Случайность и необходимость - Жак Моно

словами, тот же самый фермент катализирует дегидратацию яблочной кислоты в фумаровую:

Хотя геометрический изомер фумаровой кислоты – малеиновая кислота – химически способен подвергаться той же реакции гидратации, по отношению к нему фермент совершенно неактивен.

Существуют также два оптических изомера яблочной кислоты, обладающих асимметричным атомом углерода[16]:

Будучи зеркальными отражениями друг друга, эти два соединения химически эквивалентны и практически неразличимы с помощью классических химических методов. Тем не менее фермент распознает их без труда.

Так,

а) фермент дегидратирует исключительно L‐яблочную кислоту с образованием исключительно фумаровой кислоты

и

б) из фумаровой кислоты фермент производит исключительно L‐яблочную кислоту, но не D‐яблочную кислоту.

Способность безошибочно различать оптические изомеры – не просто яркая иллюстрация стерической специфичности ферментов. Здесь мы прежде всего находим объяснение тому загадочному явлению, что среди многочисленных ассиметричных химических компонентов клетки (а таково большинство из них) лишь один из двух оптических изомеров, как правило, представлен в биосфере.

Во-вторых, согласно общему принципу Кюри о сохранении симметрии, тот факт, что из оптически симметричного соединения (фумаровой кислоты) образуется асимметричное соединение, предполагает, что:

а) именно фермент является «источником» асимметрии; следовательно, он сам должен обладать – и обладает – оптической активностью; и

б) первоначальная симметрия субстрата теряется в процессе его взаимодействия с белком-ферментом. Таким образом, реакция гидратации должна проходить внутри «комплекса», образованного за счет формирования временной связи между ферментом и субстратом; в таком комплексе начальная симметрия фумаровой кислоты будет утрачена.

Концепция «стереоспецифичного комплекса», объясняющего специфичность и каталитическую активность ферментов, имеет первостепенное значение. Мы вернемся к ней после обсуждения других примеров.

Фермент аспартаза, обнаруженный в некоторых бактериях, также действует только на фумаровую кислоту, исключая все остальные соединения, в том числе и ее геометрический изомер – малеиновую кислоту. Реакция «присоединения по двойной связи», катализируемая этим ферментом, аналогична рассмотренной выше. Только на этот раз с фумаровой кислотой соединяется не молекула воды, а молекула аммиака. В результате образуется аспарагиновая кислота:

Аспарагиновая кислота обладает асимметричным атомом углерода; следовательно, она оптически активна. Как и в предыдущем случае, ферментативная реакция дает только один из изомеров – L. Такие изомеры называют природными, поскольку все аминокислоты, входящие в состав белков, принадлежат к левовращающим соединениям.

Таким образом, оба фермента – аспартаза и фумараза – четко различают не только оптические и геометрические изомеры своих субстратов и продуктов, но и молекулы воды и аммиака. Можно сказать, что последние также входят в состав стереоспецифичного комплекса, в рамках которого происходит реакция присоединения, и что в этом комплексе молекулы расположены в строгом порядке одна относительно другой. И специфичность действия, и стереоспецифичность реакции, по всей видимости, являются результатом такого расположения.

На основании приведенных выше примеров существование стереоспецифичного комплекса как переходной стадии в ферментативных реакциях может быть выведено только в качестве объяснительной гипотезы. Однако в некоторых случаях существование комплекса удается продемонстрировать непосредственно. В частности, фермент β-галактозидаза специфично катализирует гидролиз соединений, обладающих структурой, обозначенной буквой (А) на схеме ниже:

Изомеров у таких соединений достаточно много – шестнадцать геометрических, отличающихся ориентацией групп OH и H относительно атомов углерода 1–5, плюс их энантиомеры.

Фермент точно различает все эти изомеры и гидролизует только один из них. Примечательно, что его можно «обмануть», синтезировав «стерические аналоги» соединений данного ряда, в которых кислород гидролизуемой связи заменен на серу (формула Б). Хотя атом серы крупнее атома кислорода, валентности обоих атомов и их ориентации одинаковы. Таким образом, трехмерная форма серных производных совпадает с формой их кислородных аналогов. Однако связь, образованная серой, гораздо стабильнее связи с кислородом. Как следствие, фермент не способен к гидролизу этих соединений. В таких случаях образование стереоспецифичного комплекса с белком можно продемонстрировать непосредственно.

Подобные наблюдения не только подтверждают теорию комплекса, но и указывают на то, что ферментативную реакцию следует рассматривать как протекающую в две стадии:

1) образование стереоспецифичного комплекса между белком и субстратом;

2) каталитическая активация внутри комплекса химической реакции, направляемой и определяемой структурой этого комплекса.

Ковалентные и нековалентные связи

Данное разграничение имеет большое значение и в дальнейшем позволит нам прийти к одному из ключевых понятий молекулярной биологии. Однако прежде отметим, что среди различных видов связей, обеспечивающих устойчивость химического соединения, принято выделять два основных типа: ковалентные и нековалентные связи. Ковалентные связи, часто называемые химическими sensu stricto[17], обусловлены обобществлением электронных облаков двух или более атомов; нековалентные связи обязаны своим существованием иным типам взаимодействия, не подразумевающим общности электронных облаков.

Учитывая главную цель данного очерка, нам нет необходимости подробно останавливаться на природе физических сил, участвующих в этих взаимодействиях. Достаточно подчеркнуть, что два типа связей отличаются друг от друга энергией ассоциаций, которые они образуют. Если рассматривать только те реакции, которые протекают в водной фазе, можно сказать, что среднее количество энергии, поглощенной или высвобожденной в ходе реакции, затрагивающей ковалентные связи, составляет от 5 до 20 ккал на связь. Для реакции, затрагивающей только нековалентные связи, среднее количество энергии будет составлять от 1 до 2 ккал[18].

Эта существенная разница частично объясняет разную стабильность «ковалентных» и «нековалентных» химических соединений. Главное, однако, заключается не в ней, а в так называемой энергии активации, необходимой для запуска двух типов реакций. Данный момент имеет первостепенное значение. Напомним, что всякая реакция, в результате которой популяция молекул переходит из одного стабильного состояния в другое, должна включать промежуточное состояние, потенциальная энергия которого выше, чем любого из двух конечных состояний. Данный процесс часто изображается в виде графика, абсцисса которого отражает течение реакции, а ордината – потенциальную энергию (Рис. 1). Разница в потенциальной энергии конечных состояний соответствует энергии, высвобождаемой в ходе реакции. Разница между начальным и промежуточным («активированным») состояниями – это энергия активации, т. е. энергия, которую молекулы должны временно приобрести, чтобы вступить в реакцию. Хотя эта энергия, поглощаемая в ходе первой фазы и высвобождаемая во второй, не фигурирует в окончательном термодинамическом балансе, именно от нее зависит скорость реакции. Так, при обычной температуре скорость реакции будет практически равна нулю, если энергия активации высока. Следовательно, чтобы спровоцировать такую реакцию, необходимо либо значительно повысить температуру (тем самым обеспечив молекулы достаточным количеством энергии), либо использовать катализатор, роль которого заключается в «стабилизации» активированного состояния, за счет чего происходит уменьшение разности потенциальной энергии между этим состоянием и исходным.

Рис. 1. Диаграмма, показывающая изменение потенциальной энергии молекул в ходе реакции. А: начальное