Металлы, которые всегда с тобой - Терлецкий Ефим Давидович

Ферменты, открытые дважды

История науки изобилует множеством драматических моментов, когда блестящие открытия, очевидные для потомков, совершенно не воспринимались современниками. Так, например, было с открытием нуклеиновой кислоты молодым швейцарским врачом Иоганном Мишером; так произошло и с законами наследственности, которые установил Грегор Мендель, разводя горох в монастырском огороде. И в том, и в другом случаях прошли десятки лет забвения, прежде чем эти замечательные исследователи получили заслуженное, но уже посмертное признание. Так случилось и с открытием цитохромов — железосодержащих дыхательных белков.

В 1884 году английский врач К. Мак-Манн, изучая спектры поглощения тонких срезов различных тканей, обнаружил неизвестные до этого времени вещества, которые он назвал миогематинами или гистогематинами — в зависимости от того, где они содержались, в мышцах или других тканях. Эти соединения он отнёс к пигментам и доказал, что они могут окисляться и затем снова восстанавливаться. Таким образом, открытые вещества явно должны были участвовать в процессах тканевого дыхания.

К сожалению, результаты этих экспериментов поставил под сомнение сам Хоппе-Зайлер — признанный авторитет среди биохимиков того времени. Тогда Мак-Манну не удалось ничего доказать, , но он понимал истинную цену своего открытия. Через 20 лет он с горечью писал: «По по-, воду этого фермента (гистогематина.— Е. Т.) очень много спорили, и имя Хоппе-Зайлера помещало: принять правоту, автора. Химический аспект работы несомненно, слаб, но со временем этот пигмент проложит себе путь в учебники».

Так оно и произошло, но автором открытия считался уже другой. По этому поводу известный американский биохимик Э. Рэкер в назидание студентам, которым он читал лекцию уже в наши дни, сказал: «Если вы биолог, постарайтесь как можно лучше изучить химию, иначе химики вам не поверят. Если же вы сильны в химии, они поверят вам, даже если вы не правы».

Прошло долгих 40 лет, прежде чем немецкий учёный О. Варбург вновь, после Мак-Манна вернулся к изучению процессов клеточного дыхания. Варбург знал, что все клетки организма содержат железо, которое считал катализатором внутриклеточных трансформаций кислорода. Он доказал это, окисляя в своих опытах различные аминокислоты активированным углём с нанесённым на него тонким слоем железного порошка. Клеточный катализатор Варбург назвал дыхательным ферментом и позднее установил, что в нем содержится гем.

Идеи Варбурга развил английский учёный Д. Кейлин, который, по существу, и завершил открытие дыхательных пигментов. И Мак-Манн, и Варбург, и Кейлин изучали одну и ту же группу белков, содержащих гем. Чтобы не путать их с миоглобином и гемоглобином, Кейлин назвал их цитохромами (от греческого «цито» — клетка). Почти 40 лет потратил он на исследование этих веществ.

В зависимости от спектров, даваемых цитохромами, им дополнительно присвоили латинские буквы, которые соответствовали обозначениям спектральных полос: а, в, с. В дальнейшем было установлено, что полосы а и с, в свою очередь, принадлежат не одному, а нескольким цитохромам, получившим обозначение аь а2. аз и с-Кейлин обнаружил, что цитохром а в большей степени, чем цитохромы вис, связан с реакциями, в которых участвует кислород. Комплекс цитохромов а и а3, окисляющий цитохром с, был назван цитохромоксидазой.

Получается такая цепочка: субстрат (окисляемое органическое вещество) - компоненты, не содержащие цитохромов, —к цитохром в —>- цитохром с, —>- цитохромокси-даза —>- кислород. Все участники такой эстафеты претерпевают окислительно-восстановительные превращения. Комиссия по ферментам Международного биохимического союза узаконила следующее определение: «цитохромами называются гембелки, принцип действия которых состоит в переносе электронов и /или водорода, в результате обратимого изменения валентности атома железа в геме». Итак, опять процесс переноса, опять сходство с электрической цепью, опять при помощи железа, и опять механизм до конца не ясен...

Цитохромы заключены в особых органоидах клетки — митохондриях, где и происходит поэтапное окисление. Цепочку же ферментов, благодаря которым оно осуществляется, называют дыхательной или окислительной, цепью, которая необходима для выработки энергии. Если бы окисление происходило без накопления энергии и её преобразования, то вся энергия превращалась бы в тепло, что, в общем-то, не имеет смысла, так как для жизнедеятельности организма ничего бы не осталось. Так вот, в митохондриях (их называют силовыми установками клетки) происходит не только выработка энергии, но и её накопление в виде основной, по выражению биоэнергетиков, «энергетической валюты», которой оплачивается любая функция в живом организме. «Разменной монетой» при этом служит аденозинтрифос-форная кислота — АТФ. Синтез АТФ в митохондриях получил название окислительного фосфорилирования.

Здесь, по-видимому, пора подвести итог нашим рассуждениям. Получается вот что. С одной стороны, в митохондрии поступают продукты расщепления белков, жиров и углеводов, с другой — подводится кислород, доставленный кровью. Благодаря действию цитохромов кислород не сразу, а постепенно, ступенчато окисляет органические вещества с образованием воды, углекислоты и АТФ. Весь смысл процесса заключается именно в ступенчатом окислении небольшими порциями, ибо при этом происходит образование молекулы АТФ с минимальными энергетическими потерями, то есть с большим кпд. Здесь действует цепь ферментов, поэтому ни один двигатель внутреннего сгорания нельзя по эффективности работы сравнить с митохондрией.

Сегодня известно несколько цитохромов, однако наиболее изучены те из них, которые участвуют в процессах клеточного дыхания. Цитохром а имеет молекулярную массу 70 тыс., цитохром b — 20 тыс., цитохром с — 13 тыс. Для того чтобы в какой-то степени дать представление о всей сложности исследований этих веществ, заметим, что сегодня 1 г цитохромоксидазы стоит 6 тыс. руб.!

Каталаза - чемпион катализа

Процесс окисления с помощью цитохромов даёт побочный продукт, в больших концентрациях губительный для всего живого,— перекись водорода. Вспомним, что раствор этого вещёства применяют, например, при дезинфекции ран. Перекись водорода является сильным окислителем и в крови может вызывать гемолиз эритроцитов. Совершенно ясно, что организм нужно защитить от этого крайне опасного соединения.

Такая защита есть. Это фермент каталаза. Ее молекула имеет массу 250 тыс. и состоит из четырёх субъединиц, каждая из которых содержит гем, связанный с полипептидной белковой цепью. Таким образом, как и в гемоглобине, здесь имеется 4 атома железа. Каталаза разлагает перекись водорода на воду и кислород. Но что интересно, когда концентрация перекиси водорода становится незначительной, каталаза начинает катализировать реакцию окисления перекисью водорода спиртов, формальдегидов и нитратов. Ферменту простаивать нельзя!

Открытие каталазы также связано с перекисью водорода. Ещё Луи Тенар, который, как мы знаем, занимался каталитическим разложением аммиака, открыл перекись водорода в 1818 году и заметил каталитическую активность по отношению к этому вещёству животных тканей. Но только в 1907 году было установлено, что в этом повинен фермент, который и назвали каталазой. В кристаллическом виде получить её удалось только через 30 лет из печени быка. Это один из наиболее активных ферментов, молекула которого разлагает в секунду 6 миллионов молекул перекиси водорода.

Есть ещё один фермент, содержащий железо, который также катализирует реакцию разложения перекиси водорода, это пёроксидаза, открытая в самом начале нашего века. Она содержится в слюне, в соке поджелудочной железы, в печени, почках и в лейкоцитах. Имеются сведения, что в плазме крови присутствует особая пёроксидаза, которая способствует реакциям некоторых производных перекиси водорода. У растений особенно богаты пёроксидазой сок фигового дерева и корень хрена. И вообще следует заметить, что этот фермент широко распространён в живой природе.