Ферменты

Линию сборки на заводах обслуживают люди (хотя теперь их все чаще заменяют роботы). Кто же обслуживает пути метаболизма в организме? Каким образом происходят химические реакции, превращающие один метаболит в другой? Иногда для этого ничего дополнительного не требуется. Некоторые химические реакции происходят быстро и сами по себе, едва только необходимые вещества смешиваются между собой; для этого достаточно той энергии, с которой молекулы сталкиваются. Но организмы не могут полагаться на реакции, которые происходят сами по себе. Многие реакции просто не начнутся без дополнительной энергии, и клетки выработали механизм подачи энергии для таких реакций. Кроме того, многие реакции метаболизма происходят настолько медленно, что их обязательно нужно ускорять. Для этого и существуют ферменты. Фермент — это белок, взаимодействующий с некоторой молекулой — субстратом, заставляющий молекулу вступать в определенную химическую реакцию. Фермент может по очереди воздействовать на множество молекул, иногда до нескольких тысяч в секунду.

Каждый метаболит имеет определенную форму. Фермент, который взаимодействует с этим метаболитом, имеет углубление — активный центр; по своей форме углубление комплементарно форме метаболита, то есть соответствует ему, подобно тому как соединяются кусочки головоломки.

Дальнейшие действия зависят от природы фермента. Например, фермент А присоединяет гидроксильную группу к некоему метаболиту; фермент В разделяет этот метаболит на две части, а фермент С удаляет его аминогруппу. Каждый из этих ферментов может участвовать в различных путях метаболизма, ведь многие метаболиты преобразуются в различные конечные продукты.

Ферменты и есть те «работники», которые обслуживают линию сборки. Некоторые пути метаболизма действительно физически похожи на линию сборки, по которой молекулы переходят от одного фермента к другому. Однако многие процессы происходят только потому, что ферменты и субстраты перемешаны внутри небольшого пространства клетки.

На рис. 3.4 показана структура одного из ферментов, в котором цепь аминокислот, образующая его первичную структуру, особым образом сложена и образует активный центр. На этом участке определенные остатки аминокислот расположены так, чтобы их боковые цепи взаимодействовали с атомами субстрата и начинали нужные химические реакции.

Рис. 3.4. Структура фермента карбоксипептидазы. На рисунке показано, как аминокислоты (обозначенные буквенными сокращениями с порядковыми номерами) образуют активный центр именно той формы, которая необходима для проведения определенной химической реакции. Этот пищеварительный фермент расщепляет белковые молекулы пищи. В реакции участвует ион цинка (Zn). Поперечными черточками обозначены взаимодействия атомов и молекул

Фермент и субстрат часто сравнивают с замком и ключом, потому что они подходят друг к другу по форме, но не следует забывать и о том, что в ходе процесса их форма меняется. Ферменты — настолько прекрасные катализаторы, что могут ускорять реакции в тысячи раз, и отдельная молекула фермента может за секунду обработать несколько тысяч молекул субстрата. Важно, что клетка содержит множество молекул каждого вида метаболита, которые постоянно преобразуются в молекулы другого метаболита. Поэтому говорят, что в клетке содержится определенная концентрация того или иного вещества. Некоторые ферменты постоянно добавляют новые молекулы, а другие ферменты удаляют молекулы и посылают их по разным путям метаболизма.

Другие ферменты, или ферментообразные белки, транспортируют молекулы через клеточные мембраны. Мембраны представляют собой тонкий слой липидов и белков (рис. 3.5а), практически непроницаемый для большинства мелких молекул и ионов, однако транспортные белки могут доставлять молекулы внутрь клетки или выводить их наружу, а также перемещать их между разными отделами клетки. На рис. 3.56 показано, как может действовать один из видов транспортных белков. Белок, расположенный в липидном слое, образует канал. Внутри этого канала имеются участки определенной формы, которые, как и активный центр, могут присоединять к себе молекулы исключительно специфической формы. Когда молекула заходит в канал с одной стороны мембраны и присоединяется к активному участку, белок сокращается и выталкивает молекулу через канал с другой стороны мембраны. Некоторые транспортные белки используют энергию для того, чтобы накапливать одни виды молекул внутри клетки и выводить другие наружу, регулируя таким образом состав внутриклеточной жидкости.

Рис. 3.5: а — клеточная мембрана представляет собой тонкий двойной слой молекул липидов с вкраплениями разного рода белков. Большинство молекул, неспособных растворяться в жире, не может пройти через этот липидный слой; б— через транспортные белки проходит узкий сквозной канал. Отдельные мелкие молекулы, или ионы, с одной стороны мембраны присоединяются к участкам этого канала, после чего белок меняет форму и выпускает эти молекулы с другой стороны мембраны