Блистающий світ білків і пептидів

Блистающий світ білків і пептидов

А.А. Замятнин, докт. биол. наук, Институт біохімії їм. О. Н. Баха РАН Среди безлічі речовин, які у живий організм, особливу увагу займають білки. Їх частка від сухий маси клітин ссавців становить 60% - більше, ніж для решти разом узятих хімічних сполук, і майже п’ята частина від загальної маси цих клітин. Кожен із сотень тисяч різних білків має унікальної хімічної промисловості та просторової структурою, які визначають його специфічні функции.

Систематическое дослідження структури та функцій численних білків та його природних фрагментів — олигопептидов — почалася в другої половини XX в. і продовжує бурхливо розвиватися. Щороку публікується кілька десятків тисяч наукових робіт, присвячених білковим речовин, багато тисяч учених із більш ніж 50 країн щодня працюють над цією проблемою. Останніми роками сформувалася спеціальні наука протеоміка, присвячена саме білкам. Не перестаєш захоплюватися різноманіттю нових і нових хімічних, структурних і функціональних форм білків, їх взаємозв'язки у виконанні життєво важливих процесів, труднощі й одночасно простоту всього цього, і навіть красі як окремих молекул, і процесів з участю. Бєлки і пептиди представляють собою надзвичайний і унікальний світ, вивчення якого треба залучення знань всіх природних, але тільки природних, наук. Саме з позицій різних наук і будь-яких професій ми бачимо спробуємо зазирнути в блискучий світ людського знания.

Философия

На білки філософи звернув увагу відразу після того, якою була вияснена їх поширеність на живу природі й розмаїття функцій. І це не дивно, оскільки з одного з визначень філософія — це наука про загальних законах розвитку природи, нашого суспільства та мышления.

Широкое поширення одержало визначення життя, дане Ф. Енгельсом у його праці «Анти-Дюринг», вперше повністю опублікованій у 1878 р. Зазвичай цитують лише першу частину цього визначення. Наведемо його дії повністю: «Життя є спосіб існування білкових тіл, і це спосіб існування полягає по своєму суті на постійному самообновлении хімічних складових частин цих тіл». Нині, коли про життєво важливих речовинах і процесах відомо набагато більше, таке визначення неспроможна б викликати відчуття неповноти і обмеженості. Але й сам автор визначення усвідомлював цього вразливість, написавши у тій книзі на дві сторінки нижче: «Наше визначення життя, зрозуміло, дуже недостатньо, оскільки він далеке від здобуття права охопити все явища життя, а, навпаки, обмежується найзагальнішими і найпростішими серед них…».

По-видимому, Ф. Енгельс був із великих філософів, які відзначили важливість білків в життєдіяльності організмів. В міру накопичення нових біологічних знань цю тему постійно залишається обговорення й гострих суперечок. Наприклад, в 1969 р. авторові цих рядків випало бути свідком дискусії між двома поважними академіками — В. А. Энгельгардтом (1894−1984) і М. Н. Ливановым (1907−1986) у тому, які речовини — білки чи нуклеїнові кислоти — визначальні у процесах пам’яті. Біохімік і фізіолог торкнулися як біологічну, а й філософську тему, оскільки пам’ять є невід'ємною частиною людського мислення, а мислення, як зазначалося, — одне з філософських проблем, з яких складається визначення як науки.

Очевидно, що це глибше філософське усвідомлення сутності живої і ролі білків в життєдіяльності відбуватиметься надалі, але цього необхідно вичерпно уявляти собі всю проблему білків і пептидів, починаючи з її основ, які ми бачимо маємо намір обсудить.

Химия

Часто кажуть, що білки складаються (утворені) з амінокислот. Попри те що що є сенс цього твердження простий і чим зрозумілий, хімік може відзначити, що його некоректно. Почему?

Да, справді, освіти білків беруть участь амінокислоти. Проте за поєднанні друг з одним вони перестають бути такими із хімічною погляду. Розглянемо це процес більш детально.

В живих організмах відкрито кілька сотень різних амінокислотних структур, і усі вони може бути охарактеризовані однієї загальної хімічної формулою у двох вариантах:

.

Во всіх амінокислотах є аминная -NH3+ (N-конец) і карбоксильная -COO- (С-конец) групи, які визначають відповідно основні кислотні прояви цих речовин, у результаті вони мають амфотерными (як лужними, і кислотними) свойствами.

Из наведених формул також видно, всі ці речовини різняться лише радикалами R. У освіті білків бере участь 20 про стандартних амінокислот, тобто. 20 різних радикалів R (табл. 1). Не обговорюючи докладно хімічні особливості кожного радикала, зазначаючи її лише різними числовими індексами і (R і), подивимося, що з амінокислотами після сполуки друг з другом.

Следующая формула характеризує речовина (трипептид) — результат сполуки трьох амінокислот (в розчині):

.

Присоединение 1-ї амінокислоти до 2-ї і 2-ї до 3-й супроводжується сумарним отщеплением двох молекул води із заснуванням зв’язків CO-NH, виділених у формулі жирним шрифтом. Ця зв’язок є ковалентної (сильної), називається пептидной, і її назва послужило підвалинами здобуття права все речовини, влаштовані таким чином, називати пептидами (білки теж є пептидами) незалежно від цього, скільки амінокислот брало участь у їх образовании.

Таким чином, від початку другої амінокислоти, яка характеризується радикалом R2, залишився лише фрагмент:

.

Он називається аминокислотным залишком. Усі амінокислотні залишки, розташовані не так на кінцях великий пептидной ланцюга, характеризуються даної формулою, а кінцеві, очевидно, також зовсім амінокислоти, а залишки, хоч трохи інші. З погляду хіміка коректно говорити, що білки складаються з амінокислот, та якщо з амінокислотних залишків. Тому загальна хімічна формула будь-якого білка (пептида), що складається з n амінокислотних залишків, мусить бути записана как:

.

Приведенная формула свідчить у тому, що у найпростішої записи будь-який білок представляє собою лінійну послідовність амінокислотних залишків, яка має остов (хіба що скелет) з регулярно повторюваної послідовністю радикалів -NH-CH-CO- і виступаючі від цього остова бічні радикали. Така запис характеризує первинну структуру белка.

Последовательность амінокислотних залишків прийнято розглядати щодо одного певному напрямку — від Nдо С-концу. У зв’язку з розшифровуванням величезної кількості природних амінокислотних послідовностей, соціальній та цілях економії місця та ресурсів обчислювальної техніки нині прийнято користуватися однобуквенной (латинської) записом амінокислотних залишків (однобуквенный амінокислотний код). У табл. 1 наведено як узвичаєні позначення амінокислотних залишків, але й показано, які суттєві фізико-хімічні особливості їх відрізняють. Розмаїття цих властивостей є основою здібності кожної індивідуальної амінокислотною послідовності приймати свою, унікальну просторову конфігурацію, і такий самий, як і амінокислоти, практично завжди бути амфотерным веществом.

Рассмотрение білків і пептидів з позицій хімії буде неповним, а то й відзначити, що іноді після синтезу білка на рибосоме (трансляції) відбувається хімічна модифікація деяких амінокислотних залишків (посттрансляционная модифікація). Через війну, наприклад, залишки пролина і лізину можуть перетворюватися на залишки оксипролина і оксилизина, до тирозильному залишку часом приєднується сульфатна група тощо. Цей процес відбувається призводить до того, що у організмі одночасно співіснують білки чи пептиди з модифікованими і немодифікованими залишками. Так, пептид гастрин то, можливо сульфатирован і несульфатирован однієї зі залишків тирозина, І що дуже важливо у прояві фізіологічних функцій, сульфатированный гастрин більш активен.

Русский, English, Deutsch…

Слово білок з’явилося російській мові задовго перед тим, якою була вияснена хімічна природа цієї речовини. Цей термін є похідне від прикметника «білий» і є характеристикою відмінностей різних за кольором основних компонентів курячого яйця (білка і жовтка). Синонімом білка є слово «протеїн» (анг. protein), що використовується в усій наукової (і тільки науковою) літератури і походить від слова prwto — прото (перший, головний, найважливіший), ніж із давнини підкреслювалася його виняткова роль. А латинське слово білок — albumen (чи albuminis), альбумін використовується для цілої групи віддавна відомих белков.

Другое ключовим словом — пептид — походить від пепто (варити, перетравлювати) б і відбиває процес розщеплення довгих білкових молекул, у результаті утворюються короткі фрагменти. Проте, як було відзначено, з позицій хімії, пептидами є всі білки. Тож поділу коротких і довгих пептидних ланцюгів як приставок використовуються дві інші грецьких слова: Хligoj -олігос (деякий, малий) і префікс polЪ — поли- (багато, багато). У результаті олигопептидами (чи часто для стислості - пептидами) називають порівняно короткі амінокислотні послідовності, а полипептидами (білками) — довгі. Надалі ми часто користуватимемося термінами білок і пептид, враховуючи вказане различие.

Названия білків і пептидів дуже різноманітні. Спочатку вони давалися тоді, якщо їх хімічна (первинна) структура була невідома. Цілим групам білків присвоювалися назви виходячи з того, як вони розчиняються у питній воді, в розчинах нейтральних солей, лугах, кислотах і органічних розчинниках (наприклад, протамины). Але потім найбільше назв конкретних речовин пептидной природи стало даватися під назвою органу, рядна або цілого тваринного, із якого вони виділили, і з функцій, що вони осуществляют.

.

Первый олигопептид було отримано з м’ясного фаршу і тому названо карнозином (від латів. carnis — м’ясо), назва однієї з основних білків м’яса — миозин — походить від відповідного грецького слова м’яз (mаj — миос), а цілу групу білків гистонов отримав назву від грецького слова (istТ — хистос), характеризуючого поняття тканину. Приклади використання назви тваринного служить ксенопсин, виділений із африканського гладкою шпорцевой жаби Xenopus laevis. Функціональні властивості олигопептидов відбиті, наприклад, в назвах брадикининов і тахикининов, викликають, зокрема, ослаблення (брадикардию) і посилення (тахікардія) серцевої діяльності. Деякі назви бережуть у собі назву пункту, де було відкриті: ригин — м. Рига (Латвія), а тафтцин — в Тафтском університеті (США). Можна довго розповідати цей бік предмета, позаяк кількість таких прикладів обчислюється тисячами. Проте надамо це заняття професійним історикам науки для всебічного й повного дослідження, тим більше такі вже ведуться. Наведемо лише одне пример.

В 30-ті рр. минулого століття Німеччини з сироватки крові коня виділили речовина, якому дали назва субстанція P (P — латинське). Тоді ще вміли визначати хімічну структуру досить великих пептидів, однак було ясно, що з'єднання належить до цього класу речовин. Через багато роки, коли автора роботи не було серед живих, постало питання: а чому речовина названо у такий спосіб? У результаті виникло три гіпотези, жодна у тому числі до цього часу однозначно не обгрунтована. Перша їх очевидна — отримано білок, й у назві використана першу букву від англійського слова protein. Друга полягає в тому, що речовину було виготовлено отримано як порошку, але це англійське слово (pouder) також починається з літери «P». І, нарешті, третя адресована рідної мови автора, цією мовою (німецькому) тварина, з яких виділено речовина (кінь), пишеться як das Pferd.

Белки і пептиди вивчають хіба що в усіх країнах, а наукових публікаціях з цього тему використовуються мови багатьох народів світу. Коли на початку історії вивчення цих речовин більшість наукових робіт вважалося престижним писати на французькому чи німецькому, то приблизно від середини уже минулого століття стало традицією публікувати роботи з новими принциповими результатами поруч із рідною мовою ще й на английском.

Элементарная математика і информатика

Удивительная простота початкової (первинної) структури білків і олигопептидов дозволяє провести простий математичний аналіз всієї сукупності цих речовин. Спочатку запитаємо себе: скільки існує різних лінійних послідовностей, в написанні яких можна використовувати 20 стандартних амінокислотних залишків? Якщо за N позначити число можливих послідовностей, а ще через n — кількість амінокислотних залишків в молекулі, то у відповідь поставлений питання дасть найпростіша алгебраїчна формула, враховує всіх можливих повтори амінокислотних залишків лише у структуре:

N = 20n.

Из цієї формули слід, що максимальну кількість різних дипептидов (n = 2) одно 400, трипептидов (n = 3) — 8000, тетрапептидов (n = 4) — 160 000 тощо. Як бачимо (див. табл. 2), число N дуже зростає зі збільшенням n.

.

Тогда постає інше запитання: а які можливості живого організму вміщати у собі цю інформацію? Первинна інформація міститься у нуклеотидної послідовності, і вона і дуже великий, проте не безмежна. У табл. 3 представлені числа азотистих підстав сумарною ДНК якщо представники різних царств живої природи. Перше, потім звертаєш увагу, те, що загальна їхня число варіює на вельми межах і їх може становити від 107 (деякі бактерії і гриби) до 1011 (представники рослин i риб). У цьому зауважимо, що цар природи людина це не чемпіоном серед інших представників живої природи, вдовольняючись лише приблизно одним мільярдом азотистих підстав. Для нас це. Виявляється, найбільший геном неспроможна вмістити інформацію навіть про всіх можливих декапептидах (n = 10) за її послідовному расположении.

Действительно, при n = 10:

N = 6,7×1011.

Eсли зважити на те, що з записи одного аминокислотного залишку потрібно 3 азотистих основи, а що коли частина геному, шифрующая амінокислотні послідовності, становить лише кілька відсотків з його загального розміру, виходить, що найбільший геном здатний вмістити інформацію про послідовності, яка перебуває лише з 109 амінокислотних залишків. Отже, у ньому може утримуватися інформація менш як про 1% всіх можливих декапептидов. Адже відомі білки, містять понад п’ять тис. амінокислотних залишків!

.

Отсюда напрошується висновок у тому, що у природі зустрічаються далеко ще не все лінійні комбінації амінокислотних залишків. Про це свідчить комп’ютерним аналізом народження різних лінійних комбінацій амінокислотних залишків переважають у всіх розшифрованих білках і пептидах (100 тис.). Отримані результати наведені у табл. 2, дані якої свідчать, у разі вже октапептидов (N = 8) зустрічається лише близько 0,001% можливих лінійних комбінацій амінокислотних остатков.

А чи здатна математика з відповіддю, вирішене лінгвістикою: чи можна дати суворе визначення різниці між малими великими пептидами (олигопептидами і полипептидами)?

Попробуем нею відповісти, користуючись міркуваннями нашого співвітчизника математика Андрію Миколайовичу Колмогорова (1903−1987), про малих (P.S) і великих (G) числах, свідком яких був на семінарі у МДУ в 1958 р. Колмогоров розмірковував приблизно таке. Числа перебувають у визначеною системою числення. Система числення, яку має переважна більшість людства, визначається величиною m = 10. Тоді, у цієї десяткової системи малими числами будуть такі, які задовольняють умові m > P. S > m, а великі - G >> m. Інакше кажучи, малі числа усе своєю чергою величини можна з величиною підстави системи числення, а великі - в багато разів її больше.

К олигопептидам і білкам ці міркування можна застосувати в такий спосіб. Вкотре відзначимо те, що ці речовини формуються з 20-ти різних амінокислотних залишків, а які зазвичай використовуються числа утворюються з десяти різних цифр. Отже, аналогом числової системи числення у разі є аминокислотная система числення, що характеризується величиною 20, і тоді малими (олигопептидами) вважатимуться такі, які містять менше, або близько 25 амінокислотних залишків (20 > n > 20), а великі - які мають їх значно більше 20, (n >> 20). Цей критерій є визначальним суто математичним, але, проте, його побачити й у фізичних, й у біологічних властивості олигопептидов і білків. Але звідси йтиметься у наступних разделах.

Физика

Ключевыми у фізиці є поняття: взаємодії, енергія і ентропія (ентропія — міра невпорядкованості, відповідно, негативна ентропія — міра упорядкованості). При фізичному погляді поширювати на світ білків і олигопептидов такі поняття ще дуже корисні. Молекули цих речовин здійснюють взаємодії і в середині себе, і з зовнішніми молекулами. Ці взаємодії спрямовані на придбання окремими молекулами чи молекулярними комплексами певної просторової форми (конфігурації чи конформації), що у конкретних умовах призводить до досягненню мінімально можливої енергії при даної ступеня невпорядкованості. А розмаїття можливих амінокислотних послідовностей є основою незмірно більшого різноманіття їх можливих просторових (не лінійних) конфигураций.

Как порівняно просто влаштована ДНК! Для виявлення загальної конфігурації її подвійний спіралі на початку 1950;х рр. уже минулого століття Вотсону і Крику, любили обговорювати наукових проблем за кави, знадобилося випити небагато літрів цього тонізуючого напою, щоб зрозуміти принципах організації. Так ж небагато часу (лише кілька) знадобилося те що, щоб у 1960;х рр. описати, як послідовність азотистих підстав ДНК і РНК транслюється (перекладається) мовою амінокислотних залишків. Здається, ще небагато (скажімо, трохи більше 10 років), і спільні принципів формування просторової структури білків знайдуть! Проблема отримав назву проблеми фолдинга (від анг. fold — складати). Однак. Минуло от уже майже 40 років від початку експериментального отримання просторових структур білків, а таємниця доки розкрито. Тисячі учених різних фахів, у протягом цього часу (деякі - все своє творче життя) намагалися створити універсальний метод побудови просторової структури білків по амінокислотною послідовності (як це робиться у природі), але нікому цю проблему зірвалася вирішити нам навіть одній дуже протяжної структури. Почему?

В на відміну від ДНК чи РНК, складених лише з 4 стандартних азотистих підстав, білки включають 20 стандартних амінокислотних залишків. Це призводить до того що, що кількість можливих взаємодій пар залишків (як сусідніх, так віддалених) виявляється понад більше, ніж для пар азотистих підстав. На просторі можуть взаємодіяти одночасно не 2, причому більше залишків, у результаті число можливих взаємодіючих одиниць набагато порядків більше. Важливим і те, що все остов транслированной пептидной ланцюга є міцним, оскільки його елементи, зокрема й пептидную зв’язок, об'єднані сильними хімічними (ковалентными) зв’язками. Хімічна зв’язок між віддаленими аминокислотными залишками буває, зазвичай, лише одну типу в разі, коли два залишку цистеина утворюють дисульфидную зв’язок (S-S зв’язок, чи S-S місток). Це значно зменшує число можливих конфігурацій. Але й за наявності S-S зв’язків у протяжних полипептидов залишається багато ступенів свободи для освіти різних конфігурацій, та, крім того, є чимало білків, у яких залишки цистеина отсутствуют.

Следует враховуватиме й те, що характер взаємодій цих зближених амінокислотних залишків різний, оскільки одні є зарядженими, що зумовлює електростатичному взаємодії, інші (полярні) можуть брати участь в дипольных і ще складніші взаємодію. Сблизившимся пласким циклічним групам задля досягнення мінімальної енергії вигідно зайняти плоско-параллельное становище, і усе веде до стэкинг (стопочному)-взаимодействию, а неполярным (гидрофобным) групам з тієї ж міркувань вигідно вийти з полярного оточення (водного середовища), зблизитися і об'єднатися друг з одним (гидрофобные взаємодії).

Все ці взаємодії набагато слабша від ковалентних зв’язків. А існують водневі зв’язку, енергія яких мала, але за великому тому числі можуть кардинально змінити загальну конфігурацію молекули і додати їй просторово регулярну форму вторинної структури (спіралі, шару, шпильки). Через війну всіх типів слабких взаємодій в білках можуть формуватися найскладніші просторові освіти (третинна структура). На рис. 1 наведено приклад такої третинної структури сироваткового альбуміну бика, що складається з 607 амінокислотних залишків (без цистеинов, тобто. без S-S-связей), і отриманого результаті застосування найскладнішого експериментального фізичного методу, званого рентгеноструктурним аналізом. Але ця молекули помітні і спіралі, і зближення цих спіралей, і групи різних субмолекулярных утворень (доменів), і сполучні ділянки. Така компактна молекула має форму глобулы (від латів. globules — кулька) і тому називається глобулярной структурою.

.

Рис. 1. Третинна (просторова) структура сироваткового альбуміну, який перебуває з 607 амінокислотних остатков Существуют також фибриллярные білки (від латів. fibra — волокно), які сильно витягнуті (наприклад, м’язовий білок миозин).

Но як не складна показана малюнку просторова структура, вона не найскладніша. Можна уявити, скільки додаткових проблем для теоретичного (і експериментального) аналізу виникає під час розгляду не однієї, а двох чи більше взаємодіючих білкових молекул (четвертичная структура).

Казалось б, у разі олигопептидов має бути простіше й доступнішими для аналізу (і теоретичного, і експериментального). Але це негаразд. І тут підійшли до обіцяному фізичному визначенню різницю між полиі олигопептидами.

Связи між аминокислотными залишками (крім ковалентних) по енергії багато менше хімічних, відбивають сутність фізичних процесів і тому називаються фізичними (загалом сенсі вони вже не є зв’язками, а взаємодіями).

Каждое окреме з цих взаємодій є неміцним, може утворюватися і розпадатися, тобто. характеризуватися якимось часом існування. Проте за збільшенні довжини пептидной ланцюга число таких одночасних взаємодій зростає, і з найбільшим досягненням деякою довжини їх сумарне дію призводить до з того що молекула приймає дедалі більше стабільну конфигурацию.

Из термодинамічних досліджень слід, що ця довжина становить близько 50 амінокислотних залишків і може бути меншою чи більше коштів у залежність від конкретної амінокислотною послідовності, тобто. від присутності і розташування різних взаємодіючих элементов.

Таким чином, фізичні дані узгоджуються з тими, хто був нами отримані з математичних міркувань, позаяк кількість 50 є величиною тієї самої порядку, як і 20, характеризує «аминокислотную систему числення». Тому олигопептиды — речовини із кількістю амінокислотних залишків порядку 50, а й у полипептидов (білків) їх кількість значно більше 50.

Итак, позаяк кількість амінокислотних залишків у олигопептидов мало, отже, і внутримолекулярных взаємодій вони мають достатньо для освіти стабільної просторової структури, їх конфігурація постійно змінюється в масштабах часу мікросвіту (у нашій часовому масштабі їх можна порівняти з извивающимся черв’яком, выползшим на поверхню вже під час сильного дощу).

Одним із наслідків таких постійних і швидких змін і те, що з цих молекул важко (чи неможливе) отримати кристали і як наслідок досліджувати з допомогою рентгеноструктурного аналізу. Щоправда, є ще один потужний метод (ядерний магнітний резонанс, ЯМР), з допомогою якого вдасться одержати цілі набори конфігурацій. Проте й цьому методі потрібно використання сильно концентрованих розчинів пептидів, у системі вже здійснюватися межмолекулярное взаємодія однакових молекул пептидів друг з одним, що впливає получающийся результат і фіксує конфігурацію (конформацию) як окремої, а й яка взаємодіє коїться з іншими пептидной молекулы.

.

Рис. 2. Можливі просторові структруры мет-энкефалина з амінокислотною послідовністю YGGFM. Пунктиром відзначені водневі связи На рис. 2 показані 4 можливі структури природного пептидного опиоида энкефалина, що складається з 5 амінокислотних залишків. Наскільки вони різні! Перша (розгорнута) з великими труднощами отримали з допомогою рентгеноструктурного аналізу. Три інші розраховані із застосуванням спеціальних методів комп’ютерного моделювання, у результаті отримані структури, містять від однієї до трьох внутримолекулярных водневих зв’язків і й дуже різняться по конфігурації. Дещиця молекули олигопептида дозволяє їй у живий організм переміщатися досить великі відстані, а висока внутримолекулярная рухливість — набувати форми, необхідну успішного стосунків з багатьма речовинами, зокрема і з великими білками (наприклад, з рецепторами).

Биология

Многообразие структурних форм білків і олигопептидов є основою різноманіття їх біологічних функцій. Це розмаїття обумовлює те, що єдиної й суворої класифікації речовин пептидной природи немає, і що існують сумніви щодо тому, таку класифікацію найближчим часом можна створити. Тому можна лише брутально й далеко неповно охарактеризувати лише частина структурно-функціональних груп білків, як і представлено в табл. 4.

.

Функциональные властивості білків вивчаються вже досить давно, ще й до того часу, коли навчилися визначати їх аминокислотную послідовність. Чимало з цих властивостей широковідомі, зокрема увійшли до шкільні підручники. Тож нас здається доцільним докладніше охарактеризувати біологічні властивості олигопептидов, які почали вивчати порівняно недавно. На відношенні білків відзначимо лише один, але принципову особливість.

В табл. 4 серед інших наведено приклади білків, які називаються складними і є комплекси білка з молекулами непептидного типу (наприклад, гемоглобін містить залізо, а казеїн — фосфорну кислоту). Проте білки можуть об'єднуватися і з складнішими речовинами, створюючи гликопротеины, є обов’язковим компонентом клітинних поверхонь і внеклеточных опорних систем, чи липопротеины, здійснюють обмін липидами між печінкою та інші органами.

Для олигопептидов (табл. 5) також фактично немає суворої структурно-функциональной класифікації. На цей час розшифровано понад 4 тис. різних амінокислотних послідовностей цих речовин, виділених з тварин, рослин, грибів, бактерій і вірусів. Більшість їх за своїми фізіологічним функцій належать до регуляторним речовин, бере участі у регуляції всіх основних регуляторних систем організму — нервової, ендокринної і імунної. Відповідно до цим вони й називаються нейропептидами, олигопептидными гормонами і иммуномодуляторами. З іншого боку, ряд олигопептидов розглядається як медіатори, прямо що у синаптичної передачі (нейропептиды), і модулятори, здійснюють регуляцію опосередковано (зокрема гормони). Значна кількість олигопептидов виконує також захисні функції, представляючи собою олигопептидные токсини.

.

Нетрудно помітити, що коли частина функціональних властивостей олигопептидов перекривається з функціями білків (наприклад, гормональні). Проте, як вже зазначалося, з різною рухливості цілої молекули і його частин (конформационной рухливості) механізми дії олигопептидных і білкових молекул разные.

Известны також приклади цілком дивних явищ і процесів, які з участю природних олигопептидов. Наведемо лише окремі з них.

Все знають про антибіотиках як про Особливе класі специфічних речовин, здатних придушувати діяльність мікроорганізмів (чи грибів) і що використовуються у ролі лікарських засобів. Раніше ці речовини розглядалися як чужорідні людини й більшості тварин. Проте останні через два десятиліття з’ясувалося, що з ссавців (зокрема й у нейтрофилах крові людини), в шкірі амфібій (наприклад, жаб) в гемолимфе багатьох комах, в отруті низки рептилій (наприклад, змій) утворюються власні антибіотики олигопептидной природи, які мають антибактеріальної активністю. Отже, ці речовини можна розглядати як іще одна компонент імунної регуляции.

Также всім добре відомий функціональний клас наркотичних речовин. У тому числі - опій, являє собою висохлий розчинник з надрізів на незрілих коробочках опійного маку. У ньому є близько 20 різних алкалоїдів, з яких морфін є основним в наркотичному дії людська організм. На 1975 р. групою англійських учених було знайдено, що у мозку бика (і оздоровлення людини) присутні свої власні речовини (энкефалины), які мають морфиноподобным дією. Понад те, природні фрагменти білків молока і м’яса (казеїну і гемоглобіну) також мають цією властивістю, у результаті вони отримали назви казоморфинов і геморфинов. Цікаво, як і їх фізіологічна роль? Усі знають, що немовлята, які харчуються в основному молоком матері, більшу частину свого початковій життя проводять уві сні. Не ці чи речовини є причиною такої поведения?

Коснувшись проблеми сну, слід зазначити і виявлення олигопептида з дуже складно назвою — пептид, викликає дельта-сон. У цьому вся назві, власне, і описана функція, яка приписується.

Какая лише регуляція стоїть з участю природних олигопептидов! Наприклад, в 1981 р. німецькі вчені Г. Шаллер і Г. Боденмюллер виявили, що з кишечнополостных (гідри і медузи) утворюється спеціальний олигопептид, який складається з одинадцяти амінокислотних залишків і що у морфогенезе. Знадобилося 10 років для культивування гідр, щоб отримати 3 кг необхідного матеріалу для екстракції і виділити всього 0,5 мкг чистого олигопептида визначення амінокислотною послідовності. Але ці гігантські зусилля винагороджені. Вперше засвідчили, який отримав олигопептид здатний викликати стимуляцію зростання голови тваринного. Але найдивніше те, що через 3 року цими самими вченими такий самий олигопептид виявили й у крові человека!

По-видимому, олигопептиды беруть участь хіба що переважають у всіх фізіологічних процесах. У травної системі багатьох організмів співіснують олигопептиды протилежного дії - викликають відчуття голоду (гастрины) і ситості (холецистокинины). У комах під час польоту використовуються олигопептиды, що у утилізації жировій тканини виділення енергії, затрачиваемой на рух крыльев.

Многие тварини продукують олигопептидные феромоны, які залучають особин протилежної статі. Нарешті, багато олигопептиды беруть участь у смакову сприйнятті. Окремі на смак гіркі, інші - солодкі. Є й такі, солодкість що у тисячі разів вища, ніж в звичайного цукру. А одне із олигопептидов, виділений з смаженою яловичини, отримав назву делікатесного на власний вкус.

Перечисление функціональних (біологічних) властивостей природних олигопептидов можна було б продовжувати тривалий час. Та загалом вже має бути зрозуміло, що олигопептиды в біології існують скрізь та його фізіологічне дію практично безгранично.

Здоровье

Очевидно, що набір білків і олигопептидов у здорового організму може бути цілком певним. Відхилення від норми можуть спричинить захворювань, часом тяжким.

Одним з цих захворювань є серповидноклеточная анемія, поширене у кількох областях Африки, Індії, у деяких середземноморських країн і серед негритянського населення Північної Америки. У хворих на цю хворобу періодично (частіше під впливом фізичної навантаження) виникають напади різкій слабкості, нудоти і задишки. Зовнішня причина — у незвичайно велику кількість незрілих еритроцитів і еритроцитів, мають форму тонкого серпа, що стало основою такого назви цієї хвороби. Проте й глибше пояснення. Виявилося, що нормальні еритроцити містять нормальний гемоглобін А, а серповидноклеточные — аномальний гемоглобін P. S. З’ясувалося, що ці дві білка відрізняються всього одним аминокислотным залишком — внаслідок мутації в аномальном гемоглобіні замість залишку глутаминовой кислоти (E, табл. 1) на належному місці стоїть залишок валина (V). Заміна лише залишку і призводить до цьому тяжкої захворювання.

Обратившись до табл. 1, помітні, що це залишки несуть принципово різні бічні радикали, й у мутантном гемоглобіні здійснюється заміна зарядженого (негативно) радикала на гидрофобный.

В результаті такої гемоглобін складається у іншу просторову конфігурацію, й трапляються наступні зміни як у клітинному рівні, і лише на рівні цілого организма.

Другой приклад належить до онкології. Людина, хворого однією з видів легеневої карциноми, виявляють олигопептиды, яких в здорового організму немає. Ці олигопептиды — бомбезин і физалаэмин — гаразд зустрічаються в європейської (Bombina bombina) і південноамериканської (Physalaemus fuseumaculatus) жаб. У тому випадку мутацій був. У процесі розпочатого канцерогенезу в людини стали экспрессироваться (інакше кажучи, працювати) раніше «молчавшие» гени, в результаті чого став і утворилися олигопептиды, інформацію про яких зберігалася й у здоровому організмі.

К проблеми здоров’я належить і і те, наскільки свіжу (незіпсовану) їжу ми споживаємо. При зберіганні відкритих продуктів надворі у яких поселяються різні патогенні мікроорганізми, і за досягненні деякого рівня половини їхньої змісту їжа може бути небезпечну здоров’я. Тоді ж не додавати до цих продуктам природні (людські) антибактеріальні олигопептиды? Це безпечно в людини і дозволяє довше зберігати їжу при тому, що ці речовини будуть хоч і невеликим, але й харчовим компонентом.

Пошатнувшееся здоров’я найчастіше лікують з допомогою ліків. У тому числі - безліч речовин абіогенного походження. Однак у деяких випадках найефективнішими є такі, які містять природні білки чи олигопептиды. Давно всім відомі різні сироватки, містять білки. А останнього часу стали застосовуватися препарати, основним компонентом яких є короткі пептидные молекули. Так було в списку робіт, удостоєних Державної премії Росії за 2001 р., стоїть розробка нового лікарського препарату СЕМАК, назва якого розшифровується надзвичайно просто, оскільки головним компонентом є олигопептид, що з СЕМи АминоКислотных остатков.

История з географией

Исторические і географічні відкриття зазвичай переплетені отже важко розповідати про одному, не згадуючи інше. Область наукових відкриттів — не виняток, оскільки і вони виготовлено час і у певному місці. Найперші відкриття, пов’язані з білками, і пептидами, будуть підтвердженням того (рис. 3).

Первой амінокислотою, відкритої живої природи, опинився найпростіший по хімічної структурі - гліцин, а аспарагин (N). Його 1806 р. виділили Луї Нікола Воклен (1763−1829) і П'єр Жан Робике (1780−1840) мови у Франції. Попутно зауважимо, що відкриття всіх 20 стандартних амінокислот тривало понад століття і завершилося лише 1937 р. відкриттям треоніну (Т).

Первым ученим, внесла вагомий внесок у встановлення хімічної природи білків, був видатний німецький хімік-органік Герман Еміль Фішер (1852−1919), що у 1902 р. відкрив те, що амінокислоти в білках з'єднані пептидными зв’язками.

А першу хімічну формулу найпростішого природного олигопептида (дипептида карнозина) в 1900 р. визначили наших співвітчизників професор Московського університету В. С. Гулевич (1867−1933) та її учень С.Амираджиби.

Повторим також, що географічні назви можна побачити і в назвах пептидів. Проте історичні і географічні аспекти є у окремих відкриттях, а й в усій сукупності білків і пептидів. З яких тільки організмів не виділялися! Напевно, майже всі ссавці всіх континентів і лише Світового океану вже послужили об'єктами белково-пептидных досліджень. Експериментальні жаби були й європейськими, і азіатськими, і африканськими, і австралійськими, і з обох Америк.

Даже антарктичні пінгвіни не залишилися поза увагою дослідників. Так, число видів тварин, використаних вивчення лише гемоглобіну, вже наближається до тисячі, а число видів, у тому числі виділялися різні речовини пептидной природи, набагато більше. У табл. 6 наведено первинні структури гомологичных олигопептидов — окситоцинов і вазопрессинов, — демонструють як біологічне розмаїтість досліджуваного матеріалу, а й еволюційну консервативність структур даних речовин, оскільки спостережувані заміни амінокислотних залишків не зачіпають функціональних властивостей структур одного функціонального класса.

Полученный унікальний матеріал представляє великий інтерес вивчення історичного процесу еволюції і географічного заселення нашої планети різними організмами.

Литература

Вероятно, основою (елементарної одиницею) літератури вважатимуться слово. Як відомо, слова складаються з літер певного алфавіту, і навіть у різних мовами число літер також різна — в кирилицю використовується 33 літери, в латинки — 26 і т.д. І тоді виявляється очевидна аналогія: в живий організм є своє специфічна література, слова якої - білки, а алфавіт — 20 амінокислотних залишків. Понад те, література живого організму пишеться природою двома мовами, оскільки, крім «білкової» літератури у ньому також міститься і література «нуклеїнова», написана лише чотири літерами. У цьому переведення з одного мови в інший здійснює сам живий організм, і робить він це феноменально точно.

Использование як і аналогії дозволяє дати наочне опис того, як здійснюється розшифровка амінокислотних послідовностей білків (читання слов).

Выделенный в чистому вигляді білок (слово) з допомогою різних протеолітичних ферментів розщеплюють на фрагменти (склади). Різні ферменти розривають пептидные зв’язку між різними парами амінокислотних залишків, тому треба отримати різні короткі фрагменти однієї й тієї ж білка. Скористаємося кирилицею у тому, щоб вирішила унаочнити процес розшифровки послідовності літер (амінокислотних остатков).

Допустим, у результаті одного типу розщеплення слова ми маємо слоги:

БЕЛ ЗНИ СНІВ ОКО АЖИ, а внаслідок другого:

ЕЕ ІЗ ОСН ЛОК ОВАЖ НИ Тогда, визначивши (з допомогою хімічних методів) кінцеві літери фрагментів, отриманих при розщепленні вихідної послідовності двома різними фрагментами, можна однозначно відновити таку (у разі осмислену, хоч і неграмотно написану) последовательность:

.

(Пример узятий із книжки: Волькенштейн М. В. Молекули життя й, — М., 1969.).

Первое час білкові слова читали саме так. Проте у з автоматизацією хімічних методів (створення секвенаторов, від анг. sequence — послідовність), з появою нових точних методів визначення молекулярних мас (масс-спектрометрия), у зв’язку з розвитком та застосуванням обчислювальної техніки тощо., той процес істотно прискорився. Нині на рік «читається» близько 20 000 білкових слів, тобто. амінокислотних последовательностей.

Погрешности текстового викладу можуть спотворити суть сказаного. Наприклад, на одній із публікацій було написане: «За винятком питання пріоритету суттєвими для історії науки, все-таки мушу зазначити роль великого вченого…», внаслідок чого автори цієї фрази піддали жорсткої критики за ігнорування пріоритету. Проте автор посилався на помилку, оскільки повинно бути: «Але, вважаючи…» Зміна лише одного літери змінило сенс цілком противоположный!

Таблица. 6. Структурно-гомологичное сімейство окситоцин/вазопрессинов.

.

Точно як і заміна однієї білкової літери (аминокислотного залишку) можуть призвести (а може і привести, як у з окситоцин/вазопрессинами, табл. 6) до спотворення нормальних функцій білка чи пептида. З цією ми готуємося вже зустрілися при описі причин найтяжчого захворювання — серповидноклеточной анемії. Можна навести безліч та інших прикладів. Якось до мене звернувся одне із фізіологів з такий проблемою. Він проводив на кроликах серію експериментів з вивчення впливу олигопептида нейротензина різні форми поведінки, й у якийсь момент запровадження цієї речовини стало спричинить негайної загибелі тваринного. «Завжди вводив нейротензин, і такого був. Нині ж кролик гине буквально на вістрі шприца». Я попросив показати мені ампулу з вихідним речовиною, і сталося, що у ній написано Trp11-Neurotensin. У назві було слово нейротензин, але було також вказівку і сподіваюся, що 11-й залишок тирозина в ній замінено на залишок триптофану. Раніше експериментатор користувався інший ампулою, маркірованої як просто «Neurotensin», а як у ній речовина зникло, він взяв нову, не звернувши увагу маленьку деталь («помилку»), яка спричинилася до настільки серйозного наслідки.

Следует вкотре відзначити, що читання послідовності літер одного білка представляє собою читання лише слова із усієї «білкової літератури». Але й один білок (початкова структура) можна розглядати як як слово, але текст, що у відповідність до фізико-хімічними і біологічними законами містить у собі інформацію про його просторової структуре.

Искусство

Определение місця білків і пептидів у цій галузі людської діяльності, очевидно, не було предметом спеціального аналізу, але й сьогодні вже можна навести кілька відомих примеров.

С давніх часів, коли ще не було відомо білки як особливих речовинах, вони (наприклад, білки курячого яйця) використовувались у ролі ефективного клею для будівництва архітектурних споруд (наприклад, церков), соціальній та образотворче мистецтво при приготуванні міцних красок.

В той час багатюще розмаїття молекулярних білкових форм може бути ситної їжею художників, скульпторів і архітекторів. І навіть іноді навіть служить. Так, скульптурна композиція, яка зображує витончену просторову структуру калієвого комплексу пептида валиномицина, прикрашає галявину перед головним входом до Інституту біоорганічної хімії їм. М.М. Шемякіна і Ю. О. Овчинникова Російської академії наук у Москві. Ця композиція спочатку уособлює велику роботу, присвячену детальному вивченню пептидного антибіотика, виконану саме тут институте.

Вспомним ще й голландського художника Маріуса Корнеліуса Ешера (1898−1972), який під час створення знаменитих парадоксальних постатей часто використовував об'єкти з живої природи. Будучи представником суто гуманітарної професії, він тим щонайменше відвідував і наукові заходи (наприклад, конгреси, присвячені проблемам кристалографії), що з доповідей учених почерпнути нових форм для свого творчества.

Пока ми змогли знайти мальовниче твір, у якому чітко лунали білкові мотиви. Але дуже мабуть, що вони вже є (не зустрічався з ними хтось із читачів?), і якщо й немає, те з упевненістю припустимо, такі твори неодмінно будуть созданы.

Можно привести приклад ще й з порівняно молодого мистецтва — кінематографії. У 1989 р. цілу групу природних пептидів надали «поведенческое» назва, що у відповідних експериментах виявилося, що їх омарові призводить до того, що Юзеку починають поводитися вельми нешанобливо по відношення до іншим омарам, хто стоїть вище нього на соціальної ієрархії. Таким пептидам надали назва Кінг-Конг під назвою страшної горили, відомого кіногероя США 30-х рр. минулого века.

Спорт

Этот вид діяльності характеризується тим, що з занятті спортом людина приймає він максимально можливі для свого організму фізичні навантаження. Робоча навантаження, яку платить людина може долати, обмежена трьома основними чинниками: кількістю енергії, наявних у м’язах, постачанням м’язів киснем та здібністю організму до терморегуляции.

Энергетика спортсмена виходить з цілий ряд біохімічних процесів, які різняться, наприклад, у спринтерів (бігунів на короткі дистанції) і стаєрів (які переборюють великі відстані). Однак у випадках в біохімічних процесах беруть участь ферменти, тобто. білки. Так, при короткочасних навантаженнях визначальну роль грає, зокрема, аденозинтрифосфат (АТФ), який розщеплюється спеціальним ферментом (білком) АТФазой.

Снабжение м’язів киснем здійснюється за участі таких білків, як гемоглобін і еритропоетин.

Гемоглобин, який міститься у червоних кров’яних тельцах крові, переносить кисень від легких до різним периферичним тканинам, а еритропоетин — неодмінний учасник диференціювання і проліферації еритроцитів (эритропоэза), тобто. збільшення їх числа, що зумовлює збільшення кількості гемоглобіну як наслідок, транспортованого кисню. В багатьох ще згадки драматичних эпизодох Олімпіади у Солт-Лейк-Сіті, коли ряд спортсменів (зокрема і значимість нашої країни) були звинувачені і покарані через те, що вони у крові виявили аналог эритропоэтина, застосування якої могла помітно поліпшити спортивні результати.

И нарешті, терморегуляція є також важливим процесом спортсмени під час змагань. Досить сказати, що з марафонському бігу ректальная температура дозволить підвищуватися до 41оС (і від) і навіть призвести до тепловому удару. У процесі терморегуляції важливе значення мають багато короткі пептиди, які виконують цю функцію, будучи більш культурними та на інших фізіологічним показниками (явище полифункциональности). Яскравими представниками пептидних терморегуляторів є нейротензин (13 амінокислотних залишків), природні опіати — энкефалины (5) і гормон ТRH (3).

***

Белки і пептиди скрізь й цілком! А якщо ж вчені вивчають їх властивості, то решта незмірно більшість людства або користується результатами діяльності учених, або непомітно собі відчуває вплив білків і пептидів і окружающих.

Однако може запитати: чому автор віддав перевагу саме білкам і пептидам? Напевно, й інші речовини, явища чи процеси, що заслуговували не меншого уваги. То у чому ж справу? Негайно відкладайте всі свої справи і напишіть про інше, тому ж яскравому і всеобъемлющем.

Список литературы

Для підготовки даної праці були використані матеріали із російського сайту internet.