Глава 4. Ферменты и металлы

Ферментами называют природные белковые катализаторы. Некоторые ферменты имеют чисто белковый состав и не нуждаются для проявления своей активности в каких-либо иных веществах. Однако существует обширная группе ферментов, активность которых проявляется только в присутствии определенных соединений небелковой природы. Эти соединения называются кофакторами. Кофакторами могут быть, например, ионы металлов или органические соединения сложного строения - их обычно называют коферментами. В большинстве случаев связь между коферментом и белком слабая и кофермент можно отделить от белка. Субстратом называется вещество, которое изменяется под действием фермента.

Известны сочетания кофермента с белком, в которых связи между ними прочны и разделить кофермент и белок можно только с большим трудом. Тогда вместо "кофермент" применяют термин "простетическая группа". Такие прочные связи обнаружены в ферментах, содержащих гем - комплексное соединение железа с производным порфина, упоминавшееся в предыдущей главе. В качестве активаторов-кофакторов в ферментах встречаются ионы железа, меди, цинка, магния, марганца, калия, натрия, молибдена. Роль коферментов в важнейших процессах, катализируемых ферментами, играют сложные вещества, молекулы которых иногда представляют сочетание нескольких звеньев, состоящих из органических оснований, углеводных остатков, остатков аминокислот и т. п.

Многие коферменты являются витаминами и жизненно необходимы для организма. Установлено, что для нормальной работы фермента иногда требуется и кофермент, и ион металла, образующие вместе с молекулой субстрата тройной комплекс. Так металлы входят в состав биологических машин как незаменимая часть. Ионы магния нужны для работы по переносу остатков фосфорной кислоты, для этих же целей нужны и ионы калия; гидролиз белков требует ионов цинка и т. д. Ниже мы разберем эти вопросы детально.

Ферменты, как правило, ускоряют однотипные реакции, и лишь немногие из них действуют только на одну определенную и единственную реакцию. К таким ферментам, обладающим абсолютной специфичностью, относится, в частности, уреаза, разлагающая мочевину. Большинство ферментов не столь строги в выборе субстрата. Одна и та же гидролаза, например, способна катализировать гидролитическое разложение нескольких различных сложных эфиров.

По мере того как в биологических исследованиях их химическая сторона углублялась и химики все чаще становились помощниками и сотрудниками биологов, число вновь открываемых ферментов неуклонно возрастало; вскоре их пришлось считать уже не десятками, а сотнями. Такое расширение круга биологических катализаторов вызвало некоторые трудности в классификации и номенклатуре ферментов.

Раньше ферменты называли по тому субстрату, на который они действовали, с прибавлением окончания "аза". Так, если фермент действует на сахар мальтозу, то его называли "мальтаза", если на лактозу - "лактаза" и т. д. В настоящее время принята номенклатура, в которой название отражает также и химическую функцию фермента. Частица "аза" сохранена для простых ферментов. Если же в реакции участвует комплекс ферментов, применяют термин "система".

Ферменты делят на шесть классов:

1. Оксидоредуктазы. Это ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Примером оксидоредуктаз могут служить пируватдегидрогеназа, отнимающая водород от пировиноградной кислоты, каталаза, разлагающая пероксид водорода, и др.
2. Трансферазы. Трансферазы осуществляют перенос с одной молекулы на другую целых атомных групп. Они могут переносить группы СН3, СООН, Н2РО3 и др.
3. Гидролазы. Эти ферменты вызывают разрыв связей типа
   
   Гидролазы вызывают разрыв связей
   
   
   и подобные им с последующим присоединением воды:
   
   Гидролазы вызывают разрыв связей с последующим присоединением воды
   
   
   К гидролазам относятся пищеварительные ферменты пепсин, химотрипсин и др., а также липазы, расщепляющие жиры.
4. Лиазы. Лиазы тоже расщепляют связи С-С, С-N, С=O и др., но без участия воды, т. е. негидролитическим путем.
5. Изомеразы. Эти ферменты способствуют частичной перестройке молекул субстрата.
6. Лигазы. Лигазы обеспечивают соединение молекул субстрата, причем энергия, необходимая для этого, доставляется аденозинтрифосфатом (АТФ).

Уже простое перечисление этих функций наводит на мысль, что ферменты действуют в клетках не в одиночку, а совместно, последовательно перекраивая молекулы пищевых веществ: разрывая одни связи, создавая другие, изменяя общий каркас молекулы, перенося на нее или отнимая от нее целые группы атомов и т. д. Ферменты, в отличие от большинства технических катализаторов, функционируют в составе сложных систем; работа их согласована так, что продукт деятельности одного фермента обязательно попадает в сферу влияния вполне определенного другого, и скорости превращений на всех стадиях химического конвейера клетки также строго согласованы и регулируются автоматически.

Клетка и организм располагают и средствами управления своими "химическими заводами", так как клетка не только пользуется ферментами, но и сама создает их. Если при данных условиях работу какой-либо цепочки ферментов необходимо прекратить, так как вырабатываемый ею продукт имеется в избытке, выключается синтез соответствующих ферментов или подавляется деятельность одного из них, и таким образом весь конвейер временно останавливается. Это значит, что ферментная система пространственно организована. Она организована также во времени, потому что ферменты активируются и даже появляются в большей концентрации в те моменты, когда клетка нуждается в их деятельности.

Молекулярная масса ферментов велика и измеряется десятками, сотнями тысяч и даже миллионами. Ниже (табл. 5) приведены молекулярные массы некоторых ферментов.

Изучение химического состава ферментов показало, что все они без исключений содержат белок. Белковая природа ферментов объяснила многие детали их синтеза в клетках, причины, по которым они легко фиксируются на мембранах. И вместе с тем появилась важная проблема в теории катализа - вопрос о механизме действия биологических катализаторов, которые, обладая очень сложной геометрической структурой, не являются вполне "жесткими", подобно кристаллическим оксидам или металлам, а могут изменяться уже в процессе каталитической реакции.

На белковых молекулах ферментов имеются зоны или области, в которых и развивается каталитическая реакция. Можно, по аналогии с обычными катализаторами, называть эти зоны активными центрами. Активный центр ферментов, катализирующих некоторые окислительно-восстановительные реакции, в частности каталазы (разлагающей пероксид водорода), состоит из комплексного соединения железа с порфирином (замещенным порфином). Направленность действия фермента в значительной мере зависит от природы того белка, который входит в его состав.

В состав различных ферментов входят разные металлы. Так, марганец входит в состав аргиназы, разлагающей некоторые составные части белков, цинк - в карбон-ангидразу. Медь содержится в аскорбиноксидазе - ферменте, окисляющем витамин С. Во многих растениях содержится фермент пероксидаза. Он усиливает окисление органических веществ пероксидом водорода. Активная группа этого фермента состоит из комплексного иона железа такого же типа, что и в каталазе. Если добавить к ферменту раствор сероводорода, то железо прочно соединится с серой и фермент потеряет активность.

В других ферментах, например в тех, которые катализируют гидролитическое разложение белков (пепсин в желудочном соке), активный центр не содержит инородных соединений, а представляет собой просто совокупность отдельных частей длинной цепеобразной молекулы белка, сближенных друг с другом в результате изгиба сложной цепи. Следовательно, активный центр фермента может возникнуть как результат определенной деформации белковой частицы; другими словами, геометрические особенности полипептидной цепочки, из которой белки и состоят, имеют большое значение для проявления каталитических свойств.

Рис. 2. Превращение окисленной формы кофермента НАД в восстановленную. Водород от окисляемого вещества (субстрата, обозначенного SH₂) переходит к НАД⁺ (на кольцо пиридина в никототинамиде) в виде гидридного иона Н^-. Другой ион водорода Н⁺ переходит в окружающую среду

Очень большую роль в обмене веществ играют ферменты, облегчающие перенос водорода, - дегидрогеназы. Они содержат белковую часть и кофакторы. Важнейшим кофактором (коферментом) является так называемый НАД, или никотинамидадениндинуклеотид, молекула которого состоит из сочетания аденина (органическое основание), рибозы (углевод, содержащий пять атомов углерода) и двух остатков фосфорной кислоты, связывающих "мостиком" другой остаток рибозы, соединенный в свою очередь с никотинамидом:

Молекула НАД или никотинамидадениндинуклеотид

Это сложное соединение, связанное с белком, обладает способностью, отнимая от другого вещества водород, присоединять его и передавать дальше следующему переносчику. При этом водородный атом присоединяется к никотинамидному кольцу в виде отрицательного иона Н^-, образуя восстановленный НАД - НАД*Н, а второй ион Н⁺ субстрата поступает в окружающую среду. В целом от молекулы субстрата отнимается два атома водорода (рис. 2). Аналогичные функции выполняет и другой кофермент - ФАД, или флавинадениндинуклеотид, построенный так же, но содержащий вместо никотинамида флавиновую группу более сложного строения. Благодаря флавиновой группе ФАД способен восстанавливаться, присоединяя два атома водорода и образуя ФАД*Н₂ (рис. 3).

Рис. 3. Восстановление флавинадениндинуклеотида (показана флавиновая часть молекулы ФАД)

Рассмотрим некоторые важные ферменты, в состав которых входит железо.

Каталазы. Ферменты, относящиеся к этой группе, разлагают пероксид водорода на воду и кислород. Широкая распространенность и большая активность, о которой мы упоминали, позволяют обнаружить фермент в различных животных и растительных тканях простейшими средствами.

Достаточно бросить в аптечный раствор пероксида водорода кусочек моркови, картофеля, мяса, как сейчас же будет заметно энергичное выделение пузырьков газа (кислорода) на их поверхности: это действует каталаза. Под влиянием пероксида водорода фермент и сам медленно разлагается, но в слабых растворах (а в клетках концентрация пероксида невелика) каталаза работает долго и энергично, устраняя опасности, связанные для организма с действием такого сильного оксислителя, каким является пероксид^*.

^* (Снижение содержания каталазы в эритроцитах ведет к тяжелым болезненным явлениям, например, у человека - к гангрене полости рта (Б. К. Саундерс).)

Хотя наблюдения подобного рода делались давно, чистую кристаллическую каталазу удалось получить лишь в 1937 г. Молекулярные массы каталаз различного происхождения лежат в пределах 225000-250000; на одну белковую молекулу приходится четыре иона железа.

В процессе взаимодействия каталазы с пероксидом образуется неустойчивое промежуточное соединение зеленого цвета. Именно оно и служит тем важным звеном, которое определяет весь ход каталитического разложения пероксида.

При больших концентрациях пероксида (по Чансу) каталаза образует с пероксидом еще два соединения - одно из них, красного цвета, слабоактивно, а другое вовсе не обладает каталитической активностью.

Промежуточное зеленое соединение реагирует со второй молекулой пероксида по схеме:

Каталитическое разложение пероксида

Ион железа в каталазе находится в степени окисления +2 (см. гл. 7).

В последнее время получены данные, указывающие, что каталаза способна ускорять не только разложение пероксидов, но и другие реакции, например окисление спиртов.

Пероксидаза. Функция фермента пероксидазы заключается в том, что она ускоряет окисление различных веществ (доноров водорода) пероксидом водорода. Первые наблюдения над действием пероксидазы относятся еще к 1855 г. (Шенбейн), но тщательное изучение ее природы и свойств началось только в 30-х гг. нашего века.

Пероксидаза - это белковый комплекс, причем ион железа в нем находится в степени окисления +3. Так же как и в других порфириновых белковых комплексах, пятое место в координационной сфере железа занято белком, а шестое свободно и является реакционным пространством комплекса - к нему присоединяются те группы, которые участвуют в катализе.

Молекулярная масса пероксидазы относительно невелика и составляет 40000. Пероксидаза окрашена в коричневый цвет, в ее белковой части содержится также и углевод (уроновая кислота).

Чанс, исследовавший механизм действия пероксидазы, выделенный из корня хрена (в этом растении содержание пероксидазы особенно велико), пришел к выводу, что фермент образует с пероксидом водорода три соединения, проявляя в этом отношении некоторое сходство с каталазой. Одно из этих соединений зеленое и два - красных. Зеленое очень непрочно и легко переходит в одно из красных (другое получается при большом избытке пероксида). Реакция окисления соединения (например, аскорбиновой кислоты), которое мы условно обозначим АН₂, заключается в отнятии от АН₂ водорода, соединяющегося с кислородом пероксида. Схема реакции с участием пероксидазы, которую мы обозначим Пер -ОН, такова:

Схема реакции с участием пероксидазы

Некоторые исследователи считают, что в пероксидазе во время этой реакции железо переходит в высшие степени окисления (+4), но окончательно этот вопрос еще нельзя признать решенным.

Модели ферментов. Большой интерес вызывает вопрос о возможности создания катализаторов, менее сложных по составу, чем ферменты, но вместе с тем столь же активных и избирательно действующих. Речь, следовательно, идет о получении моделей ферментов на основе сравнительно простых систем. Еще в начале XX в. Г. Бредиг обнаружил, что мелкораздробленные металлы (например, платина) проявляют способность сильно ускорять некоторые реакции, в частности разложение пероксида водорода. Такие "металлические модели", конечно, мало походили на белковые катализаторы, но все же стало ясно, что высокая каталитическая активность не является свойством, присущим только ферментам.

В 50-х г. Л. А. Николаев исследовал "медные модели" фермента каталазы, состоящие из комплексных соединений меди, и доказал, что ион меди, окруженный молекулами аммиака или аминогруппами, например в комплексах:

Ион меди, окруженный молекулами аммиака или аминогруппами

проявляет очень большую каталитическую активность в реакции разложения пероксида водорода. Позже были изучены реакции гидролиза (Р. Густавсон и С. Чибрик), ряд окислительных реакций (А. П. Пурмаль и др.), исследован механизм процессов катализа (А. П. Пурмаль, А. Я. Сычев и др.) и установлено, что многие комплексные соединения металлов вполне могут рассматриваться как модели активных групп металлосодержащих ферментов.

В настоящее время ведутся работы по изучению сочетаний комплекс металла - высокомолекулярный носитель; такая система уже совсем близка к природным ферментам. С другой стороны, фиксируя природный фермент на носителе, например на силикагеле, в приборе, называемом хроматографической колонкой, можно повысить его устойчивость и сделать более удобным использование фермента в производственных условиях. Такие "иммобилизованные" ферменты (т. е. зафиксированные на носителе) находят все большее применение в технологии производства пищевых продуктов.