Биологические науки можно охарактеризовать как науки, изучающие механизмы, с помощью которых молекулы осуществляют свои специфические функции в живых клетках.
Механизм действия простых неорганических ионов и органических молекул во многих случаях удалось до некоторой степени объяснить. Мы имеем, например, известное представление о физиологических последствиях повышения или понижения осмотического давления жидкостей тела при введении или удалении хлористого натрия. Другим примером служит нарушение проведения нервных импульсов в синапсах, возникающее после введения физостигмина, которое можно частично отнести за счет действия этого наркотика на фермент холинэстеразу. Однако даже такие хорошо изученные системы продолжают оставаться областью поисков и спекуляций для исследователей, что свидетельствует о сложности клетки.
Химики, изучающие белок, естественно, сознают, что легче всего приблизиться к пониманию функций клетки, изучая структуру и функцию молекул белка. Эта точка зрения, по-видимому, не лишена оснований. За исключением тех редких явлений в биологии, которые носят чисто физический характер, «жизнь» клеток основана главным образом на совокупности ферментативных катализов и их регулировании.
Область химии белка теперь достигла достаточной сложности, чтобы думать о белках скорее как об органических веществах, а не как о конгломератах аминокислот. Несмотря на необычайную сложность молекулы белка, мы можем в настоящее время количественно описать такие явления, как денатурация, в терминах довольно хорошо установленных изменений в специфических типах химических связей. Такая благоприятная ситуация дает нам возможность найти разумные пути для сопоставления специфических особенностей ковалентной и нековалентной структуры белков с биологической активностью. Белковые молекулы, по-видимому, состоят из одной или нескольких полипептидных цепей, соединенных между собой и удерживаемых в виде спиральной структуры благодаря наличию системы разнообразных химических связей различной силы. При изменении какой-либо из этих связей появляется вещество, которое не идентично первоначальной нативной молекуле и которое в известном смысле можно рассматривать как денатурированный белок. Однако с точки зрения функции мы можем придерживаться более строгих критериев. Нативность фермента, выражающуюся в его способности катализировать некую определенную реакцию, не следует связывать со всей его структурой.
Изучение последствий частичного специфического разрушения биологически активных белков начато совсем недавно. Однако еще 20 с лишним лет назад было показано, что замещение некоторых активных групп белков или превращение их в какие-либо другие группы не сопровождается потерей активности. Пожалуй, наиболее хорошо изученный пример такого рода исследований — это серия работ Херриота и Нортропа по Изучению активности пепсина при постепенном ацетилировании его молекулы. Пепсин обрабатывали кетеном, и при этом происходило превращение свободных аминогрупп и гидроксильных групп в их ацетилпроизводные. С помощью этого метода Херриот смог получить кристаллическое ацетилпроизводное пепсина, содержащее 7 ацетильных групп на молекулу пепсина. Ацетилпепсин обладал 60% каталитической активности исходного фермента. Херриот показал, что спектр поглощения в ультрафиолете этого вещества, обладавшего 60% активности, изменился настолько, что это изменение можно было объяснить блокированием трех гидроксильных групп тирозина. При осторожном гидролизе ацетилированного пепсина при pH 0 или при pH 10,0 происходило отщепление трех ацетильных групп, сопровождавшееся восстановлением каталитической активности фермента. Эти, а также некоторые другие исследования показали, что остатки тирозина имеют какое-то отношение к активности пепсина, тогда как ацетилирование ряда свободных аминогрупп белка не оказывает влияния на его функцию.
Такого рода опыты стали в настоящее время относительно обычными, и нет сомнения в том, что можно несколько изменить строение многих ферментов и гормонов, не вызывая их инактивации. Несмотря на эти данные, еще сравнительно недавно считали, что структура биологически активных белков более или менее «неприкосновенна» и что для осуществления своих функций эти белки должны сохранять свою трехмерную структуру во всей ее целостности.
Эта концепция поддерживается некоторыми теоретическими соображениями, согласно которым молекула белка может иметь несколько различных резонансных конфигураций. Наблюдения, проведенные в области иммунологии, также говорят в пользу этой концепции. Хорошо известно, что относительно небольшие изменения, например, в строении гаптена, могут вызвать значительный сдвиг эффективности реакции со специфическим антителом.
Идея «неприкосновенности» структуры белка теперь постепенно заменяется идеей о «функциональной значимости части молекулы». Вскоре после того, как Сэнджер с сотрудниками завершили свои фундаментальные исследования инсулина быка, Лене показал, что определенное нарушение структуры гормона, а именно удаление С-концевого остатка аланина в цепи В, не ведет к потере биологической активности. Эволюционное значение этого факта в свое время было неясно, поскольку это был первый опыт такого рода и можно было рассматривать его как отдельный нетипичный случай. Однако в настоящее время накопилось много подобных наблюдений, и необходимо заняться вопросом о том, почему С-концевой остаток аланина сохранился в качестве постоянного структурного элемента молекулы инсулина, если этот остаток не играет роли в биологической активности гормона.
Инсулин подвергался и другим более подробным исследованиям этого типа. Однако для того, чтобы выяснить, до какой степени можно нарушить структуру белков, не вызывая при этом их инактивации, мы обратимся к трем другим примерам, о которых имеется несколько больше сведений: 1) гормону гипофиза, АКТГ; 2) ферменту поджелудочной железы — рибонуклеазе и 3) растительному ферменту — папаину. При последующем обсуждении этих примеров мы используем более или менее одновременно два различных подхода к структурной основе биологической активности: во-первых, мы постараемся показать, что активные полипептиды можно подвергать разрушению, не нарушая их функции, т. е. выявить части структуры, не имеющие существенного значения для функции; во-вторых, следует определить существенные части структуры, т. е. активные центры.