Биологическая химия - часть 27

сителями; в интактных клетках она может быть обусловлена аромати-

ческими кольцами амнокислот, что имеет, очевидно, определенный биоло-

гический смысл в проблеме белково-нуклеинового узнавания.

Данные о структуре тРНК свидетельствуют о том, что нативные

молекулы тРНК имеют примерно одинаковую третичную структуру, ко-

торая отличается от плоской структуры «клеверного листа» большой

компактностью за счет складывания различных частей молекулы. Следует

указать на существование у ряда вирусов (реовирус, вирус раневых опу-

холей растений и др.) природных двухцепочечных РНК, обладающих

однотипной с ДНК структурой. При физиологических значениях рН среды,

ионной силы и температуры создаются условия для образования в одно-

цепочечных матричных и рибосомных РНК множества участков с двойной

спиралью («шпильки») и дальнейшего формирования комплементарных

участков, определяющих в известной степени жесткость их третичной

структуры (рис. 3.4). В настоящее время получены доказательства зна-

чимости ван-дер-ваальсовых (диполь-дипольных и лондоновских) связей

между азотистыми основаниями в стабилизации общей пространственной

конфигурации нуклеиновых кислот.

Глава 4

ФЕРМЕНТЫ

Современная биология говорит

на языке энзимологии.

А.Е. Браунштейн

ПОНЯТИЕ О ФЕРМЕНТАХ

Ферменты, или энзимы, представляют собой высокоспециализированный

класс веществ белковой природы, используемый живыми организмами для

осуществления с высокой скоростью многих тысяч взаимосвязанных хи-

мических реакций, включая синтез, распад и взаимопревращение огромного

множества разнообразных химических соединений. Жизнь и многообразие

ее проявлений – сложная совокупность химических реакций, катализируе-

мых специфическими ферментами. И.П. Павлов считал ферменты «возбу-

дителями всех химических превращений» у живых существ. Как известно,

важнейшим свойством живого организма является обмен веществ, уско-

ряющим аппаратом, основой молекулярных механизмов интенсивности

которого являются ферменты. «Вся тайна животной жизни,– писал

Д.И. Менделеев,– заключается в непрерывных химических превращениях

веществ, входящих в состав животных тканей».

В настоящее время теоретические и практические достижения энзимо-

логии используются в решении многих проблем биохимии и молекулярной

биологии, включая их сравнительное и эволюционное рассмотрение. «Под

знаком молекулярной энзимологии,– говорил на III Всесоюзном биохими-

ческом съезде (1974) А.Е. Браунштейн,– развивается и встречное течение –

реконструкция или интеграция, восходящая от молекулярного яруса к выс-

шим уровням структурно-функциональной организации живого и про-

низывающая весь комплекс актуальных проблем биологии и медицины».

Ферменты обеспечивают осуществление таких важнейших процессов

жизнедеятельности, как экспрессия (реализация) наследственной информа-

ции, биоэнергетика, синтез и распад биомолекул (обмен веществ). Изучение

их способствует проникновению в суть и сокровенные тайны того зага-

дочного явления, которое мы называем жизнью. Этими обстоятельствами

может быть объяснено пристальное внимание исследователей к проблемам

структуры, функций и молекулярных механизмов действия ферментов.

От неорганических катализаторов ферменты отличаются рядом харак-

терных особенностей. Прежде всего ферменты чрезвычайно эффективны

и проявляют в миллионы и миллиарды раз более высокую каталитическую

активность в условиях умеренной температуры (температура тела), нор-

мального давления и в области близких к нейтральным значениям рН

среды.

Ферменты отличаются высокой специфичностью действия в отношении

как химической природы субстрата, так и типа реакции, т.е. каждый

фермент катализирует в основном только определенную химическую реак-

цию. Для каждого фермента характерны специфическая последователь-

ность расположения аминокислотных остатков и пространственная кон-

формация. Существенной особенностью ферментов является также то, что

их активность в клетках строго контролируется как на генетическом уровне,

114

Рис. 4.1. Области применения ферментов в биологии и медицине (по Грину).

так и посредством определенных низкомолекулярных соединений, в част-

ности субстратов и продуктов реакций, катализируемых этими же фермен-

тами, ингибиторов и др. Таким образом, молекула фермента характе-

ризуется уникальностью структуры, которая и определяет уникальность ее

функции.

Учение о ферментах выделено в самостоятельную науку – энзимологию.

Термин «энзим» (от греч. en zyme – в дрожжах), так же как и «фермент» (от

лат. fermentatio – брожение), означает процесс, связанный с выделением

газов, брожением.

В настоящее время учреждены научно-исследовательские институты по

изучению ферментов, издаются специальные журналы, созываются на-

циональные и международные симпозиумы и конференции, посвященные

проблемам энзимологии. Наука о ферментах интенсивно развивается в тес-

ной связи со многими науками, в частности с органической, неорганической

и физической химией, физиологией, токсикологией, микробиологией, гене-

тикой, фармакологией и др. Таким образом, эта область знаний находится

на стыке химических, биологических и медицинских наук.

Энзимология в ее современном физико-химическом и молекулярном

понимании решает две главные, неразрывно связанные между собой проб-

лемы: определение структурной макромолекулярной организации фермен-

тов и изучение природы химических взаимодействий, лежащих в основе

ферментативного катализа. Накопление экспериментальных данных и раз-

витие теоретических представлений происходят настолько быстро, что

любой учебник к моменту выхода в свет уже не отражает достаточно полно

современное состояние вопроса о структуре и функциях ферментов.

Важно подчеркнуть, что изучение ферментов имеет огромное значение

для любой фундаментальной и прикладной области биологии, а также для

многих практических отраслей химической, пищевой и фармацевтической

индустрии, занятых приготовлением катализаторов, антибиотиков, вита-

минов и многих других биологически активных веществ, используемых

в народном хозяйстве и медицине (рис. 4.1). В фармакологии действие

многих лекарственных препаратов основано на определенном, хотя часто

115

Ферменты

Бактериальное

брожение Физиологическая

регуляция

Катализ

Клеточный

метаболизм

Макромо-

лекулы

Питание

Генетический

аппарат

Ультраструктура

мембран

Коферменты

Фармакология

Биосинтез

Кинетика

реакций

Превращение

энергии

Биохимическая

эволюция

Врожденные

нарушения обмена

еще не выявленном, механизме взаимодействия их с ферментами. Успехи

общей и молекулярной энзимологии способствуют развитию новой ее

ветви – медицинской энзимологии, цели и задачи, методологические под-

ходы которой связаны с решением проблем энзимопатологии, энзимо-

диагностики и энзимотерапии (см. далее). Наука о питании базируется на

точных знаниях поэтапного расщепления питательных веществ под влия-

нием ферментов пищеварительного аппарата, на количественный и качест-

венный состав которых существенное влияние оказывает характер посту-

пающих с пищей веществ. Многие проблемы наследственной патологии

человека, развитие врожденных пороков обмена тесно связаны с дефектами

или полным отсутствием синтеза специфических ферментов. Проблемы

клеточного роста и развития, дифференцировки клеток высших организмов,

физиологических функций (движение, перемещение в пространстве, транс-

порт веществ и ионов, процессы возбуждения и торможения и др.) опре-

деляются в большой степени работой биокатализаторов, включая их

биосинтез и инактивацию. Таким образом, есть все основания для под-

тверждения положения, что не только современная биология, как отмечает

акад. А.Е. Браунштейн, но и медицина «говорит на языке энзимологии».

КРАТКАЯ ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ

О ФЕРМЕНТАХ

Явления брожения и переваривания известны с незапамятных времен,

однако зарождение учения о ферментах (энзимология) относится к первой

половине XIX в. Первое научное представление о ферментах было дано еще

в 1814 г. петербургским ученым К.С. Кирхгофом, который показал, что не

только проросшие зерна ячменя, но и экстракты из солода способны

осахаривать крахмал с превращением его в мальтозу. Вещество, извлекае-

мое из проросшего ячменя и обладающее способностью превращать крах-

мал в мальтозу, получило название амилазы. Ю. Либих и Ф. Велер от-

крыли агент, расщепляющий амигдалин, содержащийся в эфирном масле

горького миндаля. Этот агент был назван эмульсином. В последующие

годы были описаны другие ферменты, в частности пепсин и трипсин,

вызывающие распад (гидролиз) белков в пищеварительном тракте.

Наибольшее внимание исследователей привлекали процессы окисления

в организме. Уже был известен феномен химического катализа, означаю-

щий, что многие реакции in vitro протекают быстро и энергично в при-

сутствии ничтожных количеств примесей, как будто не участвующих в реак-

ции. Так, была установлена большая каталитическая роль ряда неорга-

нических веществ. Горение глюкозы на воздухе, например, протекает очень

медленно, а если добавить немного солей лития (или золы, также содержа-

щей ничтожные количества лития), то горение идет весьма интенсивно:

С

6

Н

12

О

6

 + 6O

2

 –

> 6СO

2

 + 6Н

2

O.

Известно, что в живых организмах «горение» (а точнее, окисление)

углеводов также протекает быстро и до тех же конечных продуктов обмена,

т.е. СО

2

 и Н

2

О, с выделением (и накоплением) энергии. Однако это

«горение» происходит при относительно низкой температуре, без пламени

и, что особенно интересно, в присутствии воды. Разумеется, в этих необыч-

ных условиях без действия ферментов, получивших наименование биоло-

г и ч е с к и х  к а т а л и з а т о р о в , не было бы окисления углеводов. Забегая

116