9 месяцев назад
Нету коментариев

С. Е. СЕВЕРИН,

академик

Широкое использование в биологии методов точных наук — химии, физики, кристаллографии — привело к возникновению новых научных направлений, таких, как биофизика, биоорганическая химия, молекулярная био­логия, молекулярная биофизика и т. д. Успехи, достиг­нутые за последние 10—20 лет в физико-химической био­логии, значительны и разнообразны, но мы ограничимся фрагментарным рассмотрением лишь двух вопросов: о материальном субстрате процессов жизнедеятельности и регуляции протекающих в организме процессов обмена веществ.

Электронная микроскопия с разрешением до 2 А от­крыла новый мир структурных образований в клетке. Особенно важным и интересным оказалось установле­ние того факта, что структурные образования ядра и цитоплазмы выполняют специализированные функции. В ядре происходит синтез нуклеиновых кислот, нуклеотидов, нуклеопротеидов, благодаря’ чему обеспечивается процесс передачи информации, осуществляемый на ге­нетическом уровне. В митохондриях за счет энергии окисления различных веществ образуются богатые энер­гией соединения, в частности аденозинтрифосфорная кис­лота. Именно в ней, как известно, в связях между фос­фатными группами аккумулируется энергия в легко ути­лизируемой форме. Рибосомы — ничтожно малые час­тицы, не более 200 А в диаметре, с коэффициентом седиментации (осаждение) 70 5, состоящие из двух не­равных субчастиц с коэффициентами седиментации 30 S И 50 Sслужат местом синтеза белков. Лизосомы пред­ставляют собой мешочки, заполненные раствором гидролаз, обладающих большой расщепляющей силой И т, д. В клетке широко представлены комплексы, обра­зованные различными веществами, однако важнейшая Часть клетки и ее структурных компонентов — белки.

На исключительную роль белков еще. в 1838 г, обра­тил внимание Г, Мульдер, назвавший их протеинами, т. е. первейшими или важнейшими по значению, без участия которых жизнь невозможна. В 1895 г. один из крупнейших представителей органической химии А. фон Бейер, настроенный весьма скептически, считал, что нет никакой надежды в ближайшем будущем выяснить при­роду белка. Любопытно, что уже через пять лет А. Бей­ер оказался свидетелем работ Э. Фишера и Ф. Гофмей­стера, установивших пептидную структуру белка.

В 1916 г. Э. Абдерхальден и А. Фодор синтезировали пептид, состоявший из 19 аминокислотных остатков и дававший ряд реакций, характерных для белковых ве­ществ. Однако знание даже всех 20 качественно различ­ных аминокислот, входящих в состав белка, не обеспе­чивало расшифровки его строения. Число возможных сочетаний 20 аминокислот составляет более двух квин­тиллионов (2•1018). Поэтому установить последователь­ность аминокислотных остатков в молекуле белка каза­лось делом почти безнадежным, не говоря уже об искус­ственном лабораторном его синтезе. Пионером в этой области оказался Ф. Сангер — молодой биохимик Кемб­риджского университета, предпринявший в начале 40-х годов исследование первичной структуры белкового гормона инсулина, состоящего из 51 аминокислоты. Ра­бота потребовала 10 лет напряженного труда. Ее ре­зультаты были опубликованы в 1953 г. и стали одним из важнейших научных достижений нашего времени. Вскоре С. Мур с сотрудниками в результате трехлетней работы расшифровали первичную структуру белка, со­стоящего из 124 аминокислот, — поджелудочной рибонуклеазы.

Несколько лет назад в совместной работе двух ла­бораторий, руководимых академиком Ю. А. Овчиннико­вым и академиком А. Е. Браунштейном, была установ­лена первичная структура аспартаттрансаминазы — белка, состоящего из 412 аминокислотных остатков. В настоящее время последовательность аминокислотных остатков в белках широко анализируют во многих ла­бораториях мира, и число расшифрованных первичных структур, вероятно, приближается к 1000. При знании последовательности расположения аминокислотных ос­татков в белке синтез его уже не казался невозможным. И действительно, уже осуществлен лабораторный синтез ряда белков, в первую очередь гормона инсулина и фер­мента рибонуклеазы.

Параллельно химическому анализу аминокислот в 50-е годы все больше внимания начал привлекать рент­геноструктурный анализ кристаллических белков, позво­лявший определять их пространственную конфигурацию. Именно благодаря этим исследованиям удалось пред­ставить пространственную структуру миоглобина, а- и р-цепей гемоглобина, рибонуклеазы, лизоцима и др, Очень много усилий тратится на определение простран­ственной конфигурации, или третичной структуры бел­ков-ферментов. Интересна история установления белко­вой природы ферментов. По-видимому, впервые, впро­чем, без достаточных оснований белковую природу фер­ментов постулировал Н. Е. Лясковский в 1862 г., писав­ший, что белки при известных условиях могут играть роль ферментов. Очень четко на белковую природу фер­ментов указывал И. П. Павлов. В его «Лекциях по фи­зиологии» читаем: «Ферменты — тела белковой приро­ды». Один из его сотрудников Е. А. Ганике в работе, опубликованной в 1901 г., приравнивал ферменты ко «всякому белковому веществу», а другой сотрудник, В. Н. Керстен, в 1902 г. писал: «Пепсин — очень слож­ное белковое вещество». Кстати, это полностью под­твердилось: лишь совсем недавно в результате рентге­ноструктурного анализа Н. С. Андреевой удалось уста­новить трехмерную структуру пепсина.

Итак, в лаборатории И. П. Павлова на рубеже двух столетий и в самом начале XX в. белковая природа фер­ментов была не только постулирована, но и эксперимен­тально доказана применительно к ферменту желудочно­го сока — пепсину. Несмотря на это, в фундаменталь­ном руководстве по энзимологии Г. Эйлера, вышедшем в 1925 г., говорится: «энзимом… называют вещество жи­вотного или растительного происхождения неизвестного состава и неизвестной структуры». А в обстоятельном учебнике К. Оппенгеймера и Р. Куна (1927 г.) сказано: «Все ферменты, выделенные до настоящего времени приблизительно в чистом виде, не дают реакции ни на белки, ни на углеводы. Все полученные Р. Вильштете­ром чистейшие препараты ферментов не содержат бел­ка и углеводов». Считалось также, что ферменты всегда проявляют свое каталитическое действие, присутствуя лишь в ничтожно малых количествах.

Получение в 1926 г. Дж. Самнером кристаллической уреазы и доказательство ее белковой природы, а затем получение Д. Нортропом в 1930 г. кристаллического пепсина, наконец, открытие В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой в 1940 г. ферментативных свойств миози­на — белка, составляющего 40% всех мышечных бел­ков у высших животных, противоречили общепринятым взглядам. Лишь после повторных проверок данные Д. Нортропа, а также В. А. Энгельгардта и М. Н. Лю­бимовой были безоговорочно приняты и составили одно из основных положений современной энзимологии.

Свойства и строение белковых веществ, их первич­ную и третичную, т. е. пространственную, структуру, условия ассоциации в более крупные конгломераты (чет­вертичная структура), а также диссоциацию на состав­ляющие компоненты изучают в настоящее время глав­ным образом на выделенных и очищенных препаратах индивидуальных ферментов. В качестве примера слож­ного конгломерата ферментов можно назвать пируват­дегидрогеназу скелетных мышц, обладающую молеку­лярным весом около 10 млн., гомогенную при седимен­тации и осуществляющую по крайней мере пять отдель­ных ферментативных актов. Этот белковый комплекс легко разбить па составные части, каждая из которых также обладает сложной четвертичной структурой и подвергается в определенных условиях дальнейшей дис­социации на индивидуальные белки с молекулярным ве­сом в несколько десятков тысяч — в среднем около 50 тыс. Таким образом, в структуру начального комплек­са с 10-миллионным молекулярным весом входит около 200 индивидуальных белков.

Методы электронной микроскопии, ультрацентрифу­гирования, высоковольтного электрофореза, спектро- и флуориметрии, ядерного магнитного и электронно-пара­магнитного резонанса, масс-спектрометрии и радиогра­фии, а также другие методы физики и химии широко вовлекаются в анализ структуры как молекул фермен­тов в целом, так и отдельных их частей.

Естественно поставить вопрос: что предопределяет пространственную (третичную) структуру белков, в ча­стности белков-ферментов, а следовательно, и формиро­вание их активного центра, от конфигурации которого зависит выполнение каталитической функции?

В настоящее время на этот вопрос можно, по-види­мому, ответить однозначно. В самой последовательности аминокислот в молекуле белка заложена пространственная структура, которая связана с образованием в цепи аминокислотных остатков перегибов и петель, формиру­ющих белковую глобулу.

Одно из новых, важных и перспективных направле­ний в физике и химии белка — детальный анализ свойств отдельных аминокислотных остатков, обуслов­ливающих изгибы и повороты пептидной цепи. Это на­правление исследований широко представлено у нас в Институте белка АН СССР в работах академика А. С, Спирина, О. Б. Птицына, В. И. Лима и др. Подразде­лив аминокислоты на гидрофобные (малые, средние и большие) и гидрофильные (малые и большие), они сформулировали ряд правил, определяющих ту роль, которую играют в образовании перегибов и спиралей пептидной цепи отдельные аминокислотные остатки, входящие в первичную структуру белка. Пространствен­ная структура ряда белков, представленная на основа­нии этих правил по расчетным данным, хорошо соответ­ствовала результатам, полученным экспериментальна путем рентгеноструктурного анализа.

Таким образом, третичную структуру белка со всеми его биологическими особенностями, а для ферментов — каталитическую активность предопределяет структура первичная, т. е. последовательность расположения в белке аминокислотных остатков. Тем более важно было выяснить, как складывается и чем предопределяется первичная структура белка при его синтезе, обеспечи­вающем полное обновление белков в разные сроки в за­висимости от их локализации в органах и тканях, каче­ства и функции.

Развитие исследований по этой проблеме насчиты­вает немногим более 20 лег. Их начало можно отнести к 50-м годам нашего столетия, когда была выяснена структура дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) входящей в состав хроматина клеточного ядра, и когда были охарактеризованы разные формы рибонуклеино­вой кислоты (РНК), присутствующей как в ядре, так и главным образом в цитоплазме.

В результате длительных и обстоятельных исследо­ваний Э. Чаргаффом и его сотрудниками в 1950—1953 гг. были установлены закономерности, касающиеся содер­жания четырех нуклеотидов — двух пуриновых и двух пиримидиновых в составе ДНК. Эти закономерности по­лучили название правил Чаргаффа. Согласно им в ДНК содержание пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов одинаково, так же как общее количество амино- и окси­соединений. Одновременно с химическими исследова­ниями Чаргаффа ряд исследователей, особенно Р.Франк­лин и М. Уилкинс, проводили рентгеноструктурный ана­лиз выделенных и очищенных препаратов ДНК. Учиты­вая накопившиеся результаты двух направлений иссле­дований, Д. Уотсон и Ф. Крик с замечательной прозор­ливостью предложили в 1953 г. пространственную мо­дель ДНК в виде двойной спирали, состоящей из двух антипараллельных нуклеотидных цепей с общей осью. Рисунки этой модели приводятся обычно во всех учеб­никах по биологии.

Пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды соединены в этой спирали попарно водородными связями и обра­щены внутрь нее. Витки спирали образуют большую и малую бороздки. Предполагалось, что в больших бо­роздках расположены белки щелочного характера — гистоны, образующие с ДНК нуклеопротеидный комп­лекс, способный к диссоциации и освобождению ДНК. В настоящее время допускается также другая структура хроматина ядра: четыре различных гистона соединены попарно, формируя каркас или стержень, вокруг кото­рого спиралеобразно накручена ДНК (см. рисунок), вступающая в реакцию с гисгонами, образуя нуклеопро­теидный комплекс. Большую роль в изменении структу­ры нуклеопротеида должны играть модификации гисто-нов путем их метилирования, ацетилирования и фосфарилирования. Исследования в этой области ведутся весьма интенсивно.

Как уже упоминалось, рибосомы прокариот состоят из двух субчастиц: малой и большой. Большая субъеди­ница состоит из двух РНК и содержит более 30 различ­ных белков, малая субчастица содержит одну РНК и 20 различных белков. В настоящее время белковые ком­поненты рибосом выделены и охарактеризованы. Их ло­кализация и взаимное расположение изучены и описа­ны. На долю каждой субчастицы и рибосомы в целом выпадает ряд сложных актов в процессе синтеза белка. В исследованиях этого процесса достигнуты замечатель­ные результаты, которые невозможно обойти молчанием. Хотя, конечно, наш обзор будет поверхностным и схе­матичным.

Свободная мРНК в цитоплазме фиксируется на малой субчастице рибосомы, которая специализирована на связывании различных компонентов, участвующих в синтезе белка. Сюда же, к малой субчастице, связав­шей мРНК, доставляются аминокислоты, транспортиру­емые специфическими транспортными РНК (тРНК) в виде аминоацил-тРНК. Характерные комбинации из трех нуклеотидов (триплеты) формируют в тРНК анти­кодоны, комплементарно связываемые триплетами нук­леотидов — кодонами матричной РНК. В этот момент к малой субчастице присоединяется большая, формируя цельную рибосому. Следующий этап заключается в пе­редвижении — скольжении рибосомы по мРНК с пере­ходом аминоацил-тРНК с малой частицы на большую. Это освобождает малую субчастицу для акцептирования следующей аминоацил-тРНК. Теперь осуществляется синтез пептидной связи.

Образовавшийся пептид сначала удерживается на аминоацил-тРНК, расположенной на малой субчастице, а затем передвигается на один триплет и размещается на большой субчастице, вытесняя оказавшуюся свобод­ной тРНК. На свободную малую субчастицу доставля­ется новая аминоацил-тРНК, и акт синтеза пептидной связи повторяется до тех пор, пока не последует сигнал терминации — завершения синтеза. Тогда пептидная цепь переходит в среду, где формируется трехмерная структура белка уже согласно другим закономерностям.

Структура нуклеопротеидного комплекса с гистонами...

Структура нуклеопротеидного комплекса с гистонами…

Сложный процесс синтеза белка, осуществляемый в минутные и даже секундные интервалы времени, во мно­гих деталях остается нерасшифрованным, хотя общий план его ясен. Открыто много индивидуальных белков и выяснено, что они участвуют во взаимоузнавании ком­понентов синтеза, в сигнализации начала, продолжения и прекращения синтеза. В то же время механизм осу­ществляемых этими белками функций остается загадоч­ным и требует дальнейших исследований. Все рассказан­ное относится главным образом к синтезу белка у про­кариотов.

Возвращаясь к вопросу о наследственности процес­сов, связанных с биосинтезом белка, можно сформули­ровать следующее положение: характерная структура ДНК предопределяет структуру мРНК, последователь­ность триплетов нуклеотидов в мРНК предопределяет первичную структуру синтезируемого белка. Итак, по­следовательность «ДНК — мРНК — белок» — это основ­ная догма молекулярной биологии. Однако сравнитель­но недавно выяснилось, что под влиянием фермента об­ратной транскриптазы может происходить формирова­ние ДНК на используемой в качестве матрицы РНК. Если учесть, что матричную РНК, кодирующую синтез определенного белка, можно выделить, то использование ее как матрицы для синтеза ДНК равносильно полу­чению гена заданного типа, предопределяющего своей структурой качество синтезируемого белка. Эта пробле­ма активно разрабатывалась в ряде научно-исследова­тельских учреждений нашей страны совместно с некото­рыми институтами ГДР и ЧССР и завершилась присуж­дением Государственной премии за эти исследования большому коллективу научных работников во главе о академиком В. А. Энгельгардтом.

Нельзя не упомянуть о крупных успехах, достигну­тых в биосинтезе нуклеотидов различной сложности, а также о лабораторных синтезах нуклеиновых кислот с заданной последовательностью нуклеотидов.

Как известно, последовательность нуклеотидов во многих РНК установлена. Первичной структуре тРНК придают обычно форму клеверного листа. Выяснена так­же и пространственная структура тРНК фенилаланила, У нас вклад в эту область исследований внесен акаде-миком А. А. Баевым, которому удалось выяснить после­довательность нуклеотидов в двух валииовых тРНК. Им разработан также метод химического разрезания тРНК на части, позволяющий локализовать в молекуле отдель­ные функциональные группы и оценить их роль в реак­циях, характерных для тРНК. В настоящее время в не­скольких зарубежных лабораториях и у «ас разрабаты­ваются проблемы искусственного синтеза ДНК и РНК с заранее заданной последовательностью нуклеотидов. Это большая и сложная задача. Ее решение будет иметь серьезное практическое значение.

Исследования, о которых я говорил до сих пор, при­нято относить к молекулярной биологии, так как они ка­саются информационной функции нуклеиновых кислот и реализации этой функции в специфическом биосинтезе белков. Нарушение или выпадение любого звена, уча­ствующего в биосинтезе белков, неизбежно приведет к патологическому состоянию организма. Ввиду исключи­тельного разнообразия функций белков — ферментатив­ных, рецепторных, транспортных, сократительных, им­мунных и т. д. — проявления патологии могут быть так­же весьма различными. Даже при нарушении образо­вания только одного белка-фермента, например участ­вующего в биосинтезе кофермента, необходимого многим дегидрогеназам, наблюдаются весьма сложные патоло­гические проявления.

Небезынтересно, что как в прошлом, так и в настоя­щее время анализ дефекта обмена веществ нередко приводил к открытию ранее не известных ферментов и катализируемых ими реакций. Так было, например, с болезнью Рифсама, описанной в начале 60-х годов на­шего столетия. Это тяжелое наследственное заболева­ние нервной системы приводит к расстройству мотори­ки, заключающемуся в нарушении координации движе­ний. Оказалось, что это заболевание связано с наруше­нием а-окисления жирных кислот. Такой путь превра­щений у млекопитающих и человека ранее не был известен; его анализ привел к описанию новых ферментов и промежуточных продуктов обмена веществ.

Понятно, насколько важно знать механизм и после­довательность протекающих в организме реакций, чтобы иметь возможность выявить нарушенное звено в их те­чении и целенаправленным воздействием устранить де­фект.

В организме белки и нуклеиновые кислоты широко образуют комплексы не только между собой, но и с дру­гими веществами — липидами, углеводами, минераль­ными веществами, входя в состав физиологических жид­костей и клеточных структур. В расшифровке строения и функций этих соединений также достигнуты крупные успехи. Выяснены все этапы, которые проходит биосин­тез холестерина из ацетил-КоА, осуществляющийся с использованием обоих углеродных атомов ацетильного остатка. Установлены пути последующего образования из холестерина стероидных гормонов и желчных кислот. Проанализирована роль липидов в построении мембран. Достаточно изучены пути синтеза жирных кислот и сложных липидов, а также роль липидов и углеводов как источников энергии, потребляемой организмом.

Как в простых, так и в более сложных многоклеточ­ных, организмах процессы обмена веществ и энергии, синтеза и распада, развития и деградации протекают закономерно и слаженно. Причина упорядоченности хи­мических реакций, протекающих в организме, лежит в строгой и многосторонней их регуляции. Системы регу­ляции исключительно разнообразны и относятся к раз­личным уровням — от влияния центральной нервной си­стемы на процессы обмена веществ до изменений в про­ницаемости клеточных мембран или в молекулярной структуре ферментов. Для иллюстрации этих положений сошлемся на исследования по проблеме свертывания крови, проведенные Б. А. Кудряшовым в МГУ на здоро­вых молодых людях — студентах.

Оказалось, что после первого экзамена в зимнюю сессию у них наблюдается задержка, а после последнего экзамена в конце учебного года — явное ускорение в образовании сгустка. Б. А. Кудряшов приходит к вы­воду, что длительное систематическое эмоциональное напряжение приводит в конце года к истощению систе­мы, обеспечивающей защиту от гиперкоагуляции, т. е. от повышенной свертываемости крови. Для центральной нервной системы обязательна смена деятельного состоя­ния и покоя. Оказывается, от этого зависит содержание РНК и белковых компонентов мозга.

Часто, однако, влияние нервной системы на процес­сы тканевого обмена веществ осуществляется посред­ством гормональных факторов — мощных регуляторов биосинтеза, активации и ингибирования ферментов. Осо­бенно подробно было исследовано влияние кортикостероидов — кортизона и гидрокортизона — на ферменты, специфически обусловливающие превращение аминокис­лот триптофана и тирозина. Активность этих ферментов в печени животных после введения гормонов повыша­лась примерно в 10 раз.

По мнению Р. И. Салганика (СО АН СССР), в кле­точном ядре представлены различные гены, программи­рующие образование как обычных ферментов, так и не­устойчивых изоформ тех же ферментов, однако появля­ющихся в клетках лишь в особых, напряженных, так сказать, авральных, условиях. Например, из четырех изоформ гексокиназы лишь одна, по мнению Р. И. Сал­ганика, нарастает под влиянием инсулина. Эта форма неустойчива в отношении к протеолизу и быстро исче­зает при прекращении авральной ситуации и возвраще­нии клетки к нормальной жизни.

Мы очень бегло рассмотрели некоторые вопросы, ка­сающиеся материального субстрата процессов жизне­деятельности и регуляции обмена веществ. Но даже та­кой фрагментарный обзор свидетельствует, что за по­следние десятилетия произошли коренные изменения на­ших представлений в этих областях физико-химической биологии. Вместе с тем становится все более очевидным, что решение одного вопроса вызывает постановку но­вых задач, требующих новых экспериментальных иссле­дований, а иногда и принципиально новых методических подходов. Впрочем, это не вызывает у нас удивления, так как хорошо известно, что развитие науки беспре­дельно. Человек все ближе подходит в овладению тай­нами живой природы. На наших глазах новые, ранее не познанные ее области становятся подвластными разуму, и воле человека. Дело его чести и благоразумия исполь­зовать свои знания и способности для обеспечения мира, здоровья, благосостояния и счастья людей.