Помилки у білках

Одне з найважливіших завдань, яке вирішує молекулярна біологія, - вивчення біохімічних основ специфічності білків у різних представників живого світу.

Перед вченими давно стояло питання: у чому причина відмінності білків різних організмів? Маючи на озброєнні методи вивчення послідовності амінокислот у білках, біохіміки розпочали пошуки хімічного вираження специфічності.

Цистеїн, треонін, серин, ізолейцин, цистеїн (свиня, кит).
Цистеїн, аланін, серин, валін, цистеїн (бик).
Цистеїн, аланін, гліцин, валін, цистеїн (вівця).
Цистеїн, треонін, гліцин, ізолейцин, цистеїн (кінь).

Зовсім невеликі відмінності, чи не так? Між інсуліном коні та свині — лише в одній амінокислоті, а свині, кита та вівці — у трьох.

Цей приклад показує, що між білками, що виконують однакові функції, але належать до різних біологічних видів, є різниця. Однак їхня відмінність не призводить до втрати біологічної активності білкових молекул. У той же час науці відомо багато прикладів, що показують, як зміна специфічної послідовності амінокислот спричиняє важкі наслідки в організмі.

Усі добре знають, що червоний колір нашої крові пояснюється присутністю особливого білка – гемоглобіну. Молекулярна вага гемоглобіну близько 70 тисяч, до його складу входить близько 500 амінокислот.

Одне із захворювань крові – серпоподібна анемія. При цій хворобі червоні кров'яні кульки, віддаючи захоплений у легких кисень тканинам організму, набувають форми серпу. Дослідивши один із пептидів незвичайного, аномального гемоглобіну, біохіміки встановили, що лише одна амінокислота, що стоїть за рахунком шостою, глютамінова, замінена на іншу — валіном.

Амінокислота валін не маєелектричного заряду, а у глютамінової кислоти заряд негативний. Внаслідок втрати заряду молекули аномального гемоглобіну злипаються і не можуть функціонувати. Це приклад зміни специфічності білків, зумовленої послідовністю амінокислот.

Специфічність білків так само чітко виявляється і в їхній ферментативної активності. У живій клітині дуже багато ферментів, які необхідні для прискорення та спрямування біологічних реакцій. Так, наприклад, протеази (пепсин, трипсин, хімотрипсин) перетравлюють білки, що потрапили в травний тракт; крохмаль полісахарид розщеплюється під дією ферменту амілази, ДНК і РНК розпадаються, коли приходять у контракт з молекулами дезоксирибонуклеази і рибонуклеази. (В кінці кожного слова, що визначає назву ферменту, обов'язково ставиться суфікс «аза», а корінь слова зазвичай означає субстрат, речовина, на яку діє фермент).

Ферментами виявились білки різної молекулярної ваги: від 17 тисяч до мільйонів. Швидкість впливу ферментів на субстрат дуже велика. Навіть «найповільніші» ферменти встигають за одну секунду обробити до 10 тисяч молекул субстрату.

Зручним об'єктом для вивчення зв'язку між структурою та біологічною функцією ферментативної дії є рибонуклеаза. Так як у цьому ферменті послідовність розташування амінокислот відома, біохіміки отримали можливість з'ясувати, яка ділянка ланцюга молекули ферменту відповідальна за прояв його специфічних біологічних властивостей.

Вчені вчинили так само, як і при з'ясуванні послідовності розташування амінокислот. На рибонуклеазу вплинули ферментом лейцинамінопептидазою, і почалося відщеплення амінокислот. Результати виявилися несподіваними: близько 20% амінокислот було видалено, арибонуклеаза продовжувала чудово працювати. В іншого ферменту, рослинного білка папаїну, вдалося відірвати майже 50% амінокислот без втрати біологічної активності. Гормон гіпофіза, АКТГ (адренокортикотропний гормон), що втратив 15 з 39 амінокислот, був активним, як і до початку досвіду. Отже, специфічність дії білка-ферменту міститься в порівняно невеликій ділянці амінокислотного ланцюга.

Подальші дослідження дозволили встановити одну цікаву закономірність. Видові відмінності у послідовності амінокислот у білках-ферментах могли торкатися майже будь-яких ділянок поліпептидного ланцюга. Хороший приклад для демонстрації видових відмінностей у чергуванні амінокислот - так званий цитохром С, переносник кисню в процесі дихання тканинного організму. Вчені досліджували амінокислотну послідовність у цитохромі З різних представників живого світу (ссавців, птахів, риб, комах, бактерій) і встановили, що ділянка ланцюга, що складається з амінокислот цистеїну, гістидину і треоніну, універсальна для цитохромів усіх вивчених організмів, а видові відмінності інших ділянках молекули.

З цих досліджень випливає, що прояви ферментативної активності білка необхідна суворо специфічна, незмінна послідовність щодо одного ділянці молекули. Ці ділянки називаються активним центром ферменту. Порушення чергування амінокислот в активному центрі, заміна однієї амінокислоти іншою призводить до інактивації ферменту, тобто до втрати специфічної біологічної активності.

Ми навели один із прикладів, де біохіміки отримали уявлення про хімічне вираження біологічної специфічності. Необхідність точної послідовності амінокислот для прояву біологічної функції білків поставила вчених перед іншоюзавданням.

Під час розвитку живого організму відбувається постійне зростання клітин, у яких не припиняються тисячі специфічних біологічних реакцій. Постійно синтезуються одні молекули, розпадаються інші, зростає кількість білкового клітинного матеріалу. Інакше кажучи, йде синтез специфічного білка. Як же синтезувати складну білкову молекулу, обов'язково дотримуючись при цьому точності побудови, правильності послідовності амінокислот? На прикладі серповидної анемії добре видно, яких важких наслідків може призвести помилка в розташуванні амінокислотних залишків. Згадайте приклад із спотворенням сенсу слів при друкарських помилках. Очевидно, що «друкарня» у живій клітці має працювати абсолютно безпомилково, не спотворюючи правильності чергування амінокислот у білках. У статті «На межі живого та неживого» розповідалося про молекулярний код, за яким розташовуються амінокислоти в білках. Ми тепер знаємо, що кодування послідовності амінокислот записано на іншому найважливішому біологічному полімері — нуклеїновій кислоті.

Щоб отримати уявлення про молекулярні основи синтезу специфічного білка, необхідно ознайомитися зі структурою та функціями нуклеїнових кислот, розташуванням їх у живій клітині та простежити за участю нуклеїнових кислот у різних стадіях білкового синтезу.