Мы уже не раз упоминали слово «фермент». Пожалуй, ни один процесс в биологической системе не обходится без участия фермента, а чаще всего — многих ферментов. Биохимию в целом можно определить как химию ферментативных реакций. Ферментов известно множество. Так, одна-единственная клетка простейшей бактерии использует в своей жизнедеятельности около тысячи разных ферментов.
Ферменты катализируют тысячи реакций, идущих в живой клетке — при дыхании, обмене веществ, размножении... И самое замечательное свойство ферментов — работают они чрезвычайно быстро. Чтобы расщепить какой-либо белок или молекулу поли-углевода (крахмал, целлюлозу) на составные части, их нужно кипятить с крепкими растворами кислот или щелочей несколько часов. Ферменты пищеварительных соков — пепсин, протеаза, амилаза — гидролизуют эти вещества за несколько секунд при температуре 37 °С. Ферменты — это биологические катализаторы.
«Ферменты есть, так сказать, первый акт жизненной деятельности,— говорил академик И. П. Павлов.— Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений. Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собой те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни. Они составляют основной пункт, центр тяжести физиолого-химического знания».
Как же действуют ферменты, почему они ускоряют в тысячи раз те или иные реакции?
Каждый фермент — это молекула белка, свернутая в клубок, глобулу. Важнейшая часть такой глобулы — активный центр, небольшая область, в которой и проходит реакция, управляемая и ускоряемая ферментом. Можно представить себе несколько механизмов действия ферментов. Предположим, что реакция заключается во взаимодействии двух молекул. Сначала эти молекулы подходят друг к другу на достаточно близкое расстояние, затем между ними формируется химическая связь — образуется новая молекула. Но в отсутствие фермента, т. е. катализатора, такая реакция идет очень медленно — пока две молекулы найдут друг друга в огромном по сравнению с ними пространстве внутриклеточной жидкости... А если и найдут, и подойдут друг к другу, это еще не значит, что между ними возникнет химическая связь. Для этого молекулы должны быть активированы, обладать дополнительной энергией. А теперь представим себе, что в активном центре молекулы фермента есть два «гнезда», точь-в-точь подогнанные под эти две молекулы; они укладываются в эти гнезда, их концы оказываются рядом — возникает новая химическая связь, образуется новая молекула: она по своей конфигурации уже не подходит к активному центру в глобуле фермента и фермент эту молекулу выталкивает. На освободившееся место встают две другие реагирующие молекулы...
Не правда ли, очень похоже на работу машины по брошюровке книг: специальные щипцы захватывают несколько листов бумаги, сверху опускается металлическая скобка, мгновение — и листы сшиты, их подхватывают другие щипцы и выталкивают из машины.
Но фермент может действовать не только механически, он может на какое-то время сам связываться с одной из реагирующих молекул. Такая молекула, после того как к ней присоединится фермент, обладает уже иными химическими свойствами, она гораздо охотнее реагирует с нужной молекулой. После этого фермент отщепляется.
Посмотрим, как фермент лизоцим расщепляет молекулу полисахарида. Активный центр в молекуле лизоцима имеет форму щели, в которую укладывается длинная лента полисахарида. При этом фермент изменяет свою конфигурацию, атомы, образующие щель, смещаются один относительно другого и молекула полисахарида оказывается разрезанной на две половины, которые тут же отделяются от молекулы фермента. В данном случае действие лизоцима напоминает работу машины по обрезке сброшюрованной книги: сшитые листы кладутся на специальный стол, две части машины — стол и нож — перемещаются относительно друг друга и обрезанные листы выталкиваются из машины.
Это, конечно, только схема. В действительности все гораздо сложнее, и еще очень многие детали биохимических процессов пока неясны. Непонятно, например, как происходит дифференцировка, т. е. почему в результате слияния двух микроскопических клеток развивается организм, состоящий из множества клеток, совершенно различных по своему строению и функции: одни образуют кровь, другие становятся клетками печени, третьи формируют кожу. Каждый фермент, каждая биохимическая реакция ставят перед органиком, биохимиком множество задач, которые образуют в совокупности поистине необозримое поле деятельности для многих будущих поколений исследователей.
Изучая сложнейшие процессы, происходящие в живой клетке, восхищаясь легкостью, с какой ферменты осуществляют превращения веществ, ученые задумываются: а нельзя ли, поучившись у природы, провести в колбах и реакторах искусственные химические процессы, копирующие, моделирующие биохимические реакции? Начатые по инициативе академика Н. Н. Семенова, такие исследования в области «химической бионики» успешно ведутся в нашей стране под руководством члена-корреспондента АН СССР А. Е. Шилова.