Главная страница «Первого сентября»Главная страница журнала «Биология»Содержание №17/2009

Новости науки

И. Э. Лалаянц ;
Л. В. Яковенко

Роль стереоизомерии в биохимической регуляции

Стереоизомерами называют вещества, имеющие одинаковые химические формулы, молекулы которых различаются только расположением атомов друг относительно друга. В отличие от структурных изомеров, в молекулах стереоизомеров характер и последовательность химических связей совпадают. Важнейшими типами стереомеров являются цис-транс изомеры (E-Z-изомеры), энантиомеры, диастереомеры и конформеры. Последний случай относится к большим молекулам, например белкам, которые при одной и той же первичной структуре могут иметь различные конформации.

Цис-транс изомерия относится к расположению различных атомов или групп относительно выделенной связи, например двойной. В цис-изомере эти атомы находятся по одну сторону от выделенной связи, а в транс-изомере – по разные. Простейшим примером цис-транс изомерии являются соединения типа дихлорэтена (C2H2Cl2, рис. 1). В более сложных случаях для описания такого рода стереоизомерии используют предложенную ЮПАК номенклатуру: у Z-изомеров группы с наибольшими весами находятся по одну сторону связи, а у E-изомеров – по разные.

Энантиомерами называют стереоизомеры, которые являются зеркальными отражениями друг друга, а само химическое соединение, имеющее энантиомеры, называют хиральным. Для того чтобы органическое соединение было хиральным, оно должно иметь в своем составе хиральный атом углерода, у которого все четыре заместителя разные (диастереомеры имеют два или более хиральных атома). Энантиомеры разделяются на «правые» и «левые» в соответствии с определенными геометрическими правилами и обладают оптической активностью, т.е. поворачивают плоскость поляризации проходящего через них света вправо или влево, однако направление поворота не всегда совпадает с геометрической «правостью» или «левостью».

Представления о хиральности и ее связи с оптической активностью получили развитие после того, как в 1843 г. Луи Пастер сумел под микроскопом вручную разделить кристаллы натрий-аммониевой соли винной кислоты (тартрата), которые по форме были зеркальным отражением друг друга, как правая и левая рука. В то время Пастер был аспирантом физика Ж.Б. Био (его именем назван известный закон Био–Савара, изучаемый в школьном курсе физики). Био тогда занимался оптической активностью кристаллов, но его заинтересовало явление оптической активности растворов некоторых веществ, и он попросил Пастера разобраться, как она возникает (кристалл обладает симметрией, которая позволяет объяснить появление оптической активности, а в растворе молекулы движутся хаотично). Термин «хиральность» (от греческого χειρ – рука) для описания явления зеркальной симметрии на молекулярном уровне гораздо позже ввел великий физик лорд Кельвин.

Зеркально симметричные молекулы обладают одинаковыми химическими и физическими (за исключением вращения плоскости поляризации света) свойствами. Однако еще Пастер обратил внимание на то, что микробы «выедают» только один хиральный изомер питательного вещества, не трогая другого. В начале XX в. ученые установили, что во всех клетках белки, синтезируемые на рибосомах, состоят из «левых» (от лат. laevo – левый) L-аминокислот, а в состав нуклеиновых кислот входят только «правые» (от лат. dextra – правый) D-сахара. Возникновение такой хиральной асимметрии – одна из интереснейших физико-химических проблем в теории эволюции, ведь в обычных химических процессах, продуктами которых являются хиральные вещества, «правых» и «левых» изомеров образуется поровну (такая смесь изомеров называется рацематом).

Замена одного хирального изомера другим (рацемизация) обычно ведет к нарушению функции биологически активного соединения. Поэтому организмы в опытах Пастера и использовали в пищу только один  из энантиомеров хиральных питательных веществ. В белках рацемизация происходит спонтанно и очень медленно, но, пока клетка жива, специальные ферменты исправляют такие дефекты или уничтожают дефектные белки. В мертвой клетке рацемизации ничто не препятствует, и по соотношению количеств «правых» и «левых» изомеров можно определить, когда клетка погибла. Но и в живом организме есть белки, не доступные ферментам, препятствующим рацемизации, например дентин зубов или кристаллин хрусталика глаза. По количеству D-аминокислот в дентине можно определить возраст зуба, а значит, и человека. Этот метод используется в судебной медицине.

В последнее время стали появляться данные о том, что хиральность играет существенную роль не только на уровне структуры белков и нуклеиновых кислот.

В клетках содержится особый фермент – гираза, который относится к семейству топоизомераз (ферментов, меняющих топологию молекулы ДНК). Изменение топологии ДНК играет большую роль в обеспечении функций «главной молекулы» жизни. Известно, что в клетке, в период между делениями, ДНК «распускается», что способствует экспрессии генов. В это время хромосомы под обычным микроскопом не видны. Но вот клетка начинает готовиться к делению. При этом происходит конденсация хромосом, которая достигается скручиванием молекул ДНК в суперспирали под действием гираз и других топоизомераз. Теперь уже хромосомы легко увидеть в микроскоп.

Гираза закручивает (и раскручивает) двойную спираль ДНК в суперспираль, причем всегда в левую. Направление закручивания определяется хиральным активным центром фермента и осуществляется за счет энергии АТФ, главного энергоносителя в клетке. Недавно сотрудники Калифорнийского университета в Беркли прикрепили сбоку от двойной спирали ДНК миниатюрную бусинку размером менее 1 мкм, светящуюся в темноте. Следя за движением бусинки, ученые непосредственно зафиксировали закручивание и раскручивание спирали ДНК длиной около 100 тыс. нуклеотидов. За поворотом флуоресцентной метки на два оборота следовала пауза, затем цикл повторялся (т.е. всегда образовывалось два витка суперспирали). Расчеты показали, что сила, действовавшая на бусинку и приводившая ее во вращательное движение, достигала 1,3 пН. Добавление АТФ резко увеличивает площадь интерфейса между молекулой ДНК и гиразой. Если же молекулу ДНК слегка натягивали, то, хотя скорость образования суперспирали не изменялась, количество витков, которые фермент успевал сделать, пока не отсоединялся от ДНК, уменьшалось.

Как правило, у хиральных соединений биологической активностью обладает лишь один изомер, или эффекты L- и D-изомеров сильно различаются. Хорошо известна трагическая история 1960-х гг., связанная с использованием лекарственного препарата талидамида в качестве успокоительного средства для беременных женщин: положительным действием обладал L-изомер, а D-изомер, оказавшийся в препарате в ничтожной концентрации из-за недостаточной очистки, приводил к генетическим мутациям и врожденным уродствам у детей.

У взрослых слонов-самцов периодически (обычно зимой) наступает особый период агрессивного поведения, сопровождающийся повышением уровня тестостерона в 60 раз. В это время даже самые миролюбивые и спокойные слоны становятся чрезвычайно опасными (документированы, например, убийства носорогов в национальных парках Африки), и домашних слонов приходится сажать на цепь. Причина такой агрессивности практически не изучена. Часто в этом состоянии у слонов из специальных височных желез, расположенных у внешних краев глаз, выделяется смолоподобное вещество темпорин. Недавно было показано, что оно содержит особый феромон – производное октана (1,5-диметил-6,8-диоксабициклооктан), структурная формула которого напоминает знаменитое «кресло» молекулы глюкозы (другой ее изомер – «ванна»). За время возмужания слонов (начиная с подросткового периода) секреция феромона увеличивается в 25 раз. Но дело не только в увеличении количества пахучего секрета.

С началом периода полового созревания в организме слонов синтезируется в основном D-изомер феромона. При этом его концентрация сильно колеблется, что отражает флуктуации содержания мужских половых гормонов в плазме крови. У зрелых же самцов соотношение D- и L-изомеров становится одинаковым, то есть образуется их рацемическая смесь. Рацемический феромон отталкивает самцов всех возрастов, а также беременных и не находящихся в состоянии течки самок, но очень привлекателен для самок с созревшими яйцеклетками в яичниках.

Цис-транс изомеры могут быть образованы и энантиомерами хиральных соединений. Важный пример – пептидная связь в белках, образованная остатками L-аминокислот. Эта связь имеет характер частично двойной связи, поэтому атомы скелета пептидной группы (–Cα–C′–N–Cα–) расположены в одной плоскости и группа может находиться либо в цис-, либо в транс-конформации (рис. 2).

Хотя в развернутой полипептидной цепи происходит свободная изомеризация и пептидные группы принимают обе конформации, в нативном белке только одна из 1000 групп имеет цис-конформацию (остальные находятся в транс-конформации). Транс-конформация пептидных групп задается при их синтезе на рибосомах и сохраняется в дальнейшем. Однако если в состав пептидной группы входит остаток пролина (рис. 3), что в обычных белках бывает редко, то соотношение транс : цис становится равным 3 : 1. Это значит, что в таком случае изомеризация происходит гораздо быстрее (хотя все равно очень медленно, с постоянной времени около 20, при комнатной температуре), чем в пептидной связи, образованной другими аминокислотными остатками.

При синтезе белка процесс сворачивания полипептидной цепи с образованием нативной конформации (фолдинг) происходит в тысячи раз быстрее цис-транс изомеризации, тем не менее иногда образуется пептидная группа в цис-конформации. В этом случае процесс фолдинга останавливается до тех пор, пока не возникнет правильная конформация, либо прекращается вовсе. Бывает и наоборот, когда для активной формы белка необходима не транс-конформация, которая образуется при синтезе, а цис-конформация, тогда приходится ждать, пока она не образуется. В обоих случаях на помощь приходит специальный фермент – пептидилпролилизомераза, который существенно ускоряет процесс изомеризации, в результате чего синтез таких белков идет без задержек.

Не так давно было обнаружено, что цис-транс изомеризация не просто влияет на структуру белка, но такое изменение структуры может играть важную роль в регуляции биохимических процессов. Одним из важнейших нейромедиаторов, ответственных за регуляцию очень большого числа процессов у различных организмов – от нематоды до человека, – является серотонин (5-гидрокситриптамин, рис. 4). У человека 80–90% серотонина обнаруживается в специальных клетках кишечника, где он используется для регуляции перистальтики. Остальная часть серотонина синтезируется в серотонергических нейронах в центральной нервной системе, где он участвует в регуляции аппетита, сна, хорошего настроения и агрессии. Кроме того, он стимулирует рост клеток, в частности в процессе восстановелния печени после повреждения, регулирует рост и рассасывание костей. Вырабатывается серотонин и у растений и грибов, его содержат некоторые овощи и фрукты.

Разнообразие регуляторных функций серотонина обусловлено наличием в разных клетках различных рецепторов серотонина, которые образуют так называемое суперсемейство серотониновых рецепторов (5-HT-рецепторов). Недостаточная или избыточная продукция серотонина приводит к различным психическим расстройствам. Так, при недостатке серотонина (или дефектах его рецепторов) у человека возникает депрессия. Поэтому многие лаборатории занимаются изучением серотониновой регуляции, в частности механизмов взаимодействия серотонина с различными рецепторами.

Все рецепторы серотонина, кроме 5-HT3, работают посредством активации G-белков, которые затем вызывают каскад биохимических реакций, приводящих к определенному результату. Рецептор 5-HT3 – единственный, который относится к типу управляемых ионных каналов (его ближайший структурный аналог – никотиновый рецептор ацетилхолина). Этот рецептор представляет собой белок, пять раз пронизывающий клеточную мембрану нервной клетки, в котором при связывании с серотонином образуется пора, пропускающая катионы натрия, калия и кальция. Прохождение ионов по открывшемуся каналу приводит к возбуждению нейрона и генерации нервного импульса.

Однако как открывается канал в мембране, было неизвестно. Недавно было установлено, что инициатором структурных перестроек в рецепторе 5-HT3 является изомеризация одного остатка пролина, находящегося в ключевом для этого типа рецепторов месте (вершина цистеиновой петли). Если пролин находится в транс-конформации, то канал закрыт. Связывание серотонина вызывает изомеризацию пролина, и канал открывается. Пожалуй, это первый случай, когда экспериментально показано, что переключение ионного канала между открытым и закрытым состояниями обусловлено стереоизомеризацией всего одного звена в полипептидной цепи.

Рейтинг@Mail.ru