йство структурных белков мембран состоит в том, что все они независимо от источника выделения очень охотно связывают фосфолипиды при нейтральных значениях рН. Так как последние сохраняют при этом свой заряд, связывание структурных белков мембран и фосфолипидов идет за счет сил слабых взаимодействий, т. е. при посредстве гидрофобных центров белков и углеводородных радикалов фосфолипидов.

Кроме мембранных белков структурные функции несут белки межклеточного матрикса (коллаген, ретикулин), кристаллины, а также белки ядерного матрикса и цитоплазматического скелета. Число последних, частично или полностью охарактеризованных, достигло сейчас уже нескольких десятков и это одна из самых острых проблем современной белковой химии.

90

Сократительные белки. Сократительные белки локализованы как в мышечных клетках животных, так и в немышечных клетках примитивных и высокоорганизованных живых существ. К их числу относятся миксомиозин (нитевидный белок с диаметром молекулы 7,0 нм, выделенный из плазмодия гриба физарума); белки микротрубочек (диаметр субъединицы в трубочке 4,5— 7,0 нм), обеспечивающих движение протоплазмы в растительных и животных клетках, миозино- и актомиозиноподобные белки фибриллярного аппарата амебы, ответственные за перетекание ее протоплазмы; белки трубчатых фибрилл, участвующих в движении хромосом в процессе деления клетки; белки центральных и периферических фибрилл жгутиков и ресничек простейших, а также жгутиков сперматозоидов; актин и миозин мышечных волокон.

Кроме контрактильных свойств, подавляющее большинство перечисленных выше сократительных белков обладает аденозинтрифосфатазной активностью, т. е. соединяет в себе два качества—способность совершать механическую работу и ускорять химическую реакцию. Это свойство сократительных белков было открыто в 1939 г. В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой, которые в октябрьском номере журнала «Nature» (т. 144, с. 688) опубликовали результаты своих опытов в статье под названием «Миозин и аденозинтрифосфатаза». Таким образом, эти белки характеризуются механохимическими свойствами. Общей особенностью, присущей сократительным белкам, является также то, что их функция зависит от действия ряда дополнительных белков—активаторов и регуляторов их активности и от присутствия низкомолекулярных соединений (Mg ,Са2+, АДФ). Так, например, деятельность актомиозинового комплекса мышц регулируется тро-помиозином и тропонином.

Конкретные сведения о сократительных белках, выделенных из тех или иных источников, отличаются различной степенью полноты и достоверности, а в. ряде случаев противоречивы. Наиболее изучены миозин и актин мышц. Миозин представляет собой волокнистый белок с молекулярной массой 500000 Да, а актин—глобулярный белок с молекулярной массой от 46000 до 58 000 Да (рис. 44). Первичная структура фрагмента цепи миозина протяженностью до 200 аминокислотных остатков, что составляет примерно десятую часть его полипептидной цепи, выяснена. Удалось расшифровать также первичную структуру актина из мышц кролика—белка, состоящего из 374 аминокислотных остатков. Актин обладает сильно выраженной способностью к агрегации, протекающей с образованием надмолекулярных структур в виде суперспирализованных длинных двойных нитей.

О других сократительных белках сведения менее полны. Миксомиозин имеет молекулярную массу около 6 000 000 Да и размеры молекул 7 х 400— 500 нм. Сократительный белок из ресничек простейших ближе к миозину мышц по молекулярной массе (400000), аминокислотному составу и свойствам. Однако контрактильный белок из фибрилл митотического веретена гло-булярен (диаметр глобулы от 15 до 20 нм, М = 880 000); для него характерна субъединичная структура. Тубулин микротрубочек представлен димером с молекулярной массой 110000 Да.

Выяснение структуры и особенно механизма действия сократительных белков представляет огромный интерес и еще очень далеко от завершения.

Рецепторные белки. Выделение рецепторных белков в особую группу связано с интенсивным исследованием механизмов передачи информации в биологических системах.

Мишенью действия агентов, несущих сигнальные функции, являются рецепторные белки, локализованные в мембранном аппарате клетки. Одним из примеров может служить рецептор ацетилхолина—медиатора передачи

91

Головка, состоящая из двух субфрагментов с М=120 ООО

i а ш

Рис. 44. Схема строения сократительных белков мышц:

/—структура молекулы миозина, составленной из двух полипептидных цепей, включающих около 1800 аминокислотных остатков каждая. Большая часть молекулы представлена-суперспиралью (горизонтальная часть рисунка), образованной двумя почти полностью спирализованными полипептидными цепями; меньшая— двумя фрагментами полипептидных цепей в глобулярном состоянии, где содержание а-спиралей достигает 30% (головка, ответственная за связывание актина и АТФазную активность). Хвостовая часть (легкий меромиознн) отчленяется от головной части (тяжелый меромиозии) в результате протеолитического расщепления трипсином. Глобулярная часть (головка) отщепляется при протеолизе папаином; //—сунерспираль, составленная из глобул актина. Каждый шар на рисунке соответствует молекуле актина (М=46000); ///—точка прикрепления головной части молекул миозина (показаны стрелками) к суперспирали актина

в процессе мышечного сокращения

нервного импульса (см. гл. III). Он представлен олигомерным белком (М = 285 ООО), составленным из пяти субъединиц (а2$уЬ), образующих ионный канал (рис. 45). В отсутствие ацетилхолина этот канал закрыт, но после рецепции секретируемого ацетилхолина он открывается на короткое время (до момента разрушения медиатора ацетилхолинэстеразой) и пропускает Na+, что сопровождается изменением степени поляризации клеточной мембраны и передачей сигнала через синапс нервной клетки.

Рецепция того или иного вида энергии внешней среды органами чувств, как показали работы последнего времени, имеет единый механизм, складывающийся из двух этапов: 1) восприятия энергии стимула рецепторными белками; 2) преобразования энергии стимула особыми белковыми молекулами в специфическую информацию и передача ее в центральную нервную систему.

Сведения о рецепторных белках и механизме их взаимодействия с сигналами внешней среды весьма скудны. Представителем фоторецепторных белков является опсин, существующий в виде соединения с ретиналем (родопсин) и изменяющий свою конформацию, что связано с преобразованием светового сигнала в нервные импульсы в процессе зрительного акта (см. гл. IV, рис. 60). Из вкусовых рецепторных белков изучен сладкочувствитель-ный белок (М = 150 000). Его аминокислотный состав характеризуется высоким содержанием дикарбоновых аминокислот и их амидов, лизина, лейцина, вали-на и пролина. Он способен связывать моносахариды и дисахариды. Обонятель-

92

соон.

Внутренняя сторона

Рис. 45. Структура ацетилхолинового рецептора

В верхнем левом углу—олигомерная форма рецептора; показана пространственная структура а-субъединицы (М=40000), входящей в состав пентамера, окружность в центре пентамера—ионный канал диаметром 0,65 нм. В нижней части рисунка— развернутая структура а-субъединицы рецептора, встроенной в плазматическую мембрану клетки; спиральные участки полипептидной цепи а-субъединицы обогащены гидрофобными аминокислотными радикалами, взаимодействующими с остатками высших жирных кислот фосфолипидной мембраны; с N-конца полипептидные цепи субъединиц гликозилированы и углеводная компонента в целом составляет примерно 20% массы рецептора; С192 и С193—остатки цистеина, участвующие в рецепции ацетилхолина

ный белок выделен из половых сенсилл самцов дубового шелкопряда; он взаимодействует с половым феромоном самок этого насекомого. В восприятии звуковых колебаний и их преобразовании в нервные импульсы придают большое значение холинорецепторным белкам, которые, как показано недавно, ответственны за проницаемость клеточной мембраны.

Большие перспективы открываются при изучении рецепторных белков насекомых, особенно тех, которые осуществляют рецепцию аттрактантов и репеллентов.

Белки—ингибиторы ферментов. Вещества белковой природы составляют самую многочисленную группу ингибиторов ферментов, причем наиболее изучены из ее состава белки, ингибирующие активность протеаз. Белковые ингибиторы образуют с протеолитическими ферментами стойкие при физиологических условиях комплексы, в составе которых фермент полностью или частично теряет свою активность. Так как константы диссоциации этих комплексов лежат в пределах 10"12—Ю-9 моль, они действительно отличаются высокой прочностью, а ингибиторы, входящие в их состав,— большой мощностью действия.

Выделено и изучено несколько десятков белковых ингибиторов, подавляющих активность трипсина, химотрипеина, карбоксипептидазы, калликре-ина, эластазы, плазмина и других протеолитических ферментов. Многие из них получены в гомогенном кристаллическом состоянии. Молекулярные массы ингибиторов белковой природы колеблются от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч, но в основном они представлены белками с молекулярными массами около 6000 Да. Многие из белков—ингибиторов ферментов—являются гликопротеинами. Первичная структура нескольких

93

десятков ингибиторов расшифрована; среди них—ингибиторы трипсина I и II из поджелудочной железы свиньи и быка, соевых бобов, арахиса и фасоли, ингибиторы протеиназ из яда гадюки, лимских бобов и ананаса, ингибитор химотрипсина из картофеля, инактиватор калликреина (тразилол) из легких быка, ингибитор субтилизина из стрептомицета и др.

Белки вирусных оболочек. Из многочисленных вирусов выделены и изучены разнообразные белки. Их молекулярные массы колеблются от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч дальтон. Наряду с основной функцией (зашита нуклеиновой кислоты) некоторые белки вирусных оболочек необходимы для созревания вирусных частиц, обладают ферментативной активностью (нейраминидаза, лизоцим и обратная транскриптаза в составе ряда вирусов) и др.

Первичная структура белковых субъединиц многих вирусов выяснена. К их числу относятся субъединицы трех штаммов вируса табачной мозаики (159 аминокислотных остатков), субъединицы бактериофагов fr и/2 (129 остатков), бактериофага (2 в (131 остаток), бактериофага ZI (50 остатков), субъединицы вируса желтой мозаики турнепса (190 остатков) и вируса ядерного полиедроза тутового шелкопряда (244 остатка), субъединицы бактериофага fd (50 остатков), а также ряд белков вируса гриппа (гемагглютинин—566 и PV2—759 аминокислотных остатков).

Удивительной особенностью вирусных белков является их способность к агрегации, вследствие чего даже в отсутствие вирусных нуклеиновых кислот они способны к самосборке в соответствующие, характерные для данного вируса морфологические структуры (тени вирусов и фагов). Кроме того, их структура такова, что концевые аминокислоты, как правило, маскированы в глубине молекулы и труднодоступны для определения.

Белки с иными функциями. Несомненно, что и далее из крайне многочисленных конкретных представителей класса белков могут вычленяться новые группы с ясно выраженной функциональной активностью и связанной с нею спецификой структуры и свойств. Так, например, уже сейчас обособляются группа гемоглобинов, группа фибриллярных белков, группа рибосомальных белков и др. Это лишь подтверждает высказанное выше мнение о том, что классификация белков переживает сейчас период становления.

ГЛАВА III

ФЕРМЕНТЫ

ОБЩЕЕ ПОНЯТИЕ О ФЕРМЕНТАХ

Важнейшим свойством ряда белков, как уже отмечено, является их каталитическая активность, теснейшим образом связанная с общими особенностями их структуры.

Каталитически активные белки называют ферментами (от nsa.fermentum— закваска) или энзимами (отгреч. ен—внутри, зим—закваска). Как вытекает из происхождения названий этих веществ, первые сведения об их существовании были получены при изучении процессов брожения.

Роль ферментов в жизнедеятельности животных, растений и микроорганизмов колоссальна. Благодаря каталитической функции разнообразные ферменты обеспечивают быстрое протекание в организме или вне его огромного числа химических реакций. Складываясь в единый ансамбль саморегулируемых биохимических процессов, эти реакции преобразования веществ составляют материальную и энергетическую основу непрерывного самообновления белковых тел, т. е. самой сущности жизненных явлений. Поэтому ферменты «есть возбудители всех химических превращений» (И. П. Павлов), трансдук-торы (т. е. датчики) в регуляции обмена веществ.

В настоящее время в биологических объектах обнаружено несколько тысяч индивидуальных ферментов, а несколько сотен из них выделено и изучено. Подсчитано, что живая клетка может содержать до 1000 различных ферментов, каждый из которых ускоряет ту или иную химическую реакцию.

Биологические катализаторы (ферменты) по ряцу признаков резко отличаются от неорганических катализаторов, хотя те и другие лишь ускоряют достижение равновесия в химических процессах, которые протекают сами по себе, но с очень малыми скоростями. Как и катализаторы неорганической природы, биокатализаторы не вызывают каких-либо химических реакций, а лишь ускоряют существующие. Первое различие состоит в том, что по сравнению с катализаторами неорганической природы ферменты «работают» в очень мягких условиях (низкая температура, нормальное давление, невысокие значения рН среды и т. п.) и очень интенсивно. Так, например, гидролитический распад белка до аминокислот в присутствии неорганических катализаторов (крепких кислот или щелочей) осуществляется при температуре 100° С и выше за несколько десятков часов. Этот же процесс при каталитическом участии специфических ферментов протекает за десятки минут при температуре 30—40° С. Для гидролиза крахмала, как указывал еще Й. Берцелиус (1836), при нагревании в растворе кислоты нужно несколько часов, а при участии соответствующего фермента этот процесс идет при комнатной температуре всего несколько минут. Ионы Fe каталитически ускоряют разложение Н202 на Н20 и 02. Однако атомы того же Fe, но в составе фермента каталазы действуют в 10 млрд. раз энергичнее, и всего 1 мг Fe в ферменте способен заменить в этой реакции Ют неорганического Fe. Таким образом,

95

исключительно высокая каталитическая активность, проявляемая в условиях нормальной температуры и давления, отличает биокатализаторы от неорганических катализаторов.

Второе различие заключается в том, что ферменты обладают необыкновенно высокой специфичностью действия, чего не наблюдается у катализаторов неорганической природы. Каждый фермент каталитически ускоряет, как правило, одну-единственную химическую реакцию или в крайнем случае группу реакций одного типа.

Наконец, ряд различий между биокатализаторами и неорганическими катализаторами связан с белковой природой ферментов. Сюда относятся термолабильность, зависимость активности от рН среды и наличия активаторов или ингибиторов и др.

Самая существенная разница между ферментами и обычными катализаторами вскрыта лишь в последние годы. Она состоит в том, что благодаря уникальной структуре каждого фермента процесс ферментативного катализа