Все знают об антибиотиках как об особом классе специфических веществ, способных подавлять деятельность микроорганизмов (или грибов) и использующихся в качестве лекарственных средств. Раньше эти вещества рассматривались как чужеродные человеку и большинству животных. Однако за последние два десятилетия выяснилось, что у млекопитающих (в том числе и в нейтрофилах крови человека), в коже амфибий (например, лягушек) в гемолимфе многих насекомых, в яде ряда рептилий (например, змей) образуются собственные антибиотики олигопептидной природы, обладающие антибактериальной активностью. Таким образом, эти вещества могут рассматриваться как еще один компонент иммунной регуляции.
Также всем хорошо известен функциональный класс наркотических веществ. Среди них – опий, представляющий собой высохший млечный сок из надрезов на незрелых коробочках опийного мака. В нем содержится около 20 различных алкалоидов, из которых морфин является основным в наркотическом действии на человеческий организм. А в 1975 г. группой английских ученых было обнаружено, что в мозге быка (и человека) присутствуют свои собственные вещества (энкефалины), обладающие морфиноподобным действием. Более того, природные фрагменты белков молока и мяса (казеина и гемоглобина) также обладают этим свойством, в результате чего они получили названия казоморфинов и геморфинов. Интересно, какова их физиологическая роль? Всем известно, что грудные младенцы, питающиеся в основном молоком матери, большую часть своей начальной жизни проводят во сне. Не эти ли вещества являются причиной такого поведения?
Коснувшись проблемы сна, нельзя не отметить и обнаружение олигопептида с весьма сложным названием – пептид, вызывающий дельта-сон. В этом названии, собственно, и описана функция, которая ему приписывается.
Какая только регуляция не осуществляется с участием природных олигопептидов! Например, в 1981 г. немецкие ученые Г.Шаллер и Г.Боденмюллер обнаружили, что у кишечнополостных (гидры и медузы) образуется специальный олигопептид, состоящий из 11 аминокислотных остатков и участвующий в морфогенезе. Потребовалось 10 лет для культивирования гидр, чтобы получить 3 кг необходимого материала для экстракции и выделить всего 0,5 мкг чистого олигопептида для определения аминокислотной последовательности. Однако эти гигантские усилия были вознаграждены. Впервые было показано, что полученный олигопептид способен вызывать стимуляцию роста головы животного. Но самое удивительное то, что через 3 года этими же учеными точно такой же олигопептид был обнаружен и в крови человека!
По-видимому, олигопептиды участвуют чуть ли не во всех физиологических процессах. В пищеварительной системе многих организмов сосуществуют олигопептиды противоположного действия – вызывающие чувство голода (гастрины) и сытости (холецистокинины). У насекомых при полете используются олигопептиды, участвующие в утилизации жировой ткани для выделения энергии, затрачиваемой на движение крыльев.
Многие животные продуцируют олигопептидные феромоны, привлекающие особей противоположного пола. Наконец, многие олигопептиды участвуют во вкусовом восприятии. Одни из них на вкус горькие, а другие – сладкие. Есть и такие, сладость которых в тысячи раз больше, чем у обычного сахара. А один из олигопептидов, выделенный из жареной говядины, получил название деликатесного за свой вкус.
Перечисление функциональных (биологических) свойств природных олигопептидов можно было бы продолжать довольно долго. Но в общем уже должно быть понятно, что олигопептиды в биологии существуют везде и их физиологическое действие практически безгранично.
Здоровье
Очевидно, что набор белков и олигопептидов у здорового организма должен быть вполне определенным. Отклонения от нормы могут приводить к заболеваниям, порою тяжким.
Одним из таких заболеваний является серповидноклеточная анемия, распространенная в ряде областей Африки, Индии, в некоторых средиземноморских странах и среди негритянского населения Северной Америки. У больных этой болезнью периодически (чаще под влиянием физической нагрузки) возникают приступы резкой слабости, тошноты и одышки. Внешняя причина – в необычно большом количестве незрелых эритроцитов и эритроцитов, имеющих форму тонкого серпа, что послужило основанием для такого названия этой болезни. Однако есть и более глубокое объяснение. Оказалось, что нормальные эритроциты содержат нормальный гемоглобин А, а серповидноклеточные – аномальный гемоглобин S. Выяснилось, что эти два белка отличаются всего одним аминокислотным остатком – в результате мутации в аномальном гемоглобине вместо остатка глутаминовой кислоты (E, табл. 1) на положенном месте стоит остаток валина (V). Замена лишь одного остатка и приводит к этому тяжкому заболеванию.
Обратившись к табл. 1, можно увидеть, что эти остатки несут принципиально разные боковые радикалы, и в мутантном гемоглобине осуществляется замена заряженного (отрицательно) радикала на гидрофобный.
В результате такой гемоглобин складывается в другую пространственную конфигурацию, и происходят последующие изменения как на клеточном уровне, так и на уровне целого организма.
Другой пример относится к онкологии. У человека, заболевшего одним из видов легочной карциномы, обнаруживают олигопептиды, которых у здорового организма нет. Эти олигопептиды – бомбезин и физалаэмин – в норме встречаются у европейской (Bombina bombina) и южноамериканской (Physalaemus fuseumaculatus) лягушек. В данном случае мутаций не было. В процессе начавшегося канцерогенеза у человека стали экспрессироваться (попросту говоря, работать) ранее «молчавшие» гены, в результате чего и образовались олигопептиды, информация о которых хранилась и в здоровом организме.
К проблеме здоровья относится также и то, насколько свежую (неиспорченную) пищу мы потребляем. При хранении открытых продуктов питания на воздухе в них поселяются различные патогенные микроорганизмы, и при достижении некоторого уровня их содержания пища может стать опасной для здоровья. Так почему же не добавлять к этим продуктам природные (человеческие) антибактериальные олигопептиды? Это безопасно для человека и позволяет дольше сохранять пищу при том, что сами эти вещества будут хотя и небольшим, но также пищевым компонентом.
Пошатнувшееся здоровье чаще всего лечат с помощью лекарств. Среди них – множество веществ абиогенного происхождения. Однако в ряде случаев наиболее эффективными являются такие, которые содержат природные белки или олигопептиды. Давно всем известны различные сыворотки, содержащие белки. А с недавнего времени стали применяться препараты, основным компонентом которых являются короткие пептидные молекулы. Так, в списке работ, удостоенных Государственной премии России за 2001 г., стоит разработка нового лекарственного препарата СЕМАК, название которого расшифровывается чрезвычайно просто, поскольку его главным компонентом является олигопептид, состоящий из СЕМи АминоКислотных остатков.
История с географией
Исторические и географические открытия обычно переплетены так, что трудно рассказывать об одном, не упоминая другое. Область научных открытий – не исключение, поскольку и они делались в определенное время и в определенном месте. Самые первые открытия, связанные с белками и пептидами, будут тому подтверждением (рис. 3).
Первой аминокислотой, открытой в живой природе, оказался не самый простой по химической структуре – глицин, а аспарагин (N). Его в 1806 г. выделили Луи Никола Воклен (1763–1829) и Пьер Жан Робике (1780–1840) во Франции. Попутно заметим, что открытие всех 20 стандартных аминокислот длилось больше века и завершилось лишь в 1937 г. открытием треонина (Т).
Первым ученым, внесшим весомый вклад в установление химической природы белков, был выдающийся немецкий химик-органик Герман Эмиль Фишер (1852–1919), который в 1902 г. открыл то, что аминокислоты в белках соединены пептидными связями.
А первую химическую формулу простейшего природного олигопептида (дипептида карнозина) в 1900 г. определили наши соотечественники профессор Московского университета В.С. Гулевич (1867–1933) и его ученик С.Амираджиби.
Повторим также, что географические названия можно увидеть и в названиях пептидов. Однако исторические и географические аспекты имеются не только в отдельных открытиях, но и во всей совокупности белков и пептидов. Из каких только организмов не выделялись! Наверное, практически все млекопитающие всех континентов и всего Мирового океана уже послужили объектами белково-пептидных исследований. Экспериментальные лягушки были и европейскими, и азиатскими, и африканскими, и австралийскими, и из обеих Америк.
Даже антарктические пингвины не обойдены вниманием исследователей. Так, число видов животных, использованных для изучения только гемоглобина, уже приближается к тысяче, а число видов, из которых выделялись разные вещества пептидной природы, на порядок больше. В табл. 6 приведены первичные структуры гомологичных олигопептидов – окситоцинов и вазопрессинов, – демонстрирующие не только биологическое разнообразие исследуемого материала, но и эволюционную консервативность структур данных веществ, поскольку наблюдаемые замены аминокислотных остатков не затрагивают функциональных свойств структур одного функционального класса.
Полученный уникальный материал представляет большой интерес для изучения исторического процесса эволюции и географического заселения нашей планеты различными организмами.
Литература
Вероятно, основой (элементарной единицей) литературы можно считать слово. Как известно, слова состоят из букв определенного алфавита, и при этом в различных языках число букв также различно – в кириллице используется 33 буквы, в латинице – 26 и т.д. И тут выявляется очевидная аналогия: в живом организме есть своя специфическая литература, слова которой – белки, а алфавит – 20 аминокислотных остатков. Более того, литература живого организма пишется природой на двух языках, поскольку кроме «белковой» литературы в нем также заключена и литература «нуклеиновая», написанная всего 4 буквами. При этом перевод с одного языка на другой осуществляет сам живой организм, и делает он это феноменально точно.