Жизнь на грани - Джонджо МакФадден

Приближаясь к месту пептидной связи, «челюсти» фермента совершают нечто более утонченное по сравнению с простым перекусыванием связи: они предоставляют средство, благодаря которому осуществляется ускорение реакции — катализ. Мы замечаем крупный атом с положительным зарядом, висящий прямо под мишенью — местом пептидной связи, которая уже развернута в удобное положение. Эта частица — положительно заряженный атом цинка. Если мы принимаем активный центр фермента за его челюсти, то атом цинка — один из резцов. Положительно заряженный атом забирает электрон у атома кислорода одного из субстратов, придавая устойчивости переходному состоянию и, следовательно, деформируя энергетический рельеф. Горловина песочных часов расширяется.

Оставшуюся работу выполняет другой «резец» фермента — его собственная аминокислота, известная как глутамат (глутаминовая кислота). Молекула глутамата также принимает необходимое положение, располагая свой отрицательно заряженный атом кислорода непосредственно над местом пептидной связи. Первоначальная роль этой молекулы заключается в том, чтобы оторвать положительно заряженный протон от связанной молекулы воды. Затем она подбрасывает этот протон атому азота, расположенному на одном из концов пептидной связи. Атом азота получает положительный заряд, притягивающий электрон, который участвует в пептидной связи. Как вы помните, электроны служат своего рода клеем пептидных связей. Изъятие электрона из пептидной связи сходно с тем, как если бы мы разъединили склеенные поверхности и соскоблили клей — поверхности бы уже не соединились[37]. После перестановки нескольких электронов из молекулярных «челюстей» фермента наконец высвобождаются продукты реакции — разрушенные пептидные цепочки. Таким образом, реакция, которая без фермента протекала бы как минимум 68 миллионов лет, совершается за несколько наносекунд.

Так при чем же тут квантовая механика? Как она объясняет катализ при участии ферментов? Для этого нам с вами вновь следует обратиться к идеям ученых, стоявших у истоков квантовой механики. Мы уже обсудили важную роль особенных немногочисленных частиц из активного центра фермента, чьи действия напоминают гениально поставленный танец и сильно отличаются от хаотичной молекулярной толкотни, происходящей на клеточном уровне. Здесь же, в особом месте, биомолекулы со сложной структурой вступают в очень специфические виды взаимодействия с другими биомолекулами с не менее сложной структурой. Эти взаимодействия могут быть описаны и в терминах Йордана и его идеи диктаторского усиления, и в терминах Шредингера и его идеи «порядка из порядка». Кроме того, обе идеи подходят для описания того пути, который проходит головастик, превращаясь во взрослую лягушку. Сначала мы описываем организованные ткани и клетки, затем — волокна, которые скрепляют ткани и клетки, затем — завораживающую хореографию элементарных частиц внутри активного центра коллагеназы, которая разрушает структуру коллагеновых волокон и таким образом обусловливает перестройку всего организма лягушки. Неважно, какую теорию мы выбираем — теорию Йордана или теорию Шредингера. Важно то, что с их помощью мы описываем нечто совершенно непохожее на хаотичное движение молекул, которое заставляет поезда подниматься по склонам холма.

Так прав ли был Шредингер, утверждая, что подобный молекулярный порядок подразумевает совершенно иной свод законов, действительных только для живой материи? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала должны подробнее разобраться в тех законах, которые действуют в микромире.

Так ли велика объяснительная сила теории переходного состояния

Правда ли, что в основе подобной хореографии молекул лежат квантово-механические явления? Мы говорили о том, что способность коллагеназы ускорять распад пептидных связей зависит от нескольких каталитических механизмов. Химики ежедневно используют эти механизмы для ускорения химических реакций, вовсе не прибегая к квантовой механике. Например, атом цинка в активном центре фермента играет такую же роль, какую раскаленная платина играла в получении серной кислоты в ходе реакции, которую провел в XIX веке Перегрин Филипс. Неорганические катализаторы полагаются скорее на хаотичное движение молекул, нежели на их блестяще поставленный танец, когда им требуется подвести каталитические группы ближе к субстратам и таким образом ускорить химическую реакцию. Возможно, ферментативный катализ представляет собой лишь совокупность простых и давно известных каталитических механизмов, которые заключены в активный центр фермента и высекают оттуда ту самую искру, из которой разгорается жизнь?

До недавнего времени все специалисты по ферментам в один голос ответили бы вам: да, так и есть. Общепринятая теория переходного состояния и ее описания различных процессов, продлевающих промежуточные состояния, считались лучшим объяснением принципа действия ферментов. Однако, когда ученые приняли во внимание все сопутствующие факторы, возникли сомнения. Так, например, различные возможные механизмы, ускоряющие реакцию, в ходе которой распадается пептидная связь (мы говорили о них выше в этой главе), хорошо изучены. Каждый из них в отдельности увеличивает коэффициент усиления в 100 раз. Если же совместить все эти факторы, реакция будет протекать в миллион раз быстрее. И все же такое ускорение ничтожно мало по сравнению с коэффициентом усиления реакции с участием фермента: кажется, между теорией и практикой пролегла пропасть.

Еще один интересный вопрос заключается вот в чем: как различные изменения в структуре ферментов влияют на их же активность. Например, коллагеназа, как все ферменты, состоит в основном из белковой основы, на которой держатся челюсти и зубы фермента, расположенные в его активном центре. Можно предположить, что замена аминокислот, формирующих челюсти и зубы активного центра, повлечет изменения в эффективности фермента. Так и есть. Более того, замена аминокислот, расположенных далеко от активного центра фермента, также весьма серьезно будет влиять на его эффективность. Теория переходного состояния пока не может объяснить, почему такие, казалось бы, незначительные изменения в структуре фермента влекут за собой такие серьезные последствия. Оказывается, этот вопрос проясняется благодаря объяснительной силе квантовой механики. Мы вернемся к этому обсуждению в последней главе нашей книги.

Стоит упомянуть и о том, что теория переходного состояния так и не предложила ни одного способа создать искусственный фермент, который действовал бы как настоящий. Вспомните знаменитое высказывание Ричарда Фейнмана: «Мы не способны понять то, чего не можем создать». Это можно сказать и о ферментах, поскольку, несмотря на то что нам известно о них практически все, никому еще не удалось получить искусственный фермент, который имел бы такой же коэффициент ускорения реакции, как любой природный фермент[38]. Согласно критерию Фейнмана, мы до сих пор не понимаем, как действуют ферменты.

Однако взгляните еще раз на рис. 3.4 и попробуйте ответить на вопрос, что делает фермент. Ответ достаточно очевиден: ферменты манипулируют отдельными атомами, протонами и электронами внутри молекул и в межмолекулярном пространстве. До сих пор мы говорили о том, что все эти частицы ведут себя словно крошечные сгустки электрического заряда, перекатывающиеся туда-сюда внутри шаростержневых молекул. Тем не менее, как мы узнали из содержания данной главы, электроны, протоны и даже целые атомы вовсе не похожи на обычные шары, поскольку они подчиняются законам квантовой механики, включая те странные законы, которые связаны с явлением когерентности. В макромире — мире бильярдных шаров — эти законы нейтрализуются процессом декогеренции. Все же бильярдные шары — не очень подходящая модель для описания элементарных частиц. Итак, чтобы понять, что на самом деле происходит внутри активного центра фермента, мы должны отвлечься от представлений, навязанных классической физикой, и погрузиться в удивительный мир квантовой механики. В этом мире объекты могут участвовать одновременно в двух или ста процессах, образовывать таинственные связи между собой и преодолевать непроницаемые барьеры. Подобных трюков не совершал еще ни один бильярдный шар.

Помыкание электронами

Как мы уже знаем, одно из основных действий фермента заключается в том, чтобы перемещать электроны внутри молекул субстратов. Так, например, коллагеназа перемещает электроны внутри молекулы пептида. Однако электроны могут менять местоположение не только внутри молекул. Их можно переносить из одной молекулы в другую.

Самый обычный тип реакции с переносом электронов в химии протекает в ходе окисления. Реакция окисления происходит, когда в атмосфере воздуха сгорают углеродные виды топлива, например уголь. Окисление заключается в переходе электронов от молекулы-донора к молекуле-акцептору. При горении куска угля высокоэнергетические электроны атомов углерода перемещаются и участвуют в формировании низкоэнергетических связей внутри атомов кислорода, способствуя образованию углекислого газа. Данная реакция сопровождается интенсивным выделением тепла от пламени. Мы используем тепловую энергию, выделяющуюся в результате горения, для обогрева домов, приготовления пищи, превращения воды в пар, который приводит в движение паровоз или раскручивает турбину для производства электричества. Тем не менее горение угля или двигатели внутреннего сгорания представляют собой весьма примитивные и неэффективные виды использования энергии электронов. Очень давно природа открыла намного более эффективный способ освоения этой энергии — через процесс дыхания.