| |
 |
От слов - к предложениям
Имея к своим услугам все "слова", давайте подумаем, как можно составлять из них "предложения". Этот вопрос оставался без ответа вплоть до конца двадцатого века, когда немецкий ученый Эмиль Фишер впервые привел тому удовлетворительное объяснение.
Он продемонстрировал, что две аминокислоты объединяются путем соединения карбоксильной группы одной из них с аминогруппой второй, и что в процессе такого соединения теряется одна молекула воды. Если - возьмем простейший пример - это происходит с двумя молекулами глицина, то весь процесс протекает в точности так, как показано на рис. 27 с подробным указанием положения каждого атома.
Как видно, гидроксильная группа, составляющая часть карбоксильной группы, соединяется с одним из атомов водорода аминогруппы. Они соединяются в молекулу воды, которая отделяется. После исчезновения гидроксильной группы и атома водорода у каждой из молекул глицина высвобождается по одной валентности, и они тут же занимаются друг другом с образованием единой молекулы - глицил-глицина.
Такие соединения аминокислот называются пептидами, от греческого "пепто" - варить, переваривать, потому что впервые они были получены из частично переваренного белка. Блок атомов, соединяющий аминокислоты,
-СОNН- , в котором можно увидеть остатки первоначальных карбоксильной и аминогруппы, называют пептидной связью.
Глицил-глицин - это пептид, состоящий из двух аминокислот. Такие пептиды называют, соответственно, дипептидами. У глицил-глицина также имеются с одной стороны карбоксильная группа, а с другой - аминогруппа, так что у него вполне сохраняется способность объединяться с другими аминокислотами что с одного конца, что с другого, а то и с обоих. Таким образом могут получаться трипептиды, тетрапептиды, пентапептиды, и так далее. (1)
(1) Приставки "ди-", "три-", "тетра-" и "пента-" происходят от греческих слова "два", "три", "четыре" и "пять". Эти числительные очень широко используются в химической терминологии. Приведенный на рисунке 5 октан имеет в своем составе восемь атомов углерода, и приставка "окт-" как раз и означает по-гречески "восемь".
Пептидными связями может быть объединено сколь угодно много аминокислот. Пептид, составленный из неизвестного числа аминокислот, называется полипептидом, где приставка "поли-" происходит от греческого слова "много".
Предположим, что мы захотим нарисовать в "ломаном" виде множество соединенных между собой молекул глицина.
Этот полипептид, состоящий только из остатков глицина, называется полиглицин. Молекула полиглицина в плане сложности и проявления способности проявлять разносторонние свойства белка ничем не лучше любой другой макромолекулы, состоящие из одинаковых блоков. Примером природного полипептида, состоящего по большей части из глицина и аланина, является шелк, и простота его структуры очевидна. Единственное свойство, ради которого живые организмы производят шелк - это его прочность. Можно сказать, что шелк является животным эквивалентом целлюлозы.
Еще один пример - искусственная ткань, нейлон. Он состоит из двух компонентов, один из которых - двухосновная карбоновая кислота (углеродная цепочка с двумя карбоксильными группами по краям), а второй - диамин (углеродная цепочка с двумя аминогруппами по краям). Компоненты эти соединяются с помощью пептидных связей, и у нейлона тоже самым ценным свойством является прочность.
Так что, говоря о многофункциональности, необходимо помнить, что на самом деле во встречающихся в природе полипептидных цепочках всегда имеются 22 различных блока. Такая полипептидная цепочка будет отличаться от полиглицина тем, что в ней через определенные промежутки будут встречаться дополнительные радикалы. Как видно из "ломаного" представления такой полипептидной цепочки на рис. 29, радикалы, обозначенные как Х, торчат по очереди в разные стороны.
Так получается, что полипептидная цепочка состоит из двух частей: 1) полиглициновая основа по всей длине цепочки; 2) множество радикалов, отходящих от этой основы.
Поскольку нас интересуют именно те качества, которые делают белки столь многофункциональными, общую для всех часть мы будем игнорировать и сосредоточимся на радикалах. Строение полиглициновой основы нам уже известно и неинтересно, так что мы можем теперь представлять ее в виде простой прямой линии. В качестве дальнейшего упрощения радикалы мы будем рисовать торчащими все в одну сторону. Пример такого упрощения я включил в рис. 29.
Часто белковая молекула состоит только из одной полипептидной цепочки. Но иногда в нее входят две полипептидные цепочки и более, соединенные молекулами цистина. Посмотрите еще раз на строение молекулы цистина на рис. 23, и увидите, что у него с обеих сторон имеется по аминокислой группе. Это означает, что один аминокислый край может стать частью одной полипептидной цепочки, а второй край - частью другой, как это нарисовано на рис. 30. Получается, что две полипептидные цепочки соединены дисульфидной связью.
Эту дисульфидную связь легко разрушить с помощью химических реакций, не затрагивающих сами полипептидные цепочки, которые, таким образом, становится возможным изучать отдельно. Когда Фишер установил природу полиглициновой основы и таким образом закрыл эту часть вопроса, химики сконцентрировали все свое внимание на радикалах - то же самое сейчас предстоит сделать и нам.
Глава 5
Форма белков
Число и порядок
Радикалы имеют широкий ряд свойств. Некоторые, например, радикалы тирозин и триптофан - большие и громоздкие, другие, как у аланина и серина - маленькие. В одних радикалах имеется гидроксильная группа, как, например, у треонина, в других такой группы нет; одни, как, например, радикалы аспарагиновой или глютаминовой кислот, несут отрицательный электрический заряд, другие, как, например, у лизина и аргинина - положительный, большинство же нейтральны.
В результате каждая белковая молекула имеет на всей своей протяженности массу различных отростков, одни из которых велики, другие - малы, в одних местах заряжены отрицательно, в других - положительно, и так далее.
С этой точки зрения становится понятен механизм работы антител. Антитело к конкретному агенту - это белок, форма радикалов которого в точности подстроена под форму радикалов чужеродного белка, или вируса, или ключевого участка на поверхности бактерии. Эта подстройка может заключаться в противопоставлении отрицательного заряда радикала антитела положительному заряду радикала чужеродной молекулы, что приведет к их взаимному притяжению; возможен также вариант, когда массивный фрагмент одного белка будет соответствовать "провалу" в структуре второго. Так или иначе, антитело и его жертва тесно связываются, образовывая единую безвредную для организма комбинацию. Разумеется, антитело, созданное под один конкретный белок, не будет работать в отношении другого белка после превышения некоторого уровня расхождений в их структуре.
Можно также понять и как работает фермент. Некий конкретный фермент может иметь такую форму радикалов, что оба вещества, реакцию которых предстоит катализировать, займут соседствующее положение в образовавшихся нишах. Будучи, так сказать, официально представленными друг другу подобным образом, они вступят в нужную реакцию, и покинут любезно предоставленную им площадку, освобождая ее для следующей пары. В результате реакция в целом будет протекать гораздо быстрее, чем в отсутствие фермента. И, разумеется, фермент, подходящий для одних реагентов, не будет годиться для других.
Таким образом, становится ясно, что ключ к пониманию деятельности белков лежит в глубоком изучении рисунка их радикалов. Не то, чтобы идеальное знание всех возможных сочетания ответило бы прямо уж на все вопросы - наверное, нет, не ответило бы. Но отсутствие знаний об этих формах точно оставит без ответа любые вопросы. Так что изучение форм сочетаний радикалов является, как минимум, необходимым шагом.
Атаку на формы можно предпринять в три этапа. Раз уж я взялся проводить аналогию между молекулярной структурой и естественным языком, то продолжу ее и для объяснения этих трех этапов.
На первом этапе следует разобраться, какие именно аминокислотные блоки присутствуют в молекуле конкретного белка. Это равносильно установлению списка слов в предложении. Замена одного-единственного слова может изменить смысл всего высказывания, вот вам пример:
Джон ударил Джима только в глаз.
Джон ударил Джима только в мечтах.
Одно слово изменено - а смысл меняется совершенно.
Когда набор составляющих белок аминокислот известен, на втором этапе необходимо установить, в каком порядке они следуют в полипептидной цепочке.
Это равносильно установлению порядка слов в предложении. Перестановка слов тоже способна достаточно сильно повлиять на общий смысл фразы. Вот смотрите:
Джон ударил Джима только в глаз.
Джон только ударил Джима в глаз.
Джон ударил в глаз только Джима.
Только Джон ударил Джима в глаз.
А ведь можно пойти в перестановках и дальше:
Джим ударил Джона только в глаз.
…и так далее.
И, наконец, есть и третий вид изменений, который заслуживает краткого предисловия.
Полипептидная цепочка может немного изгибаться. В таком изогнутом положении ее удерживают слабые силы электрического напряжения, возникающие, когда атом водорода попадает между двух близко расположенных атомов азота или кислорода, или между одним атомом азота и одним атомом кислорода. Такая связь называется водородной связью, поскольку центральную роль в ней играет атом водорода.
Пока атом водорода остается нетронутым, полипептидная цепочка сохраняет свой изгиб, и радикалы образуют именно такую форму, которая нужна, чтобы белок обладал свойствами определенного антитела, фермента, или другого функционального вещества.
Практически любое травматическое воздействие, даже легкий нагрев, способно разрушить хрупкие водородные связи. Когда это происходит, полипептидная цепочка теряет единственно верную форму; а когда рельеф радикалов изменяется, белковая молекула уже не может больше выполнять свои функции. Именно поэтому белки так легко денатурировать и денатурация их оказывается необратимой.
Итак, третий этап изучения формы белка - это установление всех складок и изгибов, существующих в полипептидной цепочке. В рамках нашей аналогии со словами и предложениями это будет равносильно установлению контекста фразы. Так, утверждение о том, что
Джон только ударил Джима в глаз
произведет совершенно разное впечатление в зависимости от того, идет ли речь о двух молодых боксерах на ринге или о двух пожилых профессорах на собрании.
После того, как Фишер установил природу полипептидной основы, химики еще на протяжении целого поколения продолжали решать загадку формы белков без особого успеха.
И только в 1935 году, как уже упоминалось, была открыта последняя аминокислота. Однако, даже когда все аминокислоты были уже известны, даже первый из трех описанных нами этапов все равно оставался недоступным для осуществления. Разложить молекулу белка на все составляющие ее аминокислоты несложно, но вот аккуратно разобраться с получившейся смесью инструментарий химиков 30-х годов был не в силах. Даже еще в начале 1944 года с точностью еще нельзя было сказать, сколько тех или иных аминокислот входят в состав определенной белковой молекулы, а решения второго и третьего этапов загадки даже и не предвиделось.
Но в 1944 году на сцене появляется нововведение - фильтровальная бумага.
<<... 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
| |
| |
|
|
|
