Биологический каталог




Основы биохимии

Автор Ю.Б.Филиппович

аменимых и незаменимых аминокислот, но в большинстве случаев к незаменимым аминокислотам относятся валин, лейцин, изолейцин, треонин, метионин, лизин, фенилаланин и триптофан. Любопытно, что у заменимых аминокислот, по подсчетам Ю. А. Жданова (1968), в большинстве случаев степень окисления атомов углерода отрицательна, а у незаменимых—всегда положительна. Это свидетельствует о том, что заменимые аминокислоты эволюционно более молоды (возникли в окислительной атмосфере планеты) по сравнению с незаменимыми.

СНз .

С = 0+1ЧН3 + НАДН-г-Н+;

Аланин-

СНз

СН—NH2 + НАД + + Н20

276

[вторичные аминокислоты

Рис. 92. Взаимосвязь реакций, лежащих в основе биосинтеза первичных и вторичных аминокислот:

/, 2,3—первичные аминокислоты: глутаминовая кислота, аланин и аспарагиновая кислота; а—глута-матдегндрогеназа, б—алашщдегидрогеназа, в—аспартаза

Если в корме животных недостаточно содержание одной или нескольких незаменимых аминокислот, то нормальное развитие животного нарушается, так как биосинтез белка у него идет на низком уровне. Как правило, растительные белки содержат мало лизина, метионина и триптофана. Дефицит этих аминокислот в корме сельскохозяйственных животных встречается наиболее часто. Рационы их неполноценны также по количеству треонина. Введение в рационы недостающих незаменимых аминокислот позволяет нормализовать рост организма, увеличивает привес на каждую израсходованную кормовую единицу, улучшает использование белков основной диеты, резко повышает эффективность животноводства. Так, введение в рацион 0,2—0,5% лизина повышает продуктивность свиноводства и птицеводства на 10—13% и сокращает расход кормового белка на 25%.

Вполне понятно, что в описанных ситуациях речь идет о незаменимых аминокислотах L-ряда, поскольку они необходимы для синтеза белка. Однако L-аминокислоты очень трудно создать путем химического синтеза, при котором получаются рацематы аминокислот, нуждающиеся в разделении на оптические антиподы. Поэтому основная масса аминокислот для нужд животноводства производится путем микробиологического синтеза, т. е. использования определенных микроорганизмов—продуцентов аминокислот, которые выделяют те или иные L-аминокислоты прямо в культуральную жидкость в количестве нескольких граммов на 1 л. В частности, в Институте биохимии им. А. Н. Баха под руководством чл.-кор. В. Н. Букина разработан экономичный микробиологический метод получения L-лизина, а во Всесоюзном научно-исследовательском институте генетики и селекции промышленных микроорганизмов его сотрудниками под руководством чл.-кор. В. Г. Дебабова методами генетической инженерии создан штамм кишечной палочки, выделяющий в культуральную среду до 30 г L-треонина. Ряд аминокислот получают также при помощи иммобилизованных бактериальных клеток и ферментов (см. гл. III). Лишь метионин синтезируют заводским путем в виде рацемата, который столь же хорошо используется организмом, как и L-метионин.

277

В нашей стране путем микробиологического синтеза готовят лизин на ряде биохимических заводов с конечной целью довести его производство до 32 тыс. т в год.

Проблема незаменимых аминокислот актуальна и в питании человека, которому необходимо ежедневно получать с пищей 1 г L-триптофана, 2—3 г L-треонина, по 2—4 г L-лейцина, L-метионина и L-фенилаланина, 3—4 г 1^изолейцинаиЗ—5 г L-лизина. По мнению акад. А. Н. Несмеянова, высказанному в докладе на IX Менделеевском съезде по общей и прикладной химии четверть века тому назад, индустриальный синтез восьми незаменимых аминокислот, способных заменить белок в питании человека, представляется вполне реальным и экономически оправданным. За прошедшие годы промышленное производство как незаменимых, так и заменимых L-аминокислот продвинулось далеко вперед и синтез некоторых из них занимает все более прочное место в ряду мероприятий, направленных на повышение полноценности белкового питания человека.

БИОСИНТЕЗ БЕЛКОВ

Проблема биосинтеза белка—одна из двух наиболее важных и острых проблем современного естествознания: если в неживой природе принципиально новые пути получения энергии будут найдены благодаря успехам физики элементарных частиц, то в живой природе решение кардинального вопроса управления самой жизнью может быть получено в результате познания химии и биологии белковых тел.

В изучении строения и биосинтеза белка, как в фокусе, скрещиваются пути решения важнейших вопросов биологической науки: выяснение законов наследственности и изменчивости, управление ростом и развитием организмов, выявление причин возникновения и разработка методов лечения многих болезней и т. п. Вполне закономерно поэтому, что XX в. физики называют веком атома, а биохимики—веком белка.

Биосинтез белков в организме осуществляется весьма интенсивно. Средняя скорость сборки полипептидных цепей в клетках бактерий составляет 16—17 аминокислотных остатков в 1 с, дрожжей—7—10, млекопитающих—5—7. Время синтеза (в с) молекулы глобина в ретикулоцитах кролика равно 20, овальбумина в яйцеводах курицы—80; суммарных белков в печени крысы— 80. За 1 мин в ретикулоците кролика синтезируется 5 ¦ 10* молекул глобина, в клетке яйцеводов курицы—6 • 105 молекул овальбумина, в'гигантской клетке заднего отдела шелкоотделительной железы тутового шелкопряда—38-Ю11 молекул фиброина шелка.

История развития представлений о механизме биосинтеза белков. Путь, пройденный при разработке одной из центральных проблем современной биохимии—механизма биосинтеза белков, крайне поучителен и противоречив.

Первой по времени была гипотеза обращения протеолиза. Она восходит к концу прошлого столетия. В 1886 г. А. Я. Данилевский наблюдал образование белковоподобных веществ при действии ферментов желудочного сока на концентрированный раствор пептонов, возникших в результате расщепления белка пепсином. Позже был расширен круг ферментов, способных к обращению протеолиза (трипсин, пепсин, папайя, катепсины), и белков, с неполными гидролизатами которых такое обращение удавалось осуществить (альбумины, глобулины, фибрин, казеин и др.). Продукты, возникающие в результате обращения реакции гидролиза белков, назвали пластеинами.

Хотя сейчас ясно, что реакции пластеинообразования не имеют отношения к природному биосинтезу белков, они вплоть до сегодняшнего дня привлека-

278

ют внимание исследователей, так как нашли практическое применение при переработке непищевых белков в пищевые и синтезе пептидов, в частности аспартама (метиловый эфир Ь-а-аспартил-Ь-фенилаланина), используемого как заменитель сахарозы (он в 100 раз слаще нее) в кондитерской промышленности (коммерческое название—сластилин):

H2N - СН— СО- NH-CH-CO— ОСН3 I I

СН2—соон сн2

Ас партам

Определенный вклад в развитие современных представлений о механизме биосинтеза белков внесли исследования биосинтеза квазипептидных связей (т. е. не истинных пептидных связей, но близких к ним), осуществленные в 50-е годы в ряде лабораторий, в том числе у нас в лаборатории А. Е. Браунштейна. Будучи проведены на таких соединениях, как глутамин, ацетанилид, глутатион и гиппуровая кислота, эти исследования доказали ферментативный характер реакций их образования, необходимость энергообеспечения за счет окислительных процессов и, что самое важное, участие в биосинтезе квазипептидных связей АТФ.

Столь же существенными оказались результаты разработки гипотезы транспептидирования в качестве возможного варианта механизма биосинтеза пептидных связей. В нашей стране исследования в этом направлении интенсивно проводились в 50-е годы В. Н. Ореховичем с сотр. При изучении реакций транспептидирования впервые было показано, что перенос аминоациальных или пептидильных группировок на аминогруппу аминокислот может происходить не только с амидной или пептидной связи, но и со сложноэфирной связи. В дальнейшем оказалось, что именно этот механизм лежит в основе реакции транспептидирования в рибосоме.

Гипотеза подстановки аминокислот, возникшая в тот же период в связи с внедрением в биохимию метода радиоактивных индикаторов, не оказала сколько-нибудь существенного влияния на развитие представлений о механизме биосинтеза белков.

Переломным моментом в развитии подходов к выяснению механизма биосинтеза белковых тел было установление сцепленности его с биосинтезом РНК (Ж. Браше, 1941; Т. Касперсон, 1941). Оно привело к созданию матричной схемы биосинтеза белков, являющейся фундаментом современных представлений в этой области. Матричный механизм биосинтеза полимеров, обеспечивающий безошибочное воспроизведение их первичной структуры, представляет одну из наиболее специфических черт живого. Он является превосходным примером тех принципиально новых закономерностей, которые сопровождают возникновение и развитие биологической формы движения материи: малоэффективный механизм обычного химического синтеза, основанного на беспорядочном столкновении молекул, заменен здесь направленным, специфическим синтезом на шаблоне; скорость его в миллиарды раз превышает таковую в неупорядоченных системах.

Принципиальное значение в разработке вопроса о механизме биосинтеза белков имело выявление локализации его в рибосомальном аппарате клетки и создание бесклеточных систем, где единственной структурой, на которой протекал биосинтез белка, были рибосомы (см. с. 280). Выяснение их строения и функции принесло неоценимую информацию об этапах матричного биосинтеза белка и тончайших молекулярных механизмах, которые ему сопутствуют.

279

Аминокислоты Рибонуклеозидтрифоараты

АТР-МвУ^ШШ^тиВироВа- ДНК-матрица^^Гранскрипция рУ5-1^мснтыШние и кооиро- РНК-полимераза информации

Аминоацил -тРНК

информационная РНК >J-ь

Трансляция информации Биосинтез пептидных сВязей (транспептиди-рооание)

Белок

Активная рибосома 70-80 S

Щ50-60Щ субчастиЦЪ

Рис. 93. Общая схема матричного биосинтеза белковых тел (пояснение в тексте)

Как будет показано ниже, наряду с матричным механизмом в природе существует мультиэнзимный путь биосинтеза белков и пептидов, где специфическое чередование аминокислот обеспечивается расположением каталитически активных белков в мультиэнзимном комплексе.

Матричный механизм биосинтеза белков. Общая схема матричного биосинтеза белковых тел представлена на рис. 93. Она складывается из трех подготовительных процессов—переноса вещества, энергии и информации в рибосому, и главного центрального процесса—сборки полипептидных цепей в рибосоме. Один из элементов указанной схемы (правая верхняя часть рисунка)—транскрипция (переписывание) информации о порядке расположения аминокислотных остатков в молекуле синтезируемого белка—рассмотрен ранее. Известно, что информация об этом закодирована в генетическом аппарате клетки последовательностью дезоксирибонуклеотидных остатков в молекуле ДНК. Будучи преобразована (транскрибирована) в последовательность рибонуклеотидных остатков в информативной части молекулы мРНК, синтезированной на ДНК в качестве матрицы, эта информация о первичной структуре белка поступает в рибосому. Здесь она переводится (транслируется) с полинуклеотидной последовательности в аминокислотную последовательность новообразуемого в ри-босомальном аппарате белка. Два других процесса—перенос вещества (18 протеиногенных аминокислот и двух амидов) и .перенос энергии, необходимой для синтеза пептидных связей (левая верхняя часть рисунка), равно как и наиболее сложный процесс—сборка полипептидиой цепи в активной, транслирующей рибосоме (центральная часть рисунка), нуждаются в детальной характеристике. Она дана ниже.

Активирование аминокислот и перенос их в рибосому. Синтез пептидной связи из свободных аминокислот протекает с поглощением

280

энергии в количестве около 12 кДж/моль. В связи с этим давно уже была высказана идея о сопряженности биосинтеза белка с окислительными процессами (А. В. Благовещенский, М. П. Юргенсон, 1937) или с распадом соединений, содержащих макроэргические связи (Ф. Липман, 1941). Развитие последнего направления привело к обнаружению ферментативного процесса активирования аминокислот. В 1955 г. М. Хогленд впервые предложил общепринятую сейчас двухэтагшую схему этой реакции.

Первый ее этап состоит во взаимодействии аминокислоты с АТФ, в результате чего возникает аминоациладенилат и выделяется пирофосфат. Гидролитический распад последнего при участии пирофосфатазы обеспечивает необратимость реакции образования аминоациладенилата. Химизм реакции этого этапа активирования аминокислот рассмотрен ранее (гл. III) при характеристике лигаз, катализирующих синтез С—О-связей (см. с. 137). Второй этап сводится к переносу аминокислоты с образовавшегося аминоациладенилата на концевой аденозин акцептирующего стебля тРНК:

Адениловая кислота Аминоашш-т РНК

Как видно из структурной формулы аминоациладенилата, он представляет ангидрид аминокислоты и остатка фосфорной кислоты аденозин-5'-фосфата, причем донором кислорода для ашидридной связи является ОН-группа карбоксила аминокислоты. Будучи аетидридами, свободные аминоациладенилаты с исключительной легкостью вступают в реакцию с аминокислотами даже при очень небольшой концентрации (Ю-3 моль), при почти нейтральной реакции среды (рН 7,4). Реакция осуществляется без участия ферментов и сопровождается образованием пептидных связей. Столь же энергично они ацилируют свободные, доступные аминогруппы белковой молекулы. В то же время в связанном с ферментом состоянии аминоациладенилаты крайне инертны, и об их использовании для синтеза белка прямо из состава комплекса не может быть речи.

Специфичность реакции активирования аминокислот по вышеуказанной схеме близка к абсолютной. Ее оценивают как сверхспецифичность. Активируются изомеры аминокислот только природного L-ряда; D-изомеры аминокислот в реакцию не вступают. Однако некоторые гомологи L-аминокислот активируются наряду с белковыми L-аминокислотами.

281

Каталитическое ускорение активирования каждой протеиногенной аминокислоты осуществляется собственным, специфичным только для данной аминокислоты ферментом. Эти ферменты обнаружены у представителей различных классов животных, растений (в том числе водорослей) и микроорганизмов, т. е. они распространены повсеместно. Это указывает на их важнейшую роль в биосинтезе белков.

Активирующие ферменты изолируют при низкой температуре из так называемой рН5-фракции надосадочной жидкости. Последнюю получают после ультрацентрифугирования разведенного гомогената клеток при 105 ООО g в течение 1 ч, в результате чего все структурные элементы клеточного содержимого осаждаются. При подкислении надосадочной жидкости СН3СООН (НС1 денатурирует ферменты) до рН 5,3 из нее выпадает осадок, содержащий смесь активирующих аминокислоты ферментов. Поэтому первоначально их называли рН5-ферментами. В соответствии с современной номенклатурой их называют аминоацил-тРНК-синтетазами (АРСазами).

Из работ последних лет следует, что аминоацил-тРНК-синтетазы в клетках существуют в виде высокомолекулярных комплексов—колосом. При константе седиментации 26—29S и М~1,4 мегаДа эти комплексы включают несколько АРСаз (специфичных, например, к ала, гли, глу, лей и сер или к лиз, мет, арг, лей и три) и ферменты, м

страница 46
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

Скачать книгу "Основы биохимии" (16.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(20.11.2018)