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.
Изменение ландшафта
Катализаторы действуют посредством множества механизмов. Разобраться в этих механизмах помогает теория переходного состояния[31], доступно описывающая то, как катализаторы ускоряют реакции. Чтобы понять теорию переходного состояния, нужно посмотреть на проблему с другой стороны и подумать, зачем для ускорения реакций нужны катализаторы. Ответ прост: почти все химические вещества, окружающие нас, достаточно стабильны и инертны. Они не распадаются мгновенно, не вступают с другими веществами в быструю реакцию. К слову, если бы вещества именно так и поступали, их бы не было вокруг нас.
Причина стабильности привычных соединений заключается в следующем: их связи редко разрушаются вследствие неизбежного турбулентного перемещения молекул, которое всегда происходит в любом веществе. Наглядно это можно представить так: молекулы веществ, участвующие в реакции, должны преодолеть препятствия рельефа, а именно забраться на вершину холма, который находится между ними и превращением в конечный продукт (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Молекулы веществ, вступающих в реакцию (на рисунке — точки серого цвета), способны превратиться в молекулы продуктов реакции (на рисунке — точки черного цвета), но сперва они должны преодолеть энергетический «холм». При нормальной температуре молекулы не обладают достаточным количеством энергии для поднятия по склону этого «холма», однако чем выше температура, тем легче молекулы взбираются на его вершину
Энергию, необходимую для того, чтобы взобраться на склон этого «холма», молекулы получают в основном при нагревании. С повышением температуры атомы и молекулы начинают двигаться и совершать колебания быстрее. Подобная толкотня может разрушать химические связи между атомами в молекуле, а также способствовать созданию новых связей. Однако атомы более стабильных молекул (привычных для нашей среды) соединены достаточно крепкими связями, которые устойчивы к турбулентности окружающих молекул. Итак, химические соединения, окружающие нас, устойчивы благодаря тому, что их молекулы в основном стабильны[32], несмотря на их же активную толкотню.
И все же даже стабильные молекулы разрушаются, если для разрыва связи между атомами достаточно энергии. Один из источников энергии, разрушающей молекулы, — дополнительная теплота, ускоряющая их движение. При нагревании химического соединения его внутримолекулярные связи в конце концов разрушаются. Вот почему нам так часто приходится готовить еду на плите: при нагревании ускоряются химические реакции, благодаря которым сырые ингредиенты (вещества, участвующие в реакции) превращаются в съедобные продукты.
Чтобы понять, как теплота ускоряет химические реакции, обратимся к удобному наглядному примеру. Представьте, что молекулы исходного соединения — это песчинки в левом сосуде песочных часов, лежащих на боку (рис. 3.2, а).
Рис. 3.2. Смена энергетического ландшафта: а) молекулы могут перейти из сосуда с исходным веществом в сосуд с продуктом реакции, однако им необходима дополнительная энергия для достижения переходного состояния (чтобы попасть в горловину часов); б) если приподнять левый сосуд часов, молекулы исходного вещества (субстрата) приходят в состояние с большей энергией по сравнению с продуктом, что позволяет им легко проникать в правый сосуд;