| |
 |
Глава 4
Строительные кирпичики для белков
Огромные молекулы
В начале девятнадцатого века, когда химики только что узнали о существовании атомов, те первые молекулы, с которыми они работали, были маленькими, "односложными словами", как мы называли их в предыдущей главе. Однако, перейдя к органическим веществам, нельзя было не натолкнуться на поистине огромные молекулы.
К счастью, каждый раз оказывалось, что эти огромные молекулы являются по сути своей множеством маленьких молекул, соединенных друг с другом, как бусы на ниточке. Были найдены способы расцеплять связи этих маленьких молекул друг с другом - сейчас обычно это делается путем нагревания большой молекулы в кислотном растворе.
Если большую молекулу в ее первозданном виде исследовать крайне сложно, то ее маленькие составляющие после высвобождения легко поддаются экспериментированию. А из полученных знаний о структуре этих строительных кирпичиков зачастую можно сделать выводы и о структуре самой изначально взятой большой молекулы.
Если взять маленькие частички за "слова", а большую молекулу - за "предложение", то перед нами встанет та же задача, что перед любым человеком, пытающимся прочесть надпись на языке, о котором имеет только поверхностное представление. Если его заставить прочесть всю фразу целиком, он не сможет проследить ее смысл. Но читая постепенно, по словам, подглядывая, когда надо, в словарь, он с большой вероятностью сможет разгадать смысл предложения.
Первая большая молекула (макромолекула), подвергшаяся подобному изучению, оказалась неожиданно простой. Еще в 1814 году обнаружилось, что если молекулу крахмала достаточно долго нагревать в кислотном растворе, то она распадается на одинаковые частички. Эти частички оказались глюкозой - одной из разновидностей сахара, молекула которой в два раза меньше молекулы обычного столового сахара. Еще эмпирическая формула - С6Н12О6, что говорит о том, что атомов в молекуле всего двадцать четыре. Однако, для образования одной-единственной молекулы крахмала объединяются сотни и тысячи подобных элементов.
Вещество, содержащееся в древесине и придающее ей жесткость - целлюлоза - тоже, как выяснилось, распадается на остатки глюкозы, той же самой глюкозы, которая составляет и крахмал - только в целлюлозе эти остатки глюкозы скреплены в другом порядке, нежели в крахмале.
Со временем выяснилось, что и другие макромолекулы состоят из длинных цепочек одинаковых элементов. Хорошим примером является резина, которая состоит из остатков изопрена, довольно простого углеводорода, содержащего всего пять атомов углерода.
В двадцатом веке химики научились искусственно создавать не существующие в природе макромолекулы. Были изобретены способы объединения множества молекул того или иного вида (иногда - двух разных видов) для создания искусственной резины, синтетических волокон, и различных пластмасс.
Все эти макромолекулы, и природные, и искусственные, были большими и состояли из тысяч блоков. Но как бы велики они не были, структура их оставалась довольно простой. Чтобы понять, что я имею в виду, представьте себе длинную нить бус, одинаковых по размеру и цвету - сложной вы такую структуру никак не назовете. В нанизывании бус нет места творчеству, разве что одна бусина может быть покрупнее или помельче остальных.
Да, размер имеет значение. Вытянутые в длинные ряды при составлении целлюлозы элементы глюкозы производят твердые прочные нити, благодаря которым дерево прочно стоит посреди любой бури, да и мы не гнушаемся строить жилища из такого материала. А вот макромолекула крахмала является замечательным примером помещения энергетического содержания молекулы глюкозы в стабильную, нерастворимую форму до тех пор, пока она не понадобится. А тогда молекулы крахмала легко распадаются, и отделившиеся друг от друга остатки глюкозы выбрасываются в кровоток.
Однако, макромолекулы, такие, как крахмал, или целлюлоза, не играют собственной активной роли в процессе жизнедеятельности. Это пассивные материалы, используемые для своих целей другими веществами.
А вот белки - другое дело. Здесь мы имеем дело с макромолекулами, которые не менее велики, чем молекулы крахмала или целлюлозы, и тоже составлены из отдельных фрагментов, скрепленных между собой, как бусины на ниточке. Но белки отличаются не только размером, но и сложностью. Осталось показать, как это происходит.
Аминокислоты
Примерно в 1820 году французский химик Бракконо нагрел в кислоте белок желатин и получил кристаллы сладковатого вещества. Оно получило название глицин, от греческого слова, означающего "сладкий".
Строение молекулы глицина оказалось простым. В ней оказалось всего 10 атомов, в два с лишним раза меньше, чем в молекуле глюкозы. Формула глицина приведена на рис. 16.
Как видно из рисунка, к центральному атому углерода в ней с одной стороны прикреплена аминогруппа (1), а с другой - карбоксильная группа. Две оставшиеся валентности заняты атомами водорода. Сейчас любое вещество, содержащее одновременно и аминогруппу, и карбоксильную группу, принято называть аминокислотой. Так что глицин - это простейший пример аминокислоты.
(1) Надеюсь, каждому понятно, что химическую группу можно писать как слева направо, так и справа налево. Так, гидроксильную группу можно записать как НО- или как -ОН; аминогруппу - как ТН2- или как -Н2Т, а карбоксильную группу - как -СООН или НООС-. Природа химической группы от этого, понятно, не изменится. В формуле глицина, приведенной на стр. 16, я записал аминогруппу "задом наперед", по сравнению с тем, как я записал ее же на рисунке 7, изображающем формулу метиламина. То же самое касается и порядка расположения двойных и одинарных связей в бензольном кольце.
Если бы на этом все и закончилось, то белок, как макромолекулу, так и считали бы чем-то не сложнее крахмала, или любой другой известной макромолекулы. Однако, Бракконо пошел дальше, и нашел среди остатков, на которые распался белок, еще одну аминокислоту. Химик назвал ее лейцином, от греческого слова, означающего белый цвет, потому что цвет полученных им кристаллов действительно был белым.
Шли десятилетия, и другие ученые обнаруживали новые аминокислоты. Совсем недавно, в 1935 году, среди продуктов распада белковых молекул была обнаружена еще одна важная аминокислота, о существовании которой раньше никто не догадывался. Получается, что именно эти аминокислоты и являются строительным материалом для белков.
Количество различных аминокислот, содержащихся в живой ткани, достаточно велико. Однако, некоторые из них в белковых молекулах не встречаются, хотя и широко представлены в других местах. А есть и такие, которые в белковых молекулах находят только в одном-двух нестандартных случаях.
Если же мы ограничимся рассмотрением только тех аминокислот, которые находят в практически каждой молекуле белка, то обнаружим, что их совсем немного - 21. Добавим к ним еще одну, которую нашли в молекуле только одного белка (но очень важного), и получим цифру 22.
Это - один из параметров, по которым белки не имеют себе равных. Ни одна другая макромолекула, ни природная, ни искусственная, не строится из такого большого набора различных элементов (или даже вчетверо меньшего).
Значение этого факта становится очевидным, если вернуться к образу нити бус. Представьте себе, что вместо одинаковых бусин перед вами двадцать два различных их набора, и бусины из каждого отличаются от остальных размером, формой, или цветом. Имея такой инструментарий, можно создавать множество удивительных узоров, неожиданных симметрий и радующих глаз переходов.
Вот так и творятся белковые молекулы.
Давайте поближе рассмотрим аминокислоты и разберемся, чем же именно они между собой различаются, и какие свойства придают молекуле белка в этом практически бесконечном разнообразии сочетаний.
Чтобы изложение оставалось как можно понятнее, я хотел бы представить схематическую запись структурных формул, где геометрический принцип, применяемый при изображении колец атомов, будет распространяться и на атомы, не входящие в состав колец. Профессиональные химики до такого упрощения формул не доходят, но эта книга ведь не предназначена для профессионалов. Все, чего я хочу добиться - это максимально просто и понятно объяснить химическую основы передачи наследственной информации, и если мне требуется для этого введение нестандартных форм записи - я чувствую себя вполне вправе это сделать!
Касательно геометрических фигур, изображенных на стр. 15, я объяснял, что на каждой вершине многоугольника, где ничего не обозначено, находится атом углерода, а если не обозначено, с чем атом углерода связан, то значит, связан он с атомом водорода.
Теперь давайте расширим эту договоренность. Мы будем рисовать ломаную линию для тех цепочек атомов, которые не формируют кольца. Оставим для этих ломаных линий в силе утверждение о том, что на каждой лишенной дополнительных обозначений вершине (равно как и на лишенных дополнительных обозначений концах линии) расположен атом углерода; кроме того, распространим и на другие атомы, кроме углерода, правило о том, что любая необозначенная дополнительно связь, есть связь с атомом водорода.
В качестве примера, вот так будет выглядеть "ломаная формула" глицина (рис. 17). Можете сравнить с ее же изображением на рис. 16.
На следующем шаге мы должны показать, чем другие аминокислоты, составляющие молекулу белка, отличаются от глицина. В общем, можно сказать, что все они имеют "центральный" атом углерода, к которому крепятся с одной стороны - аминогруппа, а с другой - карбоксильная группа.
Разница же между ними в следующем: у глицина две остающихся свободными от карбоксильной и аминогруппы валентности центрального углерода заняты атомами водорода. В других же аминокислотах водородом занята только одна из них, а последняя свободная валентность центрального атома занята связью с другим атомом углерода, который, в свою очередь, является частью более или менее сложной группы атомов, именуемой радикалом.
Ясно представить себе это поможет рис. 18, где в "ломаном" виде представлена формула общего строения аминокислот. Сравните ее с формулой для глицина на рис. 17.
Каждой конкретной аминокислоте свойственен свой радикал, и именно в природе радикалов и следует искать причину различий между аминокислотами.
Радикалы
Давайте рассмотрим каждую из оставшихся аминокислот, числом 21 (глицин мы уже рассмотрели). Нас будут интересовать именно присущие им радикалы. Для начала я буду представлять их целиком, отмечая каждый атом.
Начнем с того, что существует четыре аминокислоты, в которых радикал - углеводородная группа. Это уже упоминавшийся лейцин, аланин, валин и изолейцин. Характеризующие их радикалы представлены на рис. 19.
Далее, имеются две аминокислоты, радикал которых - гидроксильная группа. Это серин и треонин, их радикалы показаны на рис. 20. Треонин - и есть та аминокислота, которая была открыта последней, в 1935 году. Химики практически уверены, что больше значимых аминокислот (по крайней мере таких, которые присутствовали бы во всех или почти всех белках) открыто не будет.
Есть две аминокислоты, радикал которых - карбоксильная группа. Это аминоянтарная (аспарагиновая) кислота, и глютаминовая кислота. Как по названию, так и по структуре с ними крайне схожи еще две аминокислоты - аспарагин и глютамин. Все четыре радикала изображены на рис. 21.
Еще у двух аминокислот радикал - аминогруппа. Одна из них - лизин, а вторая - аргинин. (1) Их радикалы представлены на рис. 22.
(1) Группа из трех атомов азота, связанных с центральным атомом углерода, называется гуанидиновой группой. Для данной книги это не имеет значения, но не забывайте, что на самом деле групп атомов существует гораздо больше, чем перечислено в предыдущей главе.
У трех аминокислот в радикале присутствуют атомы серы. Одна из них - метионин, где единственный атом серы заключен между двумя атомами углерода (такую комбинацию называют простым тиоэфиром). Во второй, называемой цистеин, наличествует меркаптановая группа, а в третьей, цистине - дисульфидная. Все три радикала представлены на рис. 23.
Обратите внимание, что радикал молекулы цистина имеет в ответвлении аминокислоту же. Если написать формулу молекулы полностью, то получится, что две молекулы цистеина вместе приклеились к дисульфидной группе. Цистин легко распадается на две молекулы цистеина, а две молекулы цистеина с такой же легкостью объединяются в молекулу цистина. Некоторым образом такая близость отражена и в названиях этих аминокислот - если по небрежности или нечеткости произношения опустить или, наоборот, вставить лишнюю букву "е", то можно эти два вещества легко перепутать.
Не менее четырех аминокислот имеют в своем составе атомные кольца. У двух - фенилаланина и тирозина - эти кольца бензольные, у триптофана - индольное, а у гистидина - имидазольное. Их радикалы изображены на рис. 24.
И, наконец, мы дошли до двух последних аминокислот. В них радикал ведет себя совершенно необычным образом. Он "заворачивается" и соединяется с аминогруппой, которая крепится к центральному атому углерода. Соответственно, формулы этих двух аминокислот я привожу на рис. 25 полностью. Обратите внимание, что подобное строение радикала приводит к формированию кольца, схожего с пиррольным, но без двойных связей. Собственно, само слово "пролин" происходит от "пиррол".
Гидроксипролин и есть та самая аминокислота, встречающаяся только в одном белке, которую я упоминал вначале. Этот белок - коллаген. Из него состоит большая часть соединительной ткани в организмах животных, в том числе - и в наших, разумеется. Он находится в коже, хрящах, связках и сухожилиях, костях, рогах и копытах. При интенсивном кипячении коллаген распадается на знакомый нам белок желатин, так что и в нем можно найти гидроксипролин.
Все, список закончен, и вот перед нами все двадцать две аминокислоты, двадцать два "слова", из которых составляются молекулы белка. (1) Пора подвести итоги, нарисовав все аминокислоты в "ломаном" представлении, как это сделано на рис. 26. По-моему, изображенное на этом рисунке ясно дает понять все различия между аминокислотами, и вдобавок наглядно показывает их родственные отношения. Если вам надо, то с помощью правил, изложенных несколько страниц назад, вы вполне можете привести каждую из "ломаных" формул к стандартному виду.
(1) Надо оговориться, что цифра "двадцать два" в какой-то мере условна. Некоторые из биохимиков считают аспарагин и глютамин не более, чем разновидностями аспарагиновой и глютаминовой кислот, так что с их точки зрения аминокислот всего двадцать. Другие биохимики склонны не принимать в расчет гидроксипролин, раз он не встречается нигде, кроме коллагена, а третьи - рассматривают цистин и цистеин, как две разновидности одного и того же вещества, так что в принципе количество различных аминокислот можно считать и равным восемнадцати. И все же я лично предпочитаю либеральный подход и в дальнейшем буду придерживаться цифры "двадцать два".
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
п»ї1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21
| |
| |
|
|
|
