Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза

С помощью оптических устройств можно отследить изменения скорости осаждения по мере разгона центрифуги. Если в растворе присутствует более одного белка, то можно отслеживать скорость осаждения каждого из них в отдельности. (Скорость осаждения зависит не только от веса, но и от формы молекулы, вытянутая молекула будет осаждаться быстрее, чем круглая, при одинаковом весе, так что для того, чтобы по скорости осаждения можно было адекватно судить о молекулярном весе вещества, надо сначала отдельно установить форму молекулы.)

С началом использования ультрацентрифуги количество белков с известным молекулярным весом пошло в гору. Выяснилось, что молекулярный вес белка фибриногена (присутствующего в крови и обеспечивающего свойство сворачиваемости) — 330 000, гемоцианина (синеватого белка, присутствующего в крови морских животных) — 4 000 000, а белков, из которых состоят вирусы, — более 10 000 000.

Однако сейчас нас интересуют ферменты, а это — не самые крупные из белковых молекул. Молекулярный вес подавляющего большинства ферментов — от 10 000 до 500 000, и очень немногие ферменты лежат вне этих рамок.

Но сам по себе большой размер молекулы фермента по сравнению с молекулами других катализаторов еще не может служить объяснением его необычных свойств. Многие органические молекулы других типов тоже имеют огромные размеры — крахмал, целлюлоза, резина, множество синтетических пластмасс, — но свойствами ферментов они при этом не обладают.

Одно из основных различий между белками (в том числе ферментами) и другими огромными молекулами заключается в том, как легко белки разрушаются. Можно, конечно, сказать, что чем крупнее молекула, тем сложнее удержать ее в целостности в условиях вибраций или высоких температур. Но почему на белки это правило распространяется, а на другие огромные молекулы — нет? Сам по себе размер не означает хрупкости. Древесина состоит из огромных молекул, но она достаточно прочна, чтобы служить строительным материалом и выдерживать сильнейшие вибрации без каких-либо видимых последствий.

Так что дело явно в чем-то другом.

Две структуры одинакового размера могут иметь разную стабильность, в зависимости от природы своих составляющих. Трехметровой высоты дом из деревянных блоков — это просто воплощение стабильности, особенно по сравнению с такой же высоты строением из игральных карт. Можем ли мы сравнить составляющие белков с глюкозой, из которой состоят крахмал и целлюлоза, и выяснить, в чем же между ними разница?

Установить составляющие единицы белка оказалось сложнее, чем других огромных молекул, хотя французский химик А. Браконно взялся за это довольно рано. Успешно разложив с помощью методов Кирхгофа (нагреванием с использованием кислоты) ряд углеводов, в 1820 году он обратил внимание на белок желатин.

Это вещество тоже оказалось очень просто разложить с помощью кислоты, и в результате были получены сладковатые кристаллы, которые ученый, разумеется, счел разновидностью сахара. Браконно назвал полученное вещество «желатиновым сахаром». Однако вскоре выяснилось, что из этих кристаллов можно выделить аммиак (NH3), а значит, обычным сахаром они быть не могут, если в них содержатся атомы азота. В итоге вещество получило название «глицин», от греческого слова, означающего «сладкий», с добавлением суффикса «-ин», типичного для азотсодержащих веществ.

Однако это открытие не решило задачу установления структурной единицы белка. Да, другие огромные молекулы состоят из одного и того же структурного элемента, который достаточно определить один раз, но белки — другое дело. Были обнаружены и другие блоки, похожие на глицин. Один из них открыл сам Браконно, назвав его «лейцин», и список этих веществ пополнялся на протяжении всего XIX века и части XX века.

Точное число их назвать нелегко, поскольку некоторые встречаются лишь в нескольких белках, и непонятно, включать ли их в общий список. Общепринято говорить о девятнадцати веществах, присутствующих в числе продуктов распада практически всех крупных белков. Их названия приведены, в порядке открытия, в таблице 5.

Конечно, на самом деле этот список не так уж разнороден, как может показаться. У всех этих веществ много общего. В частности, каждое имеет в своем составе соединение, именуемое «карбоксильной группой» и обладающее кислотными свойствами, и комбинацию атомов под названием «аминогруппа». Последний факт подтолкнул Берцелиуса еще в 1848 году назвать все эти вещества «аминокислотами», — и это название было принято. Соответственно, все белки состоят из аминокислот.

Глицин — 1820

Лейцин — 1820

Тирозин — 1849

Серии — 1865

Глютаминовая кислота — 1866

Аспарагиновая —

кислота — 1868

Фенилаланин — 1881

Алании — 1888

Лизин — 1889

Аргинин — 1895

Гистидин — 1896

Цистин — 1899

Цистеин — 1901

Валин — 1901

Пролин — 1901

Триптофан — 1901

Изолейцин — 1903

Метионин — 1922

Треонин — 1935

Во всех случаях карбоксильную группу отделяет от аминогруппы лишь один атом углерода, то есть все молекулы аминокислот, составляющих белки, имеют вот такой «скелет»:

В состав самой простой (и самой первой из обнаруженных) аминокислоты — глицина — входят два атома водорода, каждый из которых прикреплен напрямую к тому самому центральному атому углерода, и больше в молекуле глицина нет ничего. Во всех прочих аминокислотах к центральному атому углерода тоже прикреплен, помимо карбоксильной и аминогруппы, один атом водорода, а вот вместо второго имеется более-менее сложная углесодержащая группа атомов, именуемая «радикалом». Так что полную схему углекислоты можно записать так:

Как видно, все аминокислоты структурно похожи друг на друга и различаются только тем, что у них разные радикалы.

К концу века, когда из белков уже было выделено с десяток аминокислот, стало понятно, что пора приступить и, наоборот, к синтезу белка из аминокислот. Этой проблеме посвятил свою работу немецкий химик Эмиль Фишер. Он терпеливо создавал аминокислотам одно за другим все условия, которые могли стимулировать соединение органических веществ.

В 1907 году ему удалось собрать молекулу, состоящую из восемнадцати аминокислот — пятнадцати глицинов и трех лейцинов. Сейчас такие короткие цепочки аминокислот называют пептидами, от греческого слова, означающего «пищеварение», потому что они являются продуктами первого шага расщепления белков при пищеварении.

Достижение Фишера навсегда положило конец любым спорам о том, являются ли аминокислоты строительными кирпичиками для белков. Полученное им вещество, состоящее из восемнадцати аминокислот, проявляло все свойства, которые только можно было ожидать от простейшего белка. Ученый продемонстрировал, что при формировании цепочки карбоксильная группа одной аминокислоты соединяется с аминогруппой другой, так что скелет пеп тидов выглядит примерно так:

Центральный атом углерода каждой из участвующих в цепочке аминокислот имеет собственный радикал (в случае с глицином в роли радикала выступает единственный атом водорода), так что пептид можно рассматривать как однородную цепочку, из которой торчат различные радикалы, тип и порядок расположения которых отражает расположение в цепочке различных аминокислот.

Связь между карбоксильной группой и аминогруппой, впервые продемонстрированная Фишером, называется «пептидной», и накопленные с тех пор данные позволяют с наибольшей уверенностью, какую только может позволить себе наука вообще, говорить о том, что все существующие в природе белки состоят из аминокислот, скрепленных между собой пептидными связями.

С тех пор разработано уже много новых методов синтеза пептидных цепочек. С помощью метода, изобретенного в 1947 году израильским ученым Е. Качальским, при котором изначально используются несколько видоизмененные молекулы аминокислоты, можно создавать пептидные цепочки длиной до 200 аминокислот.

Как видите, природа строительных элементов для белков уже сама по себе заставляет видеть в белках нечто принципиально отличное от любых других огромных молекул. Молекулы крахмала и целлюлозы состоят из одинаковых единиц — из глюкозы. Огромная молекула инулина (крахмалоподобного соединения, производимого иерусалимским артишоком) состоит исключительно из фруктозы. Резина — только из углевода под названием «изопрен». Гиалуроновая кислота — скользкое вещество, служащее для уменьшения трения в суставах живого организма и встречающееся в межклеточном пространстве, — состоит из двух равномерно чередующихся разновидностей сахара. Все синтетические пластмассы состоят либо из одинаковых единиц, либо из двух видов единиц, чередующихся в составе вещества равномерно.