Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
Именно поэтому невозможно вывести формулу какого-либо белка путем простого подсчета атомов. Если провести такую попытку, то в результате мы получим что-то вроде C1864H3012O576N468S21. Это, конечно, настоящая формула, и ей соответствует, к примеру, присутствующий в молоке белок беталактоглобулин. Но понять из такого «индекса атомов», из каких аминокислот состоит белок, невозможно, а значит, и пользы в нем практически нет никакой. Молекулу белка надо рассматривать с точки зрения аминокислотного, а не атомного состава.
Простой способ анализа аминокислотного состава белка заключается в том, чтобы путем нагревания в кислоте разложить белок на аминокислоты и проанализировать полученную смесь на наличие каждой из аминокислот по отдельности. К сожалению, смесь получается слишком сложной, а свойства некоторых аминокислот слишком похожи, так что полноценно разделить смесь на отдельные аминокислоты не представляется возможным. До 1940 года анализу аминокислотного состава белков не хватало точности и полноты.
Однако в 1944 году двое английских биохимиков, А. Мартин и Р. Синг, изобрели бумажную хроматографию. Метод заключается в том, чтобы капнуть немного смеси аминокислот на лист очень пористой (фильтровальной) бумаги и дать листу высохнуть, после чего аминокислоты оказываются прочно скованными в листе. Тогда по капиллярам в бумаге начинают вытягивать органическую жидкость, например бутиловый спирт (близкий к известному нам этиловому спирту).
Когда бутиловый спирт проходит через пятно аминокислот, то каждая из них оказывается под действием двух сил: одна — удерживает присохшие кислоты на месте, другая — тянет их двигаться дальше вместе со спиртом. В итоге каждая кислота действует неким компромиссным образом (поскольку каждая из них, благодаря разнице в химическом составе, имеет свой показатель растворимости в воде и в бутиловом спирте). То есть скорость движения аминокислот по листу вместе со спиртом — своя для каждой аминокислоты, и через некоторое время все аминокислоты оказываются «разнесенными» по листу. Вот теперь можно разделить и подвергнуть тщательному анализу составляющие даже очень сложной смеси аминокислот.
С помощью метода бумажной хроматографии большинство белков были проанализированы на аминокислотный состав. К примеру, в таблице 6 приводится количество каждой из девятнадцати аминокислот, обнаруженных в альбумине — белке, встречающемся в плазме крови человека.
Глютаминовая кислота … 80
Лейцин … 58
Лизин … 58
Аспарагиновая кислота … 46
Валин … 45
Фенилаланин … 33
Пролин … 31
Треонин … 27
Аргинин … 25
Серии … 22
Тирозин … 18
Цистин … 16
Гистидин … 16
Глицин … 15
Изолейцин … 9
Метионин … 6
Цистеин … 4
Триптофан … 1
Алании … 0
Всего … 510
Разумеется, просто знать количество каждой из аминокислот в молекуле белка недостаточно. Надо было еще установить, в каком порядке они располагаются.
Эта задача казалась вообще неразрешимой. Количество возможных перестановок даже в самых маленьких белковых молекулах так велико, что попытки угадать фактическое их расположение сродни поиску иголки не то что в стоге сена, а в целом поле стогов сена.
Однако в конечном итоге человеческому гению эту задачу удалось решить. Это сделал английский биохимик Фредерик Сенгер со своими коллегами. Сенгер работал с инсулином, молекула которого сравнительно мала — этот белок состоит всего из 50 аминокислот, и его молекулярный вес — всего 6000. (Впрочем, даже и в этом случае количество возможных комбинаций аминокислот, присутствующих в известном соотношении, тоже значительно превышает 10100 — то есть единицу со 100 нулями.)
Методика Сенгера в упрощенном виде выглядит так: молекулу белка расщепляют не полностью, а частично, так чтобы на выходе получались не отдельные аминокислоты, а пептидные цепочки из двух, трех или четырех аминокислот. Порядок аминокислот в этих цепочках уже можно установить, а от них — перейти к порядку аминокислот в более крупных фрагментах, и в итоге — получить порядок аминокислот в самой изначальной цепочке.
Конечно, все это сделать не так просто. В реальности работа оказалась кропотливой, долгой и крайне сложной. Тем не менее к 1953 году (не прошло и десяти лет с момента начала работы) строение инсулина уже было точно установлено. В частности, ученым удалось четко выяснить, чем именно свиной инсулин отличается от бычьего — какая именно аминокислота заменяется на другую.
Затем по этой же методике было установлено строение и других, более сложных белковых молекул. К 1959 году была столь же точно выявлена и структура фермента «рибонуклеаза», в состав которого входит уже 121 аминокислота.
После того как порядок аминокислот в белках был установлен, можно было вплотную приступать к решению загадки столь масштабного уменьшения энтропии, какое имеет место в организме при синтезе строго определенной белковой молекулы. Эта задача оказалась совсем непростой. Процесс построения белка выполняется в несколько шагов, на каждом из которых к строящейся цепочке должна добавляться строго определенная аминокислота, и только она одна. Естественно, в качестве первых целей выбирались самые простые белки. Так, первой искусственно синтезированной молекулой стал окситоцин — гормон гипофиза. Автором этого открытия стали американский биохимик Винсент дю Виньо и его коллеги в 1953 году. Молекула окситоцина миниатюрна по белковым меркам — она состоит всего из восьми аминокислот, так что и белком-то его в принципе можно назвать с натяжкой, однако сам факт был принят научным сообществом с восторгом. Главное — что синтезированный продукт проявил все свойства натурального, и, таким образом, с помощью синтеза на практике было доказано, что молекулярное строение гормона установлено верно.
В 1960 году другой американский биохимик, Клаус Хофман, продвинулся еще дальше, синтезировав цепочку из 23 аминокислот — часть молекулы еще одного продукта гипофиза, адренокортикотрофного гормона.
Вообще, химики с каждым годом добиваются все большего успеха в изучении строения белковых молекул, а если учесть, что реальная работа в этом направлении началась относительно недавно, то в ближайшем будущем можно ожидать в этой области больших достижений.
Но во всем, о чем я до сих пор рассказывал, причина хрупкости белковой молекулы до сих пор не затрагивалась.
Глава 17.
СЛАБОЕ ПРИТЯЖЕНИЕ
Можем ли мы быть уверены, что одного лишь большого размера достаточно, чтобы молекула оказывалась столь непрочной? Очевидно, это не так, если взять для примера хоть молекулу целлюлозы — она очень велика, но при этом очень прочна. Да и полипептидная цепочка не обладает повышенной хрупкостью по сравнению с другими длинными молекулярными цепочками, поскольку нам известны белки, состоящие из цепочек аминокислот, связанных пептидными связями, еще менее хрупкие, чем молекулы целлюлозы.
Лучшим примером такого вещества является белок фиброин, имеющий довольно простую для белка структуру. Пять шестых всех составляющих его аминокислот — это глицин, аланин и серии, имеющие самое простое строение. Другие аминокислоты представлены слабо, а пять — отсутствуют вообще. И все же фиброин — это белок, который состоит из аминокислот, скрепленных вместе пептидными связями. Нам это вещество знакомо в первую очередь по волокнам. Оно является главной составляющей шелка. А поскольку шелковая лента прочнее, чем хлопчатобумажная (состоящая по большей части из целлюлозы), то приходится признать, что полипептидная цепочка сама по себе еще не является залогом хрупкости.