Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 32

Main page / Генетика XXII века / БИОХИМИЯ. АМИНОКИСЛОТЫ. БЕЛКИ / Цвиттер-ион. Цвиттерионная форма. Карбоксамидная группа. Аргинин. Цитокины. Интерлейкин-1. Пирогены. Катархей. Опыт Миллера-Юри. Апвеллинг. Цитохромы, цитохром-С. Гем-С. Туннельный эффект

Содержание

    Цвиттер-ион (еще говорят «биполярный ион») — это молекула, которая, являясь в целом электронейтральной, в своей структуре имеет части, имеющие как отрицательный, так и положительный заряды. Нередко таких молекулы называют еще внутримолекулярными солями (например, внутримолекулярные соли аминокислот). Я считаю разумным относить к цвиттер-ионам лишь соединения с зарядами на несоседних атомах, но в общем это вопрос вкуса. Цвиттер-ионные соединения обладают высокой полярностью и поэтому обладают хорошей растворимостью в полярных растворителях, например в воде. В связи с этим, цвиттер-ионом называют и молекулу аминокислоты, которая находится в таком состоянии, когда аминогруппа находится в виде -NH3+, а карбоксигруппа — в виде -COO. Такое состояние молекулы называется цвиттерионной формой. Именно из таких молекул построены кристаллы большинства аминокислот (можно провести аналогию с поваренной солью, кристаллы которой состоят из ионов натрия и хлора).

    Для примера взглянем на аспарагин в цвиттерионной форме:

    Аспарагин заодно поможет нам выучить еще одну молекулярную группу — карбоксамидную:

    Запомнить название легко: карб-(С)-окс-(О)-амидная-(NH2). Эту группу имеют аспарагин и глутамин, и это придает им обоим особое отличительное свойство: они способны этой группой образовывать водородные связи с пептидной цепочкой, и именно поэтому остатки аспарагина и глутамина часто оказываются как в начале, так и в конце пептидной цепи: изгибаясь наподобие скорпиона, своей карбоксамидной группой они замыкают водородные связи готовых образовывать пептидную связь своих же атомов, таким образом как бы запечатывая пептидную цепь, не позволяя ей расти дальше в обоих направлениях. Это характерно как для альфа-спирали, так и для β-листов. Аспарагин намного чаще выполняет эту роль концевой заглушки, поскольку глутамин подлиннее, ведь он имеет дополнительное метиленовое звено, а в силу этого он имеет и бОльшую вертлявость (говоря научным языком – бОльшую конформационную энтропию), и поэтому глутамин с большей вероятностью окажется не в той конфигурации, в которой ему необходимо быть для своевременного запечатывания пептидной цепочки.

    Невероятно, но факт – подходит к концу процесс ознакомления с протеиногенными аминокислотами. Сегодня мы добавим аргинин (Arg), (R) (рычащее название):

    Мнемоническое правило: «целых три азота в радикале – тройной азотный аргазм» (искаженные написания тоже подходят в качестве элементов мнемонических правил, если соответствуют звучанию слов).

    Можно мысленно создать аргинин из лизина: у аргинина в радикале очень много азота, целых три, поэтому они расползлись по обе стороны от той позиции, на которой у лизина находится единственный азот в радикале. Можно запомнить, что радикал аргинина еще длиннее на одно звено, чем у лизина:

    Нельзя не заметить, что аргинин и знакомый нам креатин также имеют много общего:

    Важная особенность аргинина состоит в том, что в нейтральном растворе он образует цвиттер-ион, и, обладая способностью создавать множественные водородные связи за счет своего радикала, обильно усыпанного азотом, аргинин принимает самое активное участие в образовании нуклеопротеидов – комплексов белков и нуклеиновых кислот, о которых речь пойдет в следующем разделе (собаки любят дружить не только друг с другом, но и с другими животными).

    Теперь мы знаем все четыре протеиногенные аминокислоты, у которых имеется аминогруппа в радикале: лизин, глутамин, аспарагин и аргинин.

    И вот теперь настало время, когда можно с удовольствием, а не с ужасом, погулять по всей таблице главных двадцати протеиногенных аминокислот:

    С нейротрансмиттерами, являющимися отдельными аминокислотами, мы давно познакомились, но конечно же, существует много НТ, являющихся пептидными цепочками, т.е. белками. Такие белки еще называют сигнальными. Наиболее распространенные и важные сигнальные белки — это цитокины. Цитокин производится клеткой (чаще всего – лимфоцитом), после чего выводится наружу через ее мембрану, отправляется в путь и в конце концов улавливается рецептором другой клетки. Это приводит к тому, что в клетке-адресате запускаются те или иные реакции. В некоторых случаях цитокины, выделяемые клеткой, предназначены для того, чтобы влиять… на саму себя! И тогда клетка начинает выпускать какие-то другие нужные вещества или еще каким-то образом меняться. Мы тоже иногда так поступаем: пишем себе мотивирующую заметку и вешаем на холодильник. Помогает редко, на самом деле, в отличие от цитокинов.

    Цитокины переносят самые разные сигналы. Они могут стимулировать или, наоборот, замедлять деление клеток и их рост, влиять на их функциональную активность или вовсе дать команду на апоптоз (самоуничтожение). С помощью цитокинов согласуются действия иммунной, эндокринной и нервной систем как в нормальных условиях, так и в ответ на патологические воздействия.

    Некоторые цитокины начинают и усиливают воспалительную реакцию, ведь «воспаление», как мы уже знаем из историй о серотонине и гистамине, это очень полезная, нужная нам защитная реакция – главное, чтобы в меру. Другие же цитокины, наоборот, ограничивают воспалительную реакцию, чтобы она держалась в нужных организму рамках. Это довольно обычное явление на всех уровнях жизни, от клетки до человеческого общества – наличие системы сдержек и противовесов. Третья группа цитокинов не просто «влияет на что-то», но еще и обладает собственными противовирусными и цитотоксическими возможностями, то есть они сами по себе могут убивать вирусов и всяких нежелательных клеток. Часто бывает так, что цитокины разных типов действуют сообща, как животные в стае, достигая совместными усилиями определенной цели.

    На данный момент известно около 50 разных цитокинов, и это явно не предел. Некоторые выполняют мелкие роли, а некоторые оказывают очень заметное влияние.

    Сейчас мы коротко познакомимся с одним из самых важных цитокинов — он называется интерлейкин-1 (ИЛ-1), который синтезируется многими клетками организма:

    Он относится к первой группе цитокинов, то есть вызывает воспалительную реакцию. Что именно он делает?

    1. вызывает повышение температуры тела, то есть является пирогеном (МП: чтобы испечь пирог, нужна высокая температура). Это важная защитная реакция, потому что не только ты начинаешь плохо себя чувствовать и ослабевать при высокой температуре, но и многие патогены (поэтому не надо тупо сбивать температуру, если она не выше 39.5 градусов). Попутно снижается аппетит, и в этом тоже есть смысл, так что не надо насильно упихивать едой больного человека — пусть он «лечебно поголодает».
    2. стимулирует высвобождение простагландинов — это такие вещества, которые непосредственно вызывают воспалительную реакцию (они являются липидами, т.е. жирами, поэтому к ним придем в разделе учебника №5)
    3. стимулирует секрецию белков острой фазы — это такие специальные белки, которые выделяются в кровь в ответ на заражение и начинают активно бороться с заразой.
    4. стимулирует выход нейтрофилов (подвид гранулоцитарных лейкоцитов) из костного мозга, активирует их, вызывает их экстравазацию (то есть проникновение из кровеносных сосудов через стенки сосудов в окружающие ткани, чтобы там нейтрофилы активно набросились на патогенов).

    Это не все функции интерлейкина-1, но для нас пока этого достаточно.

    В разделе про белки наверное интересно было бы поговорить о том – что думают ученые о происхождении белков на Земле. Согласно современным представлениям, в первые 600 миллионов лет существования Земли жизнь на ней не возникала, так как период 4.6-4.0 миллиарда лет назад проходил в слишком уж бурных условиях. Более того, вся та земная твердь, что была создана в то время, канула затем в расплавленную верхнюю мантию Земли и бесследно там расплавилась, поэтому мы сейчас даже не можем исследовать породы, которые тогда возникали. Тогда еще не было ни сформировавшихся океанов, ни плотной атмосферы, ни гугла, не было даже выделенного ядра и земной коры. Земля была то очень холодной, то потом очень горячей… и в общем там длинная и интересная история, связанная к тому же с образованием Луны после того, как с Землей столкнулась планета Тейя и вырвала кусок материи, который и стал Луной.

    Этот очень длинный период истории Земли называется «Катархей», и подробно мы сможем его изучить не раньше, чем найдем планету, похожую на Землю, находящуюся на самом раннем этапе своей эволюции.

    Я по себе знаю, что запоминание временных границ разных геологических эпох представляет из себя некоторую сложность – они начинают путаться. Главное, что следует делать в таких ситуациях, это не учить их скопом, т.е. следовать тому же подходу, который мы выбрали для изучения аминокислот и прочих молекул. Взять какую-нибудь одну геологическую эпоху, запомнить что-то такое интересное, что происходило в это время, а спустя, скажем, пару недель добавить еще одну. Тогда информация спокойно уляжется в голове и станет своего рода координатной сеткой, на которую впоследствии будет удобно нанизывать другие эпохи и происходившие в них события. Поэтому сейчас я предлагаю запомнить только вот этот Катархей, и иметь в виду, что сразу за ним следует Архей, когда, наконец-то, возникла первая жизнь.

    До сих пор люди, ученые и не очень, ведут споры о том — как же появилась жизнь на Земле. Конечно, никто из нас не присутствовал при этом, не делал наблюдений и фотографий, но это не означает, что мы не можем достоверно узнать — как же все это происходило. Если теория объясняет существующие факты, является внутренне непротиворечивой, успешно сосуществует с другими теориями (теорией формирования Земли, например) и может быть подтверждена экспериментально, то она заслуживает того, чтобы быть включенной в нашу систему знаний. Так что естественно, некоторые детали могут быть ошибочными, но в целом доказано, что сначала в булькающем, пронизываемом молниями океане, где вода была перемешана с атомами химических веществ, в результате хаотичных многочисленных и разнообразных реакций появились первые органические соединения этих самых атомов. Органическими, напомню, называют соединения, в основе которых лежат атомы углерода, а к ним добавляются другие атомы, преимущественно это водород, азот, кислород, сера и фосфор. Это не просто случайный набор элементов — каждый из них имеет свои особенности, делающие именно такой состав первых молекул необходимым для выживания на Земле. В других условиях, например, на крупнейшем спутнике Сатурна Титане, организмы имели бы другой состав, так как для поддержания жизни им было бы необходимо вдыхать газообразный водород, питаться молекулами ацетилена (который мы используем в газовой сварке и для создания ракетного топлива) и выделять метан CH4.

    Поэтому то, что мы состоим из наиболее соответствующих земным условиям веществ, не является неким мистическим совпадением. Это совершенно естественный результат действия естественного же отбора в самом его начале, в первый миллиард лет истории Земли. Чем больше было какого-то элемента, тем больше молекул образовывалось с его участием, если он оказывался достаточно «контактным», активным в образовании химических связей при данных условиях. Чем более стабильна была определенная молекула, тем более длительное время она существовала, и тем больше было шансов на то, что именно она будет затем включена в состав первых молекулярных сообществ. Некоторые молекулярные сообщества образовывали отгороженное от внешней среды пространство, или возникали в какой-то удобной нише, умеренно отгороженной от внешнего мира, и именно их можно считать первыми существовавшими клетками. Предполагают, что было бесчисленное множество таких комбинаций, собиравшихся и распадавшихся, но только некоторые оказывались способными к успешному самовоспроизведению в условиях тогдашней Земли.

    Считается, что все организмы произошли эволюционным путем от общей предковой клетки, чье потомство оказалось наиболее приспособленным в начальных условиях, и смогло затем меняться в соответствии с изменениями окружающего мира.

    Помня о том, что эта картина — продукт научных рассуждений и экспериментов, мы можем наблюдать зарождение жизни с самого её начала.

    Говоря об экспериментальном подтверждении теории возникновения жизни, обязательно надо упомянуть об эксперименте, проведенном в 1953 году Стэнли Миллером и Гарольдом Юри. Интересно, что Миллер тогда был всего лишь студентом Чикагского университета, ну а Юри имел уже весьма солидный опыт ученого-физика, был пионером в исследовании изотопов и открыл дейтерий, за что и получил Нобелевскую премию. Идея эксперимента Миллера-Юри была очень проста. Настолько проста, что выглядела немножко безумной. Упрощенно говоря, в обычной лабораторной колбе они воссоздали примерную атмосферу древней Земли (как её представляли в то время – сейчас мы представляем ее намного более сложной): метан, аммиак, водород, монооксид углерода и водные пары. И сквозь всю эту смесь они пропускали электрические разряды, имитировавшие молнии, которых в атмосфере древней Земли было очень, очень много.

    После всего этого они уселись и стали ждать — что получится. Получится ли жизнь или хотя бы какие-то её зачатки? Всё-таки немного глупо, да? Не исключено, что даже сами экспериментаторы неловко посмеивались над собой и друг над другом, но результаты оказались поразительными. Около 15% углерода перешло в органическую форму, и более того — 2% углерода оказались связанными в виде настоящих, реальных аминокислот, среди которых больше всего было глицина. Еще там выявились сахара, липиды и предшественники нуклеиновых кислот. С помощью такого «эволюционного самогоноварения» удалось получить целых 22 аминокислоты (не только протеиногенных).

    Естественно, результаты этого эксперимента впоследствии подвергались самой разнообразной критике — как конструктивной, так и обскурантистской. С тех пор этот эксперимент был повторен сотни и тысячи раз по мере того, как совершенствовались наши представления об атмосфере древней Земли, и нас ждут тысячи еще более усложненных подобных экспериментов, но очевидно, что тот первый, в высшей степени несовершенный эксперимент явился тем маленьким шагом, который заложил фундамент под правильное понимание возникновения жизни. Очевидно, что атомы и состоящие из них молекулы при определенных условиях, возникающих на формирующихся планетах, самостоятельно, самопроизвольно, в соответствии с законами физики и химии, а не по произволению крылатого мужика с арфой, образуют органические молекулы, на которые затем начинает действовать механизм естественного отбора.

    К условиям возникновения жизни в последнее время добавился апвеллинг — подъем глубинных вод, богатых питательными веществами, к поверхности океана, где обитают фотосинтезирующие организмы, и оказалось, что высокая скорость апвеллинга скорее всего существует на планетах, у которых атмосфера плотнее, чем на Земле, а скорость вращения вокруг своей оси – меньше. Так что может так оказаться, что Земля даже не является оптимальным местом возникновения жизни, и все же она тут возникла, что увеличивает наши шансы найти жизнь и за пределами Солнечной системы.

    После такого лирического отступления, вернемся к биохимии и к белкам, и познакомимся с цитохромами. Цитохромы – это, как правило, крупные белки, гемопротеины, которые находятся в клеточной мембране (говорят, что они там «заякорены» и плавают в жире, ведь основа мембраны – это молекулы жира). С их помощью митохондрии, живущие в эукариотах, осуществляют процесс клеточного дыхания, т.е. цитохромы участвуют в дыхательной цепи реакций, поэтому они есть во всех клетках нашего организма – в мембранах их митохондрий. Всего нам известно около 30 видов цитохромов, и сейчас нас будет интересовать самый маленький из них – цитохром-С:

    Прежде чем мы начнем изучать клеточные органеллы, мы не сможем в полной мере разбираться в том – как именно цитохром-С функционирует в митохондриальной мембране, поэтому сейчас ограничимся кратким описанием его функции: он занимается тем, что переносит одиночные электроны от одной мембранной молекулы к другой, и в общем-то пока больше и сказать-то нечего:), подождем раздела №6 про органеллы. У цитохрома-С есть и другая функция, которая сильно отличается от первой: при некоторых обстоятельствах он отделяется от внутренней мембраны митохондрии, уходит в её межмембранное пространство (у митохондрии двойная мембрана, поскольку на заре развития жизни ее предки были свободноживущими самостоятельными бактериями), затем проходит через специальные поры в клеточную цитозоль и там активирует апоптоз – процесс самоуничтожения клетки.

    Вообще цитохромы, поскольку они тусуются в клеточной мембране, состоящей из жиров, неизбежно должны быть хорошо растворимы в жирах, и плохо растворимы в полярных растворах типа воды. Так как нам стало известно о том, что цитохром-С может уходить в межмембранное пространство, наполненное по сути водой, мы можем сделать вывод, что он, в отличие от других цитохромов, должен быть хорошо растворимым в воде белком, т.е. быть полярным. И так оно и есть, поэтому для того, чтобы удерживаться и работать в мембране, ему необходимо прибегать к специальным ухищрениям.

    В отличие от гемоглобина, цитохром содержит гем другого типа – не гем-В, а гем-С:

    Он выглядит почти что в точности, как гем-В, но отличается от него наличием тиольных групп – удобнее всего это увидеть, расположив их рядом друг с другом:

    В местах, выделенных зеленым, двойная связь между углеродами разрывается, и вместо винильной группы мы получаем парочку «метил + тиол». Разница, на самом деле, принципиальная, потому что гем-С с помощью своих атомов серы создает дисульфидные мостики с двумя цистеинами апоцитохрома (т.е. с белковой частью цитохрома), а это очень прочная разновидность ковалентной связи, о чем мы уже говорили в главе про кератин и коллаген.

    На рисунке видно, что цитохром-С передает одиночные электроны от белкового мембранного комплекса III к белковому мембранному комплексу IV:
     

    А почему нельзя обойтись без него? Почему напрямую не передать электрон? По той же самой причине, по которой мы не можем напрямую запрыгнуть на пятый этаж, а вынуждены подниматься ступенька за ступенькой. Физический процесс переноса электрона требует совместных усилий нескольких молекул.

    Вообще сам по себе этот процесс очень сложный. Один из возникающих вопросов: когда цитохром-С получил электрон, то как он понимает, что его надо передать именно комплексу IV, а не вернуть комплексу III? Цитохром ничего не понимает:), просто электроном движут законы физики точно так же, как они движут мячиком, прыгающим с пятого этажа на первый, только законы физики тут особенные – квантовые, и без знания квантовой физики в них не разобраться. Но можно составить хотя бы общую картину, что мы и сделаем.

    При передаче электрона по описанной выше цепочке происходит удивительное, невероятное в нашем макромире явление – квантовое туннелирование электрона. То есть электрон не движется в нашем понимании, преодолевая пространство, а словно растворяется в одном месте, и словно конденсируется в другом.

    Допустим, есть две молекулы, и у одной из них есть электрон, который она может передать — это молекула-донор электрона. А есть молекула, которая может этот электрон принять — это акцептор. Допустим, что электрон, который необходимо передать, в доноре имеет «лишнюю» энергию (которую он может потратить на перемещение), равную 1 эВ, но для того, чтобы он перенесся на молекулу акцептора, нужна энергия в 6-7 эВ лишь только для того, чтобы преодолеть некоторую «энергетическую стенку» между ними. А это значит, что энергии на его передачу не хватает, и взять ее неоткуда. Чтобы яснее понимать, о какой стенке идет речь, можно представить себе аналогичную картинку из макромира: допустим, мячик лежит на верхней ступеньке лестницы, и он легко бы скатился на нижнюю, сбросив часть имеющейся у него потенциальной энергии, если бы не стенка, которая перегораживает ему путь. Скатиться на нижнюю ступеньку – элементарно, если бы где-то сначала взять взаймы энергию на перепрыгивание через стенку. В нашем мире мячик без внешней помощи так и не сможет преодолеть стенку, само собой, а вот в микромире такое возможно. Если вспомнить, что электрон, как и другие частицы, является не просто частицей, но частицей/волной, т.е. он проявляет как свойства частицы при одних условиях, так и свойства волны при других, то картинка электрона как мячика, лежащего перед неумолимой стеной, меняется на картинку микрошарика, который, являясь отчасти и волной, находится в состоянии, когда длина его волны настолько велика, что эта волна частично уже находится по другую сторону стенки. Электрон, находясь на определенной орбитали одного атома, своей волной может как бы дотянуться до свободной орбитали другого атома, и все, что ему теперь остается – это сконденсироваться в виде частицы на той части его волны, которая и дотягивается до орбитали соседнего атома. Это и есть туннельный эффект, когда электрон, регистрируемый нами как частица, находящаяся в одном месте, вдруг оказывается в другом месте, причем не совершая привычного нам перехода через пространство, а именно вдруг оказываясь в другой его точке. Это описание, разумеется, очень популярное. Для того, чтобы говорить об этих процессах строгим и точным языком науки, надо изучать квантовую физику.

    Акцептор сильнее притягивает электроны, чем донор, то есть процесс передачи электрона является в целом выгодным, энергодающим, а не энергопотребляющим, и если бы молекулы донора и акцептора находились рядом, то электрон просто перескочил бы с одной на другую, и в результате выделилась бы энергия, и клетка бы ее использовала – вот и все. Но в данном случае молекула-донор и молекула-акцептор находятся на расстоянии 1-1,5 нанометра, и на перескакивание через этот промежуток электрону нужна энергия, а ее нет.

    И вот в микромире электрон преодолевает эту проблему с помощью «туннелирования», то есть он просто исчезает из одного места и появляется в другом, не беря нигде необходимую на это энергию в размере 6-7 эВ, которой у него нет, и, соответственно, не возвращая потом ее обратно. Молекулярное строение клеточных белков может повысить вероятность такого туннелирования с помощью создания молекул-передатчиков оптимальной конфигурации и их фиксации в лучшем для передачи положении.

    Атомы этих молекул немного колеблются на своих местах за счет броуновского движения, и в какой-то момент они попадают в такое положение, что вероятность туннелирования становится очень высокой, и электрон перескакивает от донора к акцептору несмотря на то, что у него недостаточно энергии на этот переход, если представлять его себе в классическом смысле постепенного движения через пространство.

    Возникают вопросы: как это колебание происходит, почему оно оказывается эффективным, и — главное — как оно используется клеткой? Ведь электрон нужно не просто передать, а нужно сделать это так, чтобы выделяемая при этом энергия не просто рассеялась в виде тепла, а привела к совершению полезной работы.

    Дело в том, что само присутствие электрона на каждой из этих молекул приводит к изменениям конфигурации их электронных облаков, а вслед за этим – к изменению конформации самих молекул. Сначала одиночный электрон попадает на молекулу-донор — например, в результате окисления топливной молекулы (глюкозы). После этого в молекуле-доноре начинаются структурные перестройки, следствием чего является повышение вероятности передачи электрона акцептору. Энергия этой перестройки используется белковой молекулой для совершения полезной работы (в данном случае — для прокачивания протонов через мембрану, чтобы из АДФ производилась АТФ).

    После передачи электрона акцептору, донор возвращается в предыдущее состояние, а в акцепторе начинаются перестройки, которые тоже будут для чего-то использованы. В результате этих перестроек вероятность обратного туннелирования электрона (от получившего его акцептора к отдавшему донору) стремится к нулю.

    Таким образом, цепочки клеточных молекул могут передавать электроны одна другой, и каждая из этих молекул будет в процессе этой передачи обратимо изменять свою конфигурацию, и за счет изменения этой конфигурации совершать полезную для клетки работу.