Книга: Жизнь на грани

Зачем нам нужны ферменты и как головастики теряют свои хвосты

Зачем нам нужны ферменты и как головастики теряют свои хвосты

Коллаген — это белок, наиболее часто встречающийся в организмах животных, в том числе и человека. Он действует как своего рода молекулярная нить, которая вплетается в ткани и между ними и связывает их между собой. Как и все белки, коллаген состоит из основных химических строительных блоков — цепей аминокислот. Они встречаются в организме в 20 вариантах. Некоторые аминокислоты (например, глицин, глутамин, лизин, цистеин, тирозин) могут быть знакомы вам как добавки к пище из магазинов здорового питания. Каждая молекула аминокислоты содержит от 10 до 50 атомов углерода, азота, кислорода, водорода и иногда серы, соединенных химическими связями в трехмерные структуры уникальной формы.

Несколько сотен закрученных аминокислотных молекулярных структур затем соединяются между собой и образуют белок, напоминающий нитку, на которую нанизаны бусины причудливой формы. Каждая бусина сцеплена со следующей с помощью пептидной связи, которая соединяет атом углерода одной аминокислоты с атомом азота следующей. Пептидные связи очень прочны; по крайней мере те, которые скрепляли коллагеновые волокна тираннозавра, выдержали 68 миллионов лет.

Коллаген является особо прочным белком, который выполняет функцию внутреннего каркаса, поддерживающего форму и структуру наших тканей. Белки сплетаются в тройные цепи, которые, в свою очередь, связываются в толстые канаты, или волокна. Эти волокна пронизывают наши ткани и связывают клетки вместе. Они также содержатся в сухожилиях, которые присоединяют мышцы к костям, и в связках, соединяющих отдельные кости. Плотная сеть таких волокон называется внеклеточным матриксом и обеспечивает целостность нашего организма.

Каждый, кто не является вегетарианцем, уже знаком с внеклеточным матриксом в виде волокнистого хряща, который можно встретить в трудноперевариваемой колбасе или в дешевых кусках мяса. Повара также знают о нерастворимом жилистом продукте, который не становится мягче даже после нескольких часов тушения. Несмотря на то что внеклеточный матрикс не очень приятно увидеть в тарелке с обедом, его присутствие в телах обедающих жизненно необходимо. Без коллагена наши тела распадутся, мышцы отвалятся от костей, а внутренние органы превратятся в желе.

Тем не менее коллагеновые волокна, содержащиеся в ваших костях, мышцах или в обеде, не являются неразрушимыми. Кипячение их в сильных кислотах или щелочах в конечном счете разрушит пептидные связи между бусинами аминокислот и превратит эти прочные волокна в растворимый желатин, желеподобное вещество, похожее на то, что используется для приготовления зефира и желе. Киноманы могут вспомнить Зефирного человека из фильма «Охотники за привидениями» — гигантское неповоротливое существо из мягкой белой массы, наводившее ужас на жителей Нью-Йорка. Но Зефирного человека с легкостью победили, превратив в расплавленный зефирный крем. В пептидных связях между аминокислотами коллагеновых волокон и заключается отличие Зефирного человека от тираннозавра. Крепкие коллагеновые волокна придают прочность организмам реальных животных.

Однако, если бы организм животного состоял только из такого прочного и долговечного материала, как коллаген, возникла бы серьезная проблема. Вспомните, что происходит, когда у вас появляется синяк или порез либо когда вы ломаете руку или ногу, — нарушается целостность тканей и поддерживающий их внеклеточный матрикс, внутренний волокнистый каркас, также повреждается или разрушается. Если дом частично разрушается во время шторма или землетрясения, перед ремонтом необходимо удалить сломанные конструкции. Подобным образом тело животного использует фермент коллагеназу, чтобы удалить поврежденные части внеклеточного матрикса и позволить ткани восстановиться — с помощью другого набора ферментов.

Особенно важно то, что внеклеточный матрикс должен постоянно перестраиваться по мере роста животного: внутренний каркас, поддерживающий ребенка, не сможет выдержать большой вес взрослого. Эта проблема особенно остро стоит перед амфибиями. Тем более интересно ее решение. Дело в том, что взрослые амфибии сильно отличаются от молодых особей. Самым простым примером метаморфоза амфибий является превращение сферического яйца в извивающегося головастика, который по мере взросления становится прыгающей лягушкой. Ископаемые останки предков лягушек — коротких бесхвостых амфибий с уникальными мощными задними конечностями — были найдены в окаменелостях юрского периода и относятся к середине мезозойской эры (около 200 миллионов лет назад), также известной как век рептилий. Они тоже могут быть обнаружены в окаменелостях, относящихся к меловому периоду. Таким образом, весьма вероятно, что подобные лягушки плавали по той же реке в штате Монтана, в которой встретил свой конец музейный экспонат MOR 1255. Однако, в отличие от динозавров, лягушки смогли пережить великое мел-палеогеновое вымирание и теперь населяют наши пруды, реки и болота, поставляя вот уже многим поколениям школьников и ученых образцы для изучения формирования и превращения организмов.

Превращение головастика в лягушку включает процессы отмирания и перестройки тканей, например хвоста, который постепенно реабсорбируется в тело и перерабатывается для формирования новых конечностей лягушки. Этот процесс требует быстрой резорбции внеклеточного матрикса, который поддерживает форму хвоста, и последующей перестройки его в формирующиеся конечности. Однако вспомните о том, что кости динозавра пролежали в горах Монтаны 68 миллионов лет — коллагеновые волокна не так легко разрушаются. Метаморфоз лягушки проходил бы очень медленно, если бы в основе его лежал химический распад коллагена под воздействием только неорганических веществ. Очевидно, тело животного не может растворить собственные сухожилия в горячей кислоте и нуждается в более мягких средствах расщепления коллагеновых волокон.

На этом этапе в процесс вступает фермент коллагеназа.

Так как же действуют коллагеназа и другие ферменты? Виталистические представления о том, что активность фермента обусловлена таинственной жизненной силой, бытовали до конца XIX века. В то время один из коллег Кюне, химик Эдуард Бухнер, доказал, что неживые экстракты из дрожжевых клеток могут стимулировать точно такие же химические превращения, как и живые клетки. Бухнер сделал революционное предположение о том, что жизненная сила — это не более чем форма химического катализа.

Катализаторы — это вещества, ускоряющие обычные химические реакции. Они уже были известны химикам XIX века. К слову, многие химические процессы, ставшие основой промышленной революции, зависели от катализаторов. Например, серная кислота была главным веществом, способствовавшим как промышленной, так и сельскохозяйственной революции. Она использовалась при производстве железа и стали, в текстильной промышленности и для получения фосфатных удобрений. Серную кислоту получают в результате химической реакции, которая запускается с помощью диоксида серы (SO₂) и кислорода (реактивы, или исходные вещества). Оба вещества реагируют с водой с образованием продукта — серной кислоты (H₂SO₄). Однако эта реакция протекает очень медленно, поэтому в таком виде ее сложно применять в промышленности. Но в 1831 году Перегрин Филипс, производитель уксуса из Бристоля (Англия), нашел способ ускорить ее путем пропускания диоксида серы через горячую платину, которая действовала как катализатор. Катализаторы отличаются от исходных веществ, участвующих в реакции, поскольку они помогают ускорить реакцию, не вступая в нее и не изменяя своей структуры. Таким образом, заявление Бухнера состояло в том, что ферменты, в сущности, не отличаются от неорганических катализаторов, открытых Филипсом.

Десятки последующих биохимических исследований в значительной степени подтвердили идею Бухнера. Первым выделенным ферментом стал реннин, образующийся в желудках телят. Древние египтяне хранили молоко в емкостях, сделанных из оболочек желудков телят. Именно им приписывается открытие такого свойства этого странного вещества, как превращение молока в более удобный для хранения сыр. Опыт древних египтян применялся до конца XIX века. В то время желудки крупного рогатого скота высушивали и продавали в аптеках как сычуг. В 1874 году датский химик Кристиан Хансен проходил собеседование, устраиваясь на работу в аптеку, когда случайно услышал заказ на дюжину сычугов. Узнав, что это такое, он решил использовать свои познания в химии для открытия более привлекательного источника сычужного фермента. Он вернулся в свою лабораторию, где разработал метод превращения жидкости, полученной в процессе вымачивания желудков телят и отличающейся весьма неприятным запахом, в сухой порошок и успешно представил свой продукт на рынке под названием «Сычужный экстракт доктора Хансена».

Реннин, или сычужный фермент, представляет собой смесь нескольких различных ферментов. В сыроварении наиболее активно используется фермент химозин, представитель большого семейства ферментов протеаз, ускоряющих расщепление белков. Его роль в производстве сыра заключается в том, что он способствует свертыванию молока, которое затем разделяют на сычужную закваску и сыворотку. Однако в организме молодого теленка данный фермент створаживает молоко, поступающее в желудок, так что оно дольше остается в пищеварительном тракте, увеличивая время всасывания. Коллагеназа также является протеазой, но способ ее выделения оставался неизвестным на протяжении еще 50 лет, пока в 1950-х годах Джером Гросс, исследователь из Гарвардской медицинской школы Бостона, не задался вопросом, как же головастик растворяет свой хвост и превращается в лягушку.

Гросс исследовал функции коллагеновых волокон как пример самоорганизации молекул, в которой, как он считал, «заключается главный секрет жизни»[30]. В качестве образца для исследований он взял огромный хвост головастика лягушки-быка, достигающий в длину нескольких дюймов. Гросс правильно предположил, что процесс реабсорбции должен состоять из многочисленных этапов сборки и расщепления коллагеновых волокон животного. Чтобы определить активность коллагеназы, он разработал простой эксперимент, в ходе которого чашка Петри наполнялась слоем похожего на молоко коллагенового геля, состоящего из прочных, крепких коллагеновых волокон. Помещая фрагменты ткани хвоста головастика на поверхность геля, он отмечал, что в зоне вокруг фрагментов эти прочные волокна расщепляются и превращаются в растворимый желатин. В результате Гросс выделил разрушающее коллаген вещество — фермент коллагеназу.

Коллагеназа присутствует в тканях лягушки и других животных, включая динозавра, утонувшего в Хелл-Крик. Еще 68 миллионов лет назад фермент выполнял ту же функцию, что и сегодня, а именно разрушал коллагеновые волокна. Когда животное погибло и провалилось в болото, фермент утратил свою активность. Тем не менее коллагеновые волокна сохранили свою структуру, пока Мэри Швейцер не добавила немного свежей коллагеназы к костным фрагментам.

Коллагеназа — только один из миллионов ферментов, от которых зависят практически все виды жизнедеятельности животных, микроорганизмов и бактерий. Одни ферменты создают коллагеновые волокна внеклеточного матрикса; другие отвечают за сборку биомолекул — белков, ДНК, жиров и углеводов; наконец, целая группа различных ферментов расщепляет и перерабатывает эти молекулы. Ферменты отвечают за пищеварение, дыхание, фотосинтез и метаболизм. Они создают всех нас. Они поддерживают нашу жизнь. Они — механизмы жизни.

Но являются ли ферменты только биологическими катализаторами, участвуя в химических реакциях наподобие получения серной кислоты и других промышленных веществ? Несколько десятилетий назад большинство биологов согласились бы с мнением Бухнера о том, что химия жизни не отличается от тех процессов, которые можно наблюдать на химических заводах или даже в наборе юного химика. Но в последние 20 лет взгляд на этот вопрос радикально изменился. В ходе нескольких ключевых исследований было сформировано абсолютно новое мнение о работе ферментов. Оказалось, что этим катализаторам жизни покоряются такие глубины, какие не подвластны классической химии, — ферменты творят чудеса и на квантовом уровне.

Чтобы понять, почему для разгадки тайны жизни нам необходима квантовая механика, мы должны сначала узнать, как работают самые простые промышленные катализаторы.