Мы не будем углубляться в квантовую механику — для нас достаточно знать, что электроны иона металла и электроны соединенных с ним атомов лигандов образуют общие электронные облака. Так обстоит дело в соединениях иона меди с аммиаком, железа с порфином и т. д. В дальнейшем мы несколько подробнее разберем этот вопрос на примере соединений железа, входящих в состав ферментов, а теперь перейдем к общему описанию ферментов — удивительных веществ, ускоряющих химические реакции в клетках и действующих более точно и согласованно, чем химические цехи на самых лучших современных заводах.
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
4. Гидролазы вызывают разрыв связей
и подобные им с последующим присоединением воды: