Текст книги "Биологически активные"

Автор книги: Станислав Галактионов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 20 страниц)

Эмиль Фишер

Все, что написано о химической структуре белковой молекулы – линейной цепочки, образованной чередующимися определенным образом аминокислотными остатками, стало известно главным образом благодаря работам блестящего немецкого химика Эмиля Фишера. Он же установил многие другие особенности строения белковых молекул и синтезировал короткие белковоподобные фрагменты – пептиды, самый большой из которых содержал восемнадцать аминокислотных остатков.

Совершенно неоценим вклад Фишера в развитие органической химии и химии природных соединений. Лучше всего его можно охарактеризовать словами самого Фишера, который под конец жизни говаривал, что в молодости он мечтал о том, чтобы суметь полностью синтетическим путем приготовить себе завтрак, и почти осуществил свою мечту. Действительно, помимо вклада в белковую химию, о котором только что шла речь, нужно упомянуть его блестящие работы по установлению структуры и синтезу сахаров, им же расшифрованы структуры молекул кофеина и теобромина – наиболее существенных компонентов кофе и чая. Так что до приготовления синтетического завтрака ему и впрямь было недалеко.

А ведь, помимо этого, Фишер установил структуру многих циклических соединений, синтезировал их и в 1903 году совместно с И. Мерингом получил популярное до недавнего времени снотворное – веронал.

Знает ли кто-нибудь из читателей, кто такой Герман Зудерман? Пожалуй, разве что специалисты по немецкой литературе конца прошлого – начала нашего века. Был этот самый Зудерман в то время изрядно плодовит и популярен – и как прозаик, и особенно как драматург.

На каком-то курорте Фишер и Зудерман встретились, и писатель почувствовал почему-то антипатию к Фишеру.

– Вы не представляете себе, до чего я счастлив, – язвительно сказал Зудерман, – что могу лично поблагодарить вас за прекрасное снотворное, каким оказался ваш веронал. Мне даже не нужно его глотать, достаточно, если он лежит на моей ночной тумбочке.

– Странный случай. Я тоже, когда не могу заснуть, беру какую-нибудь вашу книгу. Действует безотказно, для меня тоже достаточно просто увидеть ее на моей ночной тумбочке.

Как-то в букинистическом магазине попалась мне в руки книжечка этого Зудермана; вспомнив приведенную историю, исключительно с целью проверки снотворного эффекта сочинения я купил ее и прочел. Мне показалось, что Фишер все же не прав: графомания это, конечно, вещь совершенно справедливо забытая, но все же не нудная.

Веронал же положил начало широкому проникновению в повседневную нашу жизнь барбитуратов, ныне представленных огромным количеством снотворных, успокоительных и обезболивающих средств; назовем хотя бы еще люминал, нембутал, перноктон, диал, кви-этал. По мнению специалистов, распространяющееся злоупотребление барбитуратами (еще бы, в наш-то век стрессов и эмоций) представляет собой огромную медицинскую и социальную проблему. Но Фишер здесь, конечно, ни при чем.

Очень важный след оставил Фишер и в науке о ферментах. К концу XIX века исследователям уже были известны многие примеры их исключительной избирательности, специфичности, говоря профессиональным языком.

Скажем, некий фермент катализирует реакцию с участием определенной молекулы (она называется в этом случае субстратом); катализирует очень эффективно, ускоряя в миллионы раз или даже более. И вот стоит хоть чуть-чуть изменить что-то в структуре этой молекулы, заменить одну группу атомов другой, или слегка нарушить строение той ее части, которая в реакции не участвует вовсе, или расположить иным образом заместители у какого-нибудь атома углерода – фермент перестает действовать как катализатор.

Благодаря высокой специфичности ферментов в организме не воцаряется хаос: каждый фермент выполняет строго отведенные ему функции, не влияя на течение многих десятков и сотен других реакций, осуществляющихся в его окружении.

Всякий каталитический эффект наступает в результате того, что молекула катализатора связывается неким образом с одной или несколькими молекулами – участницами реакции. В составе такого комплекса реакционная способность связанных молекул повышается, они реагируют друг с другом или с какими-то еще молекулами окружения. Продукт реакции обычно обладает меньшим сродством к катализатору, комплекс распадается, и молекула катализатора готова для следующей операции.

Удивительную специфичность действия ферментов Эмиль Фишер объяснил точным взаимным пространственным соответствием молекул субстрата и связывающего ее участка фермента (он называется активным центром фермента). Эта гипотеза получила название «гипотезы ключа и замка» или гипотезы «руки и перчатки».

В самом деле» не наденешь левую перчатку на правую руку, а если и натянешь, то с трудом. И если активный центр фермента представляет собой как бы слепок молекулы субстрата, ориентированной определенным образом, то ясно, что даже незначительная модификация структуры субстрата не дает ему возможности образовать плотный (а следовательно и прочный) комплекс с ферментом.

Гипотеза Фишера (с небольшими последующими модификациями) получила прямое экспериментальное подтверждение лишь много десятилетий спустя, однако была повсеместно взята на вооружение биохимиками сразу.

Более того, эти представления были перенесены и на другие взаимодействия белков с различными веществами. Например, при появлении в организме некоторых чужеродных соединений вырабатываются антитела – белки, прочно связывающие эти соединения и предотвращающие тем самым их возможное токсическое влияние. Пауль Эрлих, стоявший у истоков возникновения этих представлений, говорил в Нобелевской лекции, читанной в 1908 году.

«А так как отношения между токсином и его антитоксином (антителом. – С.Г.) носят строго специфический характер – например, столбнячный антитоксин нейтрализует исключительно яд столбняка, дифтерийная сыворотка – только яд дифтерии, противозмеиная сыворотка – только яд змеи и т.д., – то необходимо допустить, что между каждой такой парой антиподов происходит химическое связывание; последнее же ввиду строгой специфичности процесса легче всего объяснялось бы существованием двух групп с определенной конфигурацией, а именно двух групп, которые, по меткому сравнению Э. Фишера, так же хорошо подходят друг к другу, как ключ к замку».

С идеей взаимного пространственного соответствия двух взаимодействующих биологических молекул нам придется иметь дело еще не раз, на самых различных примерах; на этой идее, можно сказать без преувеличения, стоит вся современная физико-химическая биология. А обязана она ей Эмилию Фишеру, так же как, впрочем, и еще многими, многими идеями и фактами.

Заслуги Фишера были высоко оценены еще при его жизни; он был директором знаменитого Института кайзера Вильгельма, членом многих академий и научных обществ (в том числе с 1899 года членом-корреспондентом Петербургской Академии наук).

В 1902 году ему была присуждена Нобелевская премия. Все это, разумеется, неважно; мало ли было полностью ныне забытых нобелевских лауреатов, не говоря уже об академиках? Более всего о масштабах научных свершений Фишера свидетельствует то, что его идеи, его результаты и по сей день присутствуют во всех учебниках биохимии, органической химии, молекулярной биологии.

Согласно преданию семьи Фишеров отец Эмиля – богатый, солидный купец – хотел, чтобы сын продолжил его дело. Юноша был определен на практику к шурину своего отца, тоже купцу. То ли торговое ремесло было скучным занятием для него, то ли молодой Эмиль сознательно манкировал обязанностями купеческого практиканта, только некоторое время спустя учитель вернул его отцу с кратким и категорическим заключением:

– Ничего из него не получится.

– Что же поделать, – разочарованно сказал Фишер-старший. – Раз для купца он слишком глуп, придется отправить его в университет.

Жаль, что история, по-видимому, не сохранила для нас имени этого самого шурина, которому, как оказывается, столь многим обязана современная наука.

Белки, разрушающие белки

Вернемся, однако, к разговору о белках.

Структура остова белковой молекулы довольно проста. Боковые радикалы присоединены к атомам углерода, которые соединяются друг с другом посредством пептидной связи –CO–NH–.

До сих пор не последовало ответа на поставленный где-то выше вопрос о том, каким образом возникают белковые молекулы. Повременим и еще, рассмотрев противоположный процесс распада белков в организме. Он идет с помощью белков же – протеолитических ферментов, которые расщепляют пептидную связь с образованием на концах цепей в месте разрыва карбоксигруппы –COOH и аминогруппы –NH ₂; при этом происходит гидролиз одной молекулы воды.

Как и большинство других ферментов протеолитические ферменты обладают специфичностью, подчас довольно высокой, и расщепляют далеко не каждую связь. То есть на каждый случай какой-нибудь фермент да найдется, но данный конкретный фермент обычно специфичен в отношении лишь небольшой части связей в молекуле белка.

Чаще всего такая специфичность определяется типом остатка, принимающего участие в образовании атакуемой связи и его ближайших соседей, однако существуют и чемпионы специфичности, которые привередливы гораздо более. Так, протеолитический фермент ренин атакует только пептидную связь, следующую за фрагментом совершенно определенной аминокислотной последовательности из восьми остатков!

Рассмотрим, однако, случай попроще: пищеварительный фермент химотрипсин, выделяемый поджелудочной железой. Он расщепляет пептидные связи, в образовании которых принимают участие неполярные, гидрофобные остатки, причем делает это тем охотнее, чем больше объем такого остатка. Методами рентгеноструктурного анализа удалось установить пространственное строение молекулы химотрипсина. Механизм его каталитического действия благодаря этому известен ныне во всех основных деталях.

Здесь я называю этот белок несколько панибратски просто химотрипсином; на самом деле речь идет об α-химотрипсине, ибо есть еще и другие химотрипсины. Поскольку в дальнейшем они нам не понадобятся, будем и впредь писать просто химотрипсин.

На поверхности молекулы есть углубление, устланное неполярными, гидрофобными группами. Форма и размер этого углубления в точности соответствуют наиболее крупному гидрофобному боковому радикалу – аминокислотного остатка триптофана. Благодаря упоминавшемуся стремлению гидрофобных поверхностей в водном растворе сомкнуться так, чтобы контакт с водой был минимальным, боковой радикал триптофана входит в углубление на поверхности фермента. При этом остов цепи ориентируется таким образом, что пептидная группа, следующая за остатком триптофана, оказывается в непосредственной близости от оксигруппы бокового радикала серина, также входящего в активный центр химотрипсина.

В обычных условиях такая оксигруппа не реагирует с группами > CO или > NH, однако в активном центре она находится в окружении еще и двух имидазольных групп – боковых радикалов гистидина. В этих условиях она становится агрессивной («приобретает нуклеофильные свойства», если кто-то предпочтет более точное определение) и вступает в реакцию с карбонильной группой > CO пептидной связи. Последняя разрывается, и освободившаяся часть атакуемой белковой молекулы, следующая за остатком триптофана, уходит. Вновь образовавшаяся эфирная связь –O–CO– в окружении упоминавшихся остатков гистидина также оказывается непрочной, и вскоре от молекулы фермента отделяется и другая часть белковой молекулы.

Вот так современной молекулярной биологии удалось наполнить конкретными подробностями фишеровскую гипотезу «ключа и замка». Отметим, что, помимо пространственного соответствия (комплементарности, как предпочел бы сказать любой профессионал) и взаимного сродства гидрофобного «кармана» химотрипсина и бокового радикала остатка триптофана, существенную роль играет и рельеф поверхности молекулы, обеспечивающий расположение атакуемой связи в тесной близости с остатком серина.

Рассмотренный только что механизм реакции гидролиза с участием этого остатка встречается и у других ферментов, необязательно протеолитических; среди последних же он присущ обширной группе ферментов, которые так и называются – сериновые протеиназы. Другой пищеварительный фермент, принадлежащий этой группе, трипсин, атакует связи, образованные основными остатками: лизином и аргинином. Их длинные боковые радикалы несут на конце положительно заряженную группу; соответственно, «карман» активного центра трипсина – вытянутый, а на дне его расположен заряженный отрицательно боковой радикал остатка аспарагиновой кислоты. В остальном различий в механизме действия двух ферментов нет.

Снова о молекулярной мимикрии

Явление мимикрии нередко встречается в живой природе. Совершенно неядовитые и безобидные змеи формой тела и окраской подражают своим грозным ядовитым сородичам – коралловой змее, аспиду и другим, причем часто сходство так велико, что определить, кто есть кто, может лишь зоолог-специалист. Безоружные насекомые часто почти неотличимы от ос. Таким образом им удается обмануть многих своих врагов.

Этот термин – мимикрия – уже упоминался ранее применительно к механизму токсического действия цианида; сейчас будет рассмотрен другой важный класс проявлений такой вот мимикрии на молекулярном уровне.

Действуя в нормальных условиях, всякий фермент, как и в рассмотренных примерах, на некоторое время связывается с молекулой субстрата; по окончании реакции этот комплекс распадается. Существует, однако, немало способов обмануть фермент: подсунуть ему молекулу, по структуре чрезвычайно близкую соединению, в отношении которого этот фермент специфичен, однако в силу какого-то отличия в структуре образующую с ферментом столь прочный комплекс, что молекула фермента выводится из строя очень надолго, часто практически навсегда.

Соединения такого рода называют ингибиторами ферментов; сюда относятся многие наиболее биологически активные и практически важные соединения: лекарства, пестициды, дезинфицирующие средства и т.п.

Например, наш знакомый химотрипсин необратимо ингибируется эфирами некоторых ароматических кислот. Циклическая связь этих соединений, два сочлененных кольца, напоминает боковой радикал триптофана и – очень удобно размещается в гидрофобном «кармане» активного центра. Карбонильная группа точно так же реагирует с сериновым гидроксилом, однако образовавшаяся связь оказывается весьма прочной, в отличие от связи, образуемой «нормальными» субстратами химотрипсина.

Известны многие ингибиторы и другого из рассмотренных выше ферментов, трипсина. Простейший из них – эпсилон-аминокапроновая кислота – представляет собой углеводородную цепочку из пяти групп –CH ₂–, несущую на одном конце карбоксил, а на другом – аминогруппу. Она имеет большое сходство с остатком лизина – одним из двух, в отношении которых трипсин специфичен. Эпсилон-аминокапроновая кислота не связывается валентно с ферментом, она размещается в почти полностью вытянутом виде внутри «кармана», причем ее положительно заряженная аминогруппа взаимодействует с находящимся в глубине отрицательно заряженным остатком аспарагиновой кислоты. Таким образом, комплекс этого соединения и ферментом оказывается менее прочным, чем в предыдущем случае.

Существует большое количество различных трипсиноподобных ферментов, имеющих общий с ним механизм действия. Один из них – содержащийся в крови плазмин, ответственный, в частности, за разрушение тромба. При многих заболеваниях его активность резко увеличивается, что приводит к разнообразным неприятным побочным последствиям, у нас еще будет случай о них поговорить. Чтобы от них избавиться, необходимо снизить активность плазмина, что достигается часто с помощью эпсилон-аминокапроновой кислоты или ее производных. Некоторые изменения структуры этой молекулы позволили получить соединения, обладающие более сильным ингибирующим эффектом, причем оказалось, что для его сохранения всегда необходимо, чтобы группы –NH ₂и –COOH были разделены именно пятью другими атомами; укорочение или удлинение промежуточной углеводородной цепочки хотя бы на одну метиловую группу –CH ₃приводит к снижению сродства к ферменту.

Обратим внимание на это обстоятельство и перейдем к рассмотрению других типов молекулярной мимикрии.

Подобно унтер-офицерской вдове

В случае встречи с ингибитором молекула фермента «страдает» непосредственно сама, оказавшись инактивированной. Есть, однако, соединения, также обладающие сходством с субстратом некоторого фермента и так же легко с ним взаимодействующие, однако безо всяких немедленных неприятностей для фермента: протекает нормальная реакция, как и с тем субстратом, который для этого и предназначен в организме – только вот продукт этой реакции чуть-чуть другой. Иногда последствия этого «чуть-чуть» оказываются весьма далеко идущими.

Как будто в старину существовал такой способ охоты на медведя: к стволу дерева, на котором находился улей, подвешивалась на веревке увесистая чурка. Подвешивалась довольно высоко, однако пониже улья. В землю под деревом втыкали заостренные колья острым концом вверх. Взбирается себе косолапый по стволу, в надежде хорошенько полакомиться, натыкается на препятствие, эту самую чурку. Отталкивает ее лапой в сторону и получает удар по голове. Серчает, отталкивает посильнее, чурка пребольно ударяет по лапе. Чем больше сатанеет мишка от злости, тем ощутимее становятся удары; сваливается он в конце концов вниз и насаживается на колья.

Был ли на самом деле таким вот способом убит хотя бы один медведь, сказать не берусь, в конце концов, всякий охотничий рассказ воспринимается нами с некоторым скепсисом. Но это и неважно, вся эта история вспоминалась здесь совершенно по другому поводу: обратите внимание, всю работу, необходимую для того, чтобы убить медведя, проделывает сам медведь. Сам колотит себя по голове, сам нанизывает себя на кол...

Так вот, очень часто некоторое соединение само по себе практически нетоксично. В организме, однако, оно подвергается различным превращениям, в результате которых образуется уже сильно токсичный агент. Организм сам приготовил себе яд из как будто безобидного вещества!

Растет, например, в Южной Африке несколько видов растений рода дихапетолум. Один из них называют гифблаар – ядовитый лист. Действительно, коза или кролик, съевшие несколько листьев этого растения, вскоре гибнут. Из семян другого вида дихапетолум, растертых в порошок, приготавливают крысиный яд.

В период колонизации Южной Африки туземцы использовали такие семена для отравления колодцев и других источников воды, изготовляли из них яд для стрел. Естественно, эти растения привлекли внимание биохимиков и токсикологов; удалось выделить ядовитое начало, содержащееся в них. Это оказалась омега-фторпальмитиновая кислота, соединение, представляющее собой довольно длинную углеводородную цепочку типа полиэтилена, несущую на одном конце карбоксильную группу, на другом – фтор:

F–CH ₂–CH ₂–...CH ₂–COOH.

Метиленовая группа –CH ₂– повторяется в этой формуле 15 раз.

Токсиколог Саундерс стал исследовать и другие соединения этого ряда – укорачивая или удлиняя углеводородную цепочку, благо синтез их не очень сложен. Его изыскания, в общем немудреные, даже в определенном смысле стандартные (первая и наиболее естественная мысль, которая приходит в голову специалисту: поварьировать длину углеводородной цепочки и посмотреть, каков будет эффект), дали странный и совершенно неожиданный результат.

Обычно оказывается, что существует некоторая – оптимальная, что ли, – длина цепочки, обеспечивающая наибольшую активность соединения; вспомним хотя бы недавний пример с эпсилон-аминокапроновой кислотой. В ряду же соединений вида F–(CH ₂) _n–COOH токсичность совершенно не зависела от длины цепочки, а лишь от того, было ли количество метиленовых групп –CH ₂– в ней четным или нечетным. Ибо токсичными, причем в одинаковой степени, были лишь те соединения, у которых n– нечетное.

Объяснение можно найти, рассмотрев протекающие в организме пути окисления жирных кислот – соединений, очень сходных с рассматриваемыми, но не содержащих, конечно, в своем составе никакого атома фтора. Их распад (разумеется, под действием особых ферментов) осуществляется по такой схеме: в результате реакции, протекающей в несколько этапов, карбоксильная группа вместе со следующей за ней метиленовой группой отделяется от остальной части молекулы с образованием уксусной кислоты; следующая же в цепи метиленовая группа оказывается окисленной до карбоксила.

Таким образом, получается соединение того же вида, но содержащее в углеводородной цепочке на две метиленовые группы меньше. Оно, в свою очередь, подвергается окислению по тому же механизму и т.д.

Та же судьба постигает в организме и омега-фторорганические кислоты. Атом фтора на противоположном от карбоксила конце молекулы, видно, не мешает ферментам, осуществляющим описанный процесс. В результате, когда произойдет последнее отщепление молекулы уксусной кислоты, остаток будет представлять собой либо сравнительно безвредную фторпропионовую кислоту – если число групп – CH ₂– было четным, либо – крайне токсичную фторуксусную – при нечетном n. Одураченные ферментные системы трудолюбиво готовили для организма страшный яд.

Ибо фторуксусная кислота – соединение действительно очень ядовитое. Нескольких ее капель достаточно, чтобы умертвить лошадь. Более того, участник такого эксперимента сообщил, что собака, поевшая мяса этой лошади, сама тоже погибла.

Один из наиболее распространенных путей превращения уксусной кислоты в организме связан с процессом дыхания и выглядит следующим образом. Молекула уксусной кислоты конденсируется с молекулой щавелеуксусной кислоты, HOOC–CO–CH ₂–COOH. В результате образуется лимонная кислота (цитрат): HOOC–CH ₂–(OH)C(COOH)–CH ₂–COOH, которая под действием фермента аконитазы превращается в цис-аконитовую кислоту HOOC–CH = C(COOH)–CH ₂–COOH. Описанная последовательность реакций – это фрагмент важнейшего и универсального процесса дыхания – цикла карбоновых кислот (цикла Кребса). Очевидно, каждая его стадия контролируется специальным ферментом. Так вот, фермент, «работающий» на первой, «не замечает» того факта, что вместо одного из атомов водорода в молекуле фторуксусной кислоты имеется атом фтора. Зато следующий фермент, превращающий цитрат в аконитовую кислоту, – аконитаза именно из-за наличия атома фтора вместо водорода образует с синтезированным фторцитратом необратимый комплекс и инактивируется.

Здесь обманутые ферменты действуют в роли саботажников. Можно, однако, используя все тот же эффект молекулярной мимикрии, заставить их выступить в роли бракоделов.

Рассмотрим этот случай на примере механизмов действия сульфаниламидов: группы соединений, хорошо всем нам известных, увы, не только по книжкам. Стрептоцид, сульгин, уросульфан, норсульфазол, сульфадимизин, фталазол – мало у кого эти названия ассоциируются с какими-то приятными воспоминаниями.

Все это – препараты противобактериального действия. Структура простейшего из этих соединений, стрептоцида, довольно легко может быть описана словесно (постараюсь все же избежать появления в тексте структурных формул). Итак, представьте себе молекулу анилина: бензольное кольцо, к одному из углеродных атомов которого присоединена аминогруппа –NH ₂. К атому, расположенному в точности напротив, присоединен амид сульфогруппы, то есть –SO ₂NH ₂. Вот и весь стрептоцид как есть.

Попав в организм бактерии, стрептоцид начинает работать под парааминобензойную кислоту. Они и впрямь довольно похожи, молекула парааминобензойной кислоты отличается от стрептоцида лишь тем, что вместо амида сульфогруппы у нее находится карбоксил –COOH.

Парааминобензойная кислота необходима для синтеза фолиевой кислоты и ее производных – непременных участников многих ферментативных процессов, в частности, связанных с переносом метальных групп. Организм человека не может синтезировать фолиевую кислоту, а бактерии – могут. Их ферменты, работающие на этом участке, не умеют отличать парааминобензойную кислоту от стрептоцида, в результате получается соединение, удивительно напоминающее фолиевую кислоту, и только в одном месте вместо пептидной связи –CO–NH– связь иного рода –SO ₂NH–. Однако этого различия уже достаточно, чтобы второе соединение не могло выполнять функцию фолиевой кислоты в соответствующих процессах. Словом, повторяется история ильф-и-петровского гусара-одиночки Полесова, соорудившего, как известно, «стационарный двигатель, который был очень похож на настоящий, только не работал».

Человеку же стрептоцид безвреден, поскольку, как говорилось, в его организме синтез фолиевой кислоты не происходит, он должен получать ее в готовом виде. Вот вам, пожалуйста, польза иждивенчества...