Филиппович Ю.Б. - Основы Биохимии

остатков. Например, у предшественников альбумина, лизоцима и липопроте­

ина структура сшнальных пепmдов такова:

Мет- _ - mра- fla.t- mре- фгн - NilNil- NilNil- фгн -IU/II- с,р - U/l- сер- AIIIZ - фгн - сер - •••

Мет - fII'Z - "р- NilNil- IU/II- Nil- fla.t- Nil- "ас- фгн - Nil-II/Ю- Nil- AIIIZ - AIIII - AIIIZ - Nil- U/l- •••

Мет - _ - /UO - mре- JШ3 - Nil- fIIU -.м/1- U/l- /uo - fla.t-W/.I-Nil- U/l- "р - mре-Nil- Nil- AIIIZ - U/l- •••

Легко заметить, что центральная часть сигнальных пептидов содержит

остатки гидрофобных аминокислот, а концевые последовательности обога­

щены гидрофильными аминокислотными радикалами. Такая структура

обеспечивает, при наличии не менее 7 гидрофобных радикалов подряд,

беспрепятственное внедрение сигнальных пептидов в липопротеиновую ме­

мбрану в зоне рецептора сигнального пептида и последующий перенос белка через нее или закрепление в ней. Установлено, что перенос белков через биологические мембраны может осущесцшяться либо одновременно с трансляцией белка в рибосоме (котрансляционно), ибо по завершении

трансляции и отделения белка от рибосомы (посттрансляционно), но в лю­

бом случае ведущая роль принадлежит сшнальному пептиду (рис. 101). Последний отщепляется по завершении переноса при участии сигналопеп­

тидазы.

Сигнальная гипотеза Блобеля позволила по-иному подойти к проблеме активного транспорта макромолекул. Однако последняя не сводится только

к сигнальной гипотезе: получены данные о существовании специальных бел­

ков-поринов, обеспечивающих перенос макромолекул. Расширились пред­ ставления о мембранных белках, распознающих сшнальные пепmды, а неко­ торые из них (М = 34 и S4 кДа) выделены и охарактеризованы; изучена группа

белков (М = 68-72 кДа), заякоривающих новообразованные белки в мемб­ ране; обнаружены рибонуклеопротеиновые частицы, составленные из 7,8 РНК и нескольких (до 6) пептидов, тоже узнающие сшнальные последовательности

в белках.

ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ МQДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Не следует думать, что все белки, образовавшиеся в результате рибосо:" мального синтеза, обладают полностью завершенной структурой. Во мно­

mx случаях они синтезируются в виде предшественников и лишь после

протеолитического отщепления пептидного фрагмента приобретают закон­

ченную форму. Примерами ·такого рода посттрансляционной модификации

белков может служить отщеплевие сигнальных пептидов по завершении

переноса белков через биологические мембраны (см. рис. 101), фрагмен­ тированне белковых предшественников при образовании из них функциона­

льно активных белков, например трипсина из трипсиногена, инсулина из проинсулина, или биологически активных пептидов, например гормонов и рилизинг-факторов. Аналогичный характер носит посттрансляционная

модификация белков, сводящаяся к протеолитическому отщеплению N-

концевого формилметионина или метионина, с которых, как показано выше, начинается сборка полипептидных цепей в процессе рибосомального синтеза белков.

Вместе с тем широко представлена посттрансляционная модификация белков по аминокислотным радикалам. К их числу относятся: mдрокси­

лирова;ние радикала пролина при переходе проколлагена в коллаген; ацети­

лировавие N-концевой аминокислоты в белковой молекуле, как, например,

300

при биосинтезе яичного альбумина; метилирование радикалов лизина и ар­ гинина при посредстве S-аденозил-L-метионин: протеин N-метил- или 0-

метилтрансферазы, особенно широко представленное при поссtрансляцион­

ной модификации гистонов, негистоновых ядерных белков и рибосомальных

белков; присоединение олигосахаридных фрагментов к радикалам аспараm­

на, серина и треонина при биосинтезе гликопротеинов; амидирование радика­

лов аспараmновой и глутаминовой кислоты, что связывают в настоящее

время с изменчивостью белков в онтогенезе и, в частности, при старении;

карбоксилирование радикалов глутаминовой кислоты по у-углеродному ато­

му, в результате чего в белке возникают остатки у-карбоксиглутаминовой

кислоты, необходимые, в частности, для связывания Са 2 +; адеиилирование

и уридилироваиие радикалов'тирозина. К посттрансляционным процессам, имеющим важнейшее значеliИе для регуляции метаболической активности

генома, относится фосфорилироваиие mCToHoB и негистоновых белков хрома­

тина. Один из примеров котрансляционной модификации белков приведен на

рис. 102.

РЕГУЛЯЦИЯ БЕЛКОВОГО СШПЕЗА

Исходя из матричной mпотезы биосинтеза белка, Ф. Жакоб и Ж. Моно

(1961) впервые предложили весьма многообещающую схему регуляции

белкового синтеза. Следуя концепции один ген-одна мРИК-один белок,

Ф. Жакоб и Ж. Моно связали узловой пункт регуляции белкового синтеза

сДИК, входящий в состав генетического аппарата клетки. По их мнению,

вгенетическом аппарате клетки сущест~}()Т сообщества структурных

генов, так называемых оперонов, каждый из которых ответствен за вза­

имосвязанный синтез ряда специфических белков. Деятельность оперона

301

в качестве поставщика мРНК контролируется геном-оператором, который либо разрешает, либо запрещает запуск гомолоmческой репликации серии

мРНК на ДНК-матрице. В свою очередь, функция гена-оператора кон­

тролируется пространственно изолированным от него геном-регулятором,

который продуцирует мРНК, необходимую для синтеза белка-репрессора. Именно белок-репрессор, будучи присоединен к гену-оператору, блокирует его функцию. Более того, сам белок-репрессор подвержен действию аллостериче­ ских эффекторов, которые, соединяясь с ним, так изменяют его третичную структуру, что либо стимулируют, либоингибируют возникновение КОМIШекса

между репрессором и геном-оператором. В качестве аллостерических эффек­

тов часто выступают субстраты (индуцированный синтез ферментов). Накап­ ливаются данные об участии в контроле биосинтеза мРНК гормонов и ряда

друшх соединений.

Сказанное иллюстрирует схема 4. В нее включены также информосомы, на уровне которых тоже осуществляется регулЯция биосинтеза белков:

ОПЕРОН

,r____________________________--Jл~____________________________~\

Схема 4. Регуляция биосинтеза белков

Данная схема отражает только часть тех факторов, которые принимают учасmе в регуляции биосинтеза белков. Эта регуляция осуществляется также

на уровне метаболитов при активировании и переносе аминокислот; на уровне

макромолекул при биосинтезе ~HK, различных видов РНК и рибосом; на уровне субклеточных структур (формирование полисом, роль белково-липид­

ных мембран и т. п.), клетки (ядерноцитоплазменные взаимоотношения и др.),

302

в:омпnеllС

полипеll'l'ИДВllll цепь

Рис. 102. Котрансляционное I"ликозилирование белка

Onигосахарид, связанныll с JlИпидом (долихолnирофосфатом-см. гл. (х). при участии гликоэилтраисфераэы переRОСИТС. на остаток асnaрагина синтезнруемого • рибосоме белка, • результате чего возникает глиmпротеии

органа и организма (гормональная регуляция) и, наконец, на уровне среды

(например, зависимость точности считывания кода белкового синтеза от температуры).

БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ И НЕЗАМЕНИМЫХ АМИНОКИСЛОТ

ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ ЦЕЛЕЙ

Можно без преувеличения сказать, что в настоящее время человечество вступило в эру индустриального производства белка-наиболее дефицитного

пищевого продукта на Земле. 11 июля 1987 г. в г. Загребе родился пятимилли­

ардный житель Земли-Матей Гашпар, и, по подсчетам специалистов из

ООН, к 2000 г. население Земли возрастет до 6,1 млрд. Однако уже сегодня 10-15% жителей Земли голодает, а 40% получает неполноценную и недоста­ точную по белку пищу.

,Индустриальное производство белков осуществляется сейчас тремя способа-

!\:Iи: производство кормовых дрожжей, приготовление белково-витаминных

концентратов и выделение белков из непищевого сырья растительного проис­

хождения.

Производство кормовых дрожжей, содержащих более 50% белка и богатых

витаминами и микроэлементами, организуют на отходах деревообрабатыва­ ющей, целлюлозно-бумажной, сахароваренной и спиртовой промышленности

(опилки, барда и т. п.), а также на отходах переработки растительного сырья (солома, кукурузные початки и др.).

Белково-витаминиый коице~трат производят из нефтяного сырья. Впервые

такое производство в небольших масштабах было развернуто во Франции,

причем его продукцию использовали не только в животноводстве, но и в пи-

зоз

щевой промышленности. В нашей стране вошли в строй Светлоярский, Кстов­ ский, Томский, Новополоцкий, Киришинский и· Кременчугский заводы по производству белково-витаминного концентрата. Однако в процессе их эксплу­

атации возникли экологические проблемы, решение которых наталкивается как

на технические трудности, так и на эмоциональное противостояние населения.

На промышленную основу за рубежом поставлено выделение белков из

непищевого растительного сырья: листьев древесных растений, несъедобных

бобов и семян и т. п. Из такого белка готовят искусственное мясо, искусствен­ ные колбасы и другие пищевые суррогаты, получающие все большее распро­

странение в качестве дешевых заменителей натуральных продуктов. У нас

разработан метод выделения пищевого белка из хлопковых семян. Отличным

источником кормового белка является одноклеточная водоросль хлорелла,

производство которой развивается во всех странах мира, в том числе в нашей стране, Болгарии, Японии, ФРГ и др. .

Применение кормового белка и белково-витаминных концентратов в жи­

вотноводстве исключительно эффективно: улучшается использование белков основной диеты, возрастают привесы и увеличивается скорость роста молод­

няка, снижается расход кормов на единицу продукции, резко повышается

эффективность производства. Поэтому перед молодой отраслью - промыш­

ленным производством белков-открываются большие перспективы. Созда­ ются мощные. предприятия по микробиологическому синтезу белка на базе

этилового спирта и природного газа с производительностью 300·-500 тыс.

т продукции В год. Разрабатывается также регламент промышленного выра­ щивания водородных бактерий, биомасса которых исключительно богата

белком-содержание его достигает 70%.

Проблема обеспечения человечества беJIКОМ решается и в более глобаль­

но.м масштабе. У нас она впервые была рассмотрена в этом аспекте на

IX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Киев, 1965). Акад. А. Н. Несмеянов в своем докладе на съезде отметил, что процесс производ­

ства пищи путем выращивания растений и животных, по· существу, мало

изменился со времени первобытного скотоводо-земледельческого обще­ ства. Однако еще столетие тому назад Д. И. Менделеев писал: «Как химик,

я убежден в возможности получения питательных веществ из сочетания

элементов воздуха, воды и земли, помимо обычной культуры, т. е. на

особых фабриках и заводах, но надобность в этом еще очень далека от

современности...»

По мнению А. Н. Несмеянова, огромные успехи синтетической химии,

впринципе способной осуществить синтез любого органического вещества,

создали реальную основу для постановки уже сейчас вопроса об индустри­

альном производстве пищи. Из шести составных частей пищи, необходимых человеку (вода, белки, углеводы, жиры, минеральные соли и витамины), первая и две последние есть в природе или могут быть легко произведены

внеобходимом количестве. Из трех других-углеводы и жиры, являющие­

ся в основном поставщиками энергии, взаимозаменимы и легко переходят

друг в друга. Их синтетическое получение или производство в неограничен­ ных количествах из натурального непищевого сырья не представляет сейчас

трудности.

Таким образом, проблема сводится к индустриальному получению восьми

незаменимых аминокислот, которые вполне могут заменить белок в питании.

Уже сейчас существует достаточное число методов, химических и микроби- . олоmческих, которые могут послужить основой технического получения ука­ занных аминокислот в достаточных количествах и по ценам, более низким,

чем продукты, содержащие белки.

304

ГЛАВА VIII

УГЛЕВОДЫ И ИХ ОБМЕН

СТРОЕНИЕ УIЛЕВQДОВ

Общая характеристика углеводов. К lCЛассу углеводов относят органические

соединения, содержащие альдегидную или кетонную группу и несколько спир­

товых гидроксилов. Их элементарный состав выражается общей формулой

CmH2nOn• Из этого правила есть немногочисленные исключения, и хотя указан­

ное определение не является абсолютно точным, оно позволяет наиболее просто характеризовать эту группу разнообразных органических соединений в целом.

Ни название класса, ни общая формула этих соединений не дают ясного представления об их химическом характере и строении. Более того, термин «углеводы», предложенный впервые К. Шмидтом, профессором Юрьевского

университета (1844), наводит на мысль, что их следуer рассматривать как

«гидраты» углерода. На самом деле это было бы совершенно неправильно. Поэтому сравнительно давно (1927) для обозначения этого класса соединений был предложен другой термин-«глюциды», который, к сожалению, с боль­ шим трудом пробивает себе дорогу в химической номенклатуре.

К углеводам относятся соединения, обладающие разнообразными и часто

совершенно разлнчными свойствами. Среди них есть вещества низкомолекуляр­

ные и высокомолекулярные, кристаллические и аморфные, растворимые в воде и не растворимые в ней, гидролизуемые и негидролизуемые, способные очень

легко окисляться и сравнительно устойчивые к действию окислителей и т. д. Это многообразие качеств находится в тесной связи с химической природой углево­

дов, со строением их молекул; оно предопределяет то или иное участие углеводов

в процессах жизнедеятельности и в построении тканей животных и растений.

Во всех без исключения организмах углеводы служат материалом, при

окислении которого выделяerся энергия, необходимая для осуществления химических реакций. Такие углеводы рассматривают как резервные. Наряду

сэтим промежуточные продукты окисления углеводов используются для

синтеза многих других органических соединений.

Перечисленные функции углеводов (структурная, энергетическая и метабо­

лическая) рассматривают как канонические. Однако в последнее время выясне­

но, что углеводам присущи многие другие, нестандартные, неканоннческие

функции. Многие углеводы и углеводсодержащие биополимеры обладают

уникальным строением и специфичностью. Так, групповые вещества крови, являющиеся гликопротеинами, где 80% молекулы представлены углеводами,

именно за счет ассиммerрических центров, стереоизомеров, таутомеров и кон­

формеров последних приобретают поразительную специфичность взаимодейст­

вия. Олигосахаридные фрагменты гликопротеинов и гликолипидов клеточных

стенок выдвинуты как антенны за пределы клеточных оболочек и служат

локаторами, выполняющими рецепторные функции. В частности, при их по­

средстве с клеткаМJ{ связываются белковые токсины (например, холерный,

ботулический, столбнячный, дифтерийный, шигатоксины и др.), бактерии (на­

пример, кишечная палочка с олигосахаридами, составленными из остатков

З06

,

маннозы), вирусы (например, вирус гриппа) и т. п. Структуры олигосахаридных

фрагментов иммуноглобулинов высоковоспроизводимы и умеренно консерва­

тивны, что обеспечивает специфические углеводно-белковые взаимодействия

между доменами этих удивительно тонко организованных защитных белков. Более 250 ферментов обладают олигосахаридными фрагментами, которые

избирательно взаимодействуют с многочисленными лектинами- белками, даю­

щими конъюгаты с углеводами. Таким образом, наряду с нуклеиновыми кислотами и белками углеводы с современной точки зрения являются информа­

ционными молекулами, т. е. кодовыми словами в молекулярном языке жизни.

Благодаря этому все более ясно начинают вырисовываться контуры нового направления в биохимии углевоДов-гликобиолоmя и гликотехнология.

В зависимости от состава, строения и свойств, в частности от поведения

при нагревании с разбавленными водными растворами кислот (т. е. в зависи­

мости от отношения к гидролизу), углеводы делят на две группы: простые

и сложные. Простые углеводы не подвергаются mдролизу. Сложные углеводы

при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов.

Простые углеводы. Подавляющее большинство простых углеводов имеет

состав СnН2nОn• Ввиду того что простые углеводы не mдролизуются, их называют моносахаридами. Все простые углеводы- кристаллические тела, хорошо растворимые в воде и имеющие, как правило, сладкий вкус. По

химическим свойствам они БИФункциональны и могут быть охарактеризованы

как полиоксиальдегиды или полиоксикетоны. Это значит, что в их молекулах содержится альдегидная или кетонная группа и несколько спиртовых (окси-) групп. В зависимости от числа кислородных атомов в молекуле моносахариды

делят на несколько групп, названия которых образуют из греческих числитель­ ных с добавлением окончания-оза, характерного для углеводов. Ряд простых углеводов в целом называют поэтому рядом моноз. Сейчас известно более 200 природных моноз. В зависимости от положения в молекуле карбонильной

группы моносахариды существуют в виде изомеров: альдоз и кетоз.

Так как в молекулах моносахаридов присутствуют асимметрические атомы

углерода и, следовательно, молекулы в целом построены асимметрично, данной

группе соединений свойственна оптическая, или зеркальная, изомерия. Как и у друmх оптически деятельных соединений, зеркально построенные формы моносахаридов носят название оптических антиподов. Эквимолекулярные смеси или соединения последних друг с другом называются рацематами. Стереоизоме­

ры моносахаридов, отличающиеся пространственным расположением водоро­

да и ОН-группы у соседнего с альдеmдной группой углеродного атома,

являются эпимерами. Природные сахара относятся в основном к правому ряду,

что, видимо, связано с особенностями их первичного биосинтеза в растениях. Из альдоз особенно широко распространены в природе D-рибоза, о­

глюкоза, D-манноза и О-галактоза:

307

Из кетоз наиболее известными являются D-рибулоза и D-фруктоза; из гептоз целесообразно отмешть D-седогептулозу:

Все указанные кетозы активно участвуют в превращениях углеводов в ор­

ганизме_

Характерной особенностью моносахаридов является их ярко выраженная способность к таутомерным превращениям. Различают два вида таутомерии

моносахаридов: кето-енольную и кольчато-цепную_

Кето-енольная таутомерия моносахаридов состоит в переходе формы с карбонильным кислородом в альдегидной или кетонной группе в енольную

форму (с ОН-группой при углеродном атоме, связанном двойной связью).

Благодаря кето-енольной таyrомерии эпимерные моносахариды могут пре­

вращаться друг в друга.

Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов заключается в существовании кольчатых (циклических) форм и цепной (т. е. с открытой углеродной цепью)

формы моносахарида, находящихся в динамическом равновесии. Мысль о су­ ществовании циклических форм моносахаридов была впервые (1870) высказа­ на профессором Московского высшего технологического училища А. А. Кол­

ли. Замыкание цикла осуществляется при сближении СО-группы моносахари­

да с гидроксилом углеродного атома, удаленного от нее на 3-4 звена. По

карбонильноМу кислороду проходит реакция присоединения атома водорода

упомянутой спиртовой-группы, в результате чего образуется новый гидроксил, получивший название глнкозидвого или полуацетального. Одновременно

с этим замыкается кислородный мостик, дающий начало пятиили шестичлен­

ному гетероциклу (типа фурана или пирана):

родного атома

308

Углеродные атомы шесmили пятичленного гетероцикла в циклических

формулах моносахарида, а иногда и все остальные боковые группы опускают,

и тогда они при написании приобретают следующий вид:

II~Н20Н

:; НОН

СН2ОН

н

Жирными линиями изображают те связи между углеродными атомами

цикла, которые направлены к наблюдателю, тонкими-те, что находятся за плоскостью бумаги; это облегчает пространственное восприятие циклической

формулы. Атомы водорода и ОН-группы представляются расположенными

соответственно над и под плоскостью гетероцикла.

Так как в момент замыкания цикла углеродный атом бывшей СО-группы

становится асимметрическим, появление циклической формы моносахарида сопровождается возникновением двух иовых оптических изомеров. Тот из НИХ, у которого гликозидный гидроксил направлен в ту же сторону, что и спирто­

вой гидроксил при предпоследнем углеродном атоме моносахарида (опреде­ ляющем принадлежность его к 0- или L-ряду), называют а-формой. Проти­

воположная по пространственному расположению гликозидного радикала

форма называется l3-формоЙ. Ниже приведены соответствующие примеры а и l3-форм, называемых также анамерами (от греч. ан.а- вверх, так как гликозидные радикалы располагаются обычно при l-M, верхнем углеродном

атоме):

HO~2О ОН

НН

НН

НО ОН

Кетозы, как и альдозы, образуют кольчатые формы. В качестве примера

рассмотрим кольчато-цепную таутомерию фруктозы. Как и другие моносаха­

риды, фруктоза образует 4 циклические формы, находящиеся в динамическом равновесии с открытой формой (см. с. 310).

Обычно·циклические формы моносахаридов в растворе резко преобладают

над открытой цепной формой; кроме того, как правило, одна из циклических форм моносахарида присутствует в равновесной смеси всех форм в большем

количестве, чем другие. Так, среди 4 циклических форм О-глюкозы резко

преобладает в растворе Р-О-глюкопираноза (64%); содержание же альдегид­ ной формы глюкозы в равновесной смеси составляет всего 0,024%. Концент­

рация а и l3-глюкофураноз в смеси также ничтожна и все остальное количество

глюкозы представлено а-анамером. В целом пиранозные формы резко преоб­

ладают над фуранозными формами.

309