Биологический каталог




Биоорганическая химия

Автор Ю.А.Овчинников

кий. столбнячный, дифтерийный, холерный, такие фи отоксины как рицин (из клещевины), а также многие зоотокснны змей, скорпионов и пауков. Среди пептидов наиболее известны токсины ядовитых грибов, пчел и морских беспозвоночных; в то же время токсины змей и ракообразных по молекулярной массе относятся к пограничной области между пептидами и белками.

Токсины и яды издавна привлекают внимание медицины, и не случайно именно змея олицетворяет ее высокие идеалы. Речь идет не только об изучении патологических процессов прн отравлениях, отыскании средств борьбы с разнообразными токсическими веществами и создании надежных методов оценки степени токсичности продуктов питания, лекарственных средств и компонентов окружающей среды. Исследователей прежде всего интересует возможность использования целебных свойств многих ядов и токсинов

Бландел |Blundell) Томас (р. 1942), английский биофизик и кристаллограф. Образование получил в 1964 г., с 1976 г.— профессор Лондонского университета. Провел рентгеноструктур-ны исследования трехмерной структуры инсулина и глюкагона. Известен работами по изучению полипептидных гормонов и белков с помощью рент-геноструктурного анализа и компьютерной графики.

276 и создание эффективных фармацевтических препаратов на нх ос но-

- ве. В то же время токсины являются мощными н высокоселектнв-

Белки и пептиды ными инструментами изучения механизмов нервной проводимости,

биосинтеза белка, гормональной регуляции и т. п.

Пептиды из бледной поганки

В 1937 г. немецкие исследователи Ф. Линен и Г. Виланд выделили из ядовитого гриба Amanita phalloides кристаллическое токсическое вещество, названное имн фаллоидином. Эта работа, начатая по инициативе Г. Виланда, была успешно продолжена еще одним представителем знаменитой династии немецких химиков Т. Внландом. В течение 60—70-х годов им и его сотрудниками было выяснено строение главных токсических компонентов бледной поганки — фаллоидина, а-аманитина. а также ряда нх производных.

А,в ^»ритро--/8-Диокси-1..»и НзС—СН—СО—NH—СН—СО—NH—СН—СНэ—С(ОН)СН2ОН

I© I© ©I I

снэ

Виланд [Wl eland) Генрих От то [1В77—1957) немецкий химик оргвнин и биохимик, иностранный член-корре-спондент АН СССР (1929). Образование получил в Мюнхенском, Берлинском университетах и Высшей технической школе в Штутгарте; работал в Институте химии кайзера Вильгельма в Берлине. Основные работы посвящены химии стероидов, алкалоидов, а также хлорофилл и гемоглобина. Сформу-лирсвал основные положения теории окисления органических соединений (1912). Установил природу ряде желчных кислот, предложил формулы холестерина и холевой кислоты. Лауреат Нобелевской премии по химии (1927).

НзС^ ^ СН(ОН)СН2ОН

сн

I

NH—СН- СО—NH—СН —СО—NH—СН2—СО

I © I© I

СО СН2 NH

I ^ I /СН3

\\ \\ 1 ©сн—сн

сн2 н I о \

СО—СН—NH—СО—СН—NH—СО—СНг—NH

I ©

CH3CONH2

а-Аманитин

Г> V-г

Как легко видеть, мнкотокснны являются циклопептндами необычной структуры. Фаллоицин и аманитин представляют собой бицнклнческне системы, в которых «мостик» образован бифункциональной аминокислотой — триптатионином (продукт окислительной конденсации L-Trp и L-Cys).

Кроме того, в состав этих циклопептидов входят L-аллогидро-кснпролин, L-аланин, D-треоннн-у,о-дигидрокси-Ь-лейцин (2-ами-но-4,5-дигидроксннзогексановая кнслота) и другие остатки. Строение фаллоидина было подтверждено его полным синтезом (Т. Ви-ланд, Э. Мунеката, 1977). Структурные вариации природных компонентов Amanita показаны на примере наиболее токсичных ама-токсинов.

Среди грибников случаи смертельного отравления бледной поганкой достаточно часты. Токсины содержатся в грибах в высокой концентрации (аматоксины — 0.4 мг на 1 г массы), и поскольку смертельная доза для человека составляет 5 — 7 мг. то один съеденный гриб может вызвать летальный исход.

Механизм биологического действия аматоксинов связан с инги-бированием эукариотической ДНК-зависимой РНК-полнмеразы. Фаллоидин необратимо связывается с примембраниым актином, вызывая его полимеризацию, что, в свою очередь, приводит к нарушению морфологии мембран гепатоцитов.

277

Биологическая роль пептидов

НООС—С —NH2 I

СНа

I

CHj

H2N—С—СООН I

Н

Триптнтионин

^сн

I—СН

—со.

/

NH

/ СО

o=s

со

сн

CH—COR,

-сн—

Анатоксин R' R2 R3 R'

а - Аманитин ОН СН(ОН)СН2ОН NHj ОН

Р - Аманитин ОН СН(ОН)СН2ОН он ОН

Y — Аманитин ОН СН(ОН)СНэ NHj он

Е- Аманитин ОН СН(ОН)СН3 он он

Аманин ОН СН(ОН)СН2ОН ОН н

Амануллин он с2н6 NH, он

Проамануллин н с,н,, NHj он

Виланд |Wletandl Теодор (р. 1913), немецкий химик. Окончил Мюнхенский университет (1937), в 1968— 1981 гг.— профессор Института медицинских исследований Обществ а М. Планка в Гейдельберге (ФРГ). Известен работами в области химии пептидов. Предложил новые методы пептидного синтеза с использованием смешанных ангидридов и т половы ж эфиров. Установил строение пептидных токсинов из грибов рода Amanita — фаллоидина и аманитина, а также соответствующего антитоксине ан-таманида.

278 Интересно, что гриб Amanita phalloides содержит минорный - липофильныи компонент, который в концентрации I мг/кг массы

Белки и пептиды полностью защищает от летального действия фаллоидина. Строение

этого необычного антитоксина, названного антаманидом, было установлено в 1969 г.; он оказался цикл оде ка пептидом сравнительно простой структуры. Как было показано впоследствии, антаманид способен избирательно связывать ионы Са"+, с чем, вероятно, связано его антитоксическое действие.

\ СО

o-co-n9h-

nh сн.

\ /

Al, СН

/ "сн

н,с

nh

I

со

I

ch Ph. nh

—О

v Г

nh

СО Ph' сн

\ №« /"сн, сн- \nh рго "У \J

со

nh

\

Ph. СН-

I

со

/

nh

(Су c<^-ch__n—-со-^Су )

И ЛМЙНИД

Пептидные токсины из яда пчел

Главным компонентом пчелиного яда является мелиттин — на его долю приходится 30 — 50% массы высушенного яда. Мелиттин был выделен Э. Хаберманом в Германии, и в этой же лаборатории в 1967 г. была установлена его первичная структура. Молекула токсина содержит 26 аминокислотных остатков, С концевая карбоксильная группа его амидирована

10

Gly—lie—Gly—Ala—Val—Leu—Lys—Val—Leu—Thr—Thr—Gly—

20

Leu—Pro—Ala—Leu—lie—Ser—Trp—lie—Lys—Arg—Lys—Arg— Gin—NH2

Большая часть последовательности токсина представлена остатками гидрофобных аминокислот, но в С-концевой области расположен кластер положительно заряженных остатков

(Lys—Arg—Lys—Arg).

Такое строение обусловливает свойства мелиттина как катион о го детергента и его высокую поверхностную активность. Основное биологическое действие мелнттнна связано со способностью нарушать структуру мембран. В частности, он вызывает лнзис различных клеток н является сильным гемолитиком. Имеются данные о том, что биосинтез мелиттина включает образование соответствующих предшественников (препромелиттина и промелиттина).

Синтез мелиттина н ряда его аналогов был осуществлен Э. Шредером в 1971 г. Характерной особенностью поведения мелиттина в растворе является способность его к агрегации и образованию тетрамеров Агрегации способствуют высокие концентрации токсина, а также повышение нонной силы и рН раствора. Методом рентгеноструктуриого анализа с разрешением 0,28 нм пространственная структура была установлена для кристаллов тетрамерного мелиттина, полученных нз водного раствора.

Большое число работ посвящено изучению взаимодействия мелиттина с природными н искусственными мембранами н выяснению конформации токсина, связанного с лнпидамн. Обнаружено, в частности, что мелиттин индуцирует в бислоях ионную проводимость. Характер зависимости этой проводимости от приложенного к мембране потенциала позволил высказать предположение о том, что 4 молекулы мелиттина образуют в мембране потенциал-зависимый канал (Д. Тостесон, 1981). Не исключено, однако, что индуцированная мелнттиноч проводимость обусловлена не образованием дискретных каналов, а нарушениями структуры липнд-ного бнслоя.

Другой токсичный компонент яда пчел Apis melhfera — апамин отличается ярковыраженным действием на центральную нервную систему. Первичная структура апамнна установлена в 1967 г. Он содержит 18 аминокислот и является одним из самых небольших известных пептидных ненротоксинов

18

Апамин

В ряде лабораторий осуществлены синтезы апамнна и его аналогов. С помощью ЯМР спектроскопии была выяснена конформация апамина в растворе (В. Ф. Быстрое). Характерной чертой строения апамина (рис. 161) является наличие спирали (остатки 6— 16) н Б изгиба (остатки 2 — 5).

Апамин действует на периферическую н центральную нервные системы в концентрации 10 — 10 7 М. Установлено, чтомншенью

279

Би' 1гич-' з-я роль пептидов

Рис. 161. Конформация молекулы апамина в растворе.

280

Белки и пептиды

действия апамина являются Са зависимые К4-каналы. Апамин специфично и с высоким сродством связывается с соответствующим рецептором (Kd 2-10~HM).

MCD-пептид (Must Cell Degranulating peptide) —это соединение, называемое также пептидом 401, содержится в пчелином яде и способно приводить к выделению гистамина из тучных клеток крысы. Структура этого пептида была установлена в конце 60-х годов:

lie—Lys—Cys—Asn—Cys—Lys—Arg—His—Val—He—Lys—Pro— His—lie—Cys—Arg— Lys— lie—Cys— Gly—Lys— Asn—NH2

Структурное подобие MCD-пептида н апамина не проявляется в характере биологической активности этих компонентов пчелиного яда: MCD-пептнд не действует на центральную нервную систему. Вызываемая им дегрануляция тучных клеток и высвобождение гистамина приводят к воспалительным явлениям.

Тостесон ITosteson) Дэниел С. (р. 1925), американский биофизик. Окончил Гарвардский университет (1949), работает на медицинском факультете того же университета. Основные работы посвящены изучению молекулярных механизмов ионного транспорта через клеточные мембраны.

Неиротоксинь! из яда 'змей и скорпионов

Среди пептидных токсинов наиболее хорошо изучены токсические компоненты змеиных ядов, прежде всего нейротоксины постен наптич ее кого действия, блокирующие рецепторы ацетилхолина. Такие нейротоксины присутствуют в яде змей семейства элапидов (кобры, мамбы, крайта), а также многих морских змей.

По своей структуре постсинаптическне нейротоксины подразделяются на даа класса: «короткие» н «длинные» токсины, состоящие из 60 — 62 или 71 — 74 аминокислотных остатков с 4 или 5 внутримолекулярными дисульфидными связями соответственно

(рис. 162, 163). Восстановление дисульфидных связей приводит 281 к полной потере биологической активности, а повторное окисление Г

частично восстанавливает первоначальную активность токсинов. Ьиологическая роль пептидов

Нейротокснны этого типа обладают удивительной устойчивостью. Так, они без звметной потери активности выдерживают кипячение в кислой среде в течение 30 мни или обработку 8 М рас аором мочевины в течение 24 ч.

Установление пространственного строения ряда неирото сннов постсинаптического типа методом рентгеноструктуриого анализа (рнс. 164, 165) позволило детально изучить характер нх взаимодействия с ацетил холи новым рецептором.

Рис. 163. Структура нейротоксина «длинного» типа а-бунгаротоксина из яда кран Bungarus muliicincius.

Другая группа нейротоксннов действует на мембраны оксонов. В частности, из яда южноамериканской гремучей змеи Crotalus d. lerrificus выделен токсин небольшой молекулярной массы, состоящий из 42 аминокислотных остатков с тремя дисульфидными связями:

10

Туг— Lys— Gin—Cvs— His—Lys— Lys— Gly—Gly—His—Cys—

20

Phe—Pro—Lys—Glu—Lys—He—Cys— Leu—Pro—Pro—Ser—Ser-

3H

Asp—Phe—Gly—Lys—Mel—Asp—Cys—Arg—Trp—Arg—Trp—

40

Lys—Cys—Cys— Lys—Lys—Gly—Ser—Gly

282

Белки и пептиды

Этот токсин, получивший название «кротамин», является единственным нейротоксниом яда змей, действующим на натриевые каналы электровозбудимых мембран, подобно растительному нейро-токснну вератрнднну.

В яде скорпионов содержатся нейротоксины, замедляющие скорость инактивации быстрых натриевых каналов. Они пре ав

Рис. 164. Стереоизображение кристаллической структуры нейротоксина «короткого* типа эрабутоксина b из яда морской змеи Lauca da m ascia а (разрешение 0,25 нм).

Рис. 165. Стереоизображение кристаллической структуры нейротоксина «длинного» типа нгарото сина из яда крайта Bungarus muliicinctus.

ляют собой гомологичные полипептнды молекулярной массы 283 6000 — 8000 с четырьмя внутримолекулярными дисульфндными

связями. По своей структуре они довольно сильно отличаются от Биологическая роль пептидов нейротоксинов яда змей (рис. 166), менее устойчивы, чем нейро-токсины яда кобры, и достаточно легко теряют физиологическую активность в разбавленных водных растворах.

Уникальным свойством яда скорпионов является наличие в его составе токсинов, действующих избирательно только на один из классов животных: млекопитающих, насекомых нлн ракообразных. Некоторые инсектотоксины скорпионов могут быть построены только нз 35 — 36 аминокислотных остатков с четырьмя внутримолекулярными дисульфициыми связями. По своей пространственной структуре они напоминают нейротоксины млекопитающих (рис. 167).

Рис. 167. Пространственные структуры нейротоксинов из «да скорпиона Cenl-mгоk)es sculpturalus Ewing: (a) - инсек-тотоксин, (б) — токсин для млекопитающих.

284

Пептидные токсины морских беспозвоночных

Белки и пептиды

Стрекательные клетки морских анемон и актиний содержат токсичные полипептиды молекулярной массы около 5000. Подобно нейротоксинам яда скорпиона, они действуют на быстрые натриевые канаты электровозбудимых мембран, влияя на процесс инактивации. Однако по структурным признакам токсины аиемон достаточно сильно отличаются от скорпионовых токсинов. На рисунке 168 представлена структура типичного представителя этой группы гомологичных полипептидов — токсина II, выделенного из средиземноморской анемоны Anemonia sulcata. Токсин II состоит из 47 аминокислотных остатков с тремя внутримолекулярными дисульфидными связями и не имеет видимых структурных аналогий ни с токсинами яда змей,* ни с токсинами скорпионов. Для этого нейротоксина следует отметить присутствие большого числа гидрофобных аминокислотных остатков.

Рис. 166. Структура токсина II из нда средиземноморской анемоны Anemonia sukaia.

Наименьшей молекулярной массой обладают нейротоксины и» морского моллюска С onus geographus. Конотоксины состоят из 13— 15 аминокислотных остаткоа с двумя дисульфидными связями. По механизму действия они подобны постсинаптическим нейротоксинам из ядов змей, но почти на порядок превосходят их по токсичности.

Пептидные антибиотики

285

Биологическая роль пептидов

Среди многочисленных антибиотиков пептидной природы заслуживают внимания грамицидин S, тнроцндниы полимиксины, баци-трацин, актнномицины и эхнномицины; другие соединении этого типа будут более детально рассмотрены в главе, посвященной биологическим мембранам.

Грамицидин S. Антибиотик впервые выделен из культураль ной среды Bacillus brevis в 1942 г. Г. Ф. Гаузе и М. Г. Бражникоаои («S*> означает «советский»), строение его установлено в 195

страница 38
< 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 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113

Скачать книгу "Биоорганическая химия" (11.1Mb)


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

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(21.07.2017)