Просто о ферментах. Почему они так полезны?: читать начало книги онлайн

Витамин В₇ (он же биотин, он же витамин H) помогает в работе многим ферментам, в том числе ответственным за реакции базового метаболизма. Как и витамин В₁, биотин необходим для работы некоторых карбоксилаз. Яркий пример – фермент пируваткарбоксилаза, задействованный в метаболическом цикле Креббса. Не вдаваясь в биологические подробности, скажем лишь, что без цикла Креббса ни одна клетка не выживет. Несмотря на то что на бытовом уровне биотин заслужил признание как витамин для красоты волос, его роль в организме все-таки шире. В организме синтез биотина осуществляется кишечной микрофлорой, при том что суточная потребность взрослого человека в биотине очень скромная – всего 0,25 тысячных грамма. Но иногда дефицит биотина действительно случается! Описаны случаи такого дефицита у пациентов, увлекавшихся сырыми яйцами. Все дело в том, что в яйцах содержится вещество авидин, образующее сверхпрочные связи с биотином и выводящее его таким образом «из игры». Не будем тут занудствовать о том, что употребление сырых яиц грозит и другими «приключениями», например сальмонеллезом ☺

Витамин В_9, или, как его еще называют, фолиевая кислота, известен многим как главный витамин всех беременных, хоть открыт он был на цыплятах как антианемическое средство и как ростовой факт у бактерий. Фолиевая кислота стимулирует кроветворные функции организма. В виде тетрагидрофолиевой кислоты и ее производных участвует в синтезе компонентов ДНК и некоторых аминокислот (серина, метионина, гистидина).

Именно фолиевая кислота особенно нужна всем быстроделящимся клеткам, в том числе клеткам эмбриона. Об этом свидетельствует и двукратный рост потребности беременной женщины в фолиевой кислоте. Так, здоровые взрослые должны получать в сутки 200 мкг, в то время как беременные с неотягощенным акушерским анамнезом нуждаются в дозе 400–600 мкг.

При этом особенно высока роль фолиевой кислоты на ранних сроках беременности (до 28 дней), когда у эмбриона происходит формирование нервной трубки. Тяжелый дефицит витамина В₉ на этом этапе приводит к формированию грубых нарушений нервной системы плода, например к расщеплению позвоночника (лат. Spina Bifida).

Витамин В₁₂ имеет красивое название цианокобаламин, потому что в состав его входит атом кобальта – очень необычно для витаминов! Открыт он был при поиске лекарства от редкой формы анемии (болезни Аддисона – Бирмера), поскольку содержался в мощном лечебном препарате – сырой печени. Опять печень, да, с нее мы начали обсуждение витамина А, и ей завершаем рассказ о витамине В₁₂.

Пожалуй, дефицит этого витамина один из наиболее распространенных, поскольку единственным источником его является животная пища (молоко, мясо, сыр). В₁₂ нельзя получить с растительной пищей, и кишечная микрофлора не справится с его синтезом. Так что люди, придерживающиеся строгой веганской диеты, должны получать адекватную дозу В₁₂ в виде отдельного препарата. Ведь его основная роль – способствовать созреванию красных кровяных телец – эритроцитов, а также участвовать в адекватной свертываемости крови.

Итак, многие витамины нужны для функционирования ферментативных систем, а другие – самостоятельные «акторы». Жирорастворимые витамины могут накапливаться в организме, а вот водорастворимыми «наесться» впрок не удастся. Многие витамины нам помогает синтезировать кишечная микрофлора. И это важный аргумент в пользу того, что очень важно придерживаться сбалансированного рациона, где преобладает растительная пища, цельные злаки и белковые продукты.

Глава 2

Ферменты – непростые белки

XVII век, Нидерланды. Страна проживает период расцвета, который потом получит название «Золотой век». Бурно развивается промышленность. Творят знаменитые художники – Рембрандт, Вермеер, Халс. В то же время в Нидерландах работают многие выдающиеся ученые своего времени.

Среди них Ян Баптист ван Гельмонт, врач и испытатель живой природы. После смерти ван Гельмонта его сын объединяет работы в собрание сочинений Ortus Medicinae и публикует их в 1648 году в издательстве семьи Эльзивир. Спустя столетия оно, кстати, остается ведущим научным издательством, публикующим научные работы высокого уровня.

В Ortus Medicinae Ян Баптист ван Гельмонт задается вопросом о природе пищеварения и предполагает, что есть некоторое вещество – фермент (от лат. fermentum – закваска), которое способствует перевариванию еды. Это было смелое предложение по тем временам, когда полагалось, что пищеварение происходит за счет тепла тела живых существ.

Спустя почти два столетия великий французский ученый – естествоиспытатель Луи Пастер исследовал, как дрожжи влияют на процесс спиртового брожения. Он предположил, что все протекает под действием некоторой «жизненной силы» – «фермента», содержащегося только в живом организме. Здесь он, пожалуй, немного ошибся – как потом выяснится, ферменты все же можно выделить из организмов и использовать самостоятельно.

Возможность брожения в отсутствии живых клеток была продемонстрирована немецким химиком Эдуардом Бухнером уже после смерти Луи Пастера. Стало известно, что спиртовое брожение можно осуществить с помощью дрожжевого сока, очищенного от клеток. Такие системы, обладающие ферментативной активностью в отсутствие живых клеток, в то время называли энзимы (от греч. ζύµη – закваска).

Красивым финалом этой дискуссии стало выделение высокочистого образца фермента – уреазы – химиком Джеймсом Самнером в 1926 году. К 1935 году было выделено еще несколько ферментов белковой природы, и научная общественность окончательно убедилась, что ферменты – белки.

Не прошло и пятидесяти лет, как биокаталитические свойства обнаружились у некоторых рибонуклеиновых кислот (РНК), которые были названы рибозимы. Это очень интересное и неожиданное открытие совершили Томас Чек и Синди Олтмен. До этого считалось, что только белки могут иметь каталитическую функцию, а открытие Чека и Олтмена изменило это представление. В 1989 году они были удостоены Нобелевской премии по химии. В пищевой промышленности рибозимы играют опосредованную роль, и здесь мы лишь упомянем их для поддержания справедливости. Вернемся же к ферментам – белкам.

На данный момент только в организме человека описаны тысячи ферментов, и их классифицируют в первую очередь по типу катализируемой реакции (см Таблицу 1). Почти все они, за исключением редких случаев типа лизоцима и пепсина, оканчиваются на – аза. Например, формиатдегидрогеназа, которая ускоряет реакцию превращения иона муравьиной кислоты (формиата) в углекислый газ. Реакция кажется очень простой, а для биотехнологии фермент очень важный, участвует, например, в синтезе особо чистых веществ для производства лекарств!

Согласно решению Международного союза биохимии и молекулярной биологии 2018 года, существуют 7 классов ферментов. Каждый класс делится на подклассы и подподклассы, которые уточняют нюансы конкретных реакций.

Каждый фермент получает собственный классификационный номер, состоящий из четырех цифр. Например, ЕС 1.1.1.1 – это фермент класса оксидоредуктаз (класс 1), который окисляет спирт в присутствии производного витамина В3 и имеет порядковый номер в этом подподклассе 1. Это алкогольдегидрогенеза, фермент, ускоряющий реакцию окисления этанола до ацетальдегида.

Если вам интересно покопаться в классификации ферментов или получить больше информации про какой-то особенный фермент, рекомендуем базу данных BRENDA, доступную по QR-коду ниже.

Таблица 1. Классы ферментов

Несмотря на такое огромное разнообразие ферментов, классов и подклассов, главной общей особенностью ферментов является их способность невообразимо ускорять реакции в живых системах. Например, фермент с трудновыговариваемым названием оротидин‑5’-фосфатдекарбоксилаза относится к классу лиаз и участвует в синтезе важного предшественника РНК – уридинмонофосфата. Этот фермент ускоряет реакцию в 1018 раз! Трудно даже осознать эту скорость. Без фермента эта реакция шла бы 32 миллиарда лет, а с ферментом – всего 1 секунду. Вдумайтесь, нашей Вселенной «всегонавсего» 26 миллиардов лет – о какой жизни на Земле шла бы речь без ферментов!

Попробуем разобраться в причинах такого ускорения и начнем с обсуждения структуры ферментов. Большинство ферментов представляют собой глобулярные белки, то есть полипептидные цепи в них свернуты в оптимальные «клубочки» – глобулы. За счет пространственной организации рядом могут оказаться аминокислотные остатки, которые в первичной цепочке находятся очень далеко друг от друга. Это позволяет образовывать настоящий «ландшафт» глобулы с впадинами и настоящими расщелинами, а также формировать сердце фермента – его активный центр.

Строение фермента

Активный центр – это пространственная часть фермента, в которой происходит взаимодействие с реагентом (здесь и далее мы будем называть его субстратом) и его превращение в продукт. В активном центре выделяют два подцентра: непосредственно каталитический (тот, в котором и происходит превращение) и сорбционный, роль которого состоит в «удержании» субстрата, чтобы тот не «сбежал» в процессе.

Высокая каталитическая активность ферментов сочетается с исключительной специфичностью, то есть каждый фермент связывается со своим определенным субстратом, игнорируя (в идеальном случае) все остальные вещества. Еще в 1890‑х годах Эмиль Фишер предположил, что специфичность строения ферментов заключается в том, что активный центр и субстрат идеально подходят друг другу, как ключ к замку. Дальнейшие исследования позволили американскому биохимику Дэниелу Кошланду спустя почти полстолетия сформулировать гипотезу «Рука-перчатка». Которая гласит, что активный центр может подстраиваться под субстрат, «обнимая» его, как тонкая лайковая перчатка.

Можно подумать, что активный центр представляет собой самую главную часть фермента. Такое мнение разделили бы биохимики середины XX века, которые пытались «отсечь» все остальные части белка, надеясь получить самый компактный и совершенный биокатализатор. Но увы, так лихо оптимизировать природное творение не удалось – активный центр, не поддерживаемый всей остальной глобулой, терял свою способность к катализу[5].

В дальнейшем был обнаружен эффект так называемой аллостерической регуляции, когда на активность фермента оказывали влияние вещества, связывающиеся вне активного центра.

Но высокая специфичность строение и эффективное связывание субстрата в активном центре еще не окончательно объясняет колоссальное ускорение реакций в присутствии ферментов.

Три эффекта, ответственных за ускорение химических реакций

[5] Катализ – это процесс изменения скорости химической реакции при помощи катализаторов.