ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Фрутон. — Белки из "Физика и химия жизни" Так писал еще в 1838 г. Ж. Мульдер.-Именно из его научных статей стало широко известно слово протеин (белок) от греческого протейос , что означает первый . Этот термин предложил ему великий шведский химик Берцелиус (который ввел также в химию катализ , полимер и другие важные термины). Мульдер и его современник Либих считали, что белок является однородным веществом — основной структурной единицей, присутствующей в одном и том же виде в таких различных веществах, как белок яйца и фибрин крови. Вскоре оказалось, что это ошибка и что число разновидностей белка огромно. Однако Мульдер был несомненно прав, утверждая важность белков для жизни. [c.64] Может быть, самыми важными из белков следует считать ферменты. По сравнению с миозином, коллагеном или кератином эти вещества присутствуют в очень небольших количествах, но они незаменимы при осуществлении и регуляции бесчисленных химических реакций организма. О них будет говориться подробно в другом месте этой главы. [c.65] Некоторые гормоны тоже представляют собой белки. Эти удивительные продукты секреторной активности эндокринных органов переносятся кровью в бесконечно малых количествах к тканям, где они играют решающую роль в регуляции интенсивности и направления обмена. Есть еще белки — антитела крови, которые защищают организм от вирусов (тоже белков) и различных вредных веществ, выделяемых болезнетворными бактериями. Наконец, гены — основные единицы наследственности — содержат, как полагают, особый вид белка, называемый нуклеопротеидом. [c.65] где существует такое разнообразие функций, неизбежно и разнообразие химического строения. Число выделенных белков крайне велико, и оно продолжает быстро расти. Установить, какие белки находятся в живых системах, изучить их химическое строение, объяснить их биологическую роль, исходя из их строения,— вот три наиболее важные задачи, стоящие перед современной биохимией. Когда они будут разрешены, мы получим гораздо более точное представление о том, что называют физической основой жизни . [c.65] Все белки состоят в основном из углерода, водорода, кислорода и азота. Отличительной чертой белка служит наличие в нем азота, составляющего от 12 до 19% его молекулы. Большинство белков содержит также небольшие количества серы и ряд из них — немного фосфора. Более ста лет назад Мульдер, обнаружив в неочищенных препаратах белка весьма малый процент серы и фосфора , пришел к выводу о том, что размеры белковой молекулы, вероятно, огромны, ибо она должна содержать уж, во всяком случае, хотя бы по одному атому этих элементов. Другими словами, белки представляют собой макромолекулы . Однако до тех пор, пока не были разработаны современные методы определения их молекулярного веса, не было возможности точно определить, насколько эти молекулы велики. [c.66] Строение молекулы пенициллина было выяснено только после нескольких лет совместной работы крупнейших химиков. В органической химии подобную задачу обычно пытаются разрешить следующим образом 1) устанавливают относительное содержание в молекуле различных элементов 2) разрабатывают рабочую гипотезу о расположении этих атомов, пользуясь при этом методом проб и ошибок 3) испытывают эту гипотезу, пытаясь для этого синтезировать молекулу из известных веществ с помощью известных химических реакций. Этим классическим методом химики-органики за прошедшие 100 лет установили формулы примерно 500 000 органических соединений, в том числе и многих соединений, которые образуются в живых организмах. Однако в молекуле белка число атомов настолько велико, что установить этим методом ее строение просто невозможно. [c.67] Строение аминокислот, образующихся при гидролизе различных белков, имеет некоторые общие черты в каждой из них имеется кислотная карбоксильная группа (СООН) и щелочная аминогруппа ( Нг) или имино-группа (NH). Обе группы — и кислотная и щелочная — связаны с одним атомом углерода, так называемым альфа-углеродом. Так как атом углерода имеет четыре химические связи, то этот альфа-углерод должен присоединить к себе еще две другие группы или два других атома. Одним из этих двух атомов всегда служит водород. Чем же отличаются аминокислоты друг от друга Оказывается — природой четвертой группы, присоединенной к альфа-углероду. Эта группа, так называемая боковая цепь, у всех аминокислот различна. [c.68] Наиболее простая аминокислота, глицин, была выделена в 1820 г. французским химиком А. Браконно. Он получил ее путем кислотного гидролиза желатина. В настоящее время известно до 22 аминокислот. Маловероятно, чтобы их список и в дальнейшем значительно пополнился. Каждая составляющая белок аминокислота, за исключением глицина, может существовать в двух пространственных формах одна из них представляет собой зеркальное изображение другой. Формы эти условились обозначать буквами Ь и Ь. При гидролизе белков получаются только Ь-формы. [c.68] В течение последних 80 лет была проделана огромная работа по разработке экспериментальных методов точного количественного определения относительного содержания различных аминокислот, образующихся при гидролизе белка. [c.68] Наиболее ценным вкладом в разрешение этого вопроса была разработка новых, хроматографических методов разделения аминокислот. Сама хроматография была изобретена русским ботаником М. Цветом в 1906 г. и получила такое название потому, что вначале ею пользовались для разделения пигментов. Цвет занимался выделением хлорофилловых пигментов из зеленых листьев. У него возникла мысль, что их можно быстро разделить, используя различную скорость их адсорбции на адсорбирующем материале. Сам он описывал это так Если раствор хлорофилла в петролейном эфире профильтровать через колонку адсорбента (я пользуюсь преимущественно карбонатом кальция, которым плотно набиваю узкую стеклянную трубку), то пигменты... разделяются, образуя на колонке ряд различно окрашенных зон более интенсивно адсорбирующиеся пигменты замещают более слабо адсорбирующиеся и оттесняют их дальше, вниз. Это разделение становится практически полным, если после пропускания раствора пигментов пропустить через адсорбирующую колонку еще и чистый растворитель. Подобно полосам светового спектра, на колонке из карбоната кальция разделяются различные компоненты смеси пигментов. .. которые можно теперь определить и качественно и количественно. Такую колонку я называю хроматограммой, а соответствующий метод — хроматографическим методом . [c.69] До сих пор этим методом были изучены лишь немногие белки, но полученных результатов достаточно для того, чтобы понять огромное значение его для химии белков. Тем не менее проблема строения белка еще отнюдь не решена. Изучение белков только сейчас достигло той исторической стадии, которой изучение простых органических молекул достигло 100 лет назад. Именно тогда химики научились высчитывать относительные количества атомов, составляющих органическое соединение, и это дало им возможность выяснить расположение атомов в органической молекуле. Точно так же химики, изучающие белки, могут сейчас с большой достоверностью выяснить пространственное расположение аминокислот в белковой молекуле. [c.70] Следующий вопрос — это вопрос о природе связей между отдельными аминокислотами. Самой распространенной гипотезой является гипотеза, которую предложили в 1902 г. независимо друг от друга Э. Фишер и Ф. Гофмейстер. Они предположили, что аминогруппа альфа-углерода одной аминокислоты соединяется с карбоксильной группой альфа-углерода другой. Это сопровождается отщеплением атомов, составляющих молекулу воды, от двух соединяющихся молекул аминокислот. Именно эта связь и разрушается, когда элементы молекулы воды вводятся обратно при кислотном гидролизе. Такая связь называется пептидной, и гипотеза Фишера — Гофмейстера известна под названием пептидной теории. [c.70] НИИ необходимо начать с разработки такого метода, который даст возможность последовательно соединять друг с другом ряд аминокислот с образованием строго определенных промежуточных продуктов. Много было сделано в этой области за последние полстолетия, однако исследования по разработке методов лабораторного синтеза полипептидов все еще продолжаются. Одним из крупнейших достижений была разработка в 1932 г. карбобензоксиметода, предложенного выдающимся учеником Фишера М. Бергманом. [c.71] В живых системах белки гидролизуются ферментами пепсином, трипсином и химотрипсином. Эти катализаторы ускоряют гидролитические реакции, давая им возможность происходить при обычных температурах и в обычных для организма условиях кислотности. Согласно пептидной гипотезе, эти ферменты вызывают гидролиз пептидных связей. Если эта гипотеза верна, то эти же самые ферменты должны гидролизовать простые пептиды, синтезированные в лаборатории. Долгое время химики, изучавшие белки, тщетно бились над получением синтетических соединений, которые можно было бы гидролизовать ферментами. Их неудачи расценивались некоторыми как доказательство несостоятельности пептидной гипотезы. Однако в 1937 г. автору статьи, работавшему в лаборатории Бергмана в Рокфеллеровском институте, удалось с помощью карбобензоксиметода синтезировать соединения, которые специфически гидролизовались названными ферментами по месту пептидных связей. Эти эксперименты явились серьезной поддержкой для гипотезы Фишера — Гофмейстера. [c.71] Блестящие исследования английского химика Ф. Зан-гера, о которых будет идти речь ниже в статье Э. Томпсона, подтверждают эффективность этих методов. Зан-геру удалось установить полностью строение важного белкового гормона — инсулина. В основе его исследования лежало применение химического реактива — дини-трофторбензола. Это вещество легко присоединяется к альфа-аминогруппам на концах пептидных цепей инсулина. В результате этого присоединения образуется вещество, называемое динитрофенил-инсулином (ДНФ-инсулин). Все концевые альфа-аминогруппы в этом соединении заняты динигрофенильными (ДНФ-) группами. Если белок подвергнуть гидролизу с помощью сильной кислоты, то все пептидные связи разрываются, только связи между ДНФ-группой и альфа-аминогруппами концевых аминокислот остаются в основном ненарушенными. Другими словами, каждая концевая аминокислота остается связанной с ДНФ-группой. Так как любое вещество, в котором присутствует ДНФ-группа, окрашено в отчетливо желтый цвет, то Зангеру удалось разделить ДНФ-аминокислоты путем хроматографии и определить последовательность, в которой они связаны в пептидных цепях молекулы инсулина. [c.72] Однако большинство белков не имеет нитевидного или фибриллярного строения. Ферменты, белковые гормоны и все белки крови, за исключением фибриногена, относятся к глобулярным белкам. Они растворимы в воде или солевых растворах, но эта характерная для них способность легко исчезает или ослабевает при относи- тельно небольшом повышении температуры (до 60°) или при небольшом увеличении кислотности. Такое изменение растворимости называется денатурацией . Изучение строения таких измененных белков показало, что они уже больше похожи на фибриллярные белки. При денатурации фермент или гормон обычно утрачиваются характерные для них биологические свойства. В некоторых случаях, если воздействие неблагоприятных условий было не слишком длительным, белку можно вернуть его первоначальные свойства путем восстановления нормальных условий. Тогда белок снова приобретает одновременно и свою характерную растворимость и свои отличительные биологические свойства. [c.73] Природа этих особых связей была предметом многих интересных обсуждений. В 1936 г. А. Мнрский и Л. Полинг высказали предположение, что основным фактором, придающим вытянутой пептидной цепи белка ее характерную свернутую форму, является наличие водородных связей. Эта гипотеза успешно объясняла многие из известных различий в свойствах нативного (естественного) и денатурированного белка. Согласно этой теории, существует огромное количество связей, образованных неполным притяжением атома водорода аминогруппы атомом кислорода карбоксильной группы. Каждая из этих водородных связей слаба, но в молекуле белка, где имеется несколько сот атомов азота аминогрупп и такое же больщое число атомов кислорода карбоксильных групп, эти слабые связи складываются и получается устойчивая структура. [c.74] Представление о молекуле белка как о длинной поли-пептидной цепочке (или цепочках), состоящей из многих аминокислот, следует, таким образом, дополнить представлением о том, что в каждом виде белка части пептидной цепи имеют характерное внутреннее расположение, которое и определяет присущие молекуле химические и биологические свойства. Поэтому проблема строения белка включает в себя не только весьма сложную задачу определения расположения аминокислот в пептидной цепи, но и еще более трудную задачу — определение характера и расположения связей, разрывающихся при денатурации. [c.74] Логически отправным пунктом такого исследования должно быть разрешение такого относительно простого вопроса Как живые системы соединяют вместе две аминокислоты и образуют пептидную связь Многие лаборатории активно занимаются изучением этого вопроса. Хотя четкого ответа до сих пор не получено, имеются некоторые указания на его возможное разрешение. [c.75] Среди существующих точек зрения есть теория, по которой образование пептидных связей в живых клетках осуществляется теми же ферментами, которые вызывают разрыв пептидных связей после смерти. Основным дока.-зательством этой теории служит эксперимент, в котором расщепляющие белок (так называемые протеолитиче-ские) ферменты действительно связывают между собой две аминокислоты пептидной связью. Однако этот процесс происходит только при некоторых определенных условиях. Наиболее важным из них является противодействие естественной склонности протеолитических ферментов гидролизовать пептидные связи. Добиться того, чтобы гидролиз шел в обратную сторону, можно простым приемом — нужно выбрать такую реакцию, при которой образуется нерастворимый пептид, выпадающий из раствора по мере своего образования. Используя это обстоятельство, можно показать, что протеолитические ферменты несомненно могут катализировать образование пептидных связей. [c.75] Вернуться к основной статье