ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Томпсон. — Молекула инсулина из "Физика и химия жизни" краеугольный камень жизни, представляют собой самые сложные из известных человеку веществ, и изучение их химического строения является одной из наиболее важных задач, стоящих перед современной наукой. На протяжении более ста лет химики и биохимики упорно работают над этой проблемой. Для химии белков 1954 г. является историческим годом, так как в этом году группе ученых удалось наконец дать первое полное описание структуры молекулы одного из белков. Этот белок — инсулин, гормон поджелудочной железы, который управляет обменом сахара в организме. [c.92] Узнав строение молекулы инсулина, биохимики теперь могут попытаться синтезировать его и постигнуть секрет химической активности этого жизненно важного гормона, имеющего столь большое значение для лечения диабета. Кроме того, это достижение открывает путь к выяснению строения других белков с помощью тех же методик, и работа в этом направлении отчасти уже начата. [c.92] Молекула инсулина — одна из наиболее мелких белковых молекул. И все же его формула достаточно сложна. Молекула бычьего инсулина состоит из 777 атомов в такой пропорции 254 атома углерода, 377 — водорода, 65 — азота, 75 — кислорода и 6 — серы. Некоторые общие принципы строения молекулы белка были известны давно благодаря работам немецкого химика Э. Фишера и других исследователей. Атомы образуют структурные единицы, называемые аминокислотами, которые в свою очередь соединяются в длинные цепи и образуют молекулу. Из 24 известных аминокислот в инсулине присутствует 17. Общее число аминокислотных единиц в молекуле инсулина равно 51. [c.93] Зангеру предстояло выяснить не только общую форму цепи инсулиновой молекулы, но и установить последовательность расположения всех аминокислот в цепи. Эта последовательность имеет решающее значение, так как изменение расположения аминокислот изменяет свойства белка. Число возможных расположений аминокислот, естественно, почти бесконечно. Для того чтобы представить себе сложность проблемы строения белка, следует вспомнить, что все слова английского языка можно изобразить с помощью всего лишь 26 букв (всего на 2 больше,чем число известных аминокислот) и что все их разнообразие достигается благодаря тому, что эти буквы связываются между собой в различном числе и различной последовательности. [c.93] Аминокислота состоит из аминогруппы, карбоксильной группы и боковой цепи, прикрепленной к атому углерода. Во всех аминокислотах имеются аминогруппы и карбоксильные группы и различаются они между собой лишь своими боковыми цепями. В белковой молекуле аминокислоты связываются путем присоединения карбоксильной группы одной аминокислоты к аминогруппе другой. В процессе присоединения отделяются два атома водорода и один атом кислорода, которые образуют молекулу воды, и между оставшимися атомами возникает связь СО—КН. Эта связь называется пептидной. Так как при ее возникновении теряется молекула воды, то единицы, связанные в цепочку, называются аминокислотными остатками . Группа связанных аминокислот называется пептидом две единицы образуют дипептид, три — трипептид и т. д. [c.94] Одним из средств, которые дали возможность Зангеру решить головоломку, был метод метки концевой аминокислоты в пептиде. Возьмем, например, обломок белка — пептид, состоящий из трех аминокислот. При гидролизе он дает аминокислоты А, В я С. Возникает вопрос Какова последовательность их расположения в пептиде Первое звено трехчленной цепи должно иметь свободную (несвязанную) аминогруппу (КНз). Зангеру удалось найти химическую метку, которую можно было присоединить к этому концу цепочки и которая не отделялась от аминокислоты после гидролиза пептида. Эта метка — динитрофенильная (ДНФ-) группа. Она придает аминокислоте, к которой она прикреплена, яркий желтый цвет. Анализ положения аминокислот в трипептиде производится следующим образом. Трипептид обрабатывают веществом, содержащим метку, и затем расщепляют на три составляющие его аминокислоты. Аминокислоту, которая занимает концевое положение, скажем В, можно теперь узнать по ее желтой окраске. Затем процесс повторяют вновь, со второй порцией трипептида. Однако на этот раз его гидролизуют только частично, так чтобы осталось две аминокислоты в виде окрашенного в желтый цвет дипептида. Если в этом обломке В связана, скажем, с А, то очевидно, что последовательность в дипептиде должна быть ВА, а в исходном трипептиде — ВАС. [c.95] Другим методом, сыгравшим очень важную роль в решении инсулиновой головоломки, был метод распределительной хроматографии, предложенный для разделения аминокислот и пептидов химиками А. Мартином и Р. Синджем. Естественно, что Зангер должен был разделять и определять вещества в исключительно малых количествах материала. С помощью хроматографии на бумаге можно со значительной точностью анализировать количество смеси, равное одной миллионной доле грамма. На одном листе бумаги можно разделить 40 различных пептидов. [c.95] что молекула инсулина состоит нз 51 аминокислотного остатка, Зангер начал изучать ее строение с определения того, образуют ли эти остатки одну длинную цепь или несколько цепей. В молекулу инсулина входит три остатка аминокислоты цнстина. Эта аминокислота отличается от остальных тем, что на каждом конце ее находится и карбоксильная группа и аминогруппа. Так как такая молекула может служить связующим звеном между двумя соседними цепями, то присутствие ее в инсулине заставляло предположить, что его молекула состоит более чем из одной цепи. Зангеру удалось доказать, что она состоит из двух цепей, которые он сумел разъединить, разорвав серные связи в молекуле цистина. С помощью динитрофенильной метки он показал также, что одна цепь начинается с аминокислоты глицина, а вторая — с фенилаланина. [c.96] Зангеру удалось далее расщепить каждую цепь на части и изучить обломки — особенно те, которые частично перекрывали друг друга, — что дало ему возможность выяснить последовательность расположения аминокислот. Сосредоточив внимание на начале глициновой цепи, Зангер пометил глицин ДНФ и изучил обломки пептидов, полученные при частичном гидролизе. В обломках разрушенных глициновых цепей он обнаружил такую последовательность молекул глицин — изолейцин глицин — изолейцин — валин глицин — изолейцин — валин — глутаминовая кислота глицин — изолейцин — валин — глутаминовая кислота — глутаминовая кислота. Так было выяснено, что первые пять аминокислот в глициновой цепи — это глицин, изолейцин, валин и две молекулы глутаминовой кислоты. Этим же способом была установлена последовательность первых четырех аминокислот в фенилаланиновой цепи фенилаланин, валин, аспарагиновая и глутаминовая кислоты. [c.96] Разделить с помощью одной лишь хроматографии эту сложную смесь продуктов частичного расщепления цепи — аминокислот, дипептидов, трипептидов, тетрапептидов и т. д. — было очень трудно. Зангер и Туппи применили другие методы разделения (электрофорез и адсорбцию на угле и на ионообменных смолах), с помощью которых они разделили пептидные обломки на группы. Теперь они подвергали анализу уже эти более простые смеси с помощью хроматографии на бумаге. Им удалось выделить из разрушенной цепи 22 дипептида, 14 трипептидов и 12 более крупных обломков (см. фиг. , А). Хотя эти вещества были получены лишь в микроскопических количествах, тем не менее специальными методами они были идентифицированы и была установлена последовательность расположения образующих их аминокислот. [c.97] Теперь нужно было сложить части головоломки. Так же как в головоломке имеются основные части, вокруг которых выкладывается заданная картина, так и в этом случае имелись основные обломки, с которых следовало начинать. Было, например, известно, что цепь содержит только одну молекулу аспарагиновой кислоты. В обломках цепи после частичного гидролиза было найдено шесть пептидов, содержащих эту кислоту (см. фиг. 1). В этих обломках аспарагиновая кислота была соединена с одной, двумя, тремя или четырьмя аминокислотами, Изучение последовательности их расположения показало, что в исходной цепи порядок расположения их должен быть таким фенилаланин — валин — аспарагиновая кислота — глутаминовая кислота — гистидин. [c.97] Примерно через год интенсивной работы Зангеру и Туппи удалось собрать обломки и описать строение фенилаланиновой цепи инсулина. Затем Зангер занялся глициновой цепью и еще год совместно с автором данной статьи выяснял ее строение. Глициновая цепь короче (21 аминокислота), но в ней меньше ключевых аминокислот, т. е. таких, которые встречаются только один раз, а две аминокислоты — глутаминовая кислота и цистин — обнаруживались в таком большом числе обломков, что было трудно установить их точное местоположение. [c.98] Однако, прежде чем говорить о законченной структуре, оставалось выяснить еще одну деталь, а именно строение двух аминокислот. Некоторые аминокислоты встречаются в двух формах. Таковы глутаминовая кислота и глутамин. В глутаминовой кислоте имеется две карбоксильные группы, тогда как в глутамине место одного из карбоксилов занимает амидная группа. Это различие придает им и различные свойства в молекуле белка. Точно так же существуют аспарагиновая кислота и аспарагин. При кислотном гидролизе глутамин превращается в глутаминовую кислоту, а аспарагин в аспарагиновую кислоту. Поэтому после кислотного гидролиза белка нельзя сказать, в какой форме присутствовали аминокислоты в исходной цепи. Вопрос был разрешен косвенными путями один из них — это сравнение продуктов, полученных при расщеплении одного и того же пептида путем кислотного гидролиза и воздействием ферментов, которые не разрушают амидных групп. [c.98] К концу 1952 г. обе цепи были полностью собраны . Оставалось только определить, как соединены между собой эти цепи в молекуле инсулина. Но это было проще сказать, чем сделать. То, что казалось легким в теории, на практике, как это часто случается, оказалось далеко не столь простым. [c.98] Когда Зангер начал этот анализ, его сразу же озадачил тот факт, что содержащие цистин пептиды в его гидролизатах были весьма разнообразными. Цистин был связан с разными аминокислотами в столь различных комбинациях и положениях, что можно было подумать, будто цепи могут соединяться друг с другом поперечными связями в любом месте. Зангер скоро нашел объяснение при кислотном гидролизе молекулы инсулина серные связи цистина освобождаются и происходят самые разнообразные перекомбинации пептидов. После этого Зангер и его сотрудник А. Райль провели систематическое изучение этих реакций и им удалось найти химические вещества, тормозящие их. [c.99] Путем сложных анализов, включающих и кислотный гидролиз и ферментативное расщепление, Зангер и его сотрудники Л. Смит и Руфь Китаи в конце концов поместили мостики на соответствующие места и получили полную картину строения инсулина, схематически представленную на фиг. 1,5. Так в первый раз биохимику удалось определить расположение аминокислот в молекуле белка. Это достижение представляется поразительным тому, кто работал в этой области 10 лет назад. [c.99] Для того чтобы узнать, каким образом активность инсулина как гормона зависит от его строения, предстоит еще долго и много работать. Синтезировать молекулу трудно, но после того, как это будет сделано, можно будет изучать влияние изменения структуры на физиологические свойства. Очевидно, небольшие изменения не отражаются на них заметно, так как Зангер показал, что инсулин свиньи, барана и быка, обладая равной активностью, слегка отличается по своему строению. [c.99] А — выяснение последовательности расположения аминокислот в фенилаланиновой цепочке путем изучения обрывков цепочки. Номера в вертикальных колонках указывают положеиие каждой аминокислоты в молекуле (см. прилагаемую табличку). Каждый обрывок цепи представлен заштрихованной полоской, пересекающей соответствующие колонки. Более короткие обрывки (верхняя группа) были получены путем гидролиза инсулина кислотой. Более длинные 3-, 4- и 5-я группы) были получены под действием ферментов. Б—полная формула молекулы инсулина. Молекула состоит иэ 51 аминокислоты. Располагаются аминокислоты в виде двух цепочек, соединенных атомами серы (8 — 8). Одна из них (верхняя) состоит из 21 аминокислоты и называется глициновой, так как начинается с глицина. Вторая, начинающаяся с фенилаланина, называется фенилаланиновой. [c.101] Методы, оправдавшие себя в отношении инсулина, а также и некоторые новые методы уже применяются для изучения более крупных белковых молекул. Среди новых есть перспективные методы отщепления аминокислот от пептидной цепочки по одной. Ясно, что это более эффективный способ, чем обычный гидролиз. Развитие таких исследований будет ускоряться по мере того, как все больше биохимиков будет обращаться к изучению интереснейшей проблемы — связи структуры белков с их физиологической функцией. [c.102] Вернуться к основной статье