Ферментативный катализ (биокатализ)

 

Катализ - это возбуждение или изменение скорости химических реакций с помощью внешних добавок - катализаторов. Катализ используется в химической промышленности при получении аммиака, серной и азотной кислот, моторного топлива, разнообразных полимеров. Широко распространен катализ и в живых организмах. С участием катализаторов реализуется генетическая информация и осуществляются все процессы обмена веществ и энергии. Катализ происходит в клетках, в межклеточных жидкостях и полостях, в пищеварительном тракте.

В роли катализаторов биохимических реакций выступают специальные белки, называемые ферментами. При сравнительно низких концентрациях реагирующих веществ и при нормальных температурах (не выше 40 градусов) клеточные реакции ускоряются с помощью ферментов в миллионы и миллиарды раз!

Различают анаболитические, направленные на синтез, и катаболитические, направленные на распад, ферментативные реакции.

Несколько разных ферментов могут образовывать цепочки (метаболические пути), по которым совершаются цепные реакции: вещество (субстрат) передается от фермента к ферменту и подвергается поэтапной перестройке - усложнению или, наоборот, деградации. Чаще всего такие полиферментные комплексы выстраиваются на мембранах клетки или ее органоидов.

Как действуют ферменты? Ферменты очень специфичны по типу катализируемой реакции. Известно несколько тысяч ферментов разного действия, и каждый из них имеет специфическую, отличную от других пространственную структуру. Молекула фермента представляет свернутую полипептидную нить, в определенном месте которой включен небелковый компонент - кофермент (часто это бывают витамины, ионы металлов). Именно этот специфичный участок отвечает за функцию фермента, он называется активным центром. Благодаря молекулярной специфичности своих активных центров ферменты узнают и захватывают нужные вещества-субстраты, сближают их для соединения (синтеза) или, напротив, разделяют в реакциях распада (лизиса). При этом сам фермент не разрушается, а лишь изменяет свою третичную белковую структуру - происходит кратковременная и обратимая денатурация молекулы, ее конформационная перестройка (рисунок).

 

Хотя ферменты и понижают многократно энергию активации соответствующих реакций, для их осуществления все же требуется определенная энергия.

Энергия может генерироваться окислительно-восстановительными кофакторами - такими, как НАД, ФАД или гем. Ферменты класса синтетаз (лигазы) способны  расщеплять молекулу АТФ до АДФ и фосфата и используют выделенную энергию на свою конформационную перестройку. После произведенной работы по синтезу сложного вещества большая часть энергии не исчезает и не уходит в виде тепла - она лишь переходит в новые химические связи синтезируемого вещества. Впоследствии - в случае расщепления этого вещества - энергия может быть снова извлечена для производства другой работы.

Даже не вдаваясь в детали ферментативного катализа, видно, что эта важнейшая биологическая функция реализуется как сумма простых физико-химических реакций.

Важнейшие из них - стереохимическое молекулярное узнавание субстрата ферментом и конформационная перестройка молекулы белка-фермента, суть которой, как и в реакциях мышечного сокращения или активного транспорта, состоит в обратимом изменении силы химических связей внутри молекулы. Изучение зависимости скорости ферментативной реакции от концентрации фермента и субстрата показало, что в простейших случаях она описывается уравнением Михаэлиса-Ментен. Из этого следует, что в основе ферментативных реакций лежат те же законы и принципы, на которых основаны обычные химические реакции. Однако единая теория ферментативного катализа до сих пор не разработана, так как механизмы протекания ферментативных реакций очень сложны, многофакторны и разнообразны, зависят от большого числа переменных величин, от взаиморасположения ферментов на мембранах и в ряде случае пока не поддаются математическому описанию. В этом и проявляется эмерджентная специфика биологических реакций как специфика нового уровня сложности.

    

Защитные реакции. Иммунитет

 

Живые системы - организмы, клетки, клеточные органоиды - должны сохранять биологическую (биохимическую) индивидуальность. Присоединение к ним чужеродных молекул, контакт с вирусами, бактериями, другими паразитами приводит к искажению соответствующих структур и их функций, например, ферментов или клеточных мембран, не говоря уже о прямом токсическом вреде в случае попадания паразитов в организм, в его клетки. Совокупность чужеродных агентов, противоположных своей генетической сущностью данному организму (чужие или искаженные молекулы, вирусы, бактерии, клетки) называют антигенами.

В виду чрезвычайной важности поддержания биологической индивидуальности, в эволюции организмов возникает и постепенно совершенствуется система реагирования и защиты от антигенов - иммунитет. Частное проявление иммунитета - невосприимчивость к инфекционным заболеваниям. Изучением защитных реакций организма, направленных на сохранение его структурной и функциональной целостности и биологической индивидуальности, занимается наука иммунология.

Иммунные отношения организма с его антигенами и соответствующие защитные механизмы очень сложны, но хотя бы общее представление о них должен иметь каждый культурный человек. Уже у растений имеются такие защитные факторы, как неспецифические фитонциды - летучие вещества, убивающие бактерий (их много, например, в чесноке и луке), восковый налет на покровных тканях, замуровывание фитопатогенов в клеточных стенках, накопление токсических продуктов в погибших клетках и другие. У животных обособляются специальные клетки - фагоциты, способные пожирать «пришельцев», и другие более специализированные клетки. Причем уровень сложности иммунной системы возрастает в эволюции от простых - беспозвоночных к более организованным позвоночным животным, и наиболее развиты защитные механизмы у млекопитающих, в том числе у человека.

Наш организм прежде всего проявляет различные формы врожденного неспецифического иммунитета - эволюционно древние, присущие низшим животным. Это - кожные и слизистые барьеры, бактерицидное действие ряда кислот в выделениях потовых и сальных желез, стенок желудка и кишечника, разрушение бактериальных стенок особым ферментом лизоцимом, присутствующим в слезной жидкости, и другие. Проникшие в организм бактерии устраняются фагоцитами и специальными антибактериальными белками, против вирусов действует особый белок интерферон. Кроме того, у высших животных и человека развивается сложная иммунная система, включающая красный костный мозг, вилочковую железу - тимус, селезенку, лимфоузлы, лимфоидную ткань пищеварительных и дыхательных путей (например, в миндалинах - гландах, в аппендиксе). Иммунная система формирует и поддерживает так называемый приобретенный специфический иммунитет.

Центральное место среди клеток иммунной системы занимают лимфоциты. При контакте с чужеродными антигенами, в зависимости от их природы и структуры, иммунная система дает различные формы иммунного ответа: образование В-лимфоцитами и выделение в кровь специфических белков - антител  (гуморальный иммунитет); размножение Т-лимфоцитов, избирательно реагирующих на чужеродные или собственные мутантные клетки (клеточный иммунитет); появление долгоживущих Т- и В-лимфоцитов «иммунологической памяти», которые при повторной встрече с антигенами способны к быстрому и усиленному ответу; формирование иммунологической толерантности (дословно - терпимости), которая выражается в избирательном отсутствии ответа на данный антиген при повторной встрече; возникновение аллергии - повышенной чувствительности к специфическому антигену.

Между прочим, иммунологический конфликт возникает у организма не только с вирусами, бактериями и чужеродными клетками, но также с паразитическими червями (глистами, или гельминтами), пересаженными органами, злокачественными опухолями и даже у беременной матери с ее собственным плодом.

Можно ли чрезвычайно сложные и многообразные защитные механизмы иммунитета свести к простым физико-химическим реакциям, как мы это сделали в отношении биологического движения, транспорта и катализа? Наиболее тонкое распознавание антигенов и максимальную иммунную специфичность обеспечивают антитела - специальные иммунные белки, вырабатываемые лимфоцитами и называемые иммуноглобулинами. В течение эмбрионального развития и после рождения появляется множество лимфоцитов, активированных на выработку определенного вида антител - против соответствующего вида антигенов. В результате еще до встречи с антигеном в организме предсуществуют группы лимфоцитов, запрограммированных синтезировать антитела ко множеству (не менее 10 тысяч!) различных антигенов. Молекулярная структура антител-иммуноглобулинов хорошо изучена. Это гликопротеидные, то есть белковые в основе, но содержащие углеводную надстройку, молекулы. У них имеются вариабельные по аминокислотному составу концевые участки, которые, как и у ферментов, образуют активный центр.

Активный центр антитела представляет своеобразную молекулярную полость особой конфигурации, которая по размерам и структуре соответствует детерминантным (распознаваемым) участкам молекулы антигена. Таким образом, активный центр определяет способность антитела специфически связываться с определенным антигеном. Выполняется принцип молекулярной комплементарности - дополнительности, подобно тому, как ключ комплементарно соответствует своему замку. Множественные аминокислотные замены в вариабельных частях иммуноглобулинов создают неисчерпаемый набор активных центров, способных связывать любой природный или искусственный антиген. Таким образом, в основе иммунной специфичности, в том числе при распознавании вирусов, бактерий и чужих клеток, лежит простое соответствие стереохимической структуры молекул.

Как и в предыдущих примерах с другими функциями белков, в данном случае проявляется вполне материальная сущность сложнейшей реакции, свойственной только живым организмам.

Остается добавить, что препараты специфических антител (так называемые иммунные сыворотки), получаемые от искусственно иммунизированных животных, широко используются для диагностики, предупреждения и лечения инфекционных, заболеваний и в некоторых других случаях в медицине и экспериментальной биологии. Например, при укусах ядовитых змей применяют специфическую к данному яду антитоксическую (противоядную) сыворотку. При заражении вирусом клещевого энцефалита собственный иммунитет организма усиливают инъекциями гамма-глобулина. При подозрении на раковую опухоль точный диагноз может дать реакция крови больного на раковые антигены; даже раннюю беременность сегодня легко идентифицируют по обнаружению в крови или моче женщины специфических антигенов зародыша.

Наиболее сложная задача современной иммунологии - найти способы защиты от  вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающего страшное заболевание - синдром приобретенного иммунодефицита, или СПИД. Этот вирус избирательно поражает лимфоидные клетки - те самые лимфоциты, которые и должны обеспечивать иммунитет, но, будучи пораженными, не справляются со своими обязанностями.

Больной СПИДом начинает серьезно страдать от обычных инфекций, которые здоровый человек переносит как несложную простуду. Чаще всего роковым событием становится появление мутантных злокачественных клеток, которые в отсутствие иммунного надзора разрастаются в раковую опухоль. ВИЧ передается с кровью или половым путем. Эффективные средства лечения пока не разработаны.

Единственным способом защиты остается профилактика от контактов с чужой кровью (для этого и применяют одноразовые шприцы), а также здоровые и осмотрительные отношения в половой жизни.