Жизнь сильно зависит от способности ферментов к виртуозному катализу биохимических реакций. Впервые я услышал о ферментах в школе. Тогда было распространено мнение (на мой взгляд, ошибочное) о том, что науку нужно преподавать на основе жизненных примеров, в связи с чем мы плевали в воду, чтобы продемонстрировать способность фермента амилазы, содержащегося в слюне, расщеплять крахмал и образовывать сахар. В результате складывалось впечатление, что фермент похож на агрессивную кислоту. Примерно так же работают стиральные порошки, содержащие ферменты, которые расщепляют грязь. Однако это разрушительные ферменты, служащие для расщепления крупных молекул. Конструктивные же ферменты участвуют в синтезе крупных молекул из небольших составляющих. Действуют они при этом как “роботы-сводники”.
Клетка содержит раствор тысяч молекул, атомов и ионов. Существует почти бесконечное число способов объединиться друг с другом, однако большинство этих способов не реализуется. Иными словами, в клетке есть широкий диапазон потенциальных химических реакций, большинство которых никогда не происходит. Теперь представьте лабораторию с сотнями бутылок, надежно закупоренных, чтобы их содержимое могло смешаться лишь тогда, когда этого захочет химик. То есть имеется огромный диапазон потенциальных химических реакций.
Теперь представьте, что вы снимаете все бутылки с полок и выливаете содержимое в бочку с водой. Это, конечно, бессмысленный акт вандализма, однако живая клетка в значительной степени есть такая бочка. Сотни содержащихся в клетке компонентов тысяч потенциальных химических реакций не хранятся в бутылках. Они смешаны, но при этом ожидают, находясь преимущественно в инертном состоянии, пока их не смешают для участия в реакции. Они как бы хранятся в бутылках. Ферменты действуют как сводники или лаборанты. Ферменты умеют распознавать вещества – как радиоприемник, который ловит радиостанции, игнорируя сотни других сигналов.
Допустим, есть некая важная химическая реакция, в которой компонент А соединяется с компонентом B, чтобы образовать Z. В лаборатории мы проведем эту реакцию, достав бутылку с этикеткой А с одной полки, бутылку с этикеткой B с другой и смешав их содержимое в чистой колбе с соблюдением необходимых условий. То есть для осуществления нужной реакции нужно взять две бутылки. В клетке множество молекул А и B, плавающих в растворе среди огромного разнообразия других молекул. Молекулы А и B вполне могут встретиться, но даже при встрече они редко объединяются. В любом случае, встреча их не более вероятна, чем тысячи других комбинаций. Так что теперь мы вводим в клетку фермент под названием абзаза ((ABZ-аза), который предназначен для катализа реакции A + B = Z. В клетке миллионы молекул абзазы, и каждая действует как “робот-лаборант”. Каждый лаборант-абзаза захватывает одну молекулу A из смеси свободно плавающих молекул. Затем захватывает одну проплывающую мимо молекулу B. Он удерживает А, придавая молекуле определенное положение. Молекуле B он тоже придает правильное положение, чтобы она могла соединиться с A и создать Z. Кроме того, фермент способен делать и другое (как и лаборант, например, умеет обращаться с мешалкой или бунзеновской горелкой): образовывать временное химическое соединение с A или B, обмениваясь атомами или ионами, которые в итоге возвращаются на места. Таким образом, фермент, как катализатор, не расходуется. В “захватах” фермента образуется молекула Z. После этого “лаборант” выпускает полученную молекулу в раствор и ждет, пока мимо не проплывет следующая молекула А. Фермент захватывает ее, и цикл повторяется.
Если бы “робота-лаборанта” не существовало, свободно плавающая молекула A время от времени сталкивалась бы со свободно плавающей молекулой B в условиях, благоприятных для образования соединения. Но это случайное событие было бы крайне редким – не менее редким, чем столкновения молекул A и B со множеством других потенциальных партнеров. A может столкнуться с C и образовать Y. Или B может столкнуться с D и образовать X. Действительно, небольшие количества Y и X постоянно синтезируются благодаря такому случайному дрейфу. Но в присутствии “лаборанта”, фермента абзазы, все меняется. Благодаря абзазе производство Z приобретает промышленный (с точки зрения клетки) масштаб: типичный фермент многократно увеличивает скорость спонтанной реакции: с миллиона до триллиона. Если бы у нас был другой фермент, ациаза, то A вместо B соединялась бы с C и конвейерным способом образовывала Y. Ведь это те же молекулы А, о которых мы говорили. Они не заключены в бутылку, а свободно плавают в растворе и могут соединяться с B или C, в зависимости от того, какой фермент окажется рядом.
Скорость образования Z и Y, таким образом, зависит, кроме прочего, от того, какое количество каждого из конкурирующих “лаборантов”, абзазы и ациазы, в клетке. А это, в свою очередь, зависит от того, какой из двух генов работает в ядре клетки. В реальности все, конечно, сложнее: молекула абзазы, даже если она есть в клетке, может находиться в инактивированном состоянии. Инактивация может происходить, например, следующим образом: появляется другая молекула и занимает активную “нишу” фермента. То есть “робот-лаборант” как бы оказывается временно закованным в наручники. Раз уж я прибег к этой метафоре, придется предупредить читателей, чтобы они не воспринимали “робота-лаборанта” буквально. Конечно, у молекулы фермента нет рук, которые могут захватывать компоненты, например молекулы A – не говоря уже о надевании наручников. У настоящего фермента на поверхности есть участки, которые, например, обладают сродством к молекулам А, или точно соответствуют им по форме, или характеризуются какими-нибудь еще химическими особенностями. И все это сродство можно на время устранить способами, которые напоминают переключение выключателя.
Большинство молекул ферментов представляют собой механизмы, которые умеют синтезировать лишь один продукт: например, сахар или жир; пурин или пиримидин (составные элементы ДНК и РНК) или аминокислоты (двадцать из них представляют собой составные элементы природных белков). Но некоторые ферменты сильнее похожи на программируемые механизмы, требующие использования перфорированной ленты, которая будет указывать им, что делать. Самый замечательный пример такого фермента – рибосома, сложное устройство, построенное из белка и РНК и синтезирующее белок. Рибосома захватывает аминокислоты – составные элементы белков, синтезированные специальными ферментами и свободно плавающие в клетке. Перфолентой служит информационная РНК (иРНК). Информационная лента, которая, в свою очередь, является копией геномной ДНК, вводит данные в рибосому. По мере того, как лента проходит через “считывающую головку”, соответствующие аминокислоты соединяются в белковую цепь в порядке, зашифрованном на ленте с помощью генетического кода.
В клетке есть набор небольших транспортных РНК (тРНК), каждая длиной приблизительно семьдесят нуклеотидов. Каждая тРНК избирательно присоединяется к одному и только одному из двадцати видов природных аминокислот. На другом конце молекулы тРНК находится антикодон – триплет, в точности комплементарный короткой последовательности иРНК (кодону), кодирующей конкретную аминокислоту. По мере того, как “лента” иРНК продвигается через “считывающую головку” рибосомы, каждый кодон иРНК связывается с тРНК, несущей подходящий антикодон. В результате аминокислота на другом конце тРНК становится в ряд с другими аминокислотами, прикрепляясь к растущему концу формирующегося белка. После прикрепления аминокислоты тРНК уходит на поиски новой молекулы аминокислоты своего типа, а иРНК тем временем медленно продвигает ленту вперед. Шаг за шагом выстраивается белковая цепь. Удивительно, что одна “лента” иРНК может одновременно работать с несколькими рибосомами. Каждая из рибосом продвигает свою “считывающую головку” вдоль разных участков ленты, и каждая формирует свою копию вновь синтезируемой цепи белка.
