Химия и биология белков - Ф. Гауровитц 1953

Синтез белка
Скорость синтеза белков в живом организме

Для определения скорости образования белка в живом организме широко используются два метода. Один из этих методов основан на плазмофорезе, т. е. на уменьшении содержания белков в плазме крови путем повторных кровопусканий (красные кровяные тельца обычно вводятся обратно в вену животных, поэтому при плазмофорезе заметно уменьшается только содержание белков плазмы крови). У животных, подвергнутых такой процедуре, можно определить скорость синтеза белков плазмы [29, 30].

В этих опытах было показано, что скорость регенерации белков плазмы повышается в том случае, если собаки получают в пищу казеин; у собак же, которые получают белки, состоящие главным образом из желатины или зеина, наблюдается лишь слабая регенерация [31]. Это понятно, поскольку желатина и зеин не содержат некоторых незаменимых аминокислот (см. табл. 1). Гемоглобин, введенный интраперитонеально, значительно менее эффективен, чем казеин [32], что обусловлено отсутствием в гемоглобине изолейцина [33]. Максимальное количество белков плазмы, образующееся в течение суток, равно примерно 1 г на 1 кг веса тела собаки [34].

При удалении у животных печени скорость регенерации белков плазмы резко уменьшается и падает до 5% нормы для альбуминов и 15% для глобулинов [35, 36]. Это дало основание заключить, что синтез белков плазмы происходит главным образом в печени и что между белками плазмы и белками печени существует состояние динамического равновесия [31]. Согласно этой точке зрения, белки печени могут образовываться из белков плазмы и, в свою очередь, превращаться в белки плазмы. Образующиеся при этих процессах белки печени отличаются от структурных белков, количество которых при плазмофорезе не уменьшается.

Если животному не вводить обратно эритроциты, удаленные из организма при кровопускании, то можно изучать одновременно и скорость регенерации гемоглобина. Подобное «двойное истощение» животного, сопровождающееся потерей плазмы и эритроцитов, также может быть компенсировано введением белков, содержащих все незаменимые аминокислоты [37]. Как уже указывалось выше, максимальное количество белков плазмы, образующееся в организме собаки, равно примерно 1 г в день на 1 кг веса тела животного. Общее же количество белков плазмы и гемоглобина, образующихся за день, никогда не превышает 1,5 г на 1 кг веса тела собаки, причем характер образующихся белков в значительной мере зависит от аминокислотного состава вводимых белков. Так, например, введение собакам с «двойным истощением» яичных белков вызывает образование преимущественно белков плазмы, тогда как кормление их мясом быка способствует образованию главным образом гемоглобина [38]. Образование глобина (белкового компонента гемоглобина) также, очевидно, происходит в печени [39].

Синтез белков происходит не только в печени, но и во всех остальных тканях организма, причем он не прекращается даже у голодающих животных.[40]. Синтез белка можно наблюдать также и в культурах тканей. Тип белка, образующегося в культуре ткани, определяется свойствами клеток культуры и не зависит от характера белка, используемого для питания культуры. Так, например, при культивировании в плазме кролика фибробластов цыпленка образуются специфические белки цыпленка, а не белки кролика. Серологический анализ показал, что в этом случае помимо белков фибробластов цыпленка образуются также белки плазмы цыпленка [41]. Синтез указанных белков происходит, очевидно, из продуктов распада белков кролика. Надо, однако, указать, что гомологичные белки или пептоны утилизируются культурами тканей лучше, чем белки или пептоны, полученные от других видов животных [42].

Второй метод, при помощи которого можно изучать синтез белка в живых организмах или культурах тканей, основывается на использовании аминокислот или белков, меченных изотопами.

При помощи этого метода были сделаны попытки определить период полураспада белков. Для этого животным парентерально или с пищей вводились аминокислоты, меченные дейтерием [43], N¹⁵ или изотопным углеродом, и через различные промежутки времени определялось содержание изотопа в белках их плазмы [44, 45].

Интерпретация данных, полученных изотопным методом, затрудняется тем, что мы не можем установить, была ли использована введенная в организм меченная изотопом аминокислота только однократно, для синтеза 1 молекулы белка, или же она многократно принимала участие в синтезе молекул белка, освобождаясь при распаде одних белков и входя в состав других. Опыты с N¹⁵-глицином, при обработке которых принималось во внимание это усложняющее обстоятельство, показали, что в течение суток у человека образуется примерно 0,2 г, а у крысы около 1 г белков плазмы на 1 кг веса тела [45]. В ряде исследований для определения скорости образования альбуминов и глобулинов животным скармливался С¹⁴-лизин, причем было найдено, что глобулины плазмы образуются быстрее, чем альбумины, и быстрее, чем альбумины, исчезают из крови [46]. В течение 24 час. обновляется около 10% белков плазмы [46]. Скорость обновления белков мышц значительно меньше скорости обновления белков плазмы и печени [47]. Медленнее всех остальных белков регенерирует гемоглобин, так как в течение суток обновляется только 2,5% этого белка [43, 47]. Период полураспада гемоглобина приблизительно равен 25—30 дням.

Образование белков зародыша, как показали опыты с применением меченого глицина, происходит со скоростью, значительно большей, чем образование белков взрослого организма. Остается, однако, до сих пор неясным, определяется ли высокая скорость роста зародыша быстротой синтеза белков [49] или же замедленным их распадом [48]. Наивысшая скорость образования белка наблюдается в слизистой оболочке кишечника и в ткани поджелудочной железы. Это не кажется удивительным, если вспомнить, что данными органами секретируются большие количества белка [50].

Рядом исследователей было обнаружено, что меченые аминокислоты могут включаться также и в белки срезов органов или гомогенатов. Так, например, изотопная сера S³⁵, входящая в состав цистина или метионина, быстро обнаруживается в белках срезов печени. Неизвестно, однако, происходит ли в этих случаях истинный синтез белка, так как большую часть меченых аминокислот можно отщепить при помощи восстанавливающих агентов. Весьма вероятно, что часть серусодержащих аминокислот, вошедших в состав белков срезов или гомогенатов, связана в них дисульфидными связями, которые расщепляются восстанавливающими агентами [51].

Включение С¹⁴-глицина в белки слизистой оболочки кишечника тормозится азидом и также может быть заторможено в результате растирания ткани. Синтез белка этой ткани, очевидно, сопряжен с окислительным процессом, катализируемым ферментами, деятельность которых тесно связана с наличием определенной структуры клеток [52]. Включение в срезы печени аланина, меченного С¹⁴ в карбоксиле, также представляет собой аэробный процесс [53]. Срезы печени способны включать в свои белки даже С¹⁴O₂ [54], а также превращать С¹⁴-глицин в С¹⁴-серин [55]. Все это указывает на то, что синтез белка в срезах печени и других тканях не сводится к простому образованию пептидных связей между аминокислотами, а является более сложной реакцией. По мнению некоторых авторов, меченые аминокислоты не включаются непосредственно в белки, а предварительно соединяются с пептидом, который следует поэтому рассматривать как предшественника образующегося белка [56].

Радиоактивные изотопы были использованы также и для расшифровки механизма образования тиреоглобулина. При этом было обнаружено, что введенный животному радиоиод накапливается только в щитовидной железе и что тиреоглобулин образуется исключительно в этом органе. Все остальные органы содержат лишь следы иода, присутствие которого, по всей вероятности, объясняется диффузией иода в ткани [57]. Если у животного удалить щитовидную железу, то тироксин начинает образовываться в печени и в кишечнике [58], что также можно обнаружить при помощи радиоактивного иода.

Хотя эксперименты, в которых в качестве индикаторов использовались меченные изотопами вещества, дали много ценных сведений относительно синтеза белка, тем не менее в этой области до сих пор еще остались нерешенными основные проблемы. На основании этих опытов невозможно решить, происходит ли непрерывное самообновление белков путем синтеза и последующего распада отдельных молекул белка или же оно обусловлено тем, что каждая из этих молекул, не распадаясь нацело, постоянно обменивает свои отдельные составные части. Подобный обмен может достигаться, например, путем временного размыкания пептидных связей и включения аминокислоты между концами раскрытых цепей. Для разрешения этой проблемы были использованы иммунологические методы. Как уже указывалось в гл. XIV, антитела находятся во фракции у-глобулинов сыворотки. Если вызвать образование антител у кролика, иммунизируя его каким-либо антигеном, то вновь образованные иммунные у-глобулины можно отдифференцировать от у-глобулинов, присутствовавших до иммунизации, по их способности преципитировать соответствующий антиген. Так, например, инъекция полисахарида пневмококков SIII приводит к образованию SIII-антител во фракции глобулинов иммунной сыворотки. Если подопытным кроликам помимо антигена вводится N¹⁵-глицин, то через небольшой промежуток времени меченая аминокислота обнаруживается в антителах [59]; это свидетельствует о том, что она включилась во вновь образовавшийся белок.

В другой серии исследований для разрешения вопроса о том, происходит ли включение аминокислот в белок путем размыкания и замыкания его пептидных цепей, были поставлены следующие опыты. Неиммунизированному кролику вводилась сыворотка другого кролика, предварительно проиммунизированного против полисахарида SI. Таким образом, в кровь этого неиммунизированного кролика переносились SI-антитела. Одновременно ему же производилась инъекция N¹⁵-глицина. Оказалось, что N¹⁵-глицин в этих случаях не включается в перенесенные SI-антитела [59].

На основании этих данных можно было бы заключить, что обновление молекул сывороточных белков происходит не в результате кратковременного размыкания пептидных цепей и подключения к месту разрыва новых аминокислот, а путем полного распада отдельных белковых молекул с последующим образованием новых белковых частичек. Если, однако, вместо N¹⁵-глицина подопытным кроликам вводился С¹⁴-лейцин, то наблюдалось включение меченой аминокислоты в SI-антитела [60]. Эти последние опыты с аминокислотой, меченной изотопным углеродом, представляются более убедительными, чем опыты с аминокислотой, меченной изотопным азотом, так как меченый азот может отщепляться и обмениваться в результате процессов дезаминирования и переаминирования. Тем не менее трудно предположить, что белковые молекулы антител могут подвергаться непрерывному обновлению своего аминокислотного состава и в то же время сохранять в неизменном виде свои свойства антител. Эти свойства, вероятнее всего, обусловлены тем, что форма поверхности молекулы антитела геометрически дополняет форму детерминирующей группы антигена. Трудно себе представить, каким образом может сохраняться эта дополнительная форма, если молекулы антитела непрерывно обменивают входящие в их состав аминокислоты на аминокислоты окружающей среды.