Блистающий мир белков и пептидов (стр. 1 из 5)

А.А. Замятнин, докт. биол. наук,

Институт биохимии им. А.Н. Баха РАН

Среди множества веществ, содержащихся в живом организме, особое место занимают белки. Их доля от сухой массы клеток млекопитающих составляет 60% – больше, чем для всех остальных вместе взятых химических соединений, и почти пятую часть от общей массы этих клеток. Каждый из сотен тысяч разных белков обладает уникальной химической и пространственной структурой, которые определяют его специфические функции.

Систематическое исследование структуры и функций многочисленных белков и их природных фрагментов – олигопептидов – началось во второй половине XX в. и продолжает стремительно развиваться. Каждый год публикуется несколько десятков тысяч научных работ, посвященных белковым веществам, многие тысячи ученых из более чем 50 стран ежедневно работают над этой проблемой. В последние годы сформировалась даже специальная наука протеомика, посвященная именно белкам. Не перестаешь восхищаться многообразию все новых и новых химических, структурных и функциональных форм белков, их взаимосвязи в осуществлении жизненно важных процессов, сложности и одновременно простоте всего этого, а также красоте как отдельных молекул, так и процессов с их участием. Белки и пептиды представляют собой удивительный и уникальный мир, для изучения которого необходимо привлечение знаний всех естественных, и не только естественных, наук. Именно с позиций разных наук и профессий мы и попытаемся заглянуть в этот блистающий мир человеческого знания.

Философия

На белки философы обратили внимание сразу же после того, как была выяснена их распространенность в живой природе и многообразие функций. И это неудивительно, поскольку по одному из определений философия – это наука о всеобщих законах развития природы, общества и мышления.

Широкое распространение получило определение жизни, данное Ф.Энгельсом в его труде «Анти-Дюринг», впервые полностью опубликованном в 1878 г. Обычно цитируют только первую часть этого определения. Приведем его полностью: «Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел». В наши дни, когда о жизненно важных веществах и процессах известно неизмеримо больше, такое определение не может не вызывать ощущение неполноты и ограниченности. Однако и сам автор определения осознавал его уязвимость, написав в той же книге двумя страницами ниже: «Наше определение жизни, разумеется, весьма недостаточно, поскольку оно далеко от того, чтобы охватить все явления жизни, а, напротив, ограничивается самыми общими и самыми простыми среди них...»

По-видимому, Ф.Энгельс был первым из крупных философов, отметивших важность белков в жизнедеятельности организмов. По мере накопления новых биологических знаний эта тема постоянно остается предметом обсуждения и острых споров. Например, в 1969 г. автору этих строк довелось быть свидетелем дискуссии между двумя почтенными академиками – В.А. Энгельгардтом (1894–1984) и М.Н. Ливановым (1907–1986) о том, какие вещества – белки или нуклеиновые кислоты – являются определяющими в процессах памяти. Биохимик и физиолог затронули не только биологическую, но и философскую тему, поскольку память является неотъемлемой частью человеческого мышления, а мышление, как отмечено выше, – одна из философских проблем, составляющих ее определение как науки.

Очевидно, что все более глубокое философское осознание сущности живого и роли белков в жизнедеятельности будет происходить и в дальнейшем, но для этого необходимо исчерпывающе представлять себе всю проблему белков и пептидов, начиная с ее основ, которые мы и намереваемся обсудить.

Химия

Часто говорят, что белки состоят (образованы) из аминокислот. Несмотря на то что смысл этого утверждения прост и многим понятен, химик может отметить, что оно некорректно. Почему?

Да, действительно, в образовании белков участвуют аминокислоты. Однако при соединении друг с другом они перестают быть таковыми с химической точки зрения. Рассмотрим этот процесс более детально.

В живых организмах открыто несколько сотен различных аминокислотных структур, и все они могут быть охарактеризованы одной общей химической формулой в двух вариантах:

Во всех аминокислотах имеются аминная –NH3+ (N-конец) и карбоксильная –COO– (С-конец) группы, которые определяют соответственно основные и кислотные проявления этих веществ, в результате чего они обладают амфотерными (как щелочными, так и кислотными) свойствами.

Из приведенных формул также видно, что все эти вещества различаются лишь радикалами R. В образовании белков участвует 20 так называемых стандартных аминокислот, т.е. 20 различных радикалов R (табл. 1). Не обсуждая подробно химические особенности каждого радикала, отметив их лишь разными числовыми индексами i (R i), посмотрим, что произойдет с аминокислотами после соединения друг с другом.

Следующая формула характеризует вещество (трипептид) – результат соединения трех аминокислот (в растворе):

Присоединение 1-й аминокислоты ко 2-й и 2-й к 3-й сопровождается суммарным отщеплением двух молекул воды с образованием связей CO–NH, выделенных в формуле жирным шрифтом. Эта связь является ковалентной (сильной), называется пептидной, и ее название послужило основой для того, чтобы все вещества, устроенные подобным образом, называть пептидами (белки тоже являются пептидами) вне зависимости от того, сколько аминокислот участвовало в их образовании.

Таким образом, от второй аминокислоты, характеризующейся радикалом R2, остался лишь фрагмент:

Он называется аминокислотным остатком. Все аминокислотные остатки, расположенные не на концах большой пептидной цепи, характеризуются данной формулой, а концевые, очевидно, тоже не совсем аминокислоты, а остатки, хотя и несколько иные. С точки зрения химика корректно говорить, что белки состоят не из аминокислот, а из аминокислотных остатков. Поэтому общая химическая формула любого белка (пептида), состоящего из n аминокислотных остатков, должна быть записана как:

Приведенная формула свидетельствует о том, что в простейшей записи любой белок представляет собой линейную последовательность аминокислотных остатков, в которой есть остов (как бы скелет) с регулярно повторяющейся последовательностью радикалов –NH–CH–CO– и выступающие из этого остова боковые радикалы. Такая запись характеризует первичную структуру белка.

Последовательность аминокислотных остатков принято рассматривать в одном определенном направлении – от N- к С-концу. В связи с расшифровкой огромного количества природных аминокислотных последовательностей, а также в целях экономии места и ресурсов вычислительной техники в настоящее время принято пользоваться однобуквенной (латинской) записью аминокислотных остатков (однобуквенный аминокислотный код). В табл. 1 приведены не только общепринятые обозначения аминокислотных остатков, но также показано, какие существенные физико-химические особенности их отличают. Многообразие этих свойств лежит в основе способности каждой индивидуальной аминокислотной последовательности принимать свою, уникальную пространственную конфигурацию, и так же, как и аминокислоты, практически всегда быть амфотерным веществом.

Рассмотрение белков и пептидов с позиций химии будет неполным, если не отметить то, что иногда после синтеза белка на рибосоме (трансляции) происходит химическая модификация некоторых аминокислотных остатков (посттрансляционная модификация). В результате, например, остатки пролина и лизина могут превращаться в остатки оксипролина и оксилизина, к тирозильному остатку порой присоединяется сульфатная группа и т.д. Этот процесс приводит к тому, что в организме одновременно сосуществуют белки или пептиды с модифицированными и немодифицированными остатками. Так, пептид гастрин может быть сульфатирован и несульфатирован по одному из остатков тирозина, и, что очень важно в проявлении физиологических функций, сульфатированный гастрин существенно более активен.

Русский, English, Deutsch…

Слово белок появилось в русском языке задолго до того, как была выяснена химическая природа этого вещества. Этот термин представляет собой производное от прилагательного «белый» и служит характеристикой различий двух разных по цвету основных компонентов куриного яйца (белка и желтка). Синонимом белка является слово «протеин» (англ. protein), которое используется во всей научной (и не только научной) литературе и происходит от греческого слова prwto – прото (первый, главный, важнейший), чем с давних времен подчеркивалась его исключительная роль. А латинское слово белок – albumen (или albuminis), альбумин используется для целой группы уже давно известных белков.

Другое ключевое слово – пептид – происходит от греческого пепто (варить, переваривать) и отражает процесс расщепления длинных белковых молекул, в результате чего образуются короткие фрагменты. Однако, как уже было отмечено, с позиций химии, пептидами являются все белки. Поэтому для разделения коротких и длинных пептидных цепей в качестве приставок используются два других греческих слова: Хligoj –олигос (немногий, малый) и приставка polЪ – поли- (много, многое). В результате олигопептидами (или часто для краткости – пептидами) называют сравнительно короткие аминокислотные последовательности, а полипептидами (белками) – длинные. В дальнейшем мы часто будем пользоваться терминами белок и пептид, учитывая указанное различие.