улы, не обладающие зеркальной симметрией (нлн не имеющие плоскости симметрии). Следует отметить, что асимметричные молекулы (обладающие только одним элементом симметрии — осью Ci) составляют особую группу днссимметричных молекул, хотя не все дисснмме-тричные молекулы являются асимметричными. Стереоизомеры имеют одинаковый молекулярный скелет, однако различаются абсолютным пространственным расположением атомов. Такие соединения оптически активны и характеризуются хи-

* Изотактнческие полимерные структуры возникают, если центр стернческой изомерии в каждой повторяющейся единице полимерной цепн имеет одну и ту же конфигурацию (гл. 4).

Биоорганическая химия фосфатов

187

ральностыо. Стереонзомеры, относящиеся как объект и его отражение в зеркале, которые нельзя совместить наложением, называются энантиомерами. Стереонзомеры, не связанные такими отношениями, называются диастереоизомерами.

3.7.2.1. Матричный синтез

Можно ли с помощью химической реакции синтезировать полниуклеотпд и воспроизвести синтез ДНК? Да, такую модель можно создать иа основе «примитивных» матриц. Преобразованную нуклеиновую кислоту (матрицу) можно затем использовать для направленного синтеза комплементарных молекул с применением хорошо изученной концепции Уотсона — Крика о спаривании оснований (гл. 4). Оргел и сотр. [44] показали, что полиурпднловая кислота polyHJ) может выступать в роли матрицы в водных растворах, направляя конденсацию 5'-активированного нуклеотида (AMP) в присутствии водорастворимого карбо-диимида путем образования специфических комплементарных уотсон-крнковских пар. GMP не принимает участия в синтезе, направляемом такой матрицей. Наиболее удивительно, что комплементарный полниуклеотпд, образующийся в этих условиях, содержит только 2',5'-фосфодиэфирные связи, тогда как все природные полинуклеотиды содержат 3',5'-фосфодиэфирные связи. Если использовать 2'-дезоксинуклеотидный аналог, чтобы избежать образования «неприроднон» связи, образуются 5',5'-связн, н лишь в специально подобранных условиях удается получить природные 3',5'-связи.

Если в матрицу, состоящую из пнрнмидинов poly(C), введено небольшое количество пуринов (например. А), так что в некоторых районах имеется чередование пуриновых звеньев и пиримндиновых, то такая матрица более эффективно направляет реакцию конденсации комплементарных оснований (добавлением мо-

GCAC С С С С А

pG pGU

конЗенси-

ругещии

агент

I I I I I I I I I

АСССССАССС

CGCUGCGGCUGGG. ¦ ' ¦—' liii I—I III-

Йвойная спираль

нонуклеотидов GMP н днмеров гуаниловой н урнднловой кислот). Следовательно, полинуклеотиды способны к высокоспецифическому комплексообразова-иию. Это наблюдение приводит к интересным предположениям относительно происхождения генетического кода. Новообразованная комплементарная цепь содержит преимущественно 2',5'-связн, тогда как ферментативная полимеризация с помощью РНК-полнмеразы дает исключительно 3',5'-изомер.

Эта проблема 2',5'- и 3',5'-связей элегантно решена Ашером [51]. Ферментативной деградацией длинных молекул poly (А) был получен додекануклеотид (pA)i2, содержащий только 3',5'-связи, а с помощью химических методов — второй олигонуклеотид (рА)6-(рА)б, в котором лишь одна, центральная, связь представляла собой 2',5'-связь. В растворе оба олигомера были в одинаковой степени устойчивы к щелочному гидролизу. Однако при прибавлении к ним poly(U) полимер, содержащий 2',5'-связь, быстро гидролнзовался до двух молекул (рА)6. Отсюда был сделан вывод, что в составе двойной спирали 2',5'-связь в 700 раз менее прочна, чем природная 3',5'-связь.

На этом основано интересное предположение о том, что в процессе эволюции молекул ДНК природные условия могли благоприятствовать 3',5'-спязям. На более поздних стадиях благодаря появлению ферментов такой процесс мог стать определяющим, а таким образом, возможно, была вообще устранена потенциальная неоднозначность протекания реакции путем замены рнбозы на 2'-дезо-ксирибозу. К тому же образование двойных спирален ДНК, как теперь известно, способствовало сохранению наиболее прочных 3',5'-связей — пример дарвинского отбора на молекулярном уровне. Эти наблюдения помогают также внести

188

Глава 3

ясность в вопрос о том, какая из молекул, ДНК. или РНК, появилась первой. Причины (с химической точки зрения), приводящие к большей прочности 3',5'-связей по сравнению с 2',5'-связямн, понятны из сделанного ранее обсуждения (разд. 3.3).

Наконец, можно задать вопрос: почему рнбоза — единственный сахар, прн-J сутствующнй в полннуклеотндах? Ни один другой сахар не способен к столь эффективной реакции конденсации соответствующих нуклеотидов, а З'-дезокси-нуклеотиды не полимеризуются. Видимо, н 2'-ОН, и З'-ОН необходимы для про-1 текання полимеризации. Причина этого заключается в образовании водородной связи между обеими группами, которые только в рибонуклеотндах находятся в (<«с-положеннн, что привошт к повышению кнслотностш RO—v очОснование ОН-группы в 2'-положешш. Еще одни важный факт N состоит в том, что конденсация полинуклеотидов очень

V / специфична для нуклеотидов, рибозные остатки которых!

/ % имеют D-конфигурацию. Оргел показал это экспернмен-

О О© тально. Если смесь L- н D-рибочуклеотидов добавить!

Н'' к P°ly(U) D-ряда, то участвовать в реакции полимери-1

зацнн н образовывать комплементарную двухтяжевую! структуру способны только D-рибонуклеотнды. Это объясняется тем, что для образования спирали пригодны полннуклеотидные цепи одноименной ориентации. Последнее замечание особенно важную в связи с рассмотрением проблемы эволюции оптической активности в биологических системах.

3.7.2.2. Поздние стадии химической эволюции

Случайная ассоциация нескольких макромолекулярных структур, образован! ных пребнотнческим путем, могла бы привести к благоприятной ситуации, обеспе-^ чнвающей повышенную выживаемость. Как только в реакцию вступила единственная асимметрическая молекула, важное значение стали иметь стернческие факторы. Таким образом, возник асимметрический синтез, а молекулярная эво-1 люция привела ко все более сложным структурам. Первыми примитивными ка-1 талнзаторамн могли быть короткие полнпептиды. Появление длинных полипеп-тндных цепей благоприятствовало образованию трехмерной глобулярной конформацин, стабилизируемой как гидрофобными, так и электростатическими взаимодействиями между компонентами молекулы, и позднее онн эволюционировали в! ферменты. Такому макромолекулярному образованию требовалась молекулярная информация для самовоспронзводства. Вот те минимальные требования, которые] должны были выполняться, чтобы появилась жизнь и возник примитивный мета-] болизм. Можно также представить себе, что подходящие иеполярные взаимодействия липидов и жирных кислот привели к образованию мицеллоподобных\ агрегатов (разд. 5.2), которые со временем превратились в мембраны примитнв-1 ных клеток. Опарин в своей теории происхождения жизнн на Земле постулнро-| вал, что ассоциация основных химических структур привела к образованию по-| лимерных микросфер (названных им коацерватами) и такие обособленные ка-1 пельки сыграли важную роль в возникновении жизни.

Позднее американский биохимик Фокс описал экспериментальные условия! в которых термическая конденсация смесн аминокислот приводила к образова-1 нию полимеров. Такие смесн полнпептидов образовывали в соленой воде проте-\ ноидные микррсферы н проявляли в присутствии АТР многие черты поведения, характерного для клеток. Фактически «капли» Опарина н Фокса велн себя как] термодинамически открытые системы. Это составляет одно нз фундаментальных] свойств живой материи.

Однако ответы на многие вопросы еще не найдены н потребуются совмесЛ ные усилия специалистов в области полимерной, органической и биологической I химии, чтобы раскрыть тайну, окутывающую происхождение жизни на Земле.

Глава 4 ХИМИЯ ФЕРМЕНТОВ

Воображение н проницательность — вот недорогие и мощные средства научного познания.

Вант-Гофф

Для фермента характерна высокая степень специфичности и эффективности реакции. Основная тема данной главы — особенности реакций, катализируемых ферментами.

С этой целью при рассмотрении гидролитических ферментов вводится понятие активный центр. Однако прежде всего следует определить основные понятия катализа с привлечением теории переходного состояния. Далее будет показано, что факторами, определяющими ферментативную активность, являются сближение и соответствующая ориентация химических групп. Впоследствии это поможет связать неферментативный гетерогенный катализ с ферментативным.

4.1. Введение в катализ

Ранее уже указывалось, что ферменты — это белки, выполняющие роль катализаторов в биологических реакциях. Необходимость таких катализаторов станет очевидной, если вспомнить, что температура тела равна 37°С, а многие органические реакции протекают только при более высоких температурах. Интересно было бы понять, каким образом ферменты осуществляют свои каталитические функции. Установление точного механизма действия ферментов составляет фундаментальную проблему биоорганической химии. Большая часть превращений происходит на поверхности белкового катализатора на участке, обозначаемом как активный центр, где химические превращения следуют основным закономерностям органической и физической химии. При этом одновременно действуют несколько факторов, которые следует ограничить и исследовать отдельно с помощью специальных моделей. Однако, чтобы оценить каталитическое превращение реагента (субстрата) в продукт реакции, необходимо общее представление о таком явлении, как катализ. Субстратом обычно называют химическое вещество, превращение которого катализирует фермент.

Согласно определению, катализатор — это вещество, влияющее на скорость химической реакции, но само при этом не изменяющееся. Именно таковы ферменты, которые до и после

190

Глава 4

каталитической реакции имеют одну и ту же форму (т. е. конфор-мацию и химическую структуру). Это требование обязательно для каталитической активности. Если бы катализатор менялся после химической реакци