Лев Николаев - Металлы в живых организмах

Таблица 5. Молекулярные массы ферментов (по X. Неттеру)

Рибонуклеаза | 1,4*10 4| Гидролиз рибонуклеиновой кислоты

Химотрипсин | 2,16*10 4| Гидролиз белков

Пепсин | 3,9*10 4| Гидролиз белков

Уреаза | 48*10 4| Разложение мочевины

Амилаза | 15*10 4| Гидролиз крахмала

Карбонангидраза | 3*10 4| Разложение гидрокарбонатов

На белковых молекулах ферментов имеются зоны или области, в которых и развивается каталитическая реакция. Можно, по аналогии с обычными катализаторами, называть эти зоны активными центрами. Активный центр ферментов, катализирующих некоторые окислительно-восстановительные реакции, в частности каталазы (разлагающей пероксид водорода), состоит из комплексного соединения железа с порфирином (замещенным порфином). Направленность действия фермента в значительной мере зависит от природы того белка, который входит в его состав.

В состав различных ферментов входят разные металлы. Так, марганец входит в состав аргиназы, разлагающей некоторые составные части белков, цинк — в карбон-ангидразу. Медь содержится в аскорбиноксидазе — ферменте, окисляющем витамин С. Во многих растениях содержится фермент пероксидаза. Он усиливает окисление органических веществ пероксидом водорода. Активная группа этого фермента состоит из комплексного иона железа такого же типа, что и в каталазе. Если добавить к ферменту раствор сероводорода, то железо прочно соединится с серой и фермент потеряет активность.

В других ферментах, например в тех, которые катализируют гидролитическое разложение белков (пепсин в желудочном соке), активный центр не содержит инородных соединений, а представляет собой просто совокупность отдельных частей длинной цепеобразной молекулы белка, сближенных друг с другом в результате изгиба сложной цепи. Следовательно, активный центр фермента может возникнуть как результат определенной деформации белковой частицы; другими словами, геометрические особенности полипептидной цепочки, из которой белки и состоят, имеют большое значение для проявления каталитических свойств.

Рис. 2. Превращение окисленной формы кофермента НАД в восстановленную. Водород от окисляемого вещества (субстрата, обозначенного SH 2) переходит к НАД +(на кольцо пиридина в никототинамиде) в виде гидридного иона Н -. Другой ион водорода Н +переходит в окружающую среду

Очень большую роль в обмене веществ играют ферменты, облегчающие перенос водорода, — дегидрогеназы. Они содержат белковую часть и кофакторы. Важнейшим кофактором (коферментом) является так называемый НАД, или никотинамидадениндинуклеотид, молекула которого состоит из сочетания аденина (органическое основание), рибозы (углевод, содержащий пять атомов углерода) и двух остатков фосфорной кислоты, связывающих "мостиком" другой остаток рибозы, соединенный в свою очередь с никотинамидом:

Молекула НАД или никотинамидадениндинуклеотид

Это сложное соединение, связанное с белком, обладает способностью, отнимая от другого вещества водород, присоединять его и передавать дальше следующему переносчику. При этом водородный атом присоединяется к никотинамидному кольцу в виде отрицательного иона Н -, образуя восстановленный НАД — НАД*Н, а второй ион Н +субстрата поступает в окружающую среду. В целом от молекулы субстрата отнимается два атома водорода (рис. 2). Аналогичные функции выполняет и другой кофермент — ФАД, или флавинадениндинуклеотид, построенный так же, но содержащий вместо никотинамида флавиновую группу более сложного строения. Благодаря флавиновой группе ФАД способен восстанавливаться, присоединяя два атома водорода и образуя ФАД*Н 2(рис. 3).

Рис. 3. Восстановление флавинадениндинуклеотида (показана флавиновая часть молекулы ФАД)

Рассмотрим некоторые важные ферменты, в состав которых входит железо.

Каталазы. Ферменты, относящиеся к этой группе, разлагают пероксид водорода на воду и кислород. Широкая распространенность и большая активность, о которой мы упоминали, позволяют обнаружить фермент в различных животных и растительных тканях простейшими средствами.

Достаточно бросить в аптечный раствор пероксида водорода кусочек моркови, картофеля, мяса, как сейчас же будет заметно энергичное выделение пузырьков газа (кислорода) на их поверхности: это действует каталаза. Под влиянием пероксида водорода фермент и сам медленно разлагается, но в слабых растворах (а в клетках концентрация пероксида невелика) каталаза работает долго и энергично, устраняя опасности, связанные для организма с действием такого сильного оксислителя, каким является пероксид [2] Снижение содержания каталазы в эритроцитах ведет к тяжелым болезненным явлениям, например, у человека — к гангрене полости рта (Б. К. Саундерс). .

Хотя наблюдения подобного рода делались давно, чистую кристаллическую каталазу удалось получить лишь в 1937 г. Молекулярные массы каталаз различного происхождения лежат в пределах 225000-250000; на одну белковую молекулу приходится четыре иона железа.

В процессе взаимодействия каталазы с пероксидом образуется неустойчивое промежуточное соединение зеленого цвета. Именно оно и служит тем важным звеном, которое определяет весь ход каталитического разложения пероксида.

При больших концентрациях пероксида (по Чансу) каталаза образует с пероксидом еще два соединения — одно из них, красного цвета, слабоактивно, а другое вовсе не обладает каталитической активностью.

Промежуточное зеленое соединение реагирует со второй молекулой пероксида по схеме:

Каталитическое разложение пероксида

Ион железа в каталазе находится в степени окисления +2 (см. гл. 7).

В последнее время получены данные, указывающие, что каталаза способна ускорять не только разложение пероксидов, но и другие реакции, например окисление спиртов.

Пероксидаза. Функция фермента пероксидазы заключается в том, что она ускоряет окисление различных веществ (доноров водорода) пероксидом водорода. Первые наблюдения над действием пероксидазы относятся еще к 1855 г. (Шенбейн), но тщательное изучение ее природы и свойств началось только в 30-х гг. нашего века.