Уровни организации жизни

Описано более 2000 ферментов, и биохимики продолжают обнаруживать все новые и новые.

Одна молекула фермента способна осуществлять от нескольких тысяч до нескольких миллионов одинаковых операций в минуту. В ходе этих операций ферментный белок обычно не расходуется. Он соединяется с реагирующими веществами, ускоряет их превращения и выходит из реакции неизменным. Вещество, превращение которого осуществляет фермент, называют субстратом. В результате превращения субстрата возникает продукт реакции. После ферментативной реакции продукт отсоединяется от молекулы фермента и она становится способной соединиться с новой молекулой субстрата.

Участок фермента, к которому присоединяется субстрат, называется активным центром. Активный центр способен взаимодействовать с субстратом благодаря своей определенной пространственной структуре. Один фермент может иметь несколько активных центров. Соединяясь с субстратом, фермент приобретает такую конформацию, которая обеспечивает оптимальное протекание реакции. Если эта реакция заключается в соединении двух молекул субстрата с образованием нового вещества, то при их взаимодействии с активными центрами они оказываются не только в правильной ориентации, но и на нужном расстоянии друг от друга.

Для осуществления большинства реакций требуются затраты энергии. В таких случаях фермент имеет еще один дополнительный активный центр, к которому присоединяется молекула, способная обеспечить энергией осуществляемую химическую реакцию. Многие ферменты могут превращать субстрат только в присутствии других веществ, их называют кофакторами.

Некоторые кофакторы являются ионами. Только соединяясь с ними, фермент приобретает третичную структуру, необходимую для взаимодействия с субстратом и проведения его превращения.

Другие кофакторы являются непосредственными участниками химических превращений. Это - коферменты и простетические группы. Если молекула кофактора входит в состав фермента и прочно связана с ним ковалентными связями, то ее называют простетической группой. В качестве примера простетической группы можно назвать гем, встречающийся не только в ферментах, но и в белках-переносчиках электронов и кислорода (см. ниже).

В отличии от простетических групп коферменты не образуют ковалентных связей с молекулой фермента, а взаимодействуют с ним и (или) субстратом только во время превращения субстрата.

Многие коферменты являются нуклеотидами. Процесс расщепления или синтеза любого вещества в клетке, как правило, разделен на ряд химических операций. Каждую операцию выполняет отдельный фермент. Группы таких ферментов составляют своего рода биохимический конвейер.

Например, фермент амилаза расщепляет крахмал до мальтозы, которая в свою очередь под действием фермента мальтазы гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы.

В молекулах большинства ферментов есть участки, которые могут соединяться с конечным продуктом "сходящим" с биохимического полиферментного конвейера. Если такого продукта слишком много, то активность первого фермента в конвейере тормозится им, и, наоборот, если продукта мало, то фермент активируется. Так регулируется множество биохимических процессов. Это пример обратных связей, которые обеспечивают саморегуляцию в клетке и живом организме в целом. Представление о том, что все ферменты - белки, утвердилось не сразу. Для этого нужно было научиться выделять их в высокоочищенной кристаллической форме. Впервые фермент в такой форме выделил в 1926 г. Джеймс Самнер. Этим ферментом была уреаза, катализирующая расщепление мочевины. Потребовалось еще 10 лет, в течение которых было получено еще несколько ферментов в кристаллической форме, чтобы представление о белковой природе ферментов стало прочно доказанным и получило всеобщее признание.

Каждый фермент обеспечивает одну или несколько реакций одного типа. Например, жиры в пищеварительном тракте (а также внутри клетки) расщепляются специальным ферментом липазой, который не действует на полисахариды или на белки. В свою очередь фермент, расщепляющий крахмал или гликоген, амилаза не действует на жиры.

Для названий большинства ферментов характерен суффикс аза, который чаще всего прибавляют к названию субстрата, с которым взаимодействует фермент. Так, уреаза (лат. urea - мочевина) фермент, катализирующий расщепление мочевины; галактозидаза расщепляет лактозу на галактозу и глюкозу.

Все ферменты условно разделены на шесть групп по характеру реакций, которые они катализируют. Так, реакцию гидролиза, обеспечивают гидролазы. Трансферазы катализируют перенос химических групп с одной молекулы на другую; оксидоредуктазы осуществляют перенос электронов (при этом происходит окисление одного субстрата и восстановление другого); лиазы отщепляют или присоединяют небольшие группы атомов; лигазы производят соединение двух молекул или их частей друг с другом, и, наконец, изомеразы осуществляют перестройки внутри молекул.

Как уже говорилось выше, большинство функций белков определяется их способностью менять свою конформацию при взаимодействии с другими молекулами. Но, кроме того, белки могут являться запасными веществами и использоваться на ранних стадиях развития зародышей, например водорастворимый белок глиадин, содержащийся в зернах пшеницы, или яичный альбумин птиц. Казеин молока является идеальным продуктом питания детенышей млекопитающих. Взрослые организмы расщепляют белки для получения энергии только при недостатке питания, когда истощаются такие источники, как углеводы и жиры.

Одна из самых замечательных особенностей жизни состоит в том, что все живые существа характеризуются общностью строения клеток и происходящих в них процессов. Но они имеют и очень много различий. Это проявляются в первую очередь в своеобразии белков. Каждый вид организмов имеет особый, присущий только ему набор белков, т.е. белки являются основой видовой специфичности. Белки, выполняющие одинаковые функции, могут иметь похожую конформацию, тем не менее, их первичная структура при этом отличается.

Первичная структура белков мало отличается у видов, связанных родственными отношениями, но у далеких видов эти различия могут быть значительными. Они выражены тем сильнее, чем более далекие виды мы сравниваем. Используя данные об аминокислотных последовательностях того или иного белка, можно построить дерево родственных связей.

Особи одного вида обычно различаются по некоторым свойствам и признакам: морфологическим, физиологическим, биохимическим. При этом многие белки, выполняя одну и ту же функцию, несколько отличаются по строению у разных представителей одного и того же вида. На Земле нет двух людей, за исключением однояйцевых близнецов, у которых все белки были бы одинаковыми.

Иногда изменения в структуре белка приводят к развитию болезни. Рассмотрим это на примере гемоглобина, содержащегося в эритроцитах (красных кровяных клетках). Он доставляет кислород ко всем клеткам тела, т.е. выполняет транспортную функцию.

Гемоглобин - это сложный белок с четвертичной структурой. Он состоит из четырех полипептидных цепей и четырех простетических групп гема. Каждый гем представляет собой кольцо из атомов углерода, водорода и азота, называемое порфирином; в его центре расположен атом двухвалентного железа. Именно с атомом железа происходит связывание кислорода, который эритроциты разносят по всему организму.

Белковая часть молекулы, называемая глобином, состоит из двух одинаковых б-цепей (по 141 аминокислотному остатку) и двух одинаковых в-цепей (по 146 остатков). С каждой полипептидной цепью связано по одному гему. Атом железа связан не только с гемом, но и с радикалом гистидина в пептидной цепи.

Присоединение кислорода ведет к изменению пространственной структуры гемоглобина.

Пространственная структура гемоглобина была установлена в 1958 г.

Максом Перутцем, начавшим рентгеноструктурный анализ этого белка еще студентом в 1936 г. Несмотря на существенные различия в первичной структуре, б - и в-цепи имеют почти одинаковую пространственную конформацию. Обе они более чем на 70% состоят из б-спиральных участков почти одинаковой длины. Цепи соединяются за счет гидрофобных взаимодействий.

Гемоглобины разных видов позвоночных животных имеют очень похожую третичную и четвертичную структуру.

Пространственная конформация гемоглобина оптимальным образом обеспечивает выполнение им функции транспорта O2 к различным тканям организма и конечных продуктов тканевого дыхания CO2 и H+ к выделительным органам. Малейшее изменение в структуре белка может фатально сказаться на этой важной функции. Примером тому служит наследственное заболевание человека серповидноклеточная анемия. Свое название оно получило по форме, которую приобретают эритроциты больных людей при пониженной концентрации кислорода.

Нормальные эритроциты человека имеют вид двояковогнутых дисков. Они живут около 120 дней. У больных эритроциты тоньше, имеют удлиненную, похожую на полумесяц, серповидную форму (Рис.6 - 6). Они хрупки, легко разрушаются, и срок их жизни существенно меньше. Различия эритроцитов больных и здоровых людей определяются изменениями в первичной структуре гемоглобина.

Это выяснил в 1954 г. Вернон Ингрем. Он показал, что гемоглобины здоровых людей и больных серповидноклеточной анемией отличаются всего одной аминокислотой. В аномальном гемоглобине в в-цепи на 6-м месте от N - конца стоит неполярная аминокислота валин, в то время как в нормальном гемоглобине эту позицию занимает электроотрицательная глутаминовая кислота. При электрофоретическом разделении гемоглобины здоровых людей и больных движутся с разной скоростью.

Замена двух полярных аминокислотных остатков в белке, состоящем из 574 аминокислот, на две неполярных (по одной замене в каждой в-цепи) приводит к тому, что при низком парциальном давлении кислорода молекулы гемоглобина больных "слипаются" друг с другом. При этом образуются длинные волокна, которые деформируют эритроцит, придавая ему серповидноклеточную форму. Такие деформированные эритроциты плохо проникают через капилляры и быстрее разрушаются. В результате плохого снабжения клеток кислородом развивается анемия.

Пример с гемоглобином ярко демонстрирует зависимость третичной и четвертичной структуры белка от его первичной структуры, а также определяющее значение пространственной конформации белковой молекулы для выполнения биологической функции.