Каждую отдельную химическую реакцию осуществляет специфический катализатор
Каждую отдельную химическую реакцию осуществляет специфический катализатор
Открытие этого важнейшего правила молекулярной генетики заняло много лет. Сейчас это аксиома: для протекания каждой отдельной химической реакции в живой клетке необходим специфический белковый фермент (или молекула РНК с ферментными функциями). Ферменты — это биологические катализаторы, они изменяют субстрат, сами оставаясь неизменными. Это очень важная концепция. Из нее следует, что ни один многоступенчатый биологический процесс не может происходить случайно. Все они регулируются рядом координированных взаимодействий между молекулами, которые по форме подходят друг к другу как два кусочка трехмерной мозаики.
Под действием катализатора химическая реакция идет быстрее и эффективнее. Так, в отсутствие фермента молекула А не могла бы немедленно вступить в реакцию с молекулой В и образовать продукт АВ (рис. 2.2). Это могло бы произойти случайно, но ждать этого пришлось бы миллионы лет, если бы вообще удалось дождаться. Специфический фермент, который имеет места «стыковки» для А и В, связывается с ними и держит обе молекулы так тесно, что у них нет другого выбора, как только образовать химические связи друг с другом. Ферменты, таким образом, можно назвать генетически закодированными инструментами, созданными природой для осуществления химических реакций, отобранных входе эволюции. Для проведения сложного набора реакций работа нескольких ферментов синхронизируется и координируется. Таким образом, ферменты способны к коллективному выполнению сложных задач, например таких, как выделение энергии из съеденного кусочка шоколада. Другими словами, каждый фермент можно сравнить с отдельной инструкцией, которая является частью большой компьютерной программы. Однако есть одно фундаментальное отличие. Компьютерный набор инструкций создается человеком для достижения поставленной им цели. Специфическое Действие ферментов регулировалось миллионами (а может быть и миллиардами) лет эволюции путем естественного отбора. Компьютерная программа — результат работы человеческого мозга, а молекулярные процессы, направляющие биологическую эволюцию, происходят через взаимодействие молекул.
Рис. 2.2. ферменты (белки или РНК) - «молекулярные машины», или катализаторы. Изображен белковый фермент, осуществляющий химическую связь между двумя разными молекулами, А и В, с образованием сложной молекулы АВ. Некоторые ферменты состоят из РНК, их называют рибозимами. 1. фермент имеет два связывающих центра, с которыми стыкуются соответствующие им субстраты А и В. 2. Фермент изменяет форму и создает соответствующие молекулярные взаимодействия и силы, облегчая образование химической связи между А и В. 3. Продукт АВ высвобождается. 4. Свободный фермент может использоваться снова.
В клетке работают тысячи ферментов. Одни из них создают строительные блоки для генов; другие распознают пищевые молекулы и обеспечивают их попадание из окружающей среды; наконец, третьи перестраивают различные молекулы внутри клеток. Большинство биологических катализаторов, так же как и многие структурные компоненты клетки, — белки, но есть и катализаторы, представленные РНК.
В конце 1950-х годов Г. Темин предсказал существование обратной транскрипции. Он обнаружил, что опухолевые РНК-содержащие вирусы исчезают при добавлении их к клеткам в культуре ткани. Для объяснения этого он предположил, что вирус создает ДНК-копию своего РНК-генома, затем встраивает эту ДНК-копию в хромосомы клетки (причем исходный вирусный РНК-геном, в конце концов, разрушается). Следовательно, он предсказал существование фермента, который, используя в качестве матрицы молекулу РНК, создает молекулу ДНК. После десятилетних поисков, в конце 1960-х годов, сам Говард Темин обнаружил этот фермент. За эту работу он был удостоен Нобелевской премии (в 1975 году), разделив ее с Давидом Балтимором, который подтвердил существование фермента, названного обратной транскриптазой. Это открытие изменило первоначальные представления о переносе генетической информации. В последние годы стало также известно, что молекулы РНК могут играть роль катализаторов. Они могут сами себя разрезать и сшивать («редактировать») и потенциально способны к саморепликации.
Для каждой из известных биологических реакций существует специфический катализатор. Мы уверены, что катализатор (обычно белок, иногда РНК) должен существовать для любой гипотетической реакции. Все известные данные подтверждают это.