Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

По структурной формуле янтарная кислота очень близка к другому веществу, малоновой кислоте (рис. 33). Если в раствор фермента добавить вместо янтарной малоновую кислоту, реакции не происходит. У малоновой кислоты отсутствует одна группа СН2, и этого достаточно, чтобы фермент безошибочно различал их.

Но нельзя сказать, что на добавление малоновой кислоты фермент не реагирует вообще никак. Если сначала добавить в него малоновую кислоту, а потом уже в смесь малоновой кислоты и фермента добавить янтарную кислоту, то реакции опять-таки не будет. Малоновая кислота «отравляет» фермент, или, если выражаться рациональнее, подавляет его действие.

Напрашивается вывод, что молекула малоновой кислоты достаточно похожа на молекулу янтарной, чтобы занять ее место на активной поверхности фермента, но недостаточно похожа, чтобы реакция стала осуществляться дальше. Связь малоновой кислоты с ферментом оказывается достаточно сильной, чтобы не распадаться. Это как если в замочную скважину вставить несоответствующий ключ и сломать его внутри. Теперь дверь нельзя открыть ни этим ключом, ни соответствующим. На самом деле механизм улавливания ферментом конкретного субстрата так и именуется — «замочный механизм».

Малоновая кислота — ингибитор, угнетающее вещество, — конкурирует с «законной» янтарной кислотой за место на рабочей поверхности фермента, поэтому весь процесс носит название «конкурентное ингибирование». С 1930 года изучено уже множество случаев конкурентного ингибирования. Были внесены изменения даже в уравнение Михаэлиса—Ментена для расчета формирования соединений фермента с ингибитором, а не только с субстратом, и снова математические расчеты совпали с экспериментальными данными.

Конкурентное ингибирование может быть методом управления скоростью реакций, катализируемых ферментами в тех случаях, когда по какой-либо причине невозможно физически удалить сам фермент или, наоборот, интенсифицировать его производство. Существует ряд групп важных для организма веществ, сходных по своему строению. Аминокислоты валин, лейцин и изолейцин — похожи. Сахара глюкоза и галактоза — похожи; и так далее. Отношения конкурентного ингибирования между ними практически неизбежны. Похоже, что присутствие в клетке этих веществ в различных соотношениях постоянно производит конкурентное ингибирование тех или иных ферментов в зависимости от их относительной концентрации, таким образом оказывая тонкое влияние на биохимию клетки, изменяя ее в нужную сторону или, наоборот, поддерживая ее в правильном состоянии. Получается своего рода автопилот на молекулярном уровне.

Гораздо более впечатляющих результатов можно добиться с помощью намеренного добавления в организм некоторых веществ. Такие вещества могут иметь лабораторное происхождение и быть полностью чужеродными живой ткани. Такого рода намеренное конкурентное ингибирование позволяет провести различие между организмами даже в том случае, если они тесно переплетены между собой, как, например, паразитирующая бактерия и зараженный организм носителя.

Действие многих ядов обусловливается именно их активным вмешательством в деятельность множества ферментов. Например, такой яд, как дихлорид ртути (сулема), может убить вообще все живое — и микробы, и больного.

А вот если использовать конкурентное ингибирование, то можно вывести из строя один, и только один фермент из всех присутствующих в клетке. При правильно подобранной дозировке можно добиться, чтобы фермент бактерии прекратил свою деятельность, а ферменты человека практически не пострадали — частично из-за повышенной чувствительности фермента бактерии, частично благодаря тому, что ингибитор легче проникнет сквозь клеточную мембрану бактерии, чем человека. А может оказаться и так, что один и тот же фермент нужен больше бактерии, чем человеку, по причине разницы в механизмах обмена веществ.

Первым важным примером такого рода стал сульфаниламид (рис. 34), вещество, впервые синтезированное в 1908 году. В 1932 году один немецкий биохимик занимался исследованием различных красителей на предмет того, могут ли они убивать бактерии, не нанося при этом существенного вреда высшим организмам. Одно из исследуемых веществ, под названием «пронтосил», оказалось очень эффективным средством против некоторых видов стрептококков, о чем и было заявлено на весь мир в 1934 году.

Будучи введенным зараженной лабораторной мыши, пронтосил оказывал свое действие, но вот в пробирке бороться с бактериями отказывался. Соответственно, возникло предположение, что реальную пользу оказывает не сам пронтосил, а некое вещество, формируемое организмом на его основе. Французские биохимики разложили молекулу пронтосила и получили, в частности, составляющую, оказавшуюся сульфаниламидом. Вот она-то и оказалась эффективным средством борьбы с бактериями как в живом организме, так и в лабораторной пробирке.

Так было получено первое из целого ряда «чудо-лекарств», которые в течение одного поколения позволили человеку покончить с инфекционными заболеваниями, довлевшими над ним на протяжении всей истории.

Как выяснилось, сульфаниламид по структуре своей похож на вещество под названием «парааминобензойная кислота» (рис. 34), которое является важной составляющей всех клеток. Он конкурентно подавляет фермент бактерии, работающий с этим веществом, и, таким образом, убивает бактерию.

С тех пор было разработано много других антибиотиков (пенициллин, стрептомицин и т. п.), каждый из которых работает, очевидно, посредством того или иного конкурентного подавления, хотя какие именно ферменты подавляются в том или ином случае, биохимики пока сказать не могут.

«Замочный механизм», позволяющий ферменту отличать одно вещество от другого, выглядит особенно примечательно в свете «оптически активных соединений». Последний термин необходимо пояснить, чем я сейчас и займусь, — а начну со света. 

С давних пор было известно, что луч света, переходя из воздуха в другую прозрачную среду, например воду, — преломляется. Однако в 1670 году датский физик Эразм Бартолин обнаружил, что кристалл исландского шпата (разновидность карбоната кальция, СаСО3) преломляет луч света двумя разными способами одновременно, формируя таким образом два луча из одного. Это явление получило название «двойная рефракция».

Явление двойной рефракции не могла объяснить ни одна теория на протяжении более ста лет. Однако в начале XIX века было установлено, что свет ведет себя так, как если бы он состоял из крошечных волн, и с такой точки зрения вопрос о двойной рефракции достаточно быстро оказался решенным.

В обычном луче света, например исходящем от солнца или любого другого нагретого предмета, световые волны колеблются во всех возможных направлениях. Одни колеблются вверх-вниз, другие — влево-вправо, третьи — где-то между первыми и вторыми… Но упорядоченная атомная структура исландского шпата (напомню — теория атомного строения тоже утвердилась в начале XIX века) оставила световым волнам возможность колебаться только в двух направлениях, под прямым углом друг к другу.

Соответственно, при попадании в кристалл формируются два вида световых лучей — в одном из них волны колеблются только вверх-вниз (к примеру), а в другом — только влево-вправо. У этих двух лучей разные свойства, и они преломляются с разным углом, поэтому попадающий в кристалл луч разделяется надвое.

Луч света, волны которого колеблются только в одной плоскости, называется «поляризованным». Этот довольно неудачный термин ввел французский инженер Этьен Луи Малюс, открывший в 1810 году, что волна света, отраженного от стекла под определенным углом, тоже начинает колебаться только в одной плоскости.

Были разработаны методы определения того, в какой именно плоскости колеблется свет конкретного луча; автор метода, лучшего из всех, изобретенного в 1828 году, — британский физик Уильям Николь. Он составил вместе две призмы исландского шпата и склеил их канадским бальзамом таким образом, чтобы один из поляризованных лучей проходил насквозь, а второй — отражался по линии соединения. Получался только один, поляризованный, луч (рис. 35).

Исходящий луч может пройти еще через одну призму Николя, если она ориентирована точно параллельно первой. Если вторую призму Николя начать медленно вращать, то будет видно, что сквозь нее проходит все меньше и меньше поляризованного света, до тех пор, пока вторая призма Николя не окажется под прямым углом по отношению к первой — тогда свет не сможет проходить вообще. Устройство с двумя такими призмами называется «поляриметр». Сейчас вместо дорогих и громоздких призм Николя используются пластиковые листы, внутри которых находятся правильным образом ориентированные органические кристаллы. Их называют «поляризационными светофильтрами».