Карбонангидраза катализирует процессы гидратации диоксида углерода, т. е. образование иона НСО3-, и процессы дегидратации, связанные с выделением диоксида углерода вследствие разложения аниона угольной кислоты. Первый процесс совершается в клетках, отдающих СО2 как продукт своей жизнедеятельности, а второй — в альвеолах легких, где выделение СО2 должно происходить в надлежащем темпе.
Обе реакции можно записать так:
Карбонангидраза катализирует процессы гидратации диоксида углерода и процессы дегидратации
Первая представляет гидратацию СO2, вторая — разложение иона НСО3-.
Роль иона цинка еще не выяснена окончательно. Вероятно, ион цинка катализирует разложение НСО3- в результате образования комплекса, претерпевающего быстрый распад:
Ион цинка катализирует разложение НСО3- в результате образования комплекса, претерпевающего быстрый распад
Прямая реакция соответствует разложению бикарбонатов и протекает в легочных альвеолах, а обратная соответствует связыванию СO2 в клетках.
Ион цинка находится глубоко в центральной части белковой молекулы и связан с белком, насколько можно судить, с помощью трех гистидиновых остатков.
Киназы. Мы убедились, что для работы биологических машин необходимы переносы электронов и кислорода; дело, однако, этим не ограничивается. Ферменты клетки не перемешаны в беспорядке — важнейшие из них фиксированы в определенных зонах различных органелл (митохондрий, рибосом и др.), и перестройка молекул пищевых веществ, как уже упоминалось, идет строго согласованно и в нужной последовательности.
Для такой работы необходимо иметь средства, чтобы переносить и другие группы — особенно те, которые существенно изменяют запас энергии в молекуле и таким образом изменяют ее реакционную способность. Ферменты, катализирующие переносы фосфатной группы PO32- от молекулы аденозинтрифосфорной кислоты к другим молекулам, называются киназами (от греч. kineo — "двигаю, перемещаю").
Аденозинтрифосфорная кислота, сокращенно обозначенная АТФ, является одним из самых важных биологически активных соединений. Подвергаясь гидролизу, эта кислота отщепляет одну молекулу фосфорной кислоты (Ф), образуя аденозиндифосфорную кислоту (АДФ); при этом выделяется относительно много энергии. При образовании АТФ из АДФ и Ф энергия соответственно поглощается. Ниже приведено уравнение гидролиза АТФ[3] (и обратный процесс):
Уравнение гидролиза АТФ (и обратный процесс)
Если АТФ реагирует с какой-либо другой молекулой, например с молекулой глюкозы, то, передавая ей фосфатную группу, она передает молекуле и значительный запас энергии (заряжает молекулу глюкозы энергией):
Реакция АТФ с молекулой глюкозы
Вот почему АТФ в клетках выполняет функции аккумулятора энергии.
Именно такого типа реакции, происходящие с переносом фосфата от АТФ на другой субстрат, и катализируются киназами. Киназы активируются ионами металлов, чаще всего магнием, а также кальцием и марганцем. Специфичность в этих случаях менее выражена, и указанные ионы можно иногда заменить на ионы кобальта или цинка. Но все ионы металлов, необходимые для работы киназ, двузарядны (степень окисления +2). Молекулярные массы киназ около 1000000, но неодинаковы у различных ферментов этой группы.
Ион металла, по-видимому, связывает АТФ и белок; доказано, что ионы металлов-активаторов образуют с АТФ комплексы. Способ связывания иона металла не всегда удается точно определить, хотя это важная сторона вопроса. Так, например, ион кальция активирует киназы, если он связан с белком-ферментом (Ф) через субстрат реакции:
Ион кальция активирует киназы, если он связан с белком-ферментом (Ф) через субстрат реакции
но тормозит реакцию, если связан непосредственно с белком:
Ион кальция тормозит реакцию, если связан непосредственно с белком
Кроме того, ионы металлов, как активные частицы, способны вступать в реакции комплексообразования и с молекулами субстрата — того вещества, на которое переносится группа РО32-. По-видимому, основным этапом действия киназ является образование комплекса металл — АТФ, который, фиксируясь на белке, отдает фосфатный остаток субстрату.
В качестве субстратов особенно важны креатин и глюкоза (хотя изучены и другие реакции, например перенос РО32- на пируват, аргинин и др.).
Креатин, содержащийся главным образом в мышечной ткани, выполняет функции, аналогичные функциям АТФ. Он запасает энергию, образуя креатинфосфат; именно эта энергия и расходуется, например, при мышечной работе. Поэтому образование креатинфосфата
Образование креатинфосфата
представляет с точки зрения биохимика большой интерес. В реакции
В реакции равновесие смещено влево
равновесие смещено влево.
Таким образом, ионы металлов (особенно магний) необходимы для нормального использования химической энергии фосфорных соединений, в частности для нормальной работы мышц.
Фермент, катализирующий образование креатинфосфата, называется креатинкиназой. Другой фермент — гексокиназа — катализирует перенос фосфорильной группы от АТФ к глюкозе:
Гексокиназа катализирует перенос фосфорильной группы от АТФ к глюкозе
Фермент содержится в мышечной ткани, а также в мозге и дрожжевых клетках. Для его работы необходим ион магния. Вероятно, магний образует комплекс с АТФ: Mg*АТФ2-, присоединяющийся к белку-ферменту; ион магния, как полагают, с белком непосредственно не связан.
Характерной особенностью киназ является то, что их белковая часть испытывает определенные изменения формы при взаимодействии с субстратами. Фермент приспособляется к структуре той молекулы, на которую он действует.
Число различных ферментов, активизируемых теми или иными ионами металлов, очень велико. Ограничимся сведениями о киназах, но следует иметь в виду, что, изучая действие иона металла (не только двухзарядного!) на организм или клетку, всегда надо помнить о возможности активации ферментов этим ионом.
Глава 6. Основные стадии обмена веществ — метаболизма
Мы рассмотрим, конечно, не все пути обмена веществ в организме — это составляет содержание биохимии, а ограничимся некоторыми важнейшими отрезками путей, связанных с участием металлов.
В качестве примера проанализируем путь превращений глюкозы в организме — так называемый гликолиз.
Для удобства разделим весь процесс на отдельные стадии и представим его схематически (рис. 6). Глюкоза из пищи (или получившаяся из запасов гликогена в печени) прежде всего подвергается в клетках действию аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), которая переводит ее в глюкозо-6-фосфат. Эта реакция, как и последующие, катализируется специальными ферментами, о которых речь пойдет дальше. Пока отметим только химическую сторону превращений глюкозы.
Рис. 6. Последовательные стадии гликолиза (брожения). Ионы магния, кальция и калия активируют ферменты гликолиза и ускоряют реакции
Полученный глюкозо-6-фосфат химически более активен, чем исходная глюкоза, — в этом, собственно, и заключается биохимический смысл фосфорилирования — превращения углевода в его фосфорильное производное. Затем происходит перегруппировка атомов, и получается уже не глюкозо-, а фруктозо-6-фосфат; далее следует вторичное фосфорилирование, и образуется фруктозо-1,6-дифосфат. Снова действует фермент (альдолаза), и цепочка из шести углеродных атомов фруктозодифосфата разрывается. Получается два трехуглеродных соединения: 3-фосфоглицеринальдегид и фосфодиоксиацетон. Эти родственные триозофосфаты могут взаимопревращаться. Фосфоглицеринальдегид подвергается действию фермента (дегидрогеназы) и кофермента — окислителя, сокращенное название которого НАД, а полное — никотин-амидадениндинуклеотид. НАД присоединяет к себе от окисляемого вещества (т. е. от фосфоглицеринальдегида) ион водорода, несущий отрицательный заряд, так называемый гидридный ион Н-. (Столь необычное состояние иона водорода характерно для гидридов некоторых металлов, например калия или натрия.) Молекула НАД действует в форме положительного иона НАД+ и переходит в нейтральное состояние. Второй ион водорода отщепляется от фосфоглицеринальдегида в виде Н+ и поступает в окружающую среду.
В реакцию вступает неорганический фосфат, и в результате образуется богатая энергией 1,3-дифосфоглицериновая кислота (ее соль — 1,3-дифосфоглицерат).
Отдавая один фосфорильный остаток АДФ и превращая ее в АТФ, эта кислота сама переходит в 3-, а затем 2-фосфоглицериновую кислоту. Последняя теряет воду (дегидратация) и превращается в фосфоенолпировиноградную кислоту и ее соль — фосфоенолпируват, которые восстанавливаются с помощью НАД*Н до молочной кислоты (точнее — лактата, так как получается не свободная кислота, а ее соль, имеющая такое название).
Несмотря на разнообразие стадий гликолиза, реакции совершаются согласованно во всех его частях благодаря действию специфических катализаторов — ферментов и ионов металлов, стимулирующих работу ферментативных механизмов. Ионы магния способствуют образованию фосфата глюкозы и дифосфата фруктозы. Ионы кальция и калия облегчают восстановление фруктозодифосфата до фосфоглицеринового альдегида. Ионы калия и магния облегчают образование пировиноградной кислоты. Образование АТФ из АДФ также ускоряется ионами магния.
На пирувате и лактате дело, однако, не кончается. Лактат является конечным продуктом лишь в отсутствие кислорода, в анаэробных условиях (например, в мышцах человека). При большой мышечной нагрузке он поступает с током крови в печень, где частично окисляется до диоксида углерода и большей частью до пирувата.
Клетка располагает еще одним замечательным аппаратом, который позволяет извлекать из углеводов гораздо больше энергии (сжигая их до конца — до СО