Воздержимся здесь от обсуждения вопроса о том, насколько сама собой и всякому ли действительно напрашивается вышеупомянутая мысль; впервые, по-видимому, она пришла в голову знаменитому немецкому исследователю Э. Фишеру, основоположнику современной химии белка. (Отметим лишь в скобках, что таково, надо полагать, всеобщее свойство «очевидных» научных идей: они, как правило, посещают лишь наиболее выдающихся и знаменитых ученых — правда, обычно до того, как те становятся знаменитостями.)
Итак, аналогия «субстрат — фермент» — «ключ — замок» принадлежит, как ни жаль, вовсе не авторам настоящей книги: выражение «гипотеза ключа и замка» вот уже более шестидесяти лет кочует по страницам учебников биохимии именно с легкой руки Э. Фишера.
В наше время гипотеза ключа и замка (с незначительными модификациями) получила надежное экспериментальное подтверждение. Проиллюстрируем это примером лизоцима — фермента, призванного ограждать организм от ряда бактерий.
Оболочка многих бактерий состоит главным образом из полисахаридов — так же как и у большинства прочих растительных клеток (напомним, что бактерии относятся к растительному царству). У высших растений основную массу клеточной оболочки составляет целлюлоза — вещество, всем хорошо знакомое: эта книга, например, процентов на семьдесят состоит из целлюлозы. («А на оставшиеся тридцать — из неимоверно скучного текста», — заметит про себя язвительный читатель.) Молекула целлюлозы — полимер, элементарным звеном которого является остаток глюкозы: молекулы интересующего нас класса полисахаридов, входящих в состав клеточной стенки бактерий, образованы остатками так называемых аминосахаров. Защитная роль лизоцима заключается в разрушении бактериальных оболочек; действуя на цепочку полисахарида клеточной стенки, он расщепляет его молекулу на аминосахара, и лишенная оболочки бактерия погибает.
Модель молекулы лизоцима очень легко и даже приятно изготовить самому: возьмите не слишком длинный огурец (лизоцим — короткий белок, в его аминокислотной последовательности всего 129 остатков) и откусите на середине его длины умеренных размеров кусок, следя за тем, чтобы выемка чуть не доходила до центра. Откушенную часть можно съесть, а оставшаяся — если только направление выкушенного желоба не вполне перпендикулярно продольной оси огурца — и будет вполне подходящей моделью молекулы лизоцима.
В том, что наша модель правильна, убеждают многолетние исследования группы английских кристаллографов под руководством Д. Филлипса. Третичная структура лизоцима, по их данным, представляет собой два сравнительно массивных элемента, соединенных более узкой перемычкой, то есть в точности соответствует нашей огуречной модели. Желоб, проходящий поперек глобулы, вполне четко оформлен, и, как оказалось, неспроста: именно в этот желоб «укладывается» молекула полисахарида, расщеплением которой и занят лизоцим. Правильнее, видимо, было бы даже сказать, что молекула лизоцима усаживается верхом на цепочку полисахарида, — поскольку молекула фермента подвижнее и меньше.
Даже очень грубое представление о форме глобулы фермента позволяет кое-что сказать о том, почему он специфичен по отношению к данному субстрату. В нашем случае огурца-лизоцима приблизительным критерием возможности образования комплекса с субстратом — молекулой полимера может служить просто-напросто ширина оставленного на поверхности огурца желоба. Ясно ведь, что молекулы полимера, имеющие большую ширину, в таком желобе не поместятся, меньшую — не удержатся: как мы помним, плотно упакованные структуры гораздо стабильнее рыхлых. Однако взаимное соответствие связывающего центра фермента (то есть того же желоба) и субстрата касается не только «поперечных» размеров полимера, но и особенностей его формы: «ширина молекулярной цепочки» — понятие условное и может использоваться разве что в сочетании с нашим огурцом. Цепочка определенного диаметра может быть набрана из цилиндрических, сферических, чечевицевидных и вообще какой угодно формы бусинок, и, несмотря на одинаковый диаметр, след каждой такой цепочки, оттиснутый, например, в пластилине, будет различным.
Так что на самом деле подборка «ключа» к «замку» производится гораздо точнее (недаром в нашем изложении появились оттиски в пластилине — заветная, если верить авторам детективных романов, мечта профессионального взломщика). Упоминаемые выше работы кристаллографов показали, что участок молекулы полисахарида, состоящий из шести звеньев, оказывается идеально «пригнанным» по размерам и форме к имеющемуся на поверхности глобулы лизоцима желобу; аналогично и в принимающем молекулу субстрата углублении учтены особенности пространственной формы ее мономерного звена. Поэтому для всех прочих молекул, кроме полисахаридов весьма узкого класса, образование фермент-субстратного комплекса с лизоцимом практически исключено.
Вот так или — проявим еще раз склонность к перестраховке и осмотрительности — примерно так и организовано образование фермент-субстратного комплекса и в случаях иных субстратов и ферментов. Случаев этих многие тысячи: ведь практически каждая химическая реакция в живом организме катализируется ферментами. И для каждой реакции необходим, как правило, «свой» фермент — белок, пространственная структура которого уникальным образом «настроена» на образование фермент-субстратного комплекса именно с этой, участвующей в данной реакции молекулой субстрата.
Узкая «специализация», избирательность ферментов создает на первый взгляд излишнюю громоздкость и запутанность: цепочка последовательных химических реакций в организме с участием «обслуживающих» ее ферментов несколько напоминает торжественную процедуру одевания французских королей в XVII–XVIII веках — один придворный несет чулки короля, другой — камзол, третий — башмаки… «Специфичность» придворных по отношению к деталям королевского туалета налицо: привилегия нести именно чулки, а не камзол, завоевывалась беспорочной службой десятка поколений, и малейшее посягательство на нее становилось причиной дуэлей, интриг, отравлений… Однако тема нашего рассказа, к сожалению, далека от захватывающих историй в духе А. Дюма — в четком и налаженном «конвейере» ферментов нет места претензиям на «чужую компетенцию». И понятно почему: соперничество между, скажем, графом де Рокфором, наследственным Подавателем Левого Башмака Его Величества, и виконтом дю Камамбером, Подавателем Правого, может, в худшем случае, привести к тому, что Его Величество останется необутым. А вот если тот же лизоцим начнет расщеплять вместо узкого класса полиаминосахаров другие полимеры, например белки, — нет, страшно представить себе размеры катастрофы, которая постигнет организм вследствие превышения лизоцимом своих полномочий. Уж лучше примириться с мнимым «излишеством» — за счет специфичности — количества ферментов: по крайней мере, можно быть уверенным в надежности последовательности ферментативных реакций в организме.
Все эти проблемы, однако, выходят за рамки нашего и без того уж затянувшегося раздела. Мы надеемся, что в дальнейшем удастся еще вернуться к ним (как видите, авторы так и не удержались еще от одного легкомысленного обещания), а пока попытаемся дать разумное объяснение другому свойству ферментов — стереоспецифичности. Так называется избирательность ферментов по отношению к одному из зеркальных изомеров молекул с асимметричным атомом углерода. (Помните — проблема асимметрии биологических молекул?) Теперь, познакомившись с основными принципами образования фермент-субстратных комплексов, можно в общих чертах представить себе, как «удается» ферменту выбирать из смеси стереоизомеров лишь один тип молекул — например, только L-аминокислоты.
Дело в том, что участок молекулы фермента, непосредственно взаимодействующий с молекулой субстрата при образовании фермент-субстратного комплекса (такой участок называют активным центром фермента), характеризуется не только размерами и формой своей «выемки», но и вполне определенным расположением специфических групп: гидроксилов, карбоксилов, алифатических и ароматических боковых радикалов и т. д. Каждая из этих групп способна по-своему содействовать более тесному связыванию молекул фермента и субстрата: например, положительно заряженные функциональные группы фермента могут взаимодействовать с отрицательно заряженными группами субстрата, между группами другого типа могут возникать водородные связи — словом, возможностей для специфических взаимодействий вполне достаточно.
