Знание-сила, 1999 № 11-12 (869,870) - страница 55
Потоки энергии через туннели на поверхности ферментного кристалла (компьютерная графика).
Другой такой термофил – «Бациллюс стеаротермифилюс», у которого имеется фермент дегидрогеназа, – он отщепляет водород от молекулы алкоголя и переносит его на никотинамиддинуклеотид (НАД), входящий в состав очень важного витамина никотиновой кислоты.
Дегидрогеназа бациллы проявляет свою максимальную активность при температуре 65°С, а при комнатной температуре он «застывает».
Эксперименты, проведенные в Беркли, показали, что основным механизмом перехода протонов водорода является в ферменте туннелирование, а не преодоление энергетического барьера!
Биохимики давно уже предполагали, что уникальные свойства биокатал и заторов, к коим относятся ферменты, обусловлены их способностью каким-то образом снижать барьер. На самом же деле, действительность оказалась еще более интригующей: ферменты проводят частицы вообще под барьером – именно это и позволяет им ускорять протекание реакций в миллионы раз.
Иммунные лимфоциты в борьбе с микробами используют туннельный эффект.
Был подтвержден и другой принцип квантовой химии, который гласит: для протекания реакции важна также и ориентация связей относительно друг друга.
Отрыв водорода от молекулы требует «стретчинга» – растягивания связи С- Н вдоль ее координаты (все знакомы с платьями «стретч» на милых девушках, которые вынуждены время от времени одергивать слишком уж сжавшиеся кверху юбки). Растягивание связи С-Н можно сравнить с попытками «разорвать» палку, схватившись за ее концы, – гораздо легче сломать ее пополам о колено. Но связь о колено не переломишь, вот и приходится подвергать ее стретчингу.
Тут-то на первый план и выходят движения и колебания частей белковой молекулы. Они тоже очень важны для осуществления реакции стретчинга. Тонкие методы исследования показывают, насколько велика степень колебаний белкового «скелета». Еще больше, естественно, колеблются боковые цепи аминокислотных остатков, из которых построена цепь белка.
Однако скелет термофильного энзима оказывается менее гибким, чем у обычного фермента. Поэтому при охлаждении термофила до комнатной температуры интенсивность движений структурных элементов белковой молекулы заметно убывает, что приводит к снижению стретчинга и падению ферментативной активности.
Это важно также и для преодоления энергетического барьера, ширина которого зависит от расстояния между атомами двух молекул, между которыми протон перебрасывается. Интересно отметить, что термофил активен в достаточно широком температурном «формате» от65 до 30 градусов Цельсия, но при снижении температуры еще на 5 градусов его просто «заклинивает». Это происходит в результате весьма существенного динамического перехода, который нарушает туннелирование. Вот вам и ответ на вопрос. Подобное явление для другого фермента было описано одновременно с исследованиями в Беркли.
Рассматривая особенности действия ферментов, биохимики уже давно научились оперировать со структурой их «активных центров» – того инструмента, которым фермент, собственно, и действует. Теперь им придется учитывать также и колебания белковых молекул, без которых немыслима модуляция последовательных химических «шагов» в организации ферментативной реакции.
О чем говорит новое открытие? Прежде всего, говорят авторы, необходимо по-новому взглянуть на всю нашу парадигму – систему привычных концепций и гипотез, – касающуюся ферментативного катализа.
Уже несколько лет ученые резных стран пытаются сымитировать работу ферментов с помощью каталитических антител. Это белки иммунной системы, обладающие специфичностью по отношению к тем или иным молекулам. Однако «наши» антитела оказываются значительно менее активными, чем ферменты «в натуре». Почему? Возможно, потому, что антитела «придуманы» природой для совсем других целей, а именно для фиксации молекул и их частей, что требует меньшей подвижности, нежели в молекуле фермента. Так что, как говорится, мы работаем совсем в ином, чем нужно, формате.