Одна из важнейших задач, которую решает молекулярная биология, — изучение биохимических основ специфичности белков у различных представителей живого мира.
Перед учеными давно стоял вопрос: в чем же причина различия белков разных организмов? Имея на вооружении методы изучения последовательности аминокислот в белках, биохимики приступили к поискам химического выражения специфичности.
Сейчас в ряду полностью изученных белков появился гормон поджелудочной железы — инсулин, регулирующий содержание сахара в крови. Нарушение синтеза инсулина приводит к тяжелому заболеванию — диабету. Инсулин — низкомолекулярный белок, поэтому в нем и удалось досконально изучить аминокислотную последовательность. Для исследования ученые взяли инсулин нескольких животных: кита, свиньи, быка, лошади и овцы. Оказалось, что молекулы инсулина этих животных отличаются между собой лишь на сравнительно небольшом отрезке аминокислотной цепи. Вот она, последовательность этого участка:
- Цистеин, треонин, серин, изолейцин, цистеин (свинья, кит).
- Цистеин, аланин, серин, валин, цистеин (бык).
- Цистеин, аланин, глицин, валин, цистеин (овца).
- Цистеин, треонин, глицин, изолейцин, цистеин (лошадь).
Совсем небольшие различия, не правда ли? Между инсулином лошади и свиньи — только в одной аминокислоте, а свиньи, кита и овцы — в трех.
Этот пример показывает, что между белками, выполняющими одинаковые функции, но принадлежащими к разным биологическим видам, есть некоторая разница. Однако их различие не приводит к потере биологической активности белковых молекул. В то же время науке известно много примеров, показывающих, как изменение специфической последовательности аминокислот вызывает тяжелые последствия в организме.
Все хорошо знают, что красный цвет нашей крови объясняется присутствием особого белка — гемоглобина. Молекулярный вес гемоглобина около 70 тысяч, в его состав входит около 500 аминокислот.
Одно из заболеваний крови — серповидная анемия. При этой болезни красные кровяные шарики, отдавая захваченный в легких кислород тканям организма, принимают форму серпа. Исследовав один из пептидов необычного, аномального гемоглобина, биохимики установили, что всего одна аминокислота, стоящая по счету шестой, глютаминовая, заменена другой — валином.
Аминокислота валин не имеет электрического заряда, а у глютаминовой кислоты заряд отрицательный. В результате потери заряда молекулы аномального гемоглобина слипаются и не могут функционировать. Это пример изменения специфичности белков, обусловленной последовательностью аминокислот.
Специфичность белков так же четко выражается и в их ферментативной активности. В живой клетке очень много ферментов, которые необходимы для ускорения и направления биологических реакций. Так, например, протеазы (пепсин, трипсин, химотрипсин) переваривают белки, попавшие в пищеварительный тракт; полисахарид крахмал расщепляется под действием фермента амилазы, ДНК и РНК распадаются, когда приходят в контракт с молекулами дезоксирибонуклеазы и рибонуклеазы. (В конце каждого слова, определяющего название фермента, обязательно ставится суффикс «аза», а корень слова обычно обозначает субстрат, вещество, на которое действует фермент).
Ферментами оказались белки самого различного молекулярного веса: от 17 тысяч до миллионов. Скорость действия ферментов на субстрат очень велика. Даже самые «медленно действующие» ферменты успевают за одну секунду обработать до 10 тысяч молекул субстрата.
Удобным объектом для изучения связи между структурой и биологической функцией ферментативного действия является рибонуклеаза. Так как в этом ферменте последовательность расположения аминокислот известна, биохимики получили возможность выяснить, какой участок в цепи молекулы фермента ответствен за проявление его специфических биологических свойств.
Ученые поступили точно так же, как и при выяснении последовательности расположения аминокислот. На рибонуклеазу подействовали ферментом лейцинаминопептидазой, и началось отщепление аминокислот. Результаты оказались неожиданными: около 20% аминокислот было удалено, а рибонуклеаза продолжала прекрасно работать. У другого фермента, растительного белка папаина, удалось оторвать почти 50% аминокислот без потери биологической активности. Гормон гипофиза, АКТГ (адренокортикотропный гормон), потерявший 15 из 39 аминокислот, был так же активен, как и до начала опыта. Следовательно, специфичность действия белка-фермента заключена в сравнительно небольшом участке аминокислотной цепи.
Дальнейшие исследования позволили установить одну интересную закономерность. Видовые различия в последовательности аминокислот в белках-ферментах могли затрагивать почти любые участки полипептидной цепи. Хороший пример для демонстрации видовых различий в чередовании аминокислот — .так называемый цитохром С, переносчик кислорода в процессе тканевого дыхания организма. Ученые исследовали аминокислотную последовательность в цитохроме С различных представителей живого мира (млекопитающих, птиц, рыб, насекомых, бактерий) и установили, что участок цепи, состоящий из аминокислот цистеина, гистидина и треонина, универсален для цитохромов всех изученных организмов, а видовые различия есть в других участках молекулы.
Из этих исследований вытекает, что для проявления ферментативной активности белка необходима строго специфическая, неизменная последовательность в одном участке молекулы. Эти участки называются «активным центром» фермента. Нарушение чередования аминокислот в активном центре, замена одной аминокислоты другой приводит к инактивации фермента, то есть к утрате специфической биологической активности.
Мы привели один из примеров, где биохимики получили представление о химическом выражении биологической специфичности. Необходимость точной последовательности аминокислот для проявления биологической функции белков поставила ученых перед другой задачей.
Во время развития живого организма происходит постоянный рост клеток, в которых не прекращаются тысячи специфических биологических реакций. Постоянно синтезируются одни молекулы, распадаются другие, увеличивается количество белкового клеточного материала. Иными словами, идет синтез специфического белка. Как же синтезировать сложную белковую молекулу, обязательно соблюдая при этом точность построения, правильность последовательности аминокислот? На примере серповидной анемии хорошо видно, к каким тяжелым последствиям может привести ошибка в расположении аминокислотных остатков. Вспомните пример с искажением смысла слов при типографских ошибках. Очевидно, что «типография» в живой клетке должна работать совершенно безошибочно, не искажая правильности чередования аминокислот в белках. В статье «На грани живого и неживого» рассказывалось о молекулярном коде, по которому располагаются аминокислоты в белках. Мы теперь знаем, что кодировка последовательности аминокислот «записана» на другом важнейшем биологическом полимере — нуклеиновой кислоте.
Чтобы получить представление о молекулярных основах синтеза специфического белка, необходимо познакомиться со структурой и функциями нуклеиновых кислот, расположением их в живой клетке и проследить за участием нуклеиновых кислот в различных стадиях белкового синтеза.