Структура и функции белков

В результате работ Т. Осборна, Г. Гофмейстера, А. Гюрбера, Ф. Шульца- и многих других в конце XIX в. были получены многие животные и- растительные белки в кристаллическом виде. Примерно в это же время- при помощи разных физических методов были установлены молекулярные • веса некоторых белков.

Первый кристаллический фермент (уреаза) был получен в 1926 г. Дж. Самнером (Нобелевская премия, 1946), а в 1930 г. Дж. Нортроп (Нобелевская премия, 1946) получил кристаллический пепсин. После' этих работ стало ясно, что ферменты имеют белковую природу. В 1940 г. М. Куниц выделил кристаллическую РНК-азу. К 1958 г. уже было известно более 100 кристаллических ферментов и свыше 500 ферментов, выделенных в некристаллическом виде. Получение высокоочищенных препаратов индивидуальных белков способствовало расшифровке их первичной структуры и макромолекулярной организации.

Большое значение для развития молекулярной биологии вообще и генетики человека, в особенности, имело открытие Л. Полингом (1940) ненормального гемоглобина S, выделенного из эритроцитов людей с тяжелой наследственной болезнью — серповидно-клеточной анемией. В 1955— 1957 гг. В. Ингрэм использовал разработанный Ф. Сенгером метод «отпечатков пальцев» (пятен, образуемых отдельными пептидами при хроматографии на бумаге) для анализа продуктов гидролиза гемоглобина S: щелочью и трипсином.

К настоящему времени детально изучен механизм действия большого чиела ферментов и определена структура многих белков.

В 1953 т. 'Ф. Сейгер установил аминокислотную последовательность инсулина. -'Этот белок состоит из двух полипелтидных цепей, соединенных двумя дисульфид- ными сшивками. Одна из цепей содержит всего 21 аминокислотный остаток, а другая — 30 остатков. На расшифровку строения этого сравнительно простого белка Сенгер потратил около 10 лет. В 1958 г. за это выдающееся исследование ему была присуждена Нобелевская премия. После создания В. Стейном и С. Муром (1957) автоматического анализатора аминокислот, идентификация продуктов частичного гидролиза белков значительно ускорилась.

Как известно, окончательным доказательством правильности определения той ?или иной структуры является ее синтез. В 1969 г. Р. Мерифилд (США) впервые осуществил химический синтез панкреатической рибонуклеазы. При помощи разработанного им метода синтеза на твердофазовом носителе Мерифилд присоединял к цепочке одну аминокислоту за другой в соответствии с той последовательностью, которая была описана Стейном и Муром. В результате он получил белок, который -по своим качествам был идентичен панкреатической рибонуклеазе А. За раскрытие строения рибонуклеазы В. Стейну, С. Муру и К. Анфинсену была в 1972 г. присуждена Нобелевская премия. Этот синтез природпого белка открывает грандиозные пер- -спективы, указывая на возможность создания любых белков в соответствии с заранее запланированной .последовательностью.

Из рентгеноструктурных исследований У. Астбери (1933) следовало, что пептидные цепи белковых молекул скручены или уложены каким-то строго определенным образом. Начиная с этого времени, многие авторы •высказывали различные гипотезы о способах укладки белковых цепей, но . до 1951 г. все модели оставалйсь умозрительными построениями, не отвечавшими экспериментальным данным.

В 1957 г. Дж. Кендрю и его сотрудники впервые предложили трехмерную модель . структуры миоглобипа. Эта модель затем уточнялась в течение нескольких лет, пока в 1961 г. не,появилась итоговая работа с характеристикой пространственной структуры этого белка. В 1959 г. М. Перутц и сотрудники установили трехмерную структу ру гемоглобина. На эту работу исследователи затратили более 20 лет (первые річі !’• генограммы гемоглобина были получены Перутцем в 1937 г.). Поскольку молпкулп гемоглобина состоит из четырех субъединиц, то, расшифровав его организацию, По» рутц тем самым впервые описал четвертичную структуру белка. За работы по определению трехмерной структуры белков Кендрю и Перутцу в 1962 г. была присуждена Нобелевская премия.

Создание Перутцем пространственной модели структуры гемоглобина позволила приблизиться к пониманию механизма функционирования этого белка, который, кик известно, осуществляет перенос кислорода в животных клетках. Еще в 1937 г. Ф. Гауровиц пришел к выводу о том, что взаимодействие гемоглобина с кислородом воздуха должно сопровождаться изменением структуры белка. В 60-х годах Перутц, и его сотрудники обнаружили заметное смещение цепей гемоглобина после его окисления, вызывавшееся сдвигом атомов железа в результате связывания с кислородом.. На этой основе сформировались представления о «дыхании» белковых макромолекул.

В 1960 г. Д. Филлипс и его сотрудники начали рентгеноструктурные исследования молекулы лизоцима. К 1967 г. им более или менее точно удалось установить детали организации этого белка и локализацию отдельных атомов в его молекуле. Кроме этого, Филлипс выяснил характер присоединения лизоцима к субстрату (триа- цетилглюкозамину).

Использование методов электронной микроскопии помогло раскрыть принципы- макромолекулярной организации таких сложных белковых образований, как нити коллагена, фибриногена, сократительных фибрилл мышц и др. В конце 50-х годов: были предложены модели мышечного сократительного аппарата. Исключительное значение для понимания механизма мышечного сокращения имело открытие-

В. А. Энгельгардтом и М. Н. Любимовой (1939) АТФ-азной активности миозина. Это» означало, что в основе акта мышечного сокращения лежит изменение физико-хими- ческих свойств и макромолекулярной организации сократительного белка под влиянием аденозинтрифосфорной кислоты (см. также главу 11).

Для понимания принципов сборки биологических структур существенное значение имели вирусологические исследования (см. главу 25).