Блискучий світ білків і пептидів

А.А. Замятнін, докт. біол. наук,

Інститут біохімії ім. А.Н. Баха РАН

Серед безлічі речовин, що містяться в живому організмі, особливе місце займають білки. Їхня частка від сухої маси клітин ссавців становить 60% - більше, ніж для всіх інших разом узятих хімічних сполук, і майже п'яту частину від загальної маси цих клітин. Кожен із сотень тисяч різних білків має унікальної хімічної і просторової структурою, які визначають його специфічні функції.

Систематичне дослідження структури і функцій численних білків та їх природних фрагментів - олігопептидів - почалося в другій половині XX ст. і продовжує стрімко розвиватися. Кожен рік публікується кілька десятків тисяч наукових робіт, присвячених білкових речовин, багато тисяч вчених з більш ніж 50 країн щодня працюють над цією проблемою. В останні роки сформувалася навіть спеціальна наука протеоміка, присвячена саме білків. Чи не перестаєш захоплюватися різноманіттю все нових і нових хімічних, структурних та функціональних форм білків, їх взаємозв'язку в здійсненні життєво важливих процесів, складності та одночасно простоту усього цього, а також красі як окремих молекул, так і процесів за їх участю. Білки і пептиди представляють собою дивовижний і унікальний світ, для вивчення якого необхідно залучення знань всіх природних, і не тільки природних, наук. Саме з позицій різних вання. Система числення, якою користується переважна частина людства, визначається величиною m = 10. Тоді в рамках цієї десяткової системи малими числами будуть такі, які задовольняють умові m> S> m, а великі -- G>> m. Іншими словами, малі числа по порядку величини порівнянні з величиною основи системи числення, а великі - у багато разів її більше.

До олігопептиди і білків ці міркування можна застосувати такий спосіб. Ще раз відзначимо те, що ці речовини формуються з 20 різних амінокислотних залишків, а зазвичай використовуються числа утворюються з 10 різних цифр. Отже, аналогом числової системи числення в нашому випадку є амінокислотна система числення, що характеризується величиною 20, і тоді малими (олігопептиди) можна вважати такі, в яких міститься менше або більше 20 амінокислотних залишків (20> n> 20), а великі - у яких їх багато більше 20, (n>> 20). Цей критерій є чисто математичним, але, проте, його можна побачити і у фізичних, і в біологічних властивостях олігопептидів і білків. Але про це буде розказано в наступних розділах.

Фізика

Ключовими у фізиці є поняття: взаємодії, енергія та ентропія (ентропія - міра невпорядкованості, відповідно, негативна ентропія - міра впорядкованості). При фізичному погляді на світ білків і олігопептидів такі поняття також дуже корисні. Молекули цих речовин здійснюють взаємодії як всередині себе, так і з зовнішніми молекулами. Ці взаємодії направлені на придбання окремими молекулами або молекулярними комплексами певної просторової форми (конфігурації або конформації), що в конкретних умовах призводить до досягнення мінімально можливої енергії при даній ступеня невпорядкованості. А різноманіття можливих амінокислотних послідовностей лежить в основі незмірно більшого різноманіття їх можливих просторових (вже не лінійних) конфігурацій.

Як порівняно просто влаштована ДНК! Для виявлення загальної конфігурації її подвійний спіралі на початку 1950-х рр.. минулого століття Уотсону і Крику, що любили обговорювати наукові проблеми за чашкою кави, потрібно випити не дуже багато літрів цього тонізуючого напою, щоб розібратися в принципах її організації. Так ж небагато часу (всього кілька років) було потрібно на те, щоб у 1960-х рр.. описати, як послідовність азотистих основ ДНК і РНК транслюється (перекладається) на мову амінокислотних залишків. Здавалося б, ще трохи (припустимо, не більше 10 років), і загальні принципи формування просторової структури білків будуть знайдені! Ця проблема отримала назву проблеми Фолдинг (від англ. fold - складати). Однак немає. Минуло вже майже 40 років після початку експериментального отримання просторових структур білків, а таємниця поки не розкрита. Тисячі вчених різних спеціальностей протягом цього часу (деякі - усе своє творче життя) намагалися створити універсальний метод побудови просторової структури білків по амінокислотної послідовності (як це робиться в природі), але нікому дану проблему не вдалося вирішити навіть для однієї не дуже протяжної структури. Чому?

В відміну від ДНК або РНК, складених за все з 4 стандартних азотистих підстав, білки включають 20 стандартних амінокислотних залишків. Це призводить до того, що кількість можливих взаємодій пар залишків (як є сусідами, так і віддалених) виявляється більш ніж на порядок більше, ніж для пар азотистих підстав. А в просторі можуть взаємодіяти одночасно не 2, а більше залишків, в результаті чого число можливих взаємодіючих одиниць на багато порядків більше. Важливим є те, що весь кістяк транслювало пептидного аствуют в смаковому сприйнятті. Одні з них на смак гіркі, а інші - солодкі. Є й такі, солодкість яких в тисячі разів більше, ніж у звичайного цукру. А один з олігопептидів, виділений зі смаженої яловичини, отримав назву делікатесного за свій смак.

Перерахування функціональних (біологічних) властивостей природних олігопептидів можна було б продовжувати досить довго. Але в загальному вже повинно бути зрозуміло, що олігопептиди в біології існують скрізь і їх фізіологічна дія практично безмежно.

Здоров'я

Очевидно, що набір білків і олігопептидів у здорового організму повинен бути цілком визначеним. Відхилення від норми можуть призводити до захворювань, часом тяжким.

Одним з таких захворювань є серповидноклітинна анемія, поширена в ряді районів Африки, Індії, в деяких середземноморських країнах і серед негритянського населення Північної Америки. У хворих на цю недугу періодично (частіше під впливом фізичного навантаження) виникають напади різкої слабкості, нудоти і задишки. Зовнішня причина - у незвично великій кількості незрілих еритроцитів і еритроцитів, що мають форму тонкого серпа, що послужило підставою для такої назви цієї хвороби. Однак є і більш глибоке пояснення. Виявилося, що нормальні еритроцити містять нормальний гемоглобін А, а серповидноклітинної - аномальний гемоглобін S. З'ясувалося, що ці дві білка відрізняються лише одним амінокислотним залишком - в результаті мутації в аномальному гемоглобіні замість залишку глутамінової кислоти (E, табл. 1) на призначеному місці стоїть залишок Валина (V). Заміна лише одного залишку та приводить до цього тяжкого захворювання.

Звернувшись до табл. 1, можна побачити, що ці залишки несуть принципово різні бічні радикали, і в мутантним гемоглобіні здійснюється заміна зарядженого (негативно) радикала на гідрофобний.

В результаті такої гемоглобін складається в іншу просторову конфігурацію, і відбуваються подальші зміни як на клітинному рівні, так і на рівні цілого організму.

Інший приклад відноситься до онкології. У людини, який захворів одним із видів легеневої карциноми, виявляють олігопептиди, яких у здорового організму немає. Ці олігопептиди - бомбезін і фізалаемін - в нормі зустрічаються у європейської (Bombina bombina) і в південноамериканській (Physalaemus fuseumaculatus) жаб. У даному випадку мутацій не було. У процесі почалося канцерогенезу у людини стали експресувати (просто кажучи, працювати) раніше «Мовчати» гени, в внаслідок чого і утворилися олігопептиди, інформація про яких зберігалася і в здоровому організмі.

До проблеми здоров'я відноситься також і те, наскільки свіжу (незіпсованою) їжу ми споживаємо. При зберіганні відкритих продуктів харчування на повітрі у них поселяються різні патогенні мікроорганізми, і при досягненні деякого рівня їх утримання їжа може стати небезпечною для здоров'я. Так чому ж не додавати до цих продуктів природні (людські) антибактеріальні олігопептиди? Це безпечно для людини і дозволяє довше зберігати їжу при тому, що самі ці речовини будуть хоч і невеликим, але також харчовим компонентом.

похитнулося здоров'я