Второй эффект – это эффект ориентации. Бывало ли у вас, что вы долго пытаетесь поймать взгляд человека, чтобы с ним переговорить, – вроде и стоите рядом, а провзаимодействовать – никак? В ферментативном катализе «собеседники» всегда «лицом к лицу». Переходя на более научный язык, молекула реагента связывается с ферментом в оптимальной геометрии и ориентации так, что дальнейшим процессам не препятствуют пространственные ограничения.
Третий эффект связан с особыми условиями, которые созданы для реагентов в участке связывания – а именно в активном центре. Вновь обратимся к аналогии с межличностными отношениями. Для наиболее эффективного общения с важным человеком, например, в рамках деловой встречи, вы наверняка предпочтете создать благоприятную обстановку. Вы забронируете переговорный кабинет в офисе, напомните секретарю, что будет нужен кофе, проветрите помещение да и сами настроитесь на рабочий лад. Даже если за окнами будет ежедневная суета, вы будете поддерживать оптимальную обстановку, чтобы ускорить положительный итог встречи. Как вы понимаете, в активном центре фермента реализуется та же стратегия, только не на основе психологии, а на основе физико-химических законов. В активном центре может быть другая полярность среды и другой уровень кислотности. Функциональные группы, которые при обычных условиях малореакционноспособны, начинают демонстрировать чудеса химической «прыти».
Коферменты и кофакторы
Помимо полипептидной цепи в состав активного центра ферментов могут входить различные вещества, необходимые для их функционирования. Условно их разделяют на коферменты и кофакторы, хоть и граница между ними достаточно условная. Более того, среди ученых – специалистов в области исследования ферментов (энзимологов) до сих пор ведутся дискуссии о точности того или иного определения. По наиболее распространенной версии, кофактор – это небелковая часть в ферменте, которая необходима для катализа. Если эта часть представляет собой органическую молекулу, например производное витамина (как уже упомянутый выше NAD+ – производное витамина В3), ее называют еще коферментом. Под кофакторами часто подразумевают ионы металлов, например таких «экзотических», как молибдена или ванадия. В витаминно-минеральных комплексах присутствие таких микроэлементов связано именно с поддержанием активности соответствующих металл-зависимых ферментов.
Многие коферменты не «прикованы» к активному центру и могут свободно «приходить и уходить», выступая как бы вторым субстратом. Но если кофермент связан с активным центром сильными взаимодействиями (иногда даже настоящей полноценной химической связью), его удобно выделить специальным названием – простетическая группа, подчеркивая ее важность для существования сколь бы то ни было активного фермента.
Например, именно к простетическим группам относятся производные витамина В2 – флавин мононуклеотид и флавин аденин динуклеотид. Белки, в состав которых входят данные простетические группы, имеют специальное название «флавопротеины», в человеческом организме их более 90! Многие ферменты с флавиновыми простетическими группами действуют в митохондриях клеток, обеспечивая энергетический баланс клеток.
Так, (электронпереносящий флавопротеин) – дегидрогеназа (или сокращенно ETF-дегидрогеназа) относится к классу оксидоредуктаз и помогает «посадить» электроны из матрикса (внутренности) митохондрий на специальный «корабль» – мембранный переносчик электронов убихинон (тоже кофермент, о нем поговорим ниже). Если в гене, кодирующем ETF-дегидрогеназу, случается поломка, развивается генетическое заболевание – глутаровая ацидимия второго типа, которая в легких случаях может приводить к низкому уровню глюкозы в крови, а в тяжелых – к грубым порокам развития.
Помимо флавинадениндинуклеотида ETF-дегидрогеназа содержит еще один кофактор – железосерные кластеры. Эти конструкции, состоящие из нескольких атомов от самого простого, в котором есть всего лишь 1 атом железа [1Fe – 0S] к наиболее распространенным кластерам на 4, 7 и 8 атомов – [2Fe – 2S], [3Fe – 4S], [4Fe – 4S] соответственно, вероятно, были первыми из всех известных коферментов и поддерживали жизнь на заре ее зарождения. Железосерные кластеры принимают участие во многих базовых биологических процессах. Помимо окислительно-восстановительных процессов в митохондриях, рассмотренных выше, кластеры задействованы в метаболизме ДНК. Многие ферменты, такие как праймазы, лигазы, полимеразы, нуждаются в железосерных кластерах для поддержания активности.
Возвращаясь к простетическим группам, отметим, что и производные витамина В1 (а именно тиаминпирофосфат), и В6 (пиридоксаль фосфат), и витамин В7 (биотин) тоже выступают в энзимологии как простетические группы.
А как же известные коферменты, которые «приходят и уходят»? Один из самых известных коферментов – это, конечно, производное витамина В3никотинамид аденин динуклеотид, или сокращенно НАД. Это, без ложной скромности, один из центральных коферментов всего метаболизма, который задействован в сотнях процессов по всему организму, преимущественно в реакциях обмена углеводов, белков и жиров.
Другой значимый кофермент – кофермент А, производное витамина В5 (пантотеновой кислоты), задействован в самом главном цикле метаболизма – цикле Креббса (мы его немного упоминали в главе про витамины). Кроме этого он задействован в биосинтезе жиров. Во всех случаях кофермент А помогает переносить кислотные остатки с одной молекулы на другую.
Благодаря массовой маркетинговой компании вы также можете быть знакомы с коэнзимом Q10 – или, если выражаться на русском языке, коферментом Q10. Ему приписывают буквально чудотворные средства при приеме в виде БАД, но на самом деле Q10 – лишь один из представителей большой группы коферментов убихинонов, которые присутствуют в митохондриях. Вы с ними уже частично познакомились при обсуждении флавопротеинов.
Помимо поддержания энергетического баланса клетки убихиноны являются антиоксидантами, то есть препятствуют окислительному стрессу. Так что да, молекула безусловно полезная, она широко представлена в пищевых продуктах, особенно в мясе и рыбе (например, в скумбрии).
Использование ферментов в практических задачах, будь то крупные производства или отдельные эксперименты, требуют от белков сколь бы то ни было удовлетворительной стабильности, то есть неизменности строения и свойств во времени. И вот здесь возникают определенные проблемы. Ферменты функционируют в живых системах и не предназначены изначально для работы в условиях завода. Потеря стабильности приводит к необратимой инактивации фермента, то есть потери способности ускорять реакции.
Исследователи выделяют различные типы стабильности белков. В первую очередь мы говорим о стабильности ферментов внутри самой клетки. Глобулярные белки существенно различаются по времени жизни в организмах (обычно от 2 до 200 часов), и когда час пробил, все они подвергаются процессу протеолиза, то есть расщепления полипептидной цепи на части. К настоящему времени не выявлено корреляции между стабильностью белков в клетках и их молекулярными параметрами, например массой молекулы или структуры.
Зато было обнаружено, что в короткоживущих белках часто присутствуют специальные «метки» – так называемые сигнальные аминокислотные последовательности. По смыслу они напоминают наклейки «съешь меня» и передают сигнал специальным ферментам-«убийцам» – протеазам – о необходимости скорейшего расщепления «меченого» белка. Некоторые сигнальные последовательности обуславливают очень короткую жизнь белка, до 3 минут, в то время как другие последовательности служат «оберегом» от расщепления на долгие часы.
Если же мы вернемся из живой системы в реальный технологический процесс, то потеря активности фермента может подразумевать различные механизмы, среди которых:
1) агрегация;
2) нарушение сети химических связей (разрывы или наоборот образование новых связей);
3) потеря простетической группы или кофактора;
4) и даже «налипание», то есть сорбция[6] на стенках реактора!
Рассмотрим этот процесс на примере одного из самых распространенных механизмов – агрегации. На бытовом уровне агрегацию наблюдал всякий, кто решил сварить пельмени, не помешивая их как следует. Незадачливого повара ждет настоящий «ком» из слипшихся пельменей, и вид такого блюда вряд ли кого-либо обрадует. Для белков все примерно так же. На первом этапе под действием какого-то агрессивного внешнего фактора из нативной глобулы белка образуется промежуточный «развернутый» белок с искаженной структурой. На втором этапе «развернутые» молекулы образуют агрегаты, «слипшиеся» за счет слабых межмолекулярных взаимодействий. В агрегате могут присутствовать десятки, сотни и даже тысячи молекул. Да уж, представьте только ком из тысячи пельмешек… Лучше на себе не проверять!
Решение проблемы стабильности ферментов в технологических процессах остается актуальной задачей для многих исследователей. Здесь еще много пространства для открытий и достижений.
Глава 3Ферменты пищеварения
В прошлых главах мы познакомились с основными биомолекулами, которые встречаются нам в пище, – белками, жирами, углеводами, и выяснили, что некоторые белки способы ускорять многие химические реакции. Одними из самых первых исследуемых ферментов стали ферменты пищеварения – и немудрено, ведь, как сказал академик Иван Павлов в своей нобелевской речи 1904 года: «Над всеми явлениями человеческой жизни господствует забота о насущном хлебе». Уже к этому времени было известно, что в составе пищеварительного сока помимо хорошо известных химических веществ, таких как соляная кислота, содержатся соединения-ферменты.