Химия жизни. БелкИ и бЕлки

Есть такая кишечная бактерия эшерихия коли (E.coli), которую очень любят биохимики и генетики — с ней удобно проводить самые различные опыты, ведущие прямиком к замечательным открытиям. Так вот, установлено, что в клетке этой бактерии содержится около 3 тысяч различных белков. В организме же человека насчитывается около 5 миллионов белков. Эти пять миллионов выполняют самые разнообразные функции — каталитическую (ферменты), питательную (например, белки яйцеклетки), транспортную (перенос кислорода гемоглобином), защитную (антитела), сократительную (мышцы), структурную (коллаген соединительной ткани, кератин волос, кожи, ногтей) и гормональную (гормон гипофиза). Поразительно, что все белки состоят хоть и из большого количества, но простых структурных блоков — аминокислот, связанных друг с другом в так называемые полипептидные цепи. Из этих полипептидных цепей и сделаны белки.

Первая аминокислота была выделена из желатина еще в 1820 году, но полный аминокислотный состав белков был расшифрован только через сто с лишним лет — это довольно сложная работа. Оказалось, что белок с помощью различных ферментов, например пищеварительных, можно расщепить на аминокислоты. Именно это и происходит, когда правоверный мусульманин съедает пушкинский «ростбиф окровавленный» из говядины, а неверный — свиную рульку. Все аминокислоты представляют собой производные карбоновых кислот, у которых один атом водорода замещен на аминогруппу — NH₂.

По правилам химической номенклатуры, атомы углерода маркируются греческими буквами альфа, бета, гамма и так далее, причем первым альфа-атомом является ближайший к карбоновой группе — COOH атом углерода. Разумеется, аминогруппа может заместить атом водорода у любого атома углерода, хоть альфа, хоть гамма, хоть омега. Однако выяснилось, что в состав природных белков входят только альфа-аминокислоты. Если угодно, это одна из загадок природы.

В составе белков открыто 20 различных альфа-аминокислот, все они различаются по составу радикала R. Эти 20 аминокислот делятся пополам на заменимые, которые могут синтезироваться в организме человека (и животных), и незаменимые, которые необходимо получать из пищи. В принципе совершенно не важно, из какой пищи — растительной или животной — можно и нужно получать незаменимые аминокислоты, однако давно известно, что в съедобных растениях слишком мало трех аминокислот, которые называются лизин, метионин и триптофан. Вегетарианцы могут не расстраиваться — недостаток этих аминокислот легко восполнить, например, из молока, творога и яиц. Особо строгие вегетарианцы, их называют веганами, которые яйца и молочные продукты не едят, могут добрать лизина, метионина и триптофана из орехов. Впрочем, в горохе и прочих бобах этих аминокислот несколько больше, чем в другой растительной пище.

У аминокислот имеется еще одно очень важное свойство. В главе 3 мы обсуждали понятие изомерии, то есть существование различных по строению, но одинаковых по составу веществ. Для аминокислот также известна изомерия, в данном случае это оптическая или стереохимическая изомерия. Например, для простейшей альфа-аминокислоты аланина (альфа-аминопропионовая кислота, если следовать терминологии) известны два изомера:

Первый из этих изомеров, различающихся расположением аминогруппы и водорода, называется L-аланином, а второй D-аланином. Оптическим этот вид изомерии назван потому, что они проявляют себя по-разному при облучении светом с особыми свойствами. Не вдаваясь в излишние подробности, скажем, что один изомер называется левым (L — от латинского laevus, левый), а второй правым (D — от латинского dextra, правый). И вот еще одна загадка природы: практически все встречающиеся в природе альфа-аминокислоты имеют L-конфигурацию и лишь на таких аминокислотах синтезируются белки в клетках живых организмов. Не очень понятно, почему именно такие «живые» аминокислоты выбрала природа. Может быть, это произошло случайно. Первые комочки живой протоплазмы опять-таки совершенно случайно содержали немного больше левовращающих аминокислот, именно к ним приспособились первые ферменты, а потом уже природе не хотелось ничего изменять. Гипотезу о сознательном выборе L-аминокислот неким Творцом обсуждать не будем, для этого есть Ветхий Завет. Любопытно только, что L- и D-аминокислоты отличаются не только по конфигурации, но и по вкусу! Наши «живые» L-аминокислоты горькие, а D-аминокислоты почему-то сладкие. Так что у нас вовсе не «сладкая жизнь», скорее нужно было назвать ее горькой. Впрочем, для большинства населения Земли, за исключением разве что «золотого миллиарда», это так и есть.

При образовании белков из набора аминокислот, а занимаются этим в клетке специальные ферменты (которые, как мы знаем, и сами-то белки), аминокислоты сцепляются друг с другом за счет реакции между карбоксилом — COOH и аминогруппой — NH2. Из двух аминокислот образуется дипептид, а когда присоединяется еще одна аминокислота — трипептид и так далее до полипептидов. Получающаяся длинная цепочка представляет собой первичную структуру белка, то есть описывающая, какие и в каком порядке в этом белке соединены аминокислоты.

Далее наступает очередь вторичной структуры. Великий Лайнус Полинг, предложение которого поедать в день по 100 граммов витамина С обсуждается в главе 7, установил, что полипептидная цепь может закручиваться в спираль и задерживаться в таком положении, когда между участками спирали возникают так называемые водородные связи — связи не чисто химические, слабые, но вполне достаточные для удержания цепи в спиралевидном состоянии. И это еще не все — полипептидная спиралевидная цепь не собирается существовать в виде этакой длинной пружинки — она начинает складываться, закручиваться и укладываться в некую пространственную фигуру, строго специфичную для каждого из миллионов природных белков. «Держат форму» все те же водородные связи, электростатическое притяжение, а также и некоторые химические связи, возникающие между различными участками пружинки. Получается третичная структура белка. А когда образуется комплекс из двух или более свернутых в пружинки и пространственные фигуры полипептидных цепей, то говорят о четвертичной структуре белка. Образовавшуюся молекулу называют мультимером.

Слово «белок» в русском языке означает не только свернутую некоторым образом полипептидную цепь, но и самый обычный белок яйца, чаще всего куриного, такую мутноватую жидкую субстанцию, заполняющую пространство между скорлупой и желтком яйца. В желтке, несмотря на название, тоже до 20 % белка. Внешние и физические свойства белка куриных яиц чаще всего переносят на свойства белков вообще, хотя в этом классе веществ встречаются весьма оригинальные персонажи. Например, удивительный белок фиброин (от латинского fibra — нить), из которого в основном состоят выделения шелкоотделительных желез гусениц шелкопрядов при завивке коконов. Шелковая нить может достигать километра, а шелковая ткань обладает высокой прочностью и очень красива. Знаменитый блеск шелковой ткани обусловлен строением фиброиновой нити — в сечении она трехгранна.

Но рекордсменом по прочности является белковая нить других живых существ, а именно пауков. Паучья паутина состоит из белков спидроинов (от английского spider — паук) и разрывается лишь при растяжении в пять раз, сочетая в себе свойства эластичности и высокой прочности. При одинаковой толщине трос из паутины прочнее стального в сотни раз, вот только где взять столько паутины? Решением проблемы может стать генная инженерия — канадские генетики уже вывели генно-модифицированных коз, в молоке которых содержатся спидроины. Однако из этих белков нужно еще научиться прясть нити, а это пока не удается, хотя кое-что из молока модифицированных козочек уже получают (см. главу 15).

Совершенно другими свойствами обладает белок кератин, из которого в основном состоят ногти и волосы людей, когти птиц и носорожьи рога. Это твердое вещество, нисколько не похожее на жидкость внутри куриного яйца. Но, пожалуй, самым необычным может считаться белок, входящий в название Института белка Российской академии наук. На сайте Академии наук — да, да, Академии наук! — появился Squirrel Institute, то есть «Институт белки». Премиленький зверек и не знал, что над его изучением работает целый академический институт во главе с уважаемым ученым. Переводчика следовало бы свернуть в пружинку.

Помимо белков и важнейших из них — ферментов, которые синтезируются в нашем организме, существуют не менее важные вещества, которые организм человека производить не умеет. Они нам крайне необходимы. Это витамины.