лков и т. п.). Вопросы ложного кодирования в процессе белкового синтеза успешно изучаются в Институте белка в Пущино под руководством акад. А. С. Спирина.

Проблема кодирования биосинтеза белков в последние годы обсуждается еще в одном принципиальном аспекте. Исходя из работ, в которых удалось доказать способность некоторых белков без участия нуклеиновых кислот обеспечивать собственное мультиплицирование, накопление и реализацию присущего им патологического (инфекционного) процесса, В. А. Кордюмом выдвинута концепция о существовании новой формы биологической информации—пространственной структуры белка, способной к самовоспроизведению.

ПЕРЕНОС НОВООБРАЗОВАННЫХ БЕЛКОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАНЫ

Значительная часть синтезируемых клеткой белков в зависимости от их функционального назначения либо переносится через мембраны, либо встраивается в них. Недавно удалось расшифровать молекулярные механизмы, обеспечивающие перемещение столь больших молекул, какими являются белки. Оказалось, что проникновение белков через биологические мембраны, равно как и их встраивание в мембраны, осуществляется с помощью сигнальных пептидов. Такое предположение впервые было высказано в начале 70-х годов Г. Блобелем и Д. Сабатини и стало известно в дальнейшем как сигнальная гипотеза Блобеля. В настоящее время эта гипотеза подтверждена экспериментально.

Сигнальные пептиды представлены фрагментами полипептидных цепей -белков в их N-концевой части протяженностью 15—30 аминокислотных

299

остатков. Например, у предшественников альбумина, лизоцима и липопроте-ина структура сигнальных пептидов такова:

Л*он - лиз - три - вал - тре - фен - лей - лей - лей - лей - фен - иле -сер-гли-сер-ала-фен-сер-... Мет- арг-сер-лей-лей-иле-лей -вал-лей- цис-фен- лей- про-лей- ала- ала- ала- лей-ели-... Мет—лиз—ала —тре—лиэ — лей —вал—лей —гш—ала —вал —иле—лей—гш—сер —тре—лей —лей—ала — гли —...

Легко заметить, что центральная часть сигнальных пептидов содержит остатки гидрофобных аминокислот, а концевые последовательности обогащены гидрофильными аминокислотными радикалами. Такая структура обеспечивает, при наличии не менее 7 гидрофобных радикалов подряд, беспрепятственное внедрение сигнальных пептидов в липопротеиновую мембрану в зоне рецептора сигнального пептида и последующий перенос белка через нее или закрепление в ней. Установлено, что перенос белков через биологические мембраны может осуществляться либо одновременно с трансляцией белка в рибосоме (котрансляционно), ибо по завершении трансляции и отделения белка от рибосомы (посттрансляционно), но в любом случае ведущая роль принадлежит сигнальному 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 белков—поринов, обеспечивающих перенос макромолекул. Расширились представления о мембранных белках, распознающих сигнальные пептиды, а некоторые из них (М = 34 и 54 кДа) выделены и охарактеризованы; изучена группа белков (М = 68—72 кДа), заякоривающих новообразованные белки в мембране; обнаружены рибонуклеопротеиновые частицы, составленные из 7,8 РНК и нескольких (до 6) пептидов, тоже узнающие сигнальные последовательности в белках.

ПОСТТРАНСЛЯЦИОННАЯ МОДИФИКАЦИЯ БЕЛКОВ

Не следует думать, что все белки, образовавшиеся в результате рибосо-мального синтеза, обладают полностью завершенной структурой. Во многих случаях они синтезируются в виде предшественников и лишь после протеолитического отщепления пептидного фрагмента приобретают законченную форму. Примерами такого рода посттрансляционной модификации белков может служить отщепление сигнальных пептидов по завершении переноса белков через биологические мембраны (см. рис. 101), фрагмен-тирование белковых предшественников при образовании из них функционально 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: гидрокси-лирование радикала пролина при переходе проколлагена в коллаген; ацети-лирование N-концевой аминокислоты в белковой молекуле, как, например,

300

Рис. 101. Транслокация белка через липопротеи-новую мембрану:

А—ковтрансляционный перенос белка; Б—посгтрансляциовлый перенос белка. Сигнальный пептид, взаимодействуя с рецептором мембраны, обеспечивает поступление но-вообразуемого на рибосоме белка в липопротеиновую мембрану. В случае котрансляционного переноса на мембране при посредстве специфического рецептора закрепляется также рибосома, а сама транслокация белка осуществляется за счет возникновения конформера по-липептидной цепи. При посттрансляционном переносе в транслокации участвуют белковые факторы, примыкающие к рецепторам сигнального пептида. И в том и в другом случае сигнальный пептид отщепляется от функциональной части белка при посредстве пептидазы сигнального пептида; судьба его пока не выяснена

при биосинтезе яичного альбумина; метилирование радикалов лизина и аргинина при посредстве 8-аденозил-Ь-метионин: протеин N-метил- или О-метилтрансферазы, особенно широко представленное при посстрансляцион-ной модификации гистонов, негистоновых ядерных белков и рибосомальных белков; присоединение олигосахаридных фрагментов к радикалам аспарагина, серина и треонина при биосинтезе гликопротеинов; амидирование радикалов аспарагиновой и глутаминовои кислоты, что связывают в настоящее время с изменчивостью белков в онтогенезе и, в частности, при старении; карбоксилирование радикалов глутаминовои кислоты по у-углеродному атому, в результате чего в белке возникают остатки у-карбоксиглутаминовой кислоты, необходимые, в частности, для связывания Са2+; аденилирование и уридилирование радикалов тирозина. К посттрансляционным процессам, имеющим важнейшее значение для регуляции метаболической активности генома, относится фосфорилирование гистонов и негистоновых белков хроматина. Один из примеров котрансляционной модификации белков приведен на рис. 102.

РЕГУЛЯЦИЯ БЕЛКОВОГО СИНТЕЗА

Исходя из матричной гипотезы биосинтеза белка, Ф. Жакоб и Ж. Моно (1961) впервые предложили весьма многообещающую схему регуляции белкового синтеза. Следуя концепции один ген—одна мРНК—один белок, Ф. Жакоб и Ж. Моно связали узловой пункт регуляции белкового синтеза с ДНК, входящий в состав генетического аппарата клетки. По их мнению, в генетическом аппарате клетки существуют сообщества структурных генов, так называемых оперонов, каждый из которых ответствен за взаимосвязанный синтез ряда специфических белков. Деятельность оперона

Сигнальный пептид

Кодоны сигнального . / пептида

>***^ ^ ^ ^

ьо ? ф ф о

лулц|| ^777%[^77л1^7~\^7~7т,МемВоана

Рецептор сигналь- \f) CVJ>

^Рецептор SOS субчастицы рибосомы

А

ново пептида

Сигнальный пептид

Рецептор сигналь ного пептида

<гналь- I чда~—

*0

он

'//////Л

У////лЩ77?///^Мем1рана

'Ч0Н

•~0-пептидаза сигнального пгптида Б

301

в качестве поставщика мРНК контролируется геном-оператором, который либо разрешает, либо запрещает запуск гомологической репликации серии мРНК на ДНК-матрице. В свою очередь, функция гена-оператора контролируется 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, либо интибируют возникновение комплекса между репрессором и геном-оператором. В качестве аллостерических эффектов часто выступают субстраты (индуцированный синтез ферментов). Накапливаются данные об участии в контроле биосинтеза мРНК гормонов и ряда других соединений.

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

о п Е р о н

Гея регулятор

Ген Структурный Структурный оператор i ген I ген II и т-д-

иРНК для биосинтеза белка-репрессора

1____Белок —¦—. I

Информосома I Информосома II |Nm> Белок -*^|

Белок - репрессор

1 1

Аллостернчес- Аллостерический ингибитор кий стнмуля-репрессора тор репрессо-ра

иРНК I

иРНК II

Рибосомы

Полисома I

Специфический белок I

Специфический белок II

Схема 4. Регуляция биосинтеза белков

Данная схема отражает только часть тех факторов, которые принимают участие в регуляции биосинтеза белков. Эта регуляция осуществляется также на уровне метаболитов при активировании и переносе аминокислот; на уровне макромолекул при биосинтезе ДНК, 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

5"

Рис. 102. Котрансляционное гликозилирование белка

Опигосахарид, связанный с липидом (долихоллирофосфатом—см. гл. IX). при участии гликоэилтраисферазы переносится на остаток аспарагина синтезируемого а рибосоме белка, а результате чего возникает гли опротеин

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 пятимиллиардный 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 способами: производство кормовых дрожжей, приготовление белково-витаминных концентратов и выделение белков из непищевого сырья растительного происхождения.

Производство кормовых дрожжей, содержащих более 50% белка и богатых витаминами и микроэлементами, организуют на отходах деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной, сахароваренной и спиртовой промышленности (опилки, барда и т. п.), а также на отходах переработки растительного сырья (солома, кукурузные початки и др.).

Белково-витаминный концентрат 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-

303

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 эксплуатации 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, искусственные колбасы и другие пищевые суррогаты, получающие все большее распространение 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 животноводстве исключительно эффективно: улучшается использование белков основной диеты, возрастают привесы и увеличивается скорость роста молодняка, снижается расход кормов на единицу продукции, резко повышается эффективность производства. Поэтому перед молодой отраслью — промышленным производством белков—открываются большие перспективы. Создаются 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 выращивания водородных бактерий, биомасса которых исключительно богата белком—содержание его достигает 70%.

Проблема обеспечения человечества белком решается и в более глобальном 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 производства пищи путем выращивания растений и животных, по существу, мало изменился со времени первобытного скотоводо-земледельческого общества. 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, в принципе способной осуществить синтез любого органического вещества, создали реальную основу для постановки уже сейчас вопроса об индустриальном 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 в необходимом количестве. Из трех других—углеводы и жиры, являющиеся в основном поставщиками энергии, взаимозаменимы и легко переходят друг в друга. Их синтетическое получение или производство в неограниченных 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 микробиологических, которые могут послужить основой технического получения указанных аминокислот в достаточных количествах и по ценам, более низким, чем продукты, содержащие белки.

304

К этой же проблеме, но в иной форме обратился акад. Н. Н. Семенов в своем докладе на юбилейной сессии, посвященной 250-летию Академии наук СССР (декабрь 1978 г.). Он поставил вопрос о необходимости моделирования процесса фотосинтеза, идущего с КПД, равным всего 1,5%, и повышения последнего до 30%, что создаст предпосылки для получения энергии на искусственных энергетических полях, а пищи (при посредстве этой энергии)— на заводах.

Еще один важнейший аспект получения белков для практических целей был обозначен