого коровьего бешенства, передававшегося человеку, в континентальной Европе была запрещена продажа говядины из Британии. Суть в том, что у некоторых коров возникала смертельная болезнь, сопровождавшаяся расстройством координации движений. Произошло несколько случаев заражения людей, предположительно употреблявших в пищу мясо больных коров. Выяснилось, что коровы заполучили ее через костную муку, сделанную из овечьих костей, которой их подкармливали. Овцы страдают такой же болезнью под названием «скрепи» (однако запрещения употребления людьми баранины не наблюдалось. Наверное, в этой истории было больше политики, чем здравого смысла). К болезням той же этиологии относятся два синдрома человека, характеризующиеся дегенерацией либо коры головного мозга, либо мозжечка и спинного мозга (со всеми вытекающими последствиями), а кроме того, так называемая смертельная семейная бессонница. И сюда же относится болезнь куру, распространенная среди каннибалов Новой Гвинеи, которая сопровождается дегенерацией мозжечка и потерей координации движений и передается с мозгом съеденных людей. Эти болезни характеризуются медленным, но совершенно неотвратимым течением с обязательным смертельным исходом. Одно время казалось, что болезнь вызывает паразит чисто белковой природы, который умеет воспроизводить себя без участия нуклеиновых кислот – так называемый прион. Однако выяснилось, что прион – это белок, который не может воспроизводить себя, но способен передавать свое состояние – особую конформацию. В норме этот белок находится на поверхности нервных синапсов (соединений нервных клеток, через которые передается импульс). У этого белка есть правильная и неправильная конформации. (Как видите, первичная структура не всегда определяет конформацию белка однозначно!) При синтезе в клетке он принимает правильную конформацию. Однако есть и неправильная конформация, при которой он не сидит на мембране, а накапливается внутри клетки и блокирует ее работу. Оказалось, что неправильная конформация весьма устойчива к термической обработке и не подвержена действию ферментов, расщепляющих белки в желудочно-кишечном тракте, из которого такая молекула может попасть в организм. Неправильная конформация «заразна», т. е. если откуда-то берется молекула с неправильной конформацией, то эта конформация постепенно передается другим молекулам. В результате нервные клетки одна за другой выходят из строя. Людоеды получают такой «подарок» с пищей. Те, кто ели «заразную» говядину, – тоже. Однако от приона другого вида неправильная конформация передается с трудом. Откуда вообще берется изначальная «зараза» – молекула с неправильной конформацией? Оказывается, как и в случае гемоглобина при серповидно-клеточной анемии, все дело в наследственной изменчивости этого белка. Иногда прионовые болезни возникают (а они возникают уже в зрелом возрасте) у родственников, т. е. явно наследуются. Определенное изменение первичной структуры этого белка (одним словом, мутация) делает молекулу предрасположенной к неправильной конформации, которую она может принять самопроизвольно. Такого человека, корову или овцу есть не рекомендуется. Этот пример показывает, как важна конформация белка, как важна изменчивость его первичной структуры и какие подводные камни может таить в себе людоедство.

В заключение следует обратить внимание на одну характерную особенность белкового биологического конструктора. Упоминавшийся выше гигантский белок титин состоит из нескольких сотен повторенных без особого порядка участков, последовательность которых похожа на участки двух других белков: иммуноглобулина, обеспечивающего иммунитет (размер участка – около 90 остатков) и фибронектина – структурного белка, ответственного за связывание клеток с внеклеточным белковым каркасом – тем же коллагеном, принимающим участие в свертывании крови и т. д. (размер участка – немногим больше 40 остатков). Получается, что елок, обеспечивающий упругость мышц, наполовину состоит из кусочков белка, обеспечивающего иммунитет! Другими словами, при его «конструировании» был использован готовый фрагмент, механические свойства которого оказались подходящими, и не важно, что он первоначально служил совсем для другого.

Имеются и более поразительные примеры. Вы знаете, что в глазу есть эластичная линза – хрусталик. Она тоже делается из специальных водорастворимых белков – кристаллинов. Технические требования к ним – это определенные коэффициент преломления и механические свойства. Выяснилось, что все кристаллины представляют собой либо те или иные работающие ферменты, либо белки, явно произошедшие от ферментов. Дельта‑кристаллины, присутствующие у птиц и крокодилов, представляют собой фермент аргининсукцинатлиазу, причем молекула сохраняет свою ферментативную активность, совершенно не нужную в хрусталике. Птичий тау-кристаллин одновременно является ферментом альфа-энолазой в других тканях. Эпсилон-кристаллин представляет собой активную лактат-дегидрогеназу. Омега-кристаллины головоногих моллюсков возникли из альдегид-дегидрогеназы (запоминать названия ферментов не нужно, они приведены здесь для документальности и чтобы еще раз подчеркнуть умопостигаемую сложность предмета). Группа, исследующая происхождение кристаллинов, применяет термин «рекрутирование» – кристаллины рекрутируются из ферментов. Таким образом, сложнейшие биохимические машины, предназначенные для осуществления тонких биохимических реакций, использованы здесь как «пушечное мясо» – просто как вещества с определенными оптическими и механическими свойствами.

Поскольку конструкция живых организмов никем не проектировалась специально, а все возникло из закрепления случайно возникших жизнеспособных вариантов, биологи постоянно сталкиваются с конструктивными решениями, полученными по принципу Тришкиного кафтана. Но так как система сложная и у кафтана имеется огромное количество рукавов, удачное решение всегда можно найти и по такому принципу.