Основы биохимии. Пространственное строение и активность ферментов

Все живое-растения и животные-существует за счет превращений химических веществ. Химические процессы обеспечивают живой организм как материалом для построения тканей, так и энергией, необходимой для его существования. Съев за завтраком салат, мы получаем энергию, достаточную, чтобы пробежать несколько километров; однако трудно с первого взгляда обнаружить связь между салатом и такой пробежкой. Эту связь позволяет выявить биохимия, которая рассматривает химические процессы, протекающие в организме.

Основы биохимии. Всю сложность биохимии можно свести к двум основным проблемам. Первая: каким образом клетки живого организма вырабатывают энергию, необходимую для поддержания его жизнедеятельности? Вторая: каким образом действуют вещества, получившие название ферментов, которые служат катализаторами во многих химических реакциях в организме, обеспечивающих его жизнедеятельность?

«Валютой», которой организм платит за свою жизнедеятельность, служит химическое соединение, называемое аденозинтрифосфатом (АТФ). По своему строению оно близко к тем «кирпичикам», из которых построены нуклеиновые кислоты. Связи между остатками фосфорной кислоты в АТФ могут разрываться, при этом образуются молекулы аденозиндифосфата (АДФ) и аденозинмонофосфата. При этом высвобождается энергия, необходимая для протекания биохимических реакций, в результате которых происходит соединение простых молекул в более сложные либо какие-то иные процессы, например сокращение мышц. С другой стороны, если при каких-либо биохимических реакциях, скажем, при разрыве связей в молекулах сахаров, выделяется энергия, то она затрачивается на образование новых молекул АТФ. Таким образом, энергетический баланс организма поддерживается за счет синтеза и разрушения АТФ.

Хотя некоторые биохимические реакции в конечном итоге приводят к высвобождению энергии, тем не менее для начала этих реакций требуется некоторое ее количество. Затраты энергии уменьшаются, если реагирующие молекулы находятся близко друг к другу и строго соответствуют по своему строению. Вещества, называемые катализаторами, способствуют такому предварительному сближению и «притирке» молекул, снижая тем самым энергию, необходимую для начала взаимодействия. В присутствии катализаторов химические реакции протекают легче и быстрее.

Протекание реакций в живых клетках существенно облегчают специфические катализаторы - ферменты. Они, как правило, состоят из белковых молекул, но часто содержат также атом металла или какую-либо небольшую группу небелкового характера-кофермент. Многие витамины, содержащиеся в пище, используются организмом в качестве коферментов.

Аденозинтрифосфат (АТФ) играет уникальную роль в жизни клетки, например, в таких процессах, как развитие и деление клетки (1), синтез биологически важных веществ (белков) (2), сокращение мышц (3), перенос веществ в клетку (4), передача сигнала по ткани нерва (5), регуляция температуры тела (6)

Ферменты ускоряют процессы соединения или расщепления молекул. При этом необходимо полное соответствие между строениями фермента и реагирующей молекулы субстрата. Только часть фермента - активный центр, включающий часто также и кофермент,- непосредственно принимает участие в реакциях и входит в соприкосновение с реагирующими молекулами. Остальная часть молекулы фермента обеспечивает поддержание строго определенной формы активного центра фермента.

Пространственное строение и активность ферментов. Ферменты представляют собой очень большие и сложные молекулы, активность которых определяется их пространственным строением. При изменении формы молекул ферментов происходит их дезактивация, в результате прекращаются определенные реакции, протекавшие с достаточно большой скоростью. Так, один из важных ферментов, расщепляющий молекулы белков,-химотрипсин-присутствует в организме и в неактивной форме, называемой химотрипсиногеном. Только когда несколько аминокислот, входящих в этот белок, под действием другого фермента удаляются из молекулы, возникает каталитически активная форма химотрипсина. Это изменение происходит при поступлении пищи в пищеварительный тракт.

Во многих биохимических процессах молекула, изменяясь, неоднократно переходит от одного фермента к другому. На каждой стадии процесса образуются новые промежуточные соединения. Иногда конечный продукт или какой-либо из промежуточных соединяется с ферментом легче, чем исходное соединение, тогда действие фермента прекращается. Вместе с тем некоторые другие небольшие молекулы могут соединяться с ферментом, повышая его активность.

Форма молекул фермента может изменяться при взаимодействии с некоторыми небольшими молекулами, не являющимися субстратом и не изменяющимися под действием этого фермента. Такие молекулы могут сами занимать активный центр фермента (А), замедляя реакцию, или изменять форму активного центра (Б), повышая эффективность его действия. Некоторые ферменты имеют несколько активных центров. Если один из них занят молекулой активатора, то форма другого может измениться так, что он легче связывается с субстратом (В). Напротив, молекула ингибитора, соединившись с одним из активных центров, так изменяет форму второго, что фермент теряет активность (Г).

Ферменты могут снижать энергетический барьер, способствуя протеканию биохимической реакции. Они действуют как катализаторы во многих обычных реакциях, например при гниении фруктов.

Энергия окисления органических веществ. Многоступенчатые процессы с участием ферментов протекают в строго определенных условиях. Большинство органических веществ способно гореть. Так, сахар полностью сгорает, образуя двуокись углерода, воду и выделяя большое количество тепла. Однако живой организм не может использовать энергию обычного горения, поскольку для этого нужны высокие температуры, как, например, в автомобильных двигателях. Температура живого организма во всех органах примерно одинакова. Химическая энергия в нем вырабатывается за счет того, что «сгорание» протекает через множество промежуточных ступеней, на каждой из которых высвобождается некоторое количество энергии.

Так, молекула глюкозы, содержащая шесть атомов углерода, расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты, имеющие по три атома углерода. Процесс протекает в десять стадий, в него вступают две молекулы АТФ, а в результате образуются четыре молекулы АТФ. В итоге выделяется энергия, соответствующая образованию двух новых молекул АТФ.

Пировиноградная кислота участвует в одном из ключевых биохимических процессов-цикле Кребса (с участием лимонной кислоты). В конечном итоге она превращается в двуокись углерода и другие вещества. Энергия, высвобожденная в ходе этих реакций, идет на образование других молекул, которые затем отдают ее на создание новых молекул АТФ. Другим примером реакций, ведущих к накоплению энергии, служит фотосинтез, осуществляемый в листьях зеленых растений. Сложные молекулы хлорофилла, поглощая солнечный свет, переходят в «возбужденное» состояние, вызывая циклы многоступенчатых химических реакций, в результате которых образуются молекулы сахаров.

В каждой клетке протекает множество сложных химических реакций как синтеза (анаболизма - зеленые линии на схеме), так и расщепления (катаболизма - синие линии). Эти процессы имеют общее название - метаболизм. Превращения, непосредственно связанные с производством энергии (оранжевые линии), включают в себя множество отдельных превращений, каждое из которых регулируется определенными ферментами. Общий контроль над всеми процессами осуществляется генетическим аппаратом клетки, который регулирует синтез ферментов.

Все биохимические циклы связаны между собой так, что энергия, высвобождающаяся при расщеплении одного типа веществ, может использоваться на построение другого. Если человек переедает, он прибавляет в весе, при этом следует иметь в виду, что углеводы, в частности мучные изделия и сахар, в большей степени способствуют увеличению веса, чем жиры. Объяснение этого кроется в превращении пировиноградной кислоты. При ее распаде помимо двуокиси углерода образуется также вещество под названием «ацетилкофермент А». Ацетильная группировка (обозначена треугольником) служит основным «строительным блоком» для синтеза жирных кислот, которые в соединении с глицерином дают масло и жиры.