Удивительный мир органической химии

С 1899 г. исследованием белков начал заниматься Э. Фишер — один из основоположников биоорганической химии. Он не только изучал свойства белков, но и пытался их синтезировать. В результате многолетних исследований Э. Фишер сделал важное обобщение: из аминокислот построены все белки — растительного, животного и микробного происхождения. Он также установил, что разные белки состоят из разных аминокислот и в разном количестве.

Однако огромное многообразие белков трудно было объяснить простым изменением количеств аминокислот, пусть даже и разных. По предположению Э. Фишера, такое многообразие может зависеть от различного взаимного расположения аминокислот в огромной молекуле белка. Это была гениальная догадка!

И все же перед ученым стоял другой, не менее важный вопрос: как связываются между собой аминокислоты в молекуле белка?

Еще в 1888 г. русский биохимик Александр Яковлевич Данилевский (1838-1923) высказал мысль о том, что аминокислоты в белках соединяются между собой при помощи амидной (пептидной) группировки —СО—NH—, которая образуется в результате взаимодействия между собой двух групп — карбоксильной и аминной. Эта мысль была подтверждена в 1902 г. Э. Фишером и Ф. Гофмейстером. Действительно, аминогруппа одной аминокислоты может взаимодействовать с карбоксильной группой другой аминокислоты. Например:

При присоединении к дипептиду третьей молекулы аминокислоты образуется трипептид и т. д.:

Такой процесс можно сравнить с постепенным нанизыванием бус на нить. При этом аминокислотные остатки соединяются друг с другом при помощи пептидных связей. Таким образом, белки представляют собой длинные нити последовательно соединенных друг с другом аминокислот — полипептиды. Так возникла полипептидная теория Э. Фишера. Чтобы доказать ее правильность, ученому потребовалось шесть лет упорного труда.

К началу 1902 г. уже было известно 17 аминокислот, входящих в состав белка. Э. Фишер начал серию опытов по получению некоторых полипептидов из этих аминокислот. В 1907 г. он синтезировал октадекапептид, содержащий 18 аминокислотных остатков! Еще дальше пошел его ученик — немецкий биохимик Э. Абдергальден (1877-1950), который в 1916 г. синтезировал полипептид, состоящий из 19 остатков аминокислот. По свойствам эти полипептиды напоминали природные белки. Они даже расщеплялись ферментами на аминокислоты. Подумать только: ферменты «признавали» эти полипептиды за природные белки!

Итак, было установлено, что белки представляют собой сложные органические соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа аминокислотных остатков. А ведь это большое число образовано лишь двадцатью различными аминокислотами. Просто удивительно — весь мир, живой и растительный, построен из этих двадцати различных аминокислот! Но удивительным это кажется только на первый взгляд. Действительно, с увеличением количества аминокислот, участвующих в образовании белковой молекулы, число различных белков быстро растет. Другими словами, растет число изомеров белка. Например, если молекула белка состоит из 20 разных остатков аминокислот, то число всевозможных комбинаций структур белка достигает гигантской величины — 2 • 10¹⁸. Вот откуда такое многообразие белков!

Однако белки нас удивляют еще и тем, что в их состав входят остатки только α-аминокислот. Вот еще одна загадка природы.

Но не следует думать, что молекула белка — всего лишь длинная цепочка с чередующимися аминокислотными остатками. Конечно, очень важно знать порядок такого чередования в полипептидной цепи, определяющей первичную структуру

молекулы белка (рис. 25). Стоит заменить только один аминокислотный остаток другим или даже поменять его место в цепи — сразу же резко меняются свойства белка. Например, если в молекуле гемоглобина, содержащей 574 аминокислотных остатка, вдруг произойдет случайная подмена глутаминовой кислоты на валин или даже изменятся места их взаимного расположения в полипептидной цепи, то это может печально закончиться — такой сбой вызовет тяжелое заболевание. Поэтому любой белок состоит из строгой последовательности аминокислотных остатков. Однако, к нашему счастью, живая природа сама по себе редко ошибается. Хотя вероятность такой ошибки огромна. Помните, сколько различных комбинаций (изомеров) образуется из 20 различных аминокислот? Но если их и не двадцать, а меньше, то и тогда таких перестановок будет вполне достаточно. Вот почему важно знать последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи.

Однако сложность строения молекулы белка не ограничивается только первичной структурой. Оказывается, полипептидная цепь в зависимости от первичной структуры принимает определенное расположение в пространстве. Такое пространственное расположение также бывает различным. В связи с этим различают вторичную, третичную и четвертичную структуры.