ФЕРМЕНТ. ЕГО ВИРТУАЛЬНОСТЬ КАК ПОСРЕДНИКА. Биохимики изучают ферменты – посредников в химических реакциях как биокатализаторов (белков с большими и сложными молекулами), ускоряющих химические реакции в организме. Иногда одна молекула фермента «способна» вызвать химические превращения тысяч молекул в секунду. Предполагают, что биологический катализатор действует как направляющая сила изменений. Живые клетки улавливают, сохраняют и передают энергию, заключенную в молекулах аденозантрафосфата (АТР), которые служат главным переносчиком химической энергии в клетках всех живых организмов. Клетка использует химическую энергию для процессов роста и биосинтеза своих компонентов, осматического переноса питательных веществ через мембрану клетки, а также механической работы сократительного и двигательного аппаратов. Биокатализ (ферментативный катализ) определяет жизнь на субклеточном (молекулярном) уровне.
Созидание и разрушение веществ в живой клетке протекают в строгой последовательности с помощью фермента, у которого активна не вся белковая молекула, а только центральный участок – коэнзим, ответственный за присоединение (связывание) субстрата и его превращения, а также регуляторные участки, расположенные по всей молекуле фермента и регулирующие его активность. Фермент «позволяет» атому в молекуле перейти из одного положения в другое и сразу готов проделать это с другой молекулой. Он имеет запас нужных ему атомов и возможность избавляться от ненужных атомов. В химической реакции фермент переносит атом водорода в своей ячейке («ящике»), высвобождает атом водорода в одной ячейке, а в другой связывает атомы. Фермент – белок, взаимодействующий с определенной молекулой клетки и «заставляющий» ее вступить в определенную химическую реакцию. Он влияет по очереди на множество молекул (расщепляя или соединяя 500 000 молекул в секунду). Фермент обслуживает сборку атомов внутри молекул. Он может ускорить реакцию в тысячи раз, и отдельная молекула фермента за секунду «обрабатывает» несколько тысяч молекул субстрата. Особенностью ферментов является организация ими «коллективных» действий. Ферментные комплексы напоминают завод, в каждом цехе которого протекают процессы, являющиеся частями единой технологии. Протеины перемещают химическое вещество в нужное место в нужное время. Каждый фермент регулирует определенную химическую реакцию благодаря определенной конфигурации своей молекулы и соответствия своего активного центра структуре субстрата. Он «распознает» только один определенный тип связи и ответственен за него.
Клетка функционирует как химическая машина только благодаря ферментам – катализаторам, способных ускорять различные химические реакции без сколько-нибудь заметного «потребления» самих ферментов. При этом растущие клетки могут одновременно синтезировать тысячи разных молекул белков и нуклеиновых кислот в таких количествах, которые требуются в текущий момент. Катализируемые ферментами метаболические реакции точно отрегулированы и производят лишь столько простых молекул разных видов, сколько необходимо для сборки строго заданного числа молекул нуклеиновых кислот, белков, липидов, полисахаров нужного вида. Более того, живые клетки способны регулировать синтез собственных катализаторов – ферментов. РНК, оставаясь, прежде всего информационной молекулой, способной к репродукции, выступает в качестве катализатора. Некоторые ферменты постоянно помогают добавлять молекулы. Другие удаляют молекулы, посылают их по разным путям метаболизма. Они транспортируют молекулы через клеточные мембраны, перемещают их между разными отделами клетки. ДНК могут передавать наследственную информацию только при наличии целого комплекса конструктивных материалов и специфических белковых молекул – ферментов. Биологи подчеркивают, что каждый организм непрерывно обновляет в себе вещества. В процессах метаболизма ферменты приводят молекулы в возбужденное состояние. Только возбужденные молекулы могут вступать в те реакции, которые делают живое живым, способным к развитию и поведению. Сами ферменты и катализаторы после реакции остаются в «прежнем» виде. Они не входят в состав продуктов реакции, а после нее их количество остается прежним. В ходе реакции их структура может временно измениться ввиду образования промежуточных соединений с субстратом. Отмечают, что ферменты и катализаторы не являются инициаторами реакции. Они ускоряют только те реакции, которые могут протекать самопроизвольно, но медленно. Ферменты не сдвигают химическое равновесие в обратимых реакциях, но способствуют его более быстрому достижению.