УСТАНОВЛЕНИЕ ПЕРВИЧНОЙ СТРУКТУРЫ БЕЛКОВ

Установление первичной структуры белка имеет важнейшее значение при решении многих биохимических и медицинских проблем. Многие белки, например инсулин, играют важную роль в медицине. Некоторые болезни, например серповидноклеточная анемия, вызываются нарушениями в структуре белка. Для того чтобы наладить получение синтетического инсулина или продвинуться в поисках способов лечения серповидно-клеточной анемии, необходимо было установить первичную структуру инсулина (рис. 15-11) и понять различия в строении гемоглобина здоровых людей и больных серповидно клеточной анемией.

Рис. 15-11. Первичная структура инсулина человека

Обе эти задачи были решены. Были установлены первичные структуры инсулина, нормального гемоглобина и гемоглобина больных серповидноклеточной анемией, а также сотен других глобулярных и фибриллярных белков. Правда, никакого способа лечения серповидноклеточной анемии найти до сих пор не удалось, но синтетический инсулин для лечения диабета, полученный с помощью генной инженерии, выпускается с 1984 г. фирмой Eli Lilly под названием Humulin. Этот инсулин, в отличие от применявшегося ранее бычьего инсулина, не вызывает аллергии у больных диабетом.

Естественно, у читателя возникает вопрос: как удалось установить строение столь сложных молекул? С помощью аминокислотного анализатора удается лишь выяснить, какие аминокислоты входят в состав белка и каково их процентное содержание. Никакой информации, позволяющей судить о порядке соединения аминокислотных остатков друг с другом, этот прибор не дает. Однако изменение аминокислотной последовательности приводит к кардинальным изменениям во вторичной и третичной структуре белка и, следовательно, резко меняет его свойства и функции.

Последовательность соединения аминокислотных остатков в белковой молекуле можно определить, используя расщепление белков по Эдману. Этот метод позволяет отщеплять от белковой молекулы N-концевую аминокислоту. Многократное повторение реакции Эдмана позволяет последовательно получать производные всех аминокислот, имеющихся в белковой молекуле, начиная с N-концевой.

Схема расщепления по Эдману показана ниже на примере белка, имеющего аланин в качестве N-концевой аминокислоты. Белок сначала обрабатывают фенилизотиоцианат ом в присутствии основания. При этом образуется производное тиомочевины. В кислой среде это соединение расщепляется, образуя тиогидантоин — производное N-концевой аминокислоты — и новый белок, содержащий на один аминокислотный остаток меньше. Фенилтиогидантоин идентифицируют методом а образовавшийся новый белок вновь подвергают расщеплению по Эдману и определяют следующий аминокислотный остаток. Процесс повторяют до тех пор, пока не будут последовательно идентифицированы все аминокислоты белковой цепи:

(см. скан)

Если первичная структура белка известна, появляется возможность получить этот белок синтетическим путем. Поскольку первичная структура белка определяет вторичную и третичную, синтетический белок будет во всех отношениях идентичен природному и будет выполнять в организме те же функции.

Самое незначительное изменение структуры белка может вызвать серьезные изменения в биохимических свойствах. На схеме 15-1 показана первичная структура нормального гемоглобина и гемоглобина больных серповидноклеточной анемией. Замена лишь одного аминокислотного остатка в а-цепи (глутаминовой кислоты на валин) приводит к изменению формы молекулы гемоглобина и способности переносить кислород. Это, в свою очередь, сказывается на состоянии здоровья человека.

Схема 15-1. Первичная структура гемоглобина для нормального гемоглобина для гемоглобина больных с ерповидноклеточной анемией

В условиях недостатка кислорода красные кровяные клетки приобретают форму серпа, что вызывает затруднения для нормального течения крови через капиллярные сосуды. Из-за этого нарушается снабжение кровью жизненно важных органов. Больные серповидноклеточной анемией обычно пошбают в среднем возрасте.

Аминокислотная последовательность белка может быть установлена с помощью расщепления белковой молекулы по Эдману, Этот метод позволяет последовательно отщеплять аминокислоты в виде фенилтиогидантоинов, начиная с N-концевой. Идентификация каждого из полученных таким образом производных дает последовательность аминокислот в молекуле белка. Установление первичной структуры природных белков важно не только с чисто научной точки зрения, но также позволяет приступить к химическому синтезу этих белков и проливает свет на причины некоторых заболеваний.