Айзек Азимов - Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Соответственно, молекулы крахмала могут различаться между собой только количеством составляющих их единиц глюкозы; молекулы инулина — количеством единиц фруктозы и так далее. Разумеется, и этого достаточно, чтобы разница между представителями одного и того же вида огромных молекул была гораздо больше, чем между представителями одного вида меньших молекул, но все равно это ничто по сравнению с разнообразием, которое представляют белки.
Молекулы белка состоят из девятнадцати разных аминокислот (плюсминус одна), которые в той или иной молекуле могут быть представлены в любом количестве каждая, и порядок их размещения в пептидной цепочке тоже может быть любым. И любое изменение в размещении аминокислот приводит к появлению молекулы уже с другими свойствами. Белковые молекулы могут различаться между собой не только тем, что в состав одной входит восемнадцать аминокислот, а другой — девятнадцать. Две молекулы, состоящие обе из восемнадцати или девятнадцати аминокислот, могут разительно отличаться порядком расположения аминокислот, а значит, и своими свойствами.
Сколько же возможно в принципе таких вариаций? Допустим, строится молекула, в которой должно присутствовать по одной из каждых девятнадцати видов аминокислот. Начать можно с любой из девятнадцати, это дает нам уже девятнадцать вариантов. Далее продолжить каждый из них можно с помощью каждой из восемнадцати оставшихся аминокислот, так что мы имеем уже 19 х 18 сочетаний, каждое из которых можно продолжить с помощью каждой из 17 оставшихся, и так далее.
Продолжая рассуждать таким образом, мы получаем общее число возможных вариантов 19 x 18 x 17 x 16 x 15 x 14 x 13 x 12 x 11 x 10 x 9 x 8 x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x 1— такую последовательность называют «19 факториал» и записывают как 19! (цифра, а рядом с ней — восклицательный знак). Факториалы очень быстро достигают невообразимых значений — в данном случае вы и сами можете просчитать величину 19!, а если не хотите — то поверьте мне на слово, что получится число больше сотни квадриллионов (точнее, 121 646 600 408 832 000).
Соответственно, даже если ограничить возможность повторения одной и той же аминокислоты в цепочке одним разом, то из девятнадцати аминокислот можно построить более ста квадриллионов различных веществ с различными же свойствами.
На самом же деле белки состоят из гораздо большего количества повторяемых аминокислот. Гемоглобин, молекулярная масса которого 67 000, состоит из 539 аминокислот. Разумеется, они не могут быть все разными, что в значительной степени снижает количество возможных вариантов, но даже в этом случае получится величина порядка 4 x 10619, то есть четверки с 619 нулями.
Представить себе такое число невозможно. Достаточно просто уяснить себе, что количество различных белков, которые можно построить из девятнадцати аминокислот, как и количество различных книг, которые можно написать с помощью двадцати шести букв латинского алфавита, — для всех практических соображений следует счесть бесконечным.
С точки зрения энергетических соображений значение столь большого числа, с одной стороны, совершенно ясно, а с другой — очень интересно. Сравнительно несложно просто собрать вместе некоторое количество аминокислот, как это сделали Фишер или Качальский. Это равносильно тому, что собрать несколько игральных карт и просто сложить их в стопку не глядя.
Конечно, в стопке карт порядка больше, чем в картах, рассыпанных по полу, то есть и при такой сборке энтропия уменьшается (вспомните отношения между энтропией и порядком, описанные в главе 6). Соответственно, создание пептида из аминокислот — это процесс, связанный с уменьшением энтропии.
Однако образование некоего определенного белка, например гемоглобина, из практически неисчерпаемого набора аминокислот, можно сравнить с упорядочиванием карт в колоде по некоему строго определенному образцу. При этом порядок возрастает (а энтропия, следовательно, уменьшается) многократно. Работа, совершаемая организмом при формировании белка, достойна восхищения, потому что он не просто объединяет аминокислоты в пептидную цепь, но соединяет их в строго заданную пептидную цепь!
Именно поэтому невозможно вывести формулу какого-либо белка путем простого подсчета атомов. Если провести такую попытку, то в результате мы получим что-то вроде C1864H3012O576N468S21. Это, конечно, настоящая формула, и ей соответствует, к примеру, присутствующий в молоке белок беталактоглобулин. Но понять из такого «индекса атомов», из каких аминокислот состоит белок, невозможно, а значит, и пользы в нем практически нет никакой. Молекулу белка надо рассматривать с точки зрения аминокислотного, а не атомного состава.
Простой способ анализа аминокислотного состава белка заключается в том, чтобы путем нагревания в кислоте разложить белок на аминокислоты и проанализировать полученную смесь на наличие каждой из аминокислот по отдельности. К сожалению, смесь получается слишком сложной, а свойства некоторых аминокислот слишком похожи, так что полноценно разделить смесь на отдельные аминокислоты не представляется возможным. До 1940 года анализу аминокислотного состава белков не хватало точности и полноты.
Однако в 1944 году двое английских биохимиков, А. Мартин и Р. Синг, изобрели бумажную хроматографию. Метод заключается в том, чтобы капнуть немного смеси аминокислот на лист очень пористой (фильтровальной) бумаги и дать листу высохнуть, после чего аминокислоты оказываются прочно скованными в листе. Тогда по капиллярам в бумаге начинают вытягивать органическую жидкость, например бутиловый спирт (близкий к известному нам этиловому спирту).
Когда бутиловый спирт проходит через пятно аминокислот, то каждая из них оказывается под действием двух сил: одна — удерживает присохшие кислоты на месте, другая — тянет их двигаться дальше вместе со спиртом. В итоге каждая кислота действует неким компромиссным образом (поскольку каждая из них, благодаря разнице в химическом составе, имеет свой показатель растворимости в воде и в бутиловом спирте). То есть скорость движения аминокислот по листу вместе со спиртом — своя для каждой аминокислоты, и через некоторое время все аминокислоты оказываются «разнесенными» по листу. Вот теперь можно разделить и подвергнуть тщательному анализу составляющие даже очень сложной смеси аминокислот.
С помощью метода бумажной хроматографии большинство белков были проанализированы на аминокислотный состав. К примеру, в таблице 6 приводится количество каждой из девятнадцати аминокислот, обнаруженных в альбумине — белке, встречающемся в плазме крови человека.
Таблица 6. АМИНОКИСЛОТЫ АЛЬБУМИНА Аминокислота … Количество в молекуле белкаГлютаминовая кислота … 80
Лейцин … 58
Лизин … 58
Аспарагиновая кислота … 46
Валин … 45
Фенилаланин … 33
Пролин … 31
Треонин … 27
Аргинин … 25
Серии … 22
Тирозин … 18
Цистин … 16
Гистидин … 16
Глицин … 15
Изолейцин … 9
Метионин … 6
Цистеин … 4
Триптофан … 1
Алании … 0
Всего … 510
Разумеется, просто знать количество каждой из аминокислот в молекуле белка недостаточно. Надо было еще установить, в каком порядке они располагаются.
Эта задача казалась вообще неразрешимой. Количество возможных перестановок даже в самых маленьких белковых молекулах так велико, что попытки угадать фактическое их расположение сродни поиску иголки не то что в стоге сена, а в целом поле стогов сена.
Однако в конечном итоге человеческому гению эту задачу удалось решить. Это сделал английский биохимик Фредерик Сенгер со своими коллегами. Сенгер работал с инсулином, молекула которого сравнительно мала — этот белок состоит всего из 50 аминокислот, и его молекулярный вес — всего 6000. (Впрочем, даже и в этом случае количество возможных комбинаций аминокислот, присутствующих в известном соотношении, тоже значительно превышает 10100 — то есть единицу со 100 нулями.)
Методика Сенгера в упрощенном виде выглядит так: молекулу белка расщепляют не полностью, а частично, так чтобы на выходе получались не отдельные аминокислоты, а пептидные цепочки из двух, трех или четырех аминокислот. Порядок аминокислот в этих цепочках уже можно установить, а от них — перейти к порядку аминокислот в более крупных фрагментах, и в итоге — получить порядок аминокислот в самой изначальной цепочке.
Конечно, все это сделать не так просто. В реальности работа оказалась кропотливой, долгой и крайне сложной. Тем не менее к 1953 году (не прошло и десяти лет с момента начала работы) строение инсулина уже было точно установлено. В частности, ученым удалось четко выяснить, чем именно свиной инсулин отличается от бычьего — какая именно аминокислота заменяется на другую.
