Пути химии в познании жизни

химияОсновной принцип молекулярной биоло­гии — изучать проявления жизнедеятельно­сти в их простейшей, элементарной форме, на уровне молекул и их взаимодействий — все шире ложится в основу многочисленных исследований. Молекулярная биология прочно закрепила за собой быстро завое­ванное ею место в качестве ведущей обла­сти современного экспериментального изу­чения загадок жизни.

Прилагательное «молекулярный» начи­нает все шире входить в обиход биологиче­ской терминологии, хотя еще недавно его встречали буквально в штыки представители большинства устоявшихся разделов биоло­гического знания, предпочитавшие пользо­ваться привычными формами мышления и видевшие в молекулярной биологии угрозу вторжения чего-то нового в издавна принадлежавшие им области.

Осуществленный за последние годы полный синтез молекулы инсулина — достижение, знаменующее собой на­чало новой эпохи в науке о живом.

Для элементарных проявлений жизне­деятельности, при подходе к ним на молеку­лярном уровне, совершенно невозможно изолировать друг от друга химические и фи­зические аспекты — когда речь идет о био­логических функциях молекул, они состав­ляют неразрывное единство. Тут, если при­держиваться соображений логики, пришлось бы говорить о «молекулярной био-физико-химии», но это по самому существу и составляет содержание молекулярной биологии, и вряд ли есть необходимость вводить новый термин там, где уже имеется другой, прочно вошедший в употребление…

Эти терминологические поиски интерес­ны только тем, что они служат лишним сви­детельством широкого признания и высокой значимости, которую приобрел путь изуче­ния важнейших явлений жизни, лишь наме­тившийся в период предыдущего Менделеевского съезда.

Он плодотворно развивался на протяже­нии истекших лет и является столбовой до­рогой дальнейшего продвижения к одной из самых заветных целей современного естест­вознания — познанию природы жизни.

По этому направлению движется химия, рука об руку с физикой, в содружестве с возрастающим числом других союзников — кибернетикой и кристаллографией, матема­тикой и квантовой теорией.

Основная предпосылка плодотворности этого направления в том, что на простейших элементарных системах и объектах удается воспроизводить, наблюдать и изучать все важнейшие проявления жизнедеятельности: размножение и наследственность, гибридизацию и иммунитет, инфекцию и патологию, даже проблемы эволюции и природу па­мяти.

Нереально было бы пытаться охватить все пути, которыми химия эти годы шла к указанным целям, и перечислить все успехи, которые ею достигнуты. Придется ограни­читься небольшим числом примеров, под­час несколько произвольно выбранных, что­бы дать представление об основных линиях современного химического научного поис­ка в области коренных проблем живого мира.

При этом представляется правильным осветить преимущественно новые, специфи­ческие, своеобразные представления и под­ходы, новые принципы, лежащие в основе того или иного круга биологических явлений и определяющие характерные черты ряда проявлений жизнедеятельности.

Начну все же с путей классического изу­чения химии биополимеров, белков и нук­леиновых кислот обычными методами аналитической и синтетической химии.

Бесспорно, тут на первое место следует поставить осуществленный за последние го­ды первый ПОЛНЫЙ СИНТЕЗ МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА, притом белка первостепенной био­логической важности. Речь идет о ХИМИЧЕ­СКОМ СИНТЕЗЕ ИНСУЛИНА —гормона, управляющего углеводным обменом организ­ма.

Синтезируя инсулин, ученым прихо­дится вести очень сложную реакцию. Она насчитывает 228 этапов. Это за­нимает много времени и труда…

Сведения о достижении этого чрезвы­чайной важности результата получены по меньшей мере от двух групп исследовате­лей: одной в ФРГ, возглавляемой профессо­ром Цааном, другой — американо-канад­ской.

В структуре инсулина две цепи: цепь А с 21 аминокислотой и цепь В с 30 остатка­ми. Они связаны между собой дисульфидным мостиком, и цепь А несет еще внутрицепочное дисульфидное кольцо. В общих чертах путь химиков из ФРГ был следую­щим: они по ступеням получали пептиды от гекса- до декапептидов, и затем сочленяли их до получения цепи требуемых размеров. Работу усложняла необходимость избегать рацемизации многих десятков оптически ак­тивных углеродов. Синтез цепи А потребо­вал 89, а синтез цепи В — 138 ступеней. Ин­тересно, что некоторые из ступеней синте­за удавалось проводить с выходом до 90 — 95 процентов от теоретического!

Критическим пунктом всего синтеза явился последний этап — связывание обеих полученных цепей между собой путем со­здания нужным образом расположенной дисульфидной связи. Этого достигали про­стейшим образом — пропусканием кислоро­да через смесь обеих цепей, содержащих цистеиновые группы в восстановленном со­стоянии. Однако, по-видимому, вероятность образования дисульфидного мостика имен­но в нужном пункте каждой из цепей весь­ма невелика, и хотя удалось получить био­логически активный препарат, величина его активности в пересчете на единицу веса была всего 0,2 —1 процент (в сравнении с неактивным гормоном).

Эта низкая цифра никак не компромети­рует метод и осуществленную работу. Со­вершенно того же порядка величины актив­ности получались при попытках регенериро­вать натуральный, природный инсулин из смеси двух его цепей, разъединенных в ре­зультате предшествовавшего восстановле­ния.

В конечном счете синтез активной моле­кулы белка инсулина шел через 22В отдель­ных, последовательных этапов! Не знаю, приходилось ли когда-либо химикам прежде преодолевать подобного рода трудности; думаю, что никогда. Полученный результат мы с полным правом можем рассматривать как достижение, знаменующее собою нача­ло новой эпохи. В настоящее время на оче­реди — синтез первого белка-фермента. Осуществление такого синтеза не требует преодоления каких-либо принципиальных трудностей — теперь это ЧИСТО ТЕХНИЧЕ­СКАЯ задача, вопрос денежных средств.

Я ни в коем случае не хочу умалять гран­диозной заслуги химиков-синтетиков, осу­ществивших синтез инсулина. Но в то же время не могу не сделать одно сопоставле­ние. Ученым приходится вести очень слож­ную реакцию, насчитывающую, как я уже говорил, 228 этапов. Любому химику ясно, какую на это надо затратить массу времени и труда. А в живой клетке синтез одной мо­лекулы белка завершается за 2 — 3 секунды. Вот неплохой пример, насколько совершен­нее работает синтетический аппарат живого организма!

Естественно возникает вопрос: а чем же обусловлена эта колоссальная разница меж­ду скоростями обычного химического син­теза и синтеза биологического? Тем, что в клетке реализуется необычайного совер­шенства МАТРИЧНЫЙ ПРИНЦИП СИНТЕЗА. Переход от реакции на основе статистического, вызванного тепловым движением сталкивания беспорядочно распределенных в пространстве молекул к реагированию молекул, пространственно закрепленных на матрице, не только обеспечивает КАЧЕСТ­ВЕННО строжайше направленное протека­ние реакции образования колоссально длинной цепи макромолекулы, но и в мил­лиарды, может быть, в тысячи миллиардов раз КОЛИЧЕСТВЕННО повышает скорость синтеза.

…А в живой клетке синтез одной молекулы белка завершается за 2 — 3 секунды. Синтетический аппарат живого организма пока работает совершеннее, чем руки ученых.

Здесь есть над чем задуматься химикам и физикам, работающим в области теории каталитических процессов. А нельзя ли найти у живой природы указание для разра­ботки новых, небывалой эффективности ти­пов катализаторов, чтобы использовать их в технологических процессах будущего?

Аналитического изучения белков можно коснуться лишь кратко. В этой области по­следние годы сдвигов качественного харак­тера не принесли. Ожидающие преодоле­ния трудности здесь имеют преимуществен­но технический, а не принципиальный харак­тер.

В химической расшифровке строения важнейшего класса биополимеров — нук­леиновых кислот ситуация долгое время складывалась довольно парадоксально: главным препятствием здесь являлась не чрезмерная сложность, а слишком большая простота их состава.

В построении огромных молекул ДНК и РНК участвуют четыре основных компонен­та и единичные так называемые минорные нуклеотиды (метилированные или структур­но измененные дериваты тех же четырех основных). Это относительное однообразие составляющих мономеров дает меньше воз­можностей разбивать молекулу на такое число фрагментов, которое необходимо для получения перекрывающихся обломков, доступных для анализа их последователь­ностей и одновременно содержащих ука­зания об их взаимном расположении.

Основное внимание здесь было обра­щено на изучение так называемых транс­портных рибонуклеиновых кислот, облада­ющих наименьшим молекулярным весом (порядка 25 ООО) и содержащих около 75 нуклеотидных остатков. Как и при анали­зе белков, путь шел через использование ферментов, разрывающих строго опреде­ленные связи. Таких ферментов (рибонукле­аз) использовалось два. Рибонуклеаза под­желудочной железы — панкреатическая РНКаза расщепляет связи, в которых участ­вуют пиримидиловые нуклеотиды (пиримидил-РНКаза А), а РНКаза из плесеней и актиномицетов разрывает связи, в которых участвует гуанин (гуанил-РНКаза).

Исходный       объект — транспортные РНК — представляют собой пеструю смесь не менее чем 20 отдельных химических индивидуумов, минимум по одному для каждой аминокислоты. Были разработаны мето­ды изоляции тех или иных индивидуальных РНК.

Расшифровка строения нуклеиновых кислот равносильна описанию на языке химических формул всего тек­ста генетической информации. Ра­боты по расшифровке ведутся во многих институтах мира.

Работа шла на путях, параллельных с ис­следованиями в нескольких лабораториях США, в частности лаборатории Р. У. Хол­ли. На прошлогоднем шестом Международ­ном биохимическом конгрессе в Нью-Йорке Холли дал провизорную формулу строения т-РНК на основе имевшихся к тому времени материалов. При этом он указал, что по тогдашним сведениям это примерно одна из тысяч возможных комбинаций. Казалось, мы еще очень далеки от познания первич­ной структуры нуклеиновых кислот…

Однако последние два месяца заставили коренным образом изменить этот взгляд. Сейчас мы являемся свидетелями крупней­шего события такой же значимости, как упо­мянутый уже мною синтез инсулина или как раскрытие генетического кода. Мартовские журналы принесли нам сведения, что осу­ществлен очередной химический подвиг: впервые раскрыта полная первичная струк­тура одной из нуклеиновых кислот. Это сде­лано в работах того же Холли и его сотруд­ников. Им удалось расшифровать последо­вательность расположения нуклеотидов в аланиновой транспортной РНК.

Решение было найдено благодаря экспе­риментальному приему, простому, как «колумбово яйцо». Недостатком всех предше­ствующих аналитических подходов (и у Холли, и у нас) было то, что ученые получа­ли слишком мелкие олигонуклеотиды, не да­вавшие информации о возможном порядке их сочленения. Всем работавшим в этой об­ласти было ясно, что необходимо найти спо­собы разбивать исходную молекулу т-РНК на значительно более крупные фрагменты. Мы пытались достичь этого на пути поиска новых типов ферментов. Но поиски пока ус­пеха не принесли. «Колумбово яйцо» Холли состояло в том, что он использовал уже ис­пытанный фермент — гуанил-РНКазу, но по­вел опыт с очень малыми количествами фермента, и при низкой температуре (0°С). Оказалось, что вместо того, чтобы разби­вать связи у всех гуаниловых остатков, фер­мент обнаружил необычайную селектив­ность: он разрывал только одну един­ственную связь в самой середине молекулы, разбивая ее на две половины. Далее путь был уже намечен: таким же регулируемым ферментативным гидролизом два получен­ные фрагмента еще раз разбивались на тоже достаточно крупные куски, которые подвергались анализу на последователь­ность расположения в них нуклеотидов. Пу­тем несложной комбинаторики легко удалось установить всю последовательность ис­ходной цепи.

Значение этой работы огромно. Это в подлинном смысле слова ОПЫТ, ЗНАМЕНУ­ЮЩИЙ СОБОЮ НОВУЮ ЭПОХУ В ХИМИ­ЧЕСКИХ ПОДХОДАХ К ЗАГАДКАМ ЖИЗ­НИ. Ведь расшифровка строения нуклеино­вых кислот по существу говоря равносильна описанию на языке химических формул все­го текста генетической информации.

Природа проявила удивительную экономичность, использовав специфическую молекулярную структуру для выполнения сразу двух независимых и притом важнейших функ­ций.

Разумеется, не надо недооценивать трудностей, еще стоящих на пути к этой цели. Но важно то, что найдено принципи­альное решение. Дальше в основном лишь технические трудности.

Если до ЧТЕНИЯ генетического текста нам еще далеко, то в отношении познания по крайней мере БУКВ этого текста (то есть, тех триплетов нуклеотидов, которые состав­ляют код для отдельных аминокислот) по­знания химиков значительно уточнены.

…Это сделано путем использования ре­актива, модифицирующего определенный вид оснований (а именно гидроксиламина, разрушающего урациловые остатки). Ока­залось, что после обработки гидроксиламином с ферментом перестают реагировать те виды транспортной РНК, которые в составе кодирующего триплета содержат несколько урацилов. Если же урацилов нет или их не больше одного, то «познавательная способ­ность» при обработке гидроксиламином не нарушается.

Я привел эти результаты потому, что они имеют большое принципиальное значе­ние. Одна и та же группировка из трех нук­леотидов, кодовый триплет, несет двоякую функцию, оба проявления которой в одина­ковой степени важны для обеспечения спе­цифического хода важнейшего биологиче­ского процесса — синтеза белковых моле­кул.

Эта группировка (кодовый триплет), спе­цифически взаимодействуя с шифровальным ферментом, с одной стороны служит для привязывания кодовой метки к индивидуальной аминокислоте, а с другой — на следующем этапе — для привязывания дан­ной аминокислоты к определенному месту той матрицы, информационной РНК, на ко­торой будет осуществляться включение аминокислоты в пептидную цепь строящей­ся белковой молекулы. Природа проявила тут удивительную экономичность в использовании специфической молекулярной структуры для выполнения сразу двух со­вершенно независимых и притом важнейших функций.

Зашифровку аминокислот, осуществляе­мую действием фермента, следует считать­ узловым пунктом всего механизма биосин­теза белков. Здесь впервые скрещиваются и неразрывно переплетаются биологические функции обеих главенствующих групп биологических полимеров — белков и нуклеи­новых кислот.

Матричный принцип синтеза обеспечивает предельную точность заданной химической структуры.

При глубоком различии этих биополиме­ров в химическом и функциональном отно­шении есть одна черта, которая их сближа­ет. В обоих случаях синтез осуществляется на основе матричного принципа, и в обоих случаях можно отметить черты общности в характере химических реакций, ведущих к нарастанию цепи полимера.

Матричный принцип синтеза биополиме­ров заключается в том, что реакция нара­щивания полимерной цепи происходит не между свободно существующими в объеме молекулами, находящимся в хаотическом тепловом движении, а протекает между партнерами, строго фиксированными прост­ранственно. Несущей подкладкой, на кото­рой происходит эта фиксация, служит в обо­их случаях (при синтезе как белков, так и нуклеиновых кислот) полинуклеотидная цепь нуклеиновой кислоты. Фиксация реа­гирующего мономера происходит строго специфично, и подкладка выполняет роль матрицы, определяя, в какой именно после­довательности происходит соединение мономеров в синтезируемую полимерную мо­лекулу.

Фиксация на матрице осуществляется силами слабого взаимодействия — не глав­новалентными силами, а за счет водородных связей; возможно, некоторое участие при­нимают и гидрофобные связи, но об этом мало что известно. Локализация на матрице подчиняется принципу комплементарности оснований; аденин образует водородные связи с урацилом (или соответственно с тимином), гуанин — с цитозином.

Вслед за детерминированной локализа­цией происходит следующий этап реак­ции — наращивание полимерной цепи путем замыкания главновалентной связи между начальным звеном или имевшимся участком полимерной цепи и вновь присоединяю­щимся звеном. В этом пункте имеется так­же черта общности в химическом механиз­ме наращивания полимерной цепи в случае нуклеиновых кислот и в случае белков. Она состоит в том, что в реакции участвует не свободная молекула присоединяемого мономера, а некоторый дериват ее, в котором реагирующая группировка находится не в свободном виде, а участвует в главновалентной связи (ангидридного или сложноэфирного характера). Происходит межмолекулярная транслокализация главновалентных связей. Такого рода реакции широко рас­пространены в биологических системах, за­трагивая все главнейшие классы соедине­ний…

Матричный синтез безраздельно господ­ствует во всей области реакций синтеза био­полимеров — постольку, поскольку необхо­дима строго специфичная, наперед задан­ная последовательность расположения мо­номерных звеньев в полимерной цепи. Это происходит при редупликации ДНК, при синтезе матричной (информационной) РНК, синтезе индивидуально-специфичных транс­портных РНК и синтезе полипептидной цепи белковых молекул.

Принцип матричного синтеза — это явле­ние фундаментальной, принципиальной важ­ности. Здесь, как нигде более, выступает специфика химизма живого по сравнению с неживыми системами. Разумеется, сохраня­ются все основные принципы обычной хи­мии: и подчинение закону действующих масс, и законы химической кинетики, и си­лы химического сродства, и роль электронной структуры. Но в то же время вносится нечто совершенно новое, чего мы более ни­где в природе не встречаем: возможность строжайшего, незыблемого УПОРЯДОЧЕ­НИЯ последовательных этапов чрезвычайно длинной реакционной цепи. Не будет ошиб­кой или преувеличением признать, что от­крытие принципа матричного синтеза — од­на из самых крупных, принципиально важ­ных достижений молекулярной биологии по­следних лет. Это одна из важнейших черт химизма живого (притом на самом цент­ральном участке возникновения и существо­вания), характерная как для всей молеку­лярной генетической основы наследствен­ного постоянства в бесконечном ряду поко­лений, так и для процессов построения ма­териальной основы живой массы — соз­дания специфических белков.

Сделан решающий шаг в химическом истолковании механизма действия гормонов.

Принцип матричного синтеза имеет ре­шающее значение для обеспечения пре­ельной точности заданной химической структуры (последовательности расположе­ния мономерных звеньев в цепи макромо­лекулы). Другой принцип — широкого и не менее важного значения — касается РЕГУ­ЛЯЦИИ СКОРОСТЕЙ химических реакций, протекающих в биологических системах. Это принцип АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО контроля биологических процессов. Обоснование и формулирование его также относится к важным достижениям молекулярной биоло­гии последних лет.

Принцип аллостерического контроля не­разрывно связан с другим представле­нием, также сформулированным в самое последнее время и приобретающим все большее значение. Это представление о ро­ли КОНФОРМАЦИИ МАКРОМОЛЕКУЛ, в частности каталитически активных белков (ферментов), как факторов, определяющих их биологическую активность.

В качестве аллостерических эффекторов выступают вещества, в химическом отноше­нии не состоящие ни в каком родстве с субстратом, — низкомолекулярные продукты обмена веществ. В одних случаях — это ко­нечные продукты цепи реакций, в которой рассматриваемый фермент стоит где-то в самом начале. В других случаях — это могут быть вещества, вообще не связанные с реакцией, катализируемой ферментом. И, на­конец, что представляет совершенно осо­бый интерес, в качестве аллостерического эффектора могут выступать те или иные ГОРМОНЫ.

Последнее означает, что сделан решаю­щий шаг в познании конкретного химическо­го истолкования механизма действия гормо­нов, этих мощных регулирующих агентов, воздействующих на множество жизненно важных функций и процессов, протекающих в высших организмах. Впервые функции гормонов оказывается возможным охарак­теризовать не в терминах биологических понятий, а в формах молекулярных взаимо­действий, то есть в конкретных химических представлениях. И в этом мы вправе видеть один из особенно знаменательных успехов, достигнутых химией на путях к познанию яв­лений жизни.

Связывание кислорода гемоглобина сопровождается сближением отдель­ных участков молекулы; отдача кис­лорода ведет к возрастанию объема молекулы.

Для последующего изложения необхо­димо в двух словах напомнить те различные уровни структурной организации белковых молекул, которые принято в настоящее вре­мя различать.

Под ПЕРВИЧНОЙ структурой белковой молекулы мы понимаем последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, — то, что обозначают привычным термином «химическое строение». Последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи определяет­ся последовательностью расположения ко­дирующих триплетов в молекуле матричной РНК. Эта последовательность в свою оче­редь в точности соответствует расположе­нию комплементарных нуклеотидов в моле­куле ДНК хромосомы клеточного ядра, т. е. «генетической информации».

Полипептидная цепь под влиянием сил, действующих между определенными груп­пировками в ней, как правило приобретает конфигурацию, которую мы называем ВТО­РИЧНОЙ структурой. Как показали классиче­ские исследования Полинга и Кори, полипептидная цепь имеет выраженную тенден­цию к спирализации. Она закручивается так, что возникают водородные связи между группами СО и водородом пептидных свя­зей.

Спирализованная вторичная структура полипептидной цепи может претерпевать и дальнейшие изменения конфигурации, свертываясь в клубок, складываясь тем или иным образом и т. д. Так возникает ТРЕТИЧ­НАЯ структура.

Если первичная структура определяется только главновалентными связями, а в об­разовании и фиксации вторичной структуры мы имеем дело с монотонным расположе­нием водородных связей, то в возникнове­нии третичной структуры могут участвовать связи более разнообразного характера. Это могут быть те же водородные, но могут быть и другие связи — внутримолекулярные дисульфидные, типа гидрофобных взаимо­действий и т. д. Возможность возникнове­ния связей, обусловливающих трехмерную конформацию белковой молекулы, определена тем, в каких точках первичной структу­ры расположены аминокислотные остатки, которые участвуют в образовании этих свя­зей…

Совершенно ясно, что если какое-либо низкомолекулярное вещество присоединя­ется к одному из участков полипептидной цепи, то сейчас же нарушается та система внутримолекулярных связей, которая опре­деляет конформацию белковой молекулы. В этом состоит первичный аллостерический эффект, а он в свою очередь ведет к изме­нению биологической активности макромо­лекулы, так как ее активность зависит имен­но от общей конформации.

Сделаем шаг дальше в рассмотрении пространственной структуры белковых мак­ромолекул. Для весьма большого числа белков характерно образование структур еще более высокого порядка. Объединим их под названием ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУ­РЫ. Характерное и широко распространен­ное свойство белковых молекул — их тенденция закономерным образом ассоцииро­ваться в комплексы высокого уровня слож­ности, по существу надмолекулярного уровня. Впрочем, говорить о надмолекуляр­ном уровне тут следует с осторожностью, поскольку образующиеся агрегаты имеют все свойства молекулярного индивидуума, (строго заданный состав, число компонен­тов, вполне определенный молекулярный вес).

Изучение ферментов — один из наибо­лее перспективных путей, по кото­рым химия будущего может двигаться в познании закономерностей жизни.

Нарушая каноны этимологии и смешивая в одном термине корни из двух языков, ла­тинского и греческого, я бы применил здесь обозначение «мультимер», или «э п и м ол е к у л а», то есть сверхмолекула — обра­зование, выходящее за пределы молекулы в собственном, строгом смысле слова.

В природе известен близкий аналог ге­моглобина — дыхательный пигмент не кро­ви, а мышц, — миоглобин. Миоглобин по своему строению чрезвычайно близок к ге­моглобину, но отличается отсутствием чет­вертичной структуры. Это одиночная пеп­тидная цепь, несущая, как и гемоглобин, геминовую группировку, но не ассоциирующаяся в тетрамер. Отсутствие этой способ­ности сильно сказывается на биологических свойствах миоглобина: характер его реак­ции с кислородом существенно отличается от того, что происходит в гемоглобине, так что здесь с большой отчетливостью высту­пает зависимость между четвертичной структурой и биологическими свойствами макромолекулярного соединения.

На примере гемоглобина мы видим со­вершенно уникальный пример обоюдосторонности взаимоотношений между эпимолекулярной структурой и функцией белка. Исключительные по изяществу и тонкости исследования М. Ф. Перутца показали, что при присоединении и отдаче кислорода ге­моглобином его конформация претерпева­ет закономерные изменения: связывание кислорода сопровождается сближением от­дельных участков молекулы, отдача кисло­рода ведет к соответствующему возраста­нию объема молекулы. Можно сказать, что мы как бы воочию видим выполнение мо­лекулой ее функций, молекула как бы ды­шит, сжимаясь и расширяясь, подобно тому, как сжимается и расширяется наша грудная клетка при дыхании.

Нет сомнения в том, что образование четвертичной структуры, то есть ассоцииро­вание протомеров, белковых субъединиц, в упорядоченные образования высшего по­рядка, детерминировано третичной структу­рой — тем, что мы обозначаем как КОНФОРМАЦИЯ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ. Вся­кие искажения этой конформации повлекут за собою нарушение четвертичной структу­ры с неизбежным следствием — глубоким изменением биологической активности со­ответствующего белка. Как уже указывалось, аллостерические эффекторы проявля­ют свое действие именно через изменение конформации… Аллостерический эффект проявляется здесь уже на новом уровне, влияя в том или ином направлении на спо­собность протомера ассоциироваться в новое высшее единство — мультимер или эпи­молекулу.

Эффект целиком обусловлен обрати­мым конформационным изменением, про­исходящим в белке, когда он связывает специфический эффектор. Так открывается практически неограниченное поле возмож­ностей воздействия со стороны веществ, ко­торые иным, чисто химическим, взаимодействием не могли бы проявить своего влия­ния…

На уровне четвертичной структуры удается осуществлять гибридизацию молекул разных типов. Полученный гибрид проявляет свойства своих «предков».

Мы вправе усматривать здесь особенно мощный и разносторонний механизм вос­приятия химических сигналов биологически активными системами, в первую очередь фактическими двигателями всей химической динамики живых объектов — ФЕРМЕНТАМИ. Через посредство этих химических сигналов осуществляется важнейшее свойство живо­го — способность к строгому упорядочению всей совокупности химических превращений. Дальнейшее изучение относящихся сюда яв­лений несомненно представляет собою один из наиболее перспективных и увлекательных путей, которыми химия ближайшего време­ни может двигаться в познании важнейших закономерностей жизни.

В научный обиход прочно вошло пред­ставление о том, что первичная структура белковой молекулы начертана в генетиче­ской информации. Эта информация содер­жится в нуклеотидной последовательности ядерной ДНК и передается через посредст­во информационной или матричной РНК в рибосомы, где на основе матричного син­теза совершается построение белковой полипептидной цепи.

Законен вопрос: а участвует ли (и если да, то в какой форме, на каких этапах) ге­нетическая информация в последующих стадиях становления макромолекулы бел­ка — при приобретении ею вторичной, тре­тичной и четвертичной структуры?

В такой стремительно меняющейся и развивающейся области, какой является мо­лекулярная биология, трудно и рискованно делать слишком широкие и далеко идущие предсказания. Во всяком случае определен­но можно сказать, что вплоть до тех уров­ней, которые здесь рассматривались (уров­ней мультимеров или эпимолекулы), сейчас нет никаких указаний на то, что генетическая информация в какой-либо форме вмешива­ется в этапы, следующие за построением первичной структуры синтезируемой полипептидной цепи молекулы белка.

Мы вправе полагать, что вся информа­ция, определяющая характер третичной, трехмерной, пространственной конфигура­ции макромолекулы, уже содержится в первичной структуре, в последовательности расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи белковой молекулы.

Мультимерная архитектура обнаружена и у молекул имунных антител, этих защитных веществ, обусловливающих невосприимчивость к инфекциям. И в этой архитектурной конструкции мы имеем компоненты различного рода, строго закономерно соединенные между собою. Удается произвести их «анатомическое» расчленение. Оказывается, что из расчлененных фрагментов при их смешивании (в надлежащих услови­ях) восстанавливается исходная конструк­ция. Больше того, как показал сотрудник нашего института Р. С. Незлин в совместной работе с чешским ученым Франеком, уда­ется соединить между собою части, полу­ченные из РАЗЛИЧНЫХ исходных антител. Другими словами, на уровне четвертичной структуры удается осуществлять ГИБРИДИ­ЗАЦИЮ молекул разных типов, и получен­ный гибрид проявляет теперь в известной мере свойства то одного, то другого из сво­их двух «предков».

Неотъемлемое свойство всякого живого образования — структурная упорядоченность.

Способность к образованию закономерно построенных комплексов более высоко­го уровня сложности оказывается, по-види­мому, широко распространенным свойст­вом макромолекул. Это можно проиллюст­рировать несколькими примерами, взятыми из совсем разных областей.

Из ресничек, служащих органом движе­ния низших организмов, удается выделить белок флагеллин, который может быть по­лучен в виде обычного бесструктурного ра­створа. При создании надлежащих условий молекулы белка начинают агрегироваться строго упорядоченным образом, так что возникают образования, не отличимые от исходных ресничек.

Новый уровень сложности в подобной самопроизвольной агрегации белковых про­томеров был обнаружен сотрудником на­шего института Б. Ф. Поглазовым на белке, выделенном из бактериофага.

Напомню общую структуру бактериофа­га. В ней различают головку, состоящую из белковой оболочки, в которой находится ДНК, ответственная за инфективность фага; ножку, представляющую собой белковый чехол, содержащий 144 протомера и обра­зующий канал, через который ДНК поступа­ет в бактериальную клетку при ее зараже­нии; наконец, концевую пластинку, от кото­рой отходят длинные жгуты, по-видимому, служащие для прикрепления к поверхности бактерии.

Б. Ф. Поглазов расчленял фаг анатоми­чески. Его интересовал белок, из которого построены «чехлы» ножек фага. Этому бел­ку приписываются сократительные свойства, в какой-то мере сближающие его со свой­ствами сократительного белка мышц мио­зина. При построении чехла он образует высокоупорядоченную структуру:            144 структурных элемента располагаются спи­рально, по 12 элементов в витке при 12 вит­ках. По-видимому, природа любит считать как же, как английские купцы — на дюжины. Мы тут имеем дюжину дюжин, так называе­мый грос.

Белковый чехол ножки фага очень труд­но растворим. Однако в сильно щелочной среде он переходит в раствор. В электрон­ном микроскопе мы наблюдаем в этом слу­чае бесструктурную массу, подобную слизи. Если подвергнуть такой раствор диализу, постепенно удаляя щелочь, то наблюдается его помутнение, и обнаруживаются образования, в точности напоминающие изолированные чехлы. Мы их назовем мономе­рами. При продолжении диализа происхо­дит ассоциация, агрегация этих мономеров, прежде всего попарно, концом к концу. Об­разуются димеры.

Но процесс идет и дальше. Вслед за димеризацией происходит дальнейшее удли­нение агрегатов путем присоединения но­вых мономеров конец к концу и агрегаций бок о бок, опять-таки строго упорядоченно. Образуются плоскостные, двумерные кри­сталлы. Наконец, наступает образование трехмерных структур, и получается трех­мерный кристалл.

Даже такие высокие уровни упорядочен­ности возникают спонтанно, самопроизволь­но, без всякого участия какого-либо направляющего фактора, который играл бы роль шаблона или матрицы. Из этого можно за­ключить, что вся информация, определяю­щая собою упорядоченную сборку белко­вых молекул в образования все возрастающей сложности, заключена в первичной структуре полипептидной цепи белковой молекулы. Последовательностью располо­жения аминокислотных остатков в этой цепи определяется вторичная структура. Вторич­ная структура определяет третичную кон­формацию молекулы, третичная в свою оче­редь предопределяет возникновение четвертичной структуры, то есть возникновение эпимолекулярных образований, достигаю­щих, как мы могли видеть на примере бак­териофага, весьма высоких степеней упоря­доченности.

На более высоком уровне передается качественно новая информация.

Структурная упорядоченность — харак­тернейшее, неотъемлемое свойство всякого живого образования. Она простирается от самых примитивных до самых высших форм организации, проходя через бесконечную иерархию градаций. Проникнуть в химиче­ские законы, участвующие в создании этой упорядоченности, — одна из коренных, наи­более увлекательных задач химии в позна­нии живого.

Как же далеко распространяется авто­номность образования эпимолекулярных структур? И в первую очередь — как осуще­ствляется сборка структур, содержащих компоненты не одного, а разных родов?

Широко распространенный тип таких структур — мембраны, участвующие в построении множества структурных обра­зований клетки (клеточного ядра, мито­хондрий и т. д.). В простейшей форме такие мембраны построены из белков и липидов. Изучение мембран приводит к заключению, что их «сборка» не может происходить ав­тономно, самопроизвольно. Тут требуется участие некоего направляющего фактора. В качестве такового предполагается участие специального белка, выполняющего в этом случае матричные функции…

На этом уровне усложненности термо­динамически невозможно ожидать правиль­ного пространственного расположения всех разнородных компонентов. Это делает не­обходимым участие матричного механизма. Разумеется, строго заданная структура матричного белка, как и всякой иной специфи­ческой белковой молекулы, предопределе­на генетической информацией. Но теперь она заключена не в нуклеотидной последо­вательности, как это было при матричных синтезах, а определяется участием молекул белка. Это, так сказать, МАТРИЦА ВЫСШЕ­ГО ПОРЯДКА.

Обобщая то, что говорилось в самом на­чале, и то, к чему мы пришли теперь, мы вправе ставить вопрос о разных уровнях реализации матричного принципа в биоло­гических системах, о разных формах прояв­ления этого принципа.

ДНК — это матрица первого порядка. На ней идет только так называемая транскрип­ция, т. е. процесс, аналогичный переписке на машинке рукописного текста. Язык тек­ста остается тем же, это язык нуклеотидно­го четырехбуквенного алфавита.

Далее идет матрица второго порядка — информационная или матричная РНК. На ней происходит перевод с четырехбуквенного, нуклеотидного языка на двадцатибук­венный аминокислотный язык.

А при конструировании мембран мы имеем матрицу третьего порядка. Она уже не нуклеотидная, как две первые, она сама имеет белковую природу. Ей переданы ин­формации матриц первого и второго поряд­ка — а она передает качественно новую ин­формацию.

Первая и вторая матрицы участвуют в процессе матричного синтеза. Белковая матрица вносит матричный принцип не в синтез, не в образование главновалентных связей, а главным образом в формирование связей гидрофобных, определяющих супрамолекулярную конструкцию.

Так генетическая информация вносится в механизмы супрамолекулярных архитектур.

Но мы вышли за пределы молекулярно­го, то есть собственно химического уровня.

Директор Института молекулярной биологии АН СССР академик В. А. Энгельгардт

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>