Роль белков в клетке и организме

Роль белка в жизни клетки и основные этапы его синтеза. Строение и функции рибосом. Роль рибосом в процессе синтеза белка.

Белки играют исключительно большую роль в процессах жизнедеятельности клетки и организма, им свойственны следующие функции.

Структурная. Входят в состав внутриклеточных структур‚ тканей и органов. Например, коллаген и эластин служат компонентами соединительной ткани: костей‚ сухожилий‚ хрящей; фиброин входит в состав шелка‚ паутины; кератин входит в состав эпидермиса и его производных (волосы‚ рога‚ перья). Образуют оболочки (капсиды) вирусов.

Ферментативная. Все химические реакции в клетке протекают при участии биологических катализаторов - ферментов (оксидоредуктазы, гидролазы, лигазы, трансферазы, изомеразы, и лиазы).

Регуляторная. Например, гормоны инсулин и глюкагон регулируют обмен глюкозы. Белки–гистоны участвуют в пространственной организации хроматина, и тем самым влияют на экспрессию генов.

Транспортная. Гемоглобин переносит кислород в крови позвоночных, гемоцианин в гемолимфе некоторых беспозвоночных, миоглобин - в мышцах. Сывороточный альбумин служит для транспорта жирных кислот‚ липидов и т. п. Мембранные транспортные белки обеспечивают активный транспорт веществ через клеточные мембраны (Na+, К+-АТФаза). Цитохромы осуществляют перенос электронов по электронтранспортным цепям митохондрий и хлоропластов.

Защитная. Например, антитела (иммуноглобулины) образуют комплексы с антигенами бактерий и с инородными белками. Интерфероны блокируют синтез вирусного белка в инфицированной клетке. Фибриноген и тромбин участвуют в процессах свертывания крови.

Сократительная (двигательная). Белки актин и миозин обеспечивают процессы мышечного сокращения и сокращения элементов цитоскелета.

Сигнальная (рецепторная). Белки клеточных мембран входят в состав рецепторов и поверхностных антигенов.

Запасающие белки. Казеин молока, альбумин куриного яйца, ферритин (запасает железо в селезенке).

Белки-токсины. Дифтерийный токсин.

Энергетическая функция. При распаде 1 г белка до конечных продуктов обмена (СО2, Н2О, NH3, Н2S, SО2) выделяется 17‚6 кДж или 4‚2 ккал энергии.

Биосинтез белков идет в каждой живой клетке. Наиболее активен он в молодых растущих клетках, где синтезируются белки на построение их органоидов, а также в секреторных клетках, где синтезируются белки-ферменты и белки-гормоны.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» - переписывание).

На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.

Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.

На четвертом этапе происходит образование вторичной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Таким образом, в процессе биосинтеза белка образуются новые молекулы белка в соответствии с точной информацией, заложенной в ДНК. Этот процесс обеспечивает обновление белков, процессы обмена веществ, рост и развитие клеток, то есть все процессы жизнедеятельности клетки.

Основная роль в определении структуры белков принадлежит ДНК. Отрезок ДНК, содержащий информацию о структуре одного белка, называют геном. Молекула ДНК содержит несколько сотен генов. В молекуле ДНК записан код о последовательности аминокислот в белке в виде определенно сочетающихся нуклеотидов. Код ДНК удалось расшифровать почти полностью. Сущность его состоит в следующем. Каждой аминокислоте соответствует участок цепи ДНК из трех рядом стоящих нуклеотидов.

Например, участок Т-Т-Т соответствует аминокислоте лизину, отрезок А-Ц-А - цистину, Ц-А-А - валину н т. д. Разных аминокислот - 20, число возможных сочетаний из 4 нуклеотидов по 3 равно 64. Следовательно, триплетов с избытком хватает для кодирования всех аминокислот.

Синтез белка - сложный многоступенчатый процесс, представляющий цепь синтетических реакций, протекающих по принципу матричного синтеза.

Поскольку ДНК находится в ядре клетки, а синтез белка происходит в цитоплазме, существует посредник, передающий информацию с ДНК на рибосомы. Таким посредником является и-РНК. :

В биосинтезе белка определяют следующие этапы, идущие в разных частях клетки:

1.Первый этап - синтез и-РНК происходит в ядре, в процессе которого информация, содержащаяся в гене ДНК, переписывается на и-РНК. Этот процесс называется транскрипцией (от лат. «транскриптик» - переписывание).

2.На втором этапе происходит соединение аминокислот с молекулами т-РНК, которые последовательно состоят из трех нуклеотидов - антикодонов, с помощью которых определяется свой триплет-кодон.

3.Третий этап - это процесс непосредственного синтеза полипептидных связей, называемый трансляцией. Он происходит в рибосомах.

4.На четвертом этапе происходит образование вторич ной и третичной структуры белка, то есть формирование окончательной структуры белка.

Хромосомы (от греч. «хрома» - цвет, «сома» - тело) - очень важные структуры ядра клетки. Играют главную роль в процессе клеточного деления, обеспечивая передачу наследственной информации от одного поколения к другому. Они представляют собой тонкие нити ДНК, связанные с белками. Нити называются хроматидами, состоящими из ДНК, основных белков (гистонов) и кислых белков.

В неделящейся клетке хромосомы заполняют весь объем ядра и не видны под микроскопом. Перед началом деления происходит спирализация ДНК и каждая хромосома становится различимой под микроскопом. Во время спирализации хромосомы сокращаются в десятки тысяч раз. В таком состоянии хромосомы выглядят как две лежащие рядом одинаковые нити (хроматиды), соединенные общим участком - центромерой.

Для каждого организма характерно постоянное количество и структура хромосом. В соматических клетках хромосомы всегда парные, то есть в ядре есть две одинаковые хромосомы, составляющие одну пару. Такие хромосомы называют гомологичными, а парные наборы хромосом в соматических клетках называют диплоидными.

Так, диплоидный набор хромосом у человека состоит из 46 хромосом, образуя 23 пары. Каждая пара состоит из двух одинаковых (гомологичных) хромосом.

Особенности строения хромосом позволяют выделить их 7 групп, которые обозначаются латинскими буквами А, В, С, D, Е, F, G. Все пары хромосом имеют порядковые номера.

У мужчин и женщин есть 22 пары одинаковых хромосом. Их называют аутосомы. Мужчина и женщина отличаются одной парой хромосом, которые называют половыми. Они обозначаются буквами - большая X (группа С) и маленькая Y (группа С,). В женском организме 22 пары аутосом и одна пара (XX) половых хромосом. У мужчин - 22 пары аутосом н одна пара (XY) половых хромосом.

В отличие от соматических клеток, половые клетки содержат половинный набор хромосом, то есть содержат по одной хромосоме каждой пары! Такой набор называют гаплоидным. Гаплоидный набор хромосом возникает в процессе созревания клеток.

Синтез белка в клетке

Главным вопросом генетики является вопрос о синтезе белка. Обобщив данные по строению и синтезу ДНК и РНК, Крик в 1960г. предложил матричную теорию синтеза белков, основанную на 3–х положениях:

1. Комплементарность азотистых оснований ДНК и РНК.

2. Линейная последовательность расположения генов в молекуле ДНК.

3. Передача наследственной информации может происходить только с нуклеиновой кислоты на нуклеиновую или на белок.

С белка на белок передача наследственной информации невозможна. Таким образом матрицей для синтеза белка могут быть только нуклеиновые кислоты.

Для синтеза белка необходимы:

1. ДНК (гены) на которых синтезируются молекулы.

2. РНК – (и-РНК) или (м-РНК), р-РНК, т-РНК

В процессе синтеза белка различают этапы: транскрипции и трансляции.

Транскрипция – перепись (переписывание) информации о нуклеиновом строении с ДНК на РНК (т-РНК, и РНК, р-РНК).

Считывание наследственной информации начинается с определенного участка ДНК, который называется промотором. Промотор расположен перед геном и включает около 80 нуклеотидов.

На наружной цепи молекулы ДНК синтезируется и-РНК (промежуточная) служащая матрицей для синтеза белков и поэтому называется матричной. Она является точной копией последовательности нуклеотидов на цепи ДНК.

В ДНК имеются участки, которые не содержат генетической информации (интроны). Участки ДНК содержащие информацию называются экзонами.

В ядре имеются специальные ферменты, вырезающие интроны, а фрагменты экзона «сращиваются» между собой в строгом порядке в общую нить, этот процесс называется «сплайсингом». В процессе сплайсинга образуется зрелая м-РНК, содержащая информацию, необходимую для синтеза белка. Зрелая и-РНК (матричная РНК) проходит через поры ядерной мембраны и поступает в каналы эндоплазматической сети (цитоплазму) и здесь соединяется с рибосомами.

Трансляция – последовательность расположения нуклеотидов в и-РНК, переводится в строго упорядоченную последовательность расположения аминокислот в молекуле синтезируемого белка.

Процесс трансляции включает 2 этапа: активирование аминокислот и непосредственно синтез белковой молекулы.

Одна молекула м-РНК соединяется с 5-6 рибосомами, образуя полисомы. Синтез белка происходит на молекуле м-РНК, причем рибосомы продвигаются вдоль нее. В этот период находящиеся в цитоплазме аминокислоты активируются специальными ферментами, выделяемыми ферментами, выделяемыми митохондриями причем каждая из них своим специфическим ферментом.

Почти моментально аминокислоты связываются с другим видом РНК – низкомолекулярной растворимой, выполняющий функции переносчика аминокислот к молекуле м-РНК и получившей название транспортной (т-РНК). т-РНК переносит аминокислоты к рибосомам на определенное место, где к этому времени оказывается молекула м-РНК. Затем аминокислоты соединяются между собой пептидными связями и образуется белковая молекула. К концу синтеза белка молекула постепенно сходит с м-РНК.

На одной молекуле м-РНК образуется 10-20 молекул белка, а в некоторых случаях и много больше.

Наиболее неясным в синтезе белков вопрос о том, как т-РНК находит соответствующий участок м-РНК, к которому должна быть присоединена приносимая ею аминокислота.

Последовательность расположения азотистых оснований в ДНК, определяющая размещение аминокислот в синтезируемом белке – генетический код.

Поскольку одна и та же наследственная информация «записана» в нуклеиновых кислотах четырьмя знаками (азотистыми основаниями), а в белках – двадцатью (аминокислотами). Проблема генетического кода сводится к установлению соответствия между ними. Большую роль в расшифровке генетического кода сыграли генетики, физики, химики.

Для расшифровки генетического кода прежде всего необходимо было выяснить какое минимальное число нуклеотидов может определять (кодировать) образование одной аминокислоты. Если бы каждая из 20 аминокислот кодировалась одним основанием, то ДНК должна была бы иметь 20 различных оснований, фактически же их только 4. Очевидно, сочетание двух нуклеотидов также недостаточно для кодирования 20 аминокислот. Оно может кодировать лишь 16 аминокислот 4 2 = 16.

Тогда было предложено, что код включает 3 нуклеотида 4 3 = 64 комбинации и следовательно, способно кодировать более чем достаточное число аминокислот для образования любых белков. Такое сочетание трех нуклеотидов называется триплетным кодом.

Код имеет следующие свойства:

1.Генетический код триплетный (каждая аминокислота кодируется тремя нуклеотидами).

2.Вырожденность – одна аминокислота может кодироваться несколькими триплетами, исключение составляет триптофан и метионин.

3.В кодонах для одной аминокислоты первые два нуклеотида одинаковы, а третий изменяется.

4.Неперекрывающийся – триплеты не перекрывают друг друга. Один триплет не может входить в состав другого, каждый из них самостоятельно кодирует свою аминокислоту. Поэтому в полипептидной цепи рядом могут находиться любые две аминокислоты и возможны какие угодно их сочетания, т.е. в последовательности оснований ABCDEFGHI, первые три основания кодируют 1 аминокислоту (ABC-1), (DEF-2) и т.д.

5.Универсален, т.е. у всех организмов для определенных аминокислот кодоны одинаковы (от ромашки до человека). Универсальность кода свидетельствует о единстве жизни на земле.

6.Коленеарность – совпадение расположения кодонов в и-РНК с порядком расположения аминокислот в синтезирующийся полипептидной цепи.

Кодон – триплет нуклеотидов, кодирующий 1 аминокислоту.

7.Бессмысленный – он не кодирует никакой аминокислоты. Синтез белка на этом месте прерывается.

В последние годы выяснилось, что в митохондриях нарушается универсальность генетического кода, четыре кодона в митохондриях изменили свой смысл, например, кодон УГА – отвечает триптофану вместо «СТОП» - прекращение синтеза белка. АУА – соответствует метионину – вместо «изолейцина».

Открытие новых кодонов у митохондрий может служить доказательством того, что код эволюционировал, и что он не сразу стал таким.

Пусть наследственной информации от гена к молекуле белка можно выразить схематически.

ДНК – РНК – белок

Изучение химического состава клеток показал, что различные ткани одного и того же организма содержат различный набор белковых молекул, хотя они имеют и одинаковое количество хромосом, и одинаковую генетическую наследственную информацию.

Отметим такое обстоятельство: несмотря на наличие в каждой клетке всех генов целого организма, в отдельной клетке работают очень немногие гены – от десятых долей до нескольких процентов от общего числа. Остальные же участки «молчат», они заблокированы специальными белками. Это и понятно, зачем, например, генам гемоглобина работать в нервной клетке? То как клетка диктует, каким генам молчать, а каким работать, следует предполагать, что в клетке имеется какой-то совершенный механизм, регулирующий активность генов определяющий, какие гены в данный момент должны быть активными и каким следует находиться в неактивном (репрессивном) состоянии. Такой механизм по данным французских ученых Ф. Жакобо и Ж. Моно получил название индукции и репрессии.

Индукция – возбуждение белкового синтеза.

Репрессия – подавление белкового синтеза.

Индукция обеспечивает работу тех генов, которые синтезируют белок или фермент, и который необходим на данном этапе жизнедеятельности клетки.

У животных важную роль в процессе регуляции генов играют гормоны клеточные мембраны; у растений – условия внешней среды и другие высокоспециализированные индукторы.

Пример: при добавлении гормона щитовидной железы в среду совершается быстрое превращение головастиков в лягушек.

Для нормальной жизнедеятельности бактерии Е (Coli) необходим молочный сахар (лактоза). Если среда, в которой находятся бактерии, лактозы не содержит, эти гены находятся в репрессивном состоянии (т.е. они не функционируют). Внесенная в среду лактоза является индуктором, включающим в работу гены, отвечающих за синтез ферментов. После удаления лактозы из среды синтез этих ферментов прекращается. Таким образом, роль репрессора может выполнять вещество, которое синтезируется в клетке, и если его содержание превышает норму или оно израсходовано.

В синтезе белка или ферментов участвуют различные типы генов.

Все гены находятся в молекуле ДНК.

По своим функциям они не одинаковы:

- структурные – гены, влияющие на синтез какого-то фермента или белка, расположены в молекуле ДНК последовательно друг за другом в порядке их влияния на ход реакции синтеза или еще можно сказать структурные гены – это гены, которые несут информацию о последовательности аминокислот.

- акцепторные – гены не несут наследственной информации о строении белка, они регулируют работу структурных генов.

Перед группой структурных генов расположен общий для них ген – оператор, а перед ним – промотор . В целом эта функциональная группа называется опереном.

Вся группа генов одного оперона включается в процесс синтеза и выключается из него одновременно. Включение и выключение структурных генов составляет сущность всего процесса регуляции.

Функцию включения и выключения выполняет особый участок молекулы ДНК – ген оператор. Ген оператор является начальной точкой синтеза белка или как говорят «считывания» генетической информации. дальше в той же молекуле на некотором расстоянии расположен ген – регулятор, под контролем которого вырабатывается белок называемый репрессором.

Из всего сказанного видно, что синтез белка происходит очень сложно. Генетическая система клетки, используя механизмы репрессии и индукции, может принимать сигналы о необходимости начала и окончания синтеза того или иного фермента и осуществлять этот процесс с заданной скоростью.

Проблема регуляции действия генов у высших организмов имеет большое практическое значение в животноводстве и медицине. Установление факторов, регулирующих синтез белка, раскрыло бы широкие возможности управления онтогенезом, создания высокопродуктивных животных, а также устойчивых животных к наследственным заболеваниям.

Контрольные вопросы:

1.Назовите свойства генов.

2.Что такое ген?

3.Назовите каково биологическое значение ДНК, РНК.

4.Назовите этапы синтеза белка

5.Перечислите свойства генетического кода.

Каждая клетка содержит тысячи белков. Свойства белков определяются их первичной структурой , т.е. последовательностью аминокислот в их молекулах.

В свою очередь наследственная информация о первичной структуре белка заключена в последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК. Эта информация получила название генетической , а участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка, называется ген .

Ген - это участок ДНК, в котором содержится информация о первичной структуре одного белка.

Ген - это единица наследственной информации организма.

Каждая молекула ДНК содержит множество генов. Совокупность всех генов организма составляет его генотип .

Биосинтез белка

Биосинтез белка - это один из видов пластического обмена, в ходе которого наследственная информация, закодированная в генах ДНК, реализуется в определенную последовательность аминокислот в белковых молекулах.

Процесс биосинтеза белка состоит из двух этапов: транскрипции и трансляции.

Каждый этап биосинтеза катализируется соответствующим ферментом и обеспечивается энергией АТФ.

Биосинтез происходит в клетках с огромной скоростью. В организме высших животных в одну минуту образуется до \(60\) тыс. пептидных связей.

Транскрипция

Транскрипция - это процесс снятия информации с молекулы ДНК синтезируемой на ней молекулой иРНК (мРНК).

Носителем генетической информации является ДНК, расположенная в клеточном ядре.

В ходе транскрипции участок двуцепочечной ДНК «разматывается», а затем на одной из цепочек синтезируется молекула иРНК.

Информационная (матричная) РНК состоит из одной цепи и синтезируется на ДНК в соответствии с правилом комплементарности.

Формируется цепочка иРНК, представляющая собой точную копию второй (нематричной) цепочки ДНК (только вместо тимина включен урацил). Так информация о последовательности аминокислот в белке переводится с «языка ДНК» на «язык РНК».

Как и в любой другой биохимической реакции в этом синтезе участвует фермент - РНК-полимераза .

Так как в одной молекуле ДНК может находиться множество генов, очень важно, чтобы РНК-полимераза начала синтез иРНК со строго определенного места ДНК. Поэтому в начале каждого гена находится особая специфическая последовательность нуклеотидов, называемая промотором . РНК-полимераза «узнаёт» промотор, взаимодействует с ним и, таким образом, начинает синтез цепочки иРНК с нужного места.

Фермент продолжает синтезировать иРНК до тех пор, пока не дойдет до очередного «знака препинания» в молекуле ДНК - терминатора (это последовательность нуклеотидов, указывающая на то, что синтез иРНК нужно прекратить).

У прокариот синтезированные молекулы иРНК сразу же могут взаимодействовать с рибосомами и участвовать в синтезе белков.

У эукариот иРНК синтезируется в ядре, поэтому сначала она взаимодействует со специальными ядерными белками и переносится через ядерную мембрану в цитоплазму.

Трансляция

Трансляция - это перевод последовательности нуклеотидов молекулы иРНК в последовательность аминокислот молекулы белка.

В цитоплазме клетки обязательно должен иметься полный набор аминокислот, необходимых для синтеза белков. Эти аминокислоты образуются в результате расщепления белков, получаемых организмом с пищей, а некоторые могут синтезироваться в самом организме.

Обрати внимание!

Аминокислоты доставляются к рибосомам транспортными РНК (тРНК ). Любая аминокислота может попасть в рибосому только прикрепившись к специальной тРНК).

На тот конец иРНК, с которого нужно начать синтез белка, нанизывается рибосома. Она движется вдоль иРНК прерывисто, «скачками», задерживаясь на каждом триплете приблизительно \(0,2\) секунды.

За это время молекула тРНК, антикодон которой комплементарен кодону, находящемуся в рибосоме, успевает распознать его. Аминокислота, которая была связана с этой тРНК, отделяется от «черешка» тРНК и присоединяется с образованием пептидной связи к растущей цепочке белка. В тот же самый момент к рибосоме подходит следующая тРНК (антикодон которой комплементарен следующему триплету в иРНК), и следующая аминокислота включается в растущую цепочку.

Аминокислоты, доставленные на рибосомы, ориентированы по отношению друг к другу так, что карбоксильная группа одной молекулы оказывается рядом с аминогруппой другой молекулы. В результате между ними образуется пептидная связь.

Рибосома постепенно сдвигается по иРНК, задерживаясь на следующих триплетах. Так постепенно формируется молекула полипептида (белка).

Синтез белка продолжается до тех пор, пока на рибосоме не окажется один из трёх стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА). После этого белковая цепочка отсоединяется от рибосомы, выходит в цитоплазму и формирует присущую этому белку вторичную, третичную и четвертичную структуры.

Так как клетке необходимо много молекул каждого белка, то как только рибосома, первой начавшая синтез белка на иРНК, продвинется вперед, за ней на ту же иРНК, нанизывается вторая рибосома. Затем на иРНК последовательно нанизываются следующие рибосомы.

Все рибосомы, синтезирующие один и тот же белок, закодированный в данной иРНК, образуют полисому . Именно на полисомах и происходит одновременный синтез нескольких одинаковых молекул белка.

Когда синтез данного белка окончен, рибосома может найти другую иРНК и начать синтезировать другой белок.

Общая схема синтеза белка представлена на рисунке.

В каждой области науки есть своя «синяя птица»; кибернетики мечтают о «думающих» машинах, физики - об управляемых термоядерных реакциях, химики - о синтезе «живого вещества» - белка. Синтез белка долгие годы был темой фантастических романов, символом грядущего могущества химии. Это объясняется и той огромной ролью, какая принадлежит белку в мире живого, и теми трудностями, которые неизбежно вставали перед каждым смельчаком, отважившимся «сложить» из отдельных аминокислот замысловатую мозаику белка. И даже еще не самого белка, а только пептидов.

Разница между белками и пептидами не только терминологическая, хотя молекулярные цепи и тех и других состоят из аминокислотных остатков. На каком-то этапе количество переходит в качество: пептидная цепь - первичная структура - обретает способность сворачиваться в спирали и клубки, образуя вторичную и третичную структуры, характерные уже для живой материи. И тогда пептид становится белком. Четкой границы здесь не существует - на полимерной цепи нельзя поставить демаркационный знак: досель - пептид, отсель - белок. Но известно, например, что адранокортикотропный гормон, состоящий из 39 остатков аминокислот,- это полипептид, а гормон инсулин, состоящий из 51 остатка в виде двух цепей,- это уже белок. Простейший, но все же белок.

Способ соединения аминокислот в пептиды был открыт в начале прошлого века немецким химиком Эмилем Фишером. Но еще долго после этого химики не могли всерьез помышлять не только о синтезе белка или 39-членных пептидов, но даже значительно более коротких цепей.

Процесс синтеза белка

Для того, чтобы соединить между собой две аминокислоты, надо преодолеть немало трудностей. Каждая аминокислота, подобно двуликому Янусу, имеет два химических лица: карбоксильную кислотную группу на одном конце и аминную основную группу - на другом. Если от карбоксила одной аминокислоты отнять группу ОН, а от аминной группы другой - атом водорода, то образовавшиеся при этом два аминокислотных остатка могут соединиться друг с другом пептидной связью, и в результате возникнет простейший из пептидов - дипептид. И отщепится молекула воды. Повторяя эту операцию, можно наращивать длину пептида.

Однако эта, казалось бы, на первый взгляд несложная операция практически трудноосуществима: аминокислоты очень неохотно соединяются друг с другом. Приходится их активировать, химически, и «подогревать» один из концов цепи (чаще всего карбоксильный), и вести реакцию, строго соблюдая необходимые условия. Но это еще не все: вторая сложность состоит в том, что соединяться друг с другом могут не только остатки разных аминокислот, но и две молекулы одной кислоты. При этом строение синтезируемого пептида будет уже отличаться от желаемого. Больше того, каждая аминокислота может иметь не две, а несколько «ахиллесовых пят» - боковых химически активных групп, способных присоединять аминокислотные остатки.

Чтобы не дать реакции свернуть с заданного пути, необходимо закамуфлировать эти ложные мишени - «запечатать» на время осуществляемой реакции все реакционноспособные группы аминокислоты, кроме одной, присоединив к ним так называемые защитные группировки. Если этого не сделать, то цель будет расти не только с обоих концов, но и вбок, и аминокислоты уже не удастся соединить в заданной последовательности. А ведь именно в этом и заключается смысл всякого направленного синтеза.

Но, избавляясь таким образом от одной неприятности, химики столкнулись с другой: защитные группировки после окончания синтеза нужно удалить. Во времена Фишера в качестве «защиты» применялись группировки, которые отщеплялись гидролизом. Однако реакция гидролиза обычно оказывалась слишком сильным «потрясением» для полученного пептида: с трудом построенная его «конструкция» разваливалась как только с нее снимали «строительные леса» - защитные группировки. Лишь в 1932 году ученик Фишера М. Бергманн нашел выход из этого положения: он предложил защищать аминогруппу аминокислоты карбобензоксигруппой, которую можно было удалить без повреждения пептидной цепи.

Синтез белка из аминокислот

В течение последующих лет был предложен ряд так называемых мягких методов «сшивки» аминокислот друг с другом. Однако все они фактически были лишь вариациями на тему метода Фишера. Вариациями, в которых иногда даже трудно было уловить исходную мелодию. Но сам принцип оставался все тем же. И все теми же оставались трудности, связанные с защитой уязвимых групп. За преодоление этих трудностей приходилось расплачиваться увеличением числа стадий реакции: один элементарный акт - соединение двух аминокислот - распадался на четыре этапа. А каждая лишняя стадия - это неизбежные потери.

Если даже предположить, что каждая стадия идет с полезным выходом в 80% (а это хороший выход), то через четыре этапа эти 80% «растают» до 40%. И это при синтезе только дипептида! А если аминокислот будет 8? А если 51, как в инсулине? Прибавьте к этому сложности, связанные с существованием двух оптических «зеркальных» форм молекул аминокислот, из которых в реакции нужна только одна, приплюсуйте проблемы отделения образующихся пептидов от побочных продуктов, особенно в тех случаях, когда они одинаково растворимы. Что же получится в сумме: Дорога в никуда?

И все же эти трудности не останавливали химиков. Погоня за «синей птицей» продолжалась. В 1954 году были синтезированы первые биологически активные гормоны-полипептиды - вазопрессин и окситоцин. В них было по восемь аминокислот. В 1963 году был синтезирован 39-членный полипептид АКТГ - адренокортикотропный гормон. Наконец, химики США, Германии и Китая синтезировали первый белок - гормон инсулин.

Как же так, скажет читатель, трудная дорога, оказывается, привела не в никуда и не куда-нибудь, а к осуществлению мечты многих поколений химиков! Это же эпохальное событие! Верно, это - эпохальное событие. Но давайте оценим его трезво, отрешившись от сенсационности, восклицательных знаков и чрезмерных эмоций.

Никто не спорит: синтез инсулина - огромная победа химиков. Это колоссальный, титанический труд, достойный всякого восхищения. Но вместе с тем эго, по существу, и потолок старой химии полипептидов. Это победа на грани поражения.

Синтез белков и инсулин

В инсулине 51 аминокислота. Чтобы соединить их в нужной последовательности, химикам потребовалось провести 223 реакции. Когда спустя три года после начала первой из них была закончена последняя, выход продукта составлял меньше одной сотой процента. Три года, 223 стадии, сотая доля процента - согласитесь, победа носит чисто символический характер. Говорить о практическом применении этого метода очень трудно: слишком велики связанные с его реализацией расходы. А ведь в конечном счете речь идет о синтезе не драгоценных реликвий славы органической химии, а о выпуске жизненно важного лекарственного препарата, который необходим тысячам людей во всем мире. Так классический метод синтеза полипептидов исчерпал себя на первом же, самом простом белке. Значит, «синяя птица» вновь ускользнула из рук химиков?

Новый метод синтеза белка

Примерно за полтора года до того, как мир узнал о синтезе инсулина, в печати промелькнуло еще одно сообщение, которое вначале не привлекло особого внимания: американский ученый Р. Мэрифилд предложил новый метод синтеза пептидов. Поскольку сам автор поначалу не дал методу должной оценки, и в нем было много недоработок, выглядел он в первом приближении даже хуже существовавших. Однако уже в начале 1964 года, когда Мэрифилду удалось с помощью своего метода осуществить полный синтез 9-членного гормона с полезным выходом в 70%, ученые изумились: 70% после всех этапов - это 9% полезного выхода на каждой стадии синтеза.

Основная идея нового метода заключается в том, что растущие цепочки пептидов, которые раньше были брошены на произвол хаотического движения в растворе, теперь привязывались одним концом к твердому носителю - их как бы заставляли стать на якорь в растворе. Мэрифилд брал твердую смолу и к ее активным группам «привязывал» за карбонильный конец первую из собираемых в пептид аминокислоту. Реакции шли внутри отдельных частичек смолы. В «лабиринтах» ее молекул сначала появлялись первые короткие ростки будущего пептида. Затем в сосуд вводили вторую аминокислоту, ее молекулы сшивались своими карбонильными концами со свободными аминными концами «привязанной» аминокислоты, и в частицах вырастал еще один «этаж» будущего «здания» пептида. Так, этап за этапом, постепенно наращивался весь пептидный полимер.

Новый метод имел несомненные преимущества: прежде всего в нем была решена проблема отделения ненужных продуктов после присоединения каждой очередной аминокислоты - эти продукты легко смывались, а пептид оставался пришитым к гранулам смолы. Одновременно исключалась проблема растворимости растущих пептидов - один из главных бичей старого метода; раньше они нередко выпадали в осадок, практически переставая участвовать в процессе роста. Пептиды, «снимаемые» после окончания синтеза с твердой подложки, получались почти все одинакового размера и строения, во всяком случае, разброс в структуре был меньше, чем при классическом методе. И соответственно больше полезный выход. Благодаря этому методу синтез пептидов - кропотливый, трудоемкий синтез - легко поддается автоматизации.

Мэрифилд соорудил несложный автомат, который сам по заданной программе проделывал все положенные операции - подачу реагентов, смешивание, слив, промывку, отмер дозы, добавление новой порции и так далее. Если по старому методу на присоединение одной аминокислоты приходилось травить 2-3 дня, то Мэрифилд на своем автомате соединял за день 5 аминокислот. Разница - в 15 раз.

В чем состоят трудности синтеза белков

Метод Мэрифилда, названный твердофазным, или гетерогенным, сразу же был принят на вооружение химиками всего мира. Однако уже через короткое время стало ясно: новый метод вместе с крупными достоинствами имеет и ряд серьезных недостатков.

По мере роста пептидных цепей может случиться так, что в какой-то из них окажется пропущенным, скажем, третий «этаж» - третья по счету аминокислота: ее молекула не дойдет до места соединения, застряв где-нибудь по дороге в структурных «дебрях» твердого полимера. И тогда, даже если все остальные аминокислоты, начиная с четвертой, выстроятся в должном порядке, это уже не спасет положения. Полученный полипептид по своему составу, а следовательно, и по своим свойствам не будет иметь ничего общего с получаемым веществом. Произойдет то же самое, что и при наборе телефонного номера; стоит пропустить одну цифру - и нам уже не поможет тот факт, что все остальные мы набрали правильно. Отделить же такие ложные цепи от «настоящих» практически невозможно, и препарат оказывается засоренным примесями. Кроме того, оказывается, что синтез нельзя вести на какой угодно смоле - ее нужно тщательно подбирать, так как свойства растущего пептида зависят в какой-то мере от свойств смолы. Поэтому ко всем этапам синтеза белка необходимо подходить максимально тщательно.