От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни

Полимеры

В состав белков входят углерод, водород, кислород, азот и, как правило, еще сера. Ничего особенного в таком химическом составе нет. Гораздо удивительнее другое. Еще в XIX веке химики обнаружили, что молекулы белков буквально гигантские. По размеру, то есть по количеству атомов, они в сотни раз превосходят молекулы большинства других органических веществ. Дело в том, что белки относятся к полимерам – молекулам, состоящим из множества однотипных (но не обязательно совершенно одинаковых) повторяющихся звеньев, ковалентными связями соединенных друг с другом (см. рис. 3.1А). Такие звенья называются мономерами. Полимеры могут распадаться на отдельные мономеры, а могут и собираться из них вновь. Эти процессы играют огромную роль в биологическом обмене веществ, в ходе которого то и дело одни полимеры расщепляются, а другие строятся из мономеров заново. Иногда полимеры называют макромолекулами, то есть попросту “большими молекулами”.

Очень простой пример полимера – полиэтилен, тот самый, из которого делают упаковочную пленку, пакеты, изоленту и тому подобные вещи. Это обычный углеводород, имеющий, однако, очень длинные молекулы (гораздо более длинные, чем все, что мы видели до сих пор). Формула полиэтилена следующая: CH₃–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–… За многоточием тут может скрываться цепочка из нескольких тысяч атомов углерода (разумеется, с присоединенными к ним атомами водорода, которые всегда заполняют все валентности, не заполненные другими атомами). Повторяющимся звеном в полиэтилене является группа – CH₂–CH₂– (с двумя атомами углерода, а не с одним, потому что при получении полиэтилена он “сшивается” именно из двухуглеродных молекул). Это и есть его мономер.

И в живой, и в неживой природе есть много всевозможных полимеров, состоящих из самых разных типов мономерных звеньев. И как правило, эти звенья гораздо сложнее, чем в полиэтилене. Например, во многих биологических полимерах мономерами являются сахара (см. главу 6). В белках же мономеры особые, свойственные только им. Это – аминокислоты.

Альфа, бета, гамма…

Аминокислота, как мы знаем, – это вещество, в молекуле которого одновременно есть карбоксильная группа и аминогруппа (см. главу 1). Особенность аминокислот, входящих в состав белков, в том, что эти две группы обязательно присоединены к одному и тому же атому углерода. Такие аминокислоты называются альфа-аминокислотами (см. рис. 3.1Б). Если в какой-нибудь аминокислоте карбоксильная группа и аминогруппа связаны с разными атомами углерода, то это не альфа-аминокислота и в состав белков она входить не может.

Почему альфа-аминокислоты называются “альфа” и при чем тут вообще греческие буквы? Дело вот в чем. Атомы углерода, образующие аминокислоту, принято обозначать греческими буквами по порядку, считая от карбоксильной группы (сама она в счет не идет). Таким образом, первый атом углерода после карбоксила – это альфа-атом, второй – бета-атом, третий – гамма-атом и т. д. И в зависимости от того, к какому атому углерода у них присоединена аминогруппа, аминокислоты делятся на альфа-аминокислоты, бета-аминокислоты и прочие.

Например, представим себе аминокислоту с формулой NH₂–CH₂–CH₂–CH₂–COOH (см. далее рис. 3.8). Аминогруппа тут присоединена к третьему атому углерода, считая от карбоксильной группы, то есть к гамма-атому. Значит, это гамма-аминокислота. В данном случае она называется гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК). Эта аминокислота есть в организмах большинства животных. Во-первых, она является промежуточным продуктом обмена веществ, а во-вторых, служит нейротрансмиттером, то есть веществом, передающим сигнал между нервными клетками. Именно с нарушением ГАМК-эргической (то есть обусловленной ГАМК) передачи нервных импульсов связано действие одного из самых сильных растительных ядов – яда цикуты, которым в свое время отравили Сократа. Но вот в состав белков ГАМК, в отличие от альфа-аминокислот, никогда не входит.

Пептидная связь

Как альфа-аминокислоты объединяются в белок? Очень просто: карбоксильная группа одной аминокислоты связывается с аминогруппой другой (см. рис. 3.2А). От карбоксильной группы отщепляется гидроксил (–OH), а от аминогруппы – водород (–H). Эти отщепленные фрагменты тут же соединяются и дают воду (H – O–H), а остатки карбоксильной группы и аминогруппы замыкаются по освободившимся валентностям друг на друга, образуя новую группу – CO – NH–. Вот через нее-то две аминокислоты и соединяются между собой.

Группа – CO – NH– называется пептидной группой, а связь между углеродом и азотом в ней – пептидной связью. Цепочка аминокислот, соединенных пептидными связями, называется пептидом (см. рис. 3.2Б). Это более широкое понятие, чем белок. Все белки – пептиды, но не все пептиды – белки.

Реакция образования пептида в принципе обратима: он может как синтезироваться, так и распадаться обратно на отдельные аминокислоты. На одном конце пептида находится свободная аминогруппа, на другом – свободная карбоксильная группа. Для краткости конец пептида со свободной аминогруппой принято называть N-концом, а конец со свободной карбоксильной группой – C-концом.

Короткие пептиды называют или по числу аминокислотных остатков (два остатка – дипептид, три – трипептид, четыре – тетрапептид…), или собирательно – олигопептидами. Длинные пептиды с многими десятками аминокислотных остатков называют полипептидами. Все белки – полипептиды. Аминокислотных остатков в них обычно даже не десятки, а сотни. “Средний” белок, типичный для живой природы, включает примерно 300–350 аминокислот. Белок из 200 аминокислот считается небольшим. Неудивительно, что белковые молекулы поразили когда-то химиков своими размерами.

Разнообразие и единство

В состав белков входит 20 стандартных аминокислот, одних и тех же у всех живых организмов. Как мы уже знаем, все они – альфа-аминокислоты, а это значит, что их общую формулу можно записать вот как: R – CH(NH₂) – COOH. Буква R тут, как всегда, обозначает радикал, то есть изменяемую часть молекулы.

Аминокислоты, образующие белки, называют протеиногенными, от уже знакомого нам слова “протеин”. Две самые простые протеиногенные аминокислоты – глицин (где радикал – атом водорода) и аланин (где радикалом служит метильная группа – CH₃). У других аминокислот радикалы сложнее. Для читателей-эрудитов добавим, что все нестандартные аминокислоты (селеноцистеин, пирролизин, гидроксилизин, гидроксипролин) так или иначе являются производными стандартных и нас пока не интересуют. А стандартных – ровно 20.

Свойства любого пептида зависят не только от того, какие аминокислоты в него входят, но и от того, в каком порядке они там расположены. Например, представим себе дипептид, состоящий из глицина и аланина. Как он будет выглядеть? Если в создании пептидной связи примут участие карбоксильная группа глицина и аминогруппа аланина, дипептид будет таким: NH₂–CH₂–CO – NH – CH(CH₃) – COOH. Но возможен и другой случай, когда пептидную связь образуют, наоборот, карбоксильная группа аланина и аминогруппа глицина. Тогда пептид получится вот таким: NH₂–CH(CH₃) – CO – NH – CH₂–COOH. Как видим, это два разных соединения. В белках, состоящих из сотен аминокислот, порядок расположения этих аминокислот не менее важен – только вот возможных вариантов там намного больше.

Глядя на формулы, легко убедиться, что два наших дипептида – не что иное, как изомеры (см. главу 1). То же относится к любым пептидам, отличающимся друг от друга порядком расположения одних и тех же аминокислотных остатков. И число таких изомеров в случае с длинными пептидами может быть огромным. Например, можно вычислить, что для декапептида, состоящего из 10 разных аминокислот, число возможных изомеров равно 3 628 800. А ведь декапептид – это даже не белок. Для любого крупного белка число изомеров будет в буквальном смысле астрономическим. Вот почему разных белков так много.

Порядок расположения аминокислот крайне важен для того, чтобы белок правильно выполнял свою функцию. Он должен быть таким же точным, как порядок букв в напечатанной фразе. Единственная замена или перестановка вполне может сделать белок совершенно “бессмысленным”, то есть бесполезным для организма. Между тем никакими чисто химическими средствами такую точность синтеза белка обеспечить невозможно. Первым, кто над этим всерьез задумался, был выдающийся русский биолог Николай Константинович Кольцов. “Молекула октокайдекапептида, состоящая из 18 аминокислот, может иметь около триллиона изомеров, а изомеры сложных белковых молекул должны исчисляться центильонами (число из 600 цифр). Представляется совершенно невероятным, чтобы синтез определенного изомера белков определялся исключительно внешними условиями реакции”, – писал Кольцов еще в 1927 году^{26}. Из этого следовал важнейший вывод: информация, задающая порядок аминокислот в белке, непременно должна храниться где-то в организме. Она должна копироваться, передаваясь из поколения в поколение, и считываться по первому запросу, когда тот или иной белок понадобится создать. Все это, как мы сейчас понимаем, совершенно верно. О том, как в действительности работают эти механизмы, мы узнаем из главы 9.

В отличие от некоторых других полимеров, белки никогда не ветвятся. Любой белок – это строго линейная цепочка аминокислот. Сами аминокислоты, входящие в состав белка, принято обозначать буквами: например, глицин обозначается буквой G, аланин – буквой A и т. д. Поэтому формулу любого белка можно записать в виде простой последовательности букв, соответствующих аминокислотам. На самом деле так обычно и делают.

“Кирпичики”, из которых состоит жизнь

Итак, мы видим, что аминокислоты, входящие в состав белков, построены по одной схеме. В любой из этих аминокислот есть карбоксильная группа и аминогруппа, присоединенные к центральному атому углерода (тому, который мы назвали альфа-атомом). Кроме того, к центральному атому углерода всегда присоединен атом водорода. Таким образом, из четырех валентностей альфа-углеродного атома три всегда заняты одними и теми же группами – карбоксильной, аминогруппой и атомом водорода. В этих частях молекул никакого разнообразия нет.

А вот четвертая валентность альфа-атома углерода занята изменчивой группой, которую мы для удобства назвали радикалом (–R). По ней-то аминокислоты и различаются (см. рис. 3.3).

Есть несколько аминокислот, у которых радикалы чисто углеводородные: аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин. Две из них – лейцин и изолейцин – являются изомерами друг друга, потому так и названы. Они отличаются всего лишь положением одной метильной группы (–CH₃). Чисто углеводородные радикалы плохо взаимодействуют с водой, но хорошо друг с другом. Иначе говоря, эти радикалы – гидрофобные.

Есть аминокислоты, у которых в состав радикала входит гидроксильная группа – OH (серин, тирозин) или аналогичная ей, но содержащая вместо атома кислорода атом серы тиольная группа – SH (цистеин). В таких радикалах есть полярные связи, а потому они взаимодействуют с водой гораздо лучше. Эти радикалы – гидрофильные.

Все аминокислоты, перечисленные нами до сих пор, называются нейтральными. Это означает, что в водном растворе их молекулы электрически не заряжены. Мы уже видели, что в любой аминокислоте есть карбоксильная группа, свойства которой кислотные, и аминогруппа, свойства которой, наоборот, основные (см. главу 1). Попадая в воду, карбоксильная группа отдает протон и становится заряжена отрицательно (–COO^–), а аминогруппа присоединяет протон и становится заряжена положительно (–NH₃⁺). Суммарный заряд молекулы аминокислоты в результате остается равным нулю. Это – нейтральная молекула.

А что, если карбоксильных групп две? Тогда эта аминокислота будет в растворе заряжена отрицательно. И действительно, в состав белков входит пара таких аминокислот – это аспарагиновая и глутаминовая кислоты. У них обеих есть карбоксильная группа не только при альфа-атоме, но еще и в радикале. И, соответственно, этот радикал несет дополнительный отрицательный заряд.

Для краткости аспарагиновую и глутаминовую кислоты часто называют, соответственно, аспартатом и глутаматом. Тут надо пояснить одну тонкость, связанную с названиями веществ. Аспартат и глутамат – на самом деле названия не кислот, а их анионов или (что то же самое) их солей. Например, глутамат – это соль глутаминовой кислоты. В биохимии этим сплошь и рядом пренебрегают, используя названия кислот и солей как синонимы. Ведь что такое соль? Это кислота, у которой на месте протона оказался любой другой катион. Если же она диссоциирована и не имеет никаких катионов вообще (а это бывает в растворах очень часто), то за ней обычно ради удобства оставляют название соответствующей соли. Именно это мы на примере аспартата с глутаматом и видим. Название соли – это название аниона, в виде которого молекула реально существует в воде.

Глутамат (будем отныне называть его так) интересен не только тем, что участвует в образовании белков. В организмах подавляющего большинства животных он служит еще и нейротрансмиттером, причем одним из важнейших. В нервной системе человека глутамат используют для передачи возбуждения примерно 40 % нейронов – это очень много! Почти все основные информационные потоки в нашем мозге идут посредством выделения глутамата, служащего для нервных клеток возбуждающим сигналом. Выше мы упоминали, что нейротрансмиттером является и еще одна протеиногенная аминокислота, а именно глицин (см. главу 1). Но действие глицина тормозящее (то есть успокаивающее), а глутамата – именно возбуждающее. Поскольку глутамат входит в состав каких угодно белков, то его очень много в пище, но пищевой глутамат в мозг почти не попадает – нервные клетки синтезируют его сами.

Кроме того, к глутамату очень чувствительна наша вкусовая система. Обычно считается, что есть пять основных вкусов, для которых на языке существуют отдельные типы рецепторов: соленый, кислый, сладкий, горький и выделенный в начале XX века вкус умами. Соленый – это вкус поваренной соли, кислый – протонов (H⁺), сладкий – сахаров. Горький вкус – самый сложный, он не привязан к какому-то одному классу молекул и возникает как реакция на любое вещество из большой и разнообразной группы зачисленных мозгом в “ядовитые”, это эволюционно выработанный механизм защиты от токсичной пищи. Ну а умами – это не что иное, как вкус глутамата. Судя по всему, в ходе эволюции органов чувств позвоночных животных именно глутамат был выделен как индикатор вкуса белков (важнейших питательных веществ как-никак). Вот почему на языке для него есть особые рецепторы. Ощущение вкуса глутамата – это эволюционно выработанный сигнал о том, что в рот попало нечто белковое.

Глутамат часто добавляют в пищу, причем как в виде кислоты (пищевая добавка E620), так и в виде натриевой соли (пищевая добавка Е621). И раз уж мы заговорили об этом веществе, воспользуемся случаем, чтобы развеять несколько связанных с ним заблуждений. Может быть, кому-то пригодится.

Итак, во-первых, утверждение, что глутамат – усилитель вкуса, неточно. Выражение “усилитель вкуса” могло бы относиться к некоему (вымышленному) веществу без собственного вкуса и запаха, обладающему свойством обострять вкус любой еды. Глутамат этого не делает: у него просто есть свой вкус, точно так же, как у сахара или у соли. Механизмы восприятия вкуса глутамата и вкуса, допустим, того же сахара принципиально не отличаются друг от друга. Просто сахар воспринимается одними рецепторами, а глутамат – другими.

Во-вторых, неверно часто встречающееся мнение, будто “натуральный” глутамат (предположительно безобидный) – это совсем не то, что глутамат “искусственный” (предположительно вредный и опасный). Люди, которые так думают, просто не знают, о каком веществе идет речь. А мы с вами теперь знаем. Глутамат – это не какая-нибудь загадочная сложная смесь (состав которой действительно мог бы варьироваться), а одно-единственное химическое соединение, описываемое незатейливой формулой. Вот она, эта формула: HOOC–CH₂–CH₂–CH(NH₂) – COOH. Только и всего. Глутамат, полученный искусственно, не отличается от полученного готовым из природных продуктов, потому что отличаться там нечему.

В-третьих, глутамат, получаемый с пищей, едва ли опасен для нервной системы прежде всего потому, что он в нее почти не проникает – это обеспечивается специальным физиологическим барьером. Нервные клетки синтезируют глутамат самостоятельно. К тому же в белковых продуктах (таких, как творог, мясо или соя) глутамата наверняка больше, чем попадает его в еду в качестве пищевой добавки, – просто потому, что это составная часть любых белков.

В-четвертых, на глутамат нет аллергии^{27}. Аллергию вызывают чужеродные вещества, а не такие, которые жизненно необходимы и всегда присутствуют в организме в высоких концентрациях, – а глутамат как раз относится к последним.

Так что опасность глутамата – это, судя по всему, типичный современный миф.

Однако вернемся к другим аминокислотам. Если есть отрицательно заряженные аминокислоты, логично ожидать, что существуют и положительно заряженные. Это действительно так. Пример положительно заряженной аминокислоты – лизин, имеющий формулу NH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH₂–CH(NH₂) – COOH. Как видим, у лизина в радикале есть дополнительная аминогруппа, которая ведет себя так, как аминогруппе и положено: приобретает протон. Еще одна положительно заряженная аминокислота – аргинин, радикал которого включает довольно редкую (больше она нам нигде не встретится) гуанидиновую группу – NH – C(NH) – NH₂, тоже охотно присоединяющую протон.

Таким образом, аминокислоты, из которых состоят белки, можно поделить на четыре категории: гидрофобные, гидрофильные нейтральные, положительно заряженные и отрицательно заряженные. Разумеется, все эти различия касаются только той части молекулы аминокислоты, которую мы назвали радикалом (R). “Базовая” часть (включающая атом углерода, атом водорода, карбоксильную группу и аминогруппу) во всех рассмотренных нами протеиногенных аминокислотах одна и та же. Особое положение занимает разве что самая простая из всех возможных аминокислот – глицин, у которого вместо радикала атом водорода.

Аминокислоты и связи

Итак, любой белок – это полипептид, то есть цепочка аминокислот, соединенных пептидными связями. На самом деле теоретически можно придумать полипептид, не являющийся белком, но мы сейчас поступим проще и будем считать, что эти слова – синонимы. В подавляющем большинстве тех случаев, которые нам могут встретиться, так оно и есть.

Для начала представим, что молекулу полипептида бросили в воду. Очевидно, что она не останется там вытянутой в прямую линию, а будет как-то сворачиваться. Это сворачивание будет зависеть от взаимодействия аминокислотных остатков как с молекулами воды, так и между собой. В целом пептидная цепь устроена довольно просто: ее “скелет” образуют пептидные группы, соединяющие между собой альфа-атомы углерода, а радикалы торчат в стороны. Все эти части огромной молекулы как-то размещаются в пространстве относительно друг друга, и в результате белок приобретает свою трехмерную форму – как обычно говорят, конформацию. Белок с нарушенной конформацией, как правило, совершенно бесполезен для организма. Поэтому соблюдение конформации – это очень важно.

Как же она складывается? Есть четыре типа взаимодействий между аминокислотами, определяющих объемную структуру белка, в который они входят.

Во-первых, это водородные связи (см. главу 2). В белке их обычно много, они возникают и между пептидными группами, и между боковыми цепями аминокислот (“боковая цепь” и “радикал” – в данном случае синонимы). Особенно это относится к тем аминокислотам, радикалы которых нейтральны и гидрофильны – вроде, например, серина или тирозина.

Во-вторых, это гидрофобное притяжение между углеводородными радикалами, принадлежащими таким аминокислотам, как валин, лейцин или фенилаланин. Вода выталкивает эти радикалы точно так же, как вытолкнула бы обычные молекулы углеводородов, и они отлично слипаются вместе, если оказываются при сворачивании белковой молекулы близко друг к другу. А тем самым они это сворачивание и закрепляют.

В-третьих, существует электростатическое притяжение между положительно и отрицательно заряженными боковыми цепями. Если, например, глутамат (радикал которого заряжен отрицательно) окажется при сворачивании белка рядом с лизином (радикал которого заряжен положительно), между ними тут же возникнет самая настоящая ионная связь.

Есть и четвертый тип взаимодействий. Он зависит от единственной аминокислоты, радикалы которой могут образовать между собой аж ковалентные связи (не имеющие никакого отношения к пептидным). Эта аминокислота – цистеин. В радикале цистеина есть сульфгидрильная группа – SH, аналогичная спиртовой группе (–OH), но с атомом серы вместо атома кислорода. Целиком радикал цистеина имеет вид – CH₂–SH. Так вот, уже в готовом белке может произойти реакция, при которой у двух таких радикалов будет отобран водород (его унесут специальные молекулы-переносчики), а свободные валентности атомов серы замкнутся друг на друга и образуют между остатками цистеина связь – S – S–. Это называется дисульфидным мостиком (см. рис. 3.4А). Белок вполне может быть в нескольких местах “сшит” такими мостиками (см. рис. 3.4Б). Причем реакция их образования обратима: дисульфидные мостики могут возникать и рваться, и это бывает важно для регуляции некоторых физиологических процессов.