Беседы о жизни - Галактионов Станислав Геннадиевич

Объяснение принципов действия ферментов следовало бы завершить ответом на последний существенный вопрос: почему энергия активации реакции, приводящей к химической модификации молекулы субстрата, оказывается столь низкой? Вполне безукоризненный (или, как любят в подобных случаях выражаться авторы научных статей, корректный) ответ на него дать трудно. Прежде всего потому, что в случае различных ферментов конкретные механизмы таких реакций могут разниться очень сильно. Наиболее существенный (и общий для всех случаев) момент, определяющий это явление, заключается в следующем.

При образовании фермент-субстратного комплекса молекула субстрата оказывается ориентирована на поверхности молекулы фермента таким образом, что в непосредственной близости от того «места» в молекуле субстрата, которое подлежит перестройке, оказывается атом или группа атомов фермента, активно взаимодействующих с модифицируемой частью молекулы субстрата и как бы «провоцирующих» реакцию.

Детальное объяснение процесса такой «провокации» далеко выходит за рамки этой книги и, кроме того, не очень-то целесообразно. Достаточно сказать, что с точки зрения любого химика здесь нет ничего особенного: подобные эффекты довольно часто встречаются в «обычной» химии.

Гораздо интереснее другое: пространственная структура молекулы фермента, оказывается, «замешана» и в этом процессе! Ведь из сказанного выше следует, что «принимающий» участок поверхности молекулы фермента не просто формируется в «слепок» молекулы субстрата, но и организован таким образом, чтобы взаимодействующие с субстратом атомы расположились в нужном месте. Другими словами, не только первый, но и второй этап «технологического цикла» акта ферментативного катализа имеет своим основанием определенную, уникальную пространственную структуру молекулы фермента.

Что ж, вряд ли читатель, внимательно прочитавший предыдущие главы, удивится такому выводу. О выдающейся роли трехмерной структуры белковых молекул как способа реализации генетической информации говорилось еще в самом начале нашего изложения. А материал последующей — хоть и весьма краткой — главы еще больше укрепит, как мы надеемся, его уважительное отношение к белкам, поскольку жизнь любого, в том числе и читательского, организма почти всецело зависит от структуры, а значит, и функции белков.

Глава 6. Жизнь в карикатуре

Несколько полушутливых строчек, предваряющих каждую главу нашего повествования, уже стали, как нам кажется, своеобразной традицией: хорошей или дурной — судить читателю. Но, честное слово, готовясь к рассказу о функциональной роли белковых молекул в основных жизненных процессах, поневоле сбиваешься на высокоторжественный и даже патетический слог, более подходящий для выступления на юбилейных торжествах, чем для «оживления» сухого, в сущности, околонаучного трактата.

Так что на этот раз придется обойтись без привычного зубоскальства, неуместного в столь ответственный момент перехода к святая святых естествознания — жизни.

В другой ситуации такой заголовок показался бы слишком выспренным, но читатель, предупрежденный о недопустимости всяких ухмылок, наверняка поймет нас правильно. И это несмотря на то, что пока мы рассмотрели только один аспект деятельности белковых молекул в организме — ферментативный катализ.

Называя именно этот аспект наиболее важным, мы, вне сомнения, понимаем всю условность такого утверждения. Зачем же противопоставлять ферменты, скажем, сократительным белкам, от которых зависит подвижность наших мышц? Нет, конечно, умолчание о многих функциях белков в организме диктуется вовсе не «второстепенностью» этих функций, а исключительно особенностями структуры настоящей книги. И все же мы должны хотя бы вкратце остановиться на роли белков в процессах самосборки надмолекулярных структур клетки.

Простейший пример «самособирающегося» надмолекулярного комплекса — четвертичная структура белка — уже был нами вскользь описан. Но благодаря белкам специфической пространственной структуры оказывается возможным самопроизвольное формирование многих, гораздо более сложных структур — элементов клетки. При этом в структуры такого типа наряду с молекулами белков вовлекаются также и соединения иной природы.

Так, белки в сочетании с РНК особого сорта образуют надмолекулярные частицы — рибосомы, играющие первостепенную роль в процессе биосинтеза белковых молекул на матричной РНК. Другие белки совместно с соединениями жировой природы, липидами, самопроизвольно формируют на поверхности клеток мембраны — тончайшие образования, регулирующие материальный обмен клетки с наружной средой.

И все эти и другие сложнейшие структуры целиком определяются и удерживаются невалентными межмолекулярными взаимодействиями, причем образуются они, повторяем, самопроизвольно. Этот факт можно объяснить только способностью белковых молекул принимать в растворе строго определенную пространственную форму, что, как видим, оказывается определяющим фактором также и для процесса самосборки.

С большим трудом удерживаются авторы от триумфального восклицания: «А мы что говорили?!» И в самом деле, слова о том, что именно в пространственном строении молекул белков следует искать объяснение почти всех их удивительных свойств, оказались без малого пророческими. Читатель имел возможность убедиться в их правоте: избирательность ферментов, их стереоспецифичность, быстродействие в качестве катализаторов, способность упорядочить запутаннейшие цепи химических реакций в организме, участие молекул белков в самосборке надмолекулярных структур — все это прочно связано с представлением о третичной структуре белков — соединений, удивительнейших во всех отношениях.

И в самом деле, даже если ограничиться лишь двумя функциями белка — ферментативной и структурообразовательной, — поражаешься разнообразию возможностей белков. Подумать только: комбинируя в линейной последовательности двадцать аминокислотных остатков, природе удается «получить» ферменты, контролирующие тысячи химических реакций самой разнообразной природы или блоки надмолекулярных структур (подчас очень причудливых), число которых и вовсе уж не поддается оценке.

Именно белки являются тем удивительно пластичным инструментом и материалом одновременно, обеспечивающим существование и функционирование всех живых структур любого организма. Ведь даже когда основная масса организма образована веществами небелковой природы, как, например, у большинства растений, собственно жизненные процессы протекают лишь в тех структурах, где содержится много белка. Ибо в древесине, пробке, оболочке взрослой растительной клетки практически никаких процессов обмена веществ не происходит, это мертвые образования, выполняющие чисто механические функции. А функциональной основой жизни, обусловливающей всякое активное ее проявление, всегда оказываются белки.

И однако, будем справедливыми. В одной из важнейших функций всякого живого организма белковым молекулам верно и очень изобретательно ассистируют также и молекулы другого важнейшего класса биополимеров. Ибо, как справедливо отметил один известный биохимик, белки могут все, кроме одного: они не могут копировать самих себя.

Наше возвращение к нуклеиновым кислотам вызвано вовсе не тем, что авторские пристрастия вдруг изменились и белки перестали ходить у нас в любимчиках. Просто для дальнейшего прославления роли белков в жизненных процессах нам необходимо познакомиться со схемой их синтеза, и здесь никак не обойтись без деталей некоторых молекулярных механизмов, где первостепенную роль играют молекулы РНК и ДНК. В первой главе об этих процессах — самокопировании молекул ДНК, размножении РНК-овых копий, синтезе белка — уже шла речь, но тогда мы вынуждены были обойтись чисто формальным, символическим их описанием (пусть даже и хореографическим). Теперь же, вооруженные запасом необходимых сведений о молекулярных структурах и взаимодействиях, мы готовы заново рассмотреть и молекулы нуклеиновых кислот, и процессы их воспроизведения.