Навіщо плавають білки

Білок

Йде експеримент. Його мета — з’ясувати функції деяких ферментів, що відповідають за очищення живих організмів від шкідливих, а часом і смертельних для них речовин. Печінка тварин досить добре справляється з навалою таких речовин завдяки виключно надійним і простим системам виділення. Вони дивно мобільні і вміють пристосуватися до вельми важких умов існування. В одному з експериментів біологи буквально загодовували піддослідних щурів люміналом і ДДТ. Печінка тварин збільшилася в два рази, але все-таки зуміла ліквідувати грізну небезпеку, що нависла над тваринами.

Процес виділення порівняно нескладний, коли шкідливі речовини легко розчинні у воді. Над цим працюють нирки і легені, кишечник і шкірні покриви. Діючи спільно, вони швидко відновлюють положення. Ситуація різко погіршується, якщо в організм потрапляють молекули, які «не бере» вода. Вони, як правило, прекрасно розчиняються в різних жирах і тому досить швидко виявляються всередині біомембран, стаючи недосяжними для видільних систем. Накопичившись, вони починають свою шкідливу дію, часом смертельну для живого організму.

Такі хімікати, які використовуються зараз в сільському господарстві, багато лікарських речовин, харчові добавки тощо. Біохіміки об’єднали їх спільним ім’ям «ксенобіотики», що означає «чужі життю». Якби не воістину геніальна передбачливість природи, нашестя ксенобіотиків могло б принести людству набагато сумніші наслідки, ніж ті, про які так багато зараз говорять.

Спосіб боротьби — єдиний: треба приєднати до нерозчинних молекул ксенобіотиків «водяну» групу ОН і зробити їх розчинними. Тоді вода винесе з організму шлак, що накопичився там. Цим і займаються мембрани печінки — своєрідного знешкоджуючого центру живих організмів. Спеціальні ферменти поставляють в мембрану електрони, за допомогою яких різко активується наявний в мембранах кисень. Активований кисень утворює не менш активні осколки молекул води, які тут же впроваджуються всередину наполегливих молекул ксенобіотиків.

Подальший шлях стереотипний – геть з організму! Таким способом печінка здатна перемогти всі фармацевтичні фабрики світу — стверджують оптимістично налаштовані біохіміки.

Цікаво одне — системі окислення повністю байдуже, що вийде в результаті її роботи. Завдання одне – зробити розчинною непотрібну або навіть шкідливу для організму молекулу. Що буде потім — система не знає. З неканцерогена може вийти канцероген, з повністю нешкідливих речовин — вельми неприємний мутаген, що впливає на потомство, або навіть токсична речовина — отрута. Турбота про наслідки не входить у функції елементарної системи окислення. У неї своє вузьке, молекулярне завдання, яке не може виконати жодна з сотень інших систем живого організму. Такий поділ праці характерний для тваринного і рослинного світу.

Розкритий механізм окислення порівняно недавно, хоча запропонував його ще в 1894 році російський біохімік академік А. Н. Бах. Майже шістдесят років ця гіпотеза не користувалася популярністю у вчених, поки не була повністю підтверджена експериментально. Складається система з декількох компонентів. В її витоках — поживна речовина: субстрат з довгою назвою нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат (скорочено НАДФН). Спеціальний білок-флавопротеїд, який є практично у всіх клітинах, забирає від субстрату електрони і передає їх ферменту, що носить назву цитохром-Р450. Потім фермент розбиває молекулу кисню на два активних атома, забезпечуючи їх електронами.

Атоми кисню відразу ж приймаються за роботу по «зрошенню» молекул, призначених для евакуації з організму. Тим часом молекули цитохрому-Р450 отримують нову порцію електронів для подальшої діяльності. «Фабрика електронів» діє з повним навантаженням до тих пір, поки не з’явиться команда скоротити «випуск продукції» або навіть взагалі тимчасово припинити роботу, так як небезпека минула.

Так елементарно і разом з тим дивно надійно влаштований механізм видалення жиророзчинних речовин. Але система виявилася не такою простою, як спочатку вирішили біологи, а набагато більш хитрою і всеосяжною.

З’ясувалося, що крім основного ланцюга, де головною дійовою особою є цитохром-Р450, в мембранах печінки є ланцюг побічний, до якого перенесенням електронів займається інший фермент — цитохром b5. Причому цей ланцюг, як кажуть біохіміки, задіяний, і молекули ферменту постійно «готові до бою», так як завжди містять резервні електрони.

Навіщо цей обхідний шлях? – задумалися вчені. В якості «пожежної команди» система не годиться. З’ясувалося, що хоча цитохрому b5 в мембранах багато, він не може швидко передати електрони кисню.

Але, може бути, функції нової системи інші, а зовсім не дублювання окисної діяльності цитохрому-Р450? Чи не є цитохром b5 своєрідним складом електронів, які необхідні організму для інших реакцій? Адже не випадково цей фермент не здатен сам по собі передавати електрони на кисень, щоб активувати його молекули. Тоді яким же чином і куди він транспортує елементарні негативні заряди?

Вирішенням цих питань і зайнялися вчені. У першому з дослідів біохіміки додали в розчин, що містить мембрани з цитохромом b5, споріднений йому фермент — цитохром-С. Як було відомо заздалегідь, молекули цього ферменту вміють швидко знімати з молекул цитохрому b5 електрони. Дослід – вчені назвали його “шкільним” – повністю підтвердив їх очікування: поява в розчині цитохрому-С різко прискорила процес окислення. Взявши це на замітку, вчені почали серію експериментів, результати яких їх вельми вразили.

Спочатку вони замінили «добавку», підмішавши в розчин замість цитохрому-С деяку кількість мембран іншої внутрішньоклітинної структури — так званих мітохондрій. Ефект залишився кількісно тим же.

Виходить, — сказали вчені— електрони можна передати з однієї мембрани на іншу без всякого водорозчинного переносника!

Ідея вельми смілива, навіть, можна сказати, блюзнірська. Слідує ще один – тонкий, важкий, але донезмоги переконливий дослід. У суміш запущені мембранні пухирці, частина яких містить флавопротеїд і цитохром b5, а інша частина — тільки цитохром. Без цього білка ланцюг не працює, електрони не можуть з’явитися у цитохрому b5. Однак коли в суміш додали живильний субстрат, з’ясувалося, що всі молекули цитохрому виявилися насиченими електронами, хоча для деяких з них субстрат виглядав «забороненим плодом», з’їсти який вони ніяк не могли без участі флавопротеїда. Не могли, а з’їли! Яким чином? Чому придбали електрони не тільки ті молекули цитохрому b5, які були в мембрані з флавопротеїдом, а й ті, що залишалися в гордій самоті?

Щоб цитохром b5 отримав електрон з іншої бульбашки, де його побратим насичується електронами за допомогою флавопротеїду, він повинен з цією бульбашкою зіткнутися. Іншого способу передачі немає. Значить, і молекули флавопротеїду, і молекули цитохрому повинні володіти здатністю «плавати» по поверхні мембрани. Лише в цьому випадку можливе зіткнення, при якому заряди можуть залишати один діелектрик і потрапляти на другий. Виходить, що мембрани — це не тільки перегородки між клітинами, а ще й своєрідні шляхи сполучення, за якими з однієї частини клітини в іншу, від однієї мембрани до іншої можуть переміщатися молекули білків, з допомогою передачі електронів сприяючи реакції окислення — відновлення.

Тепер стає зрозумілим, чому природа виготовила мембрани рідкими, тим самим створивши своєрідні «річки», які, як їм належить, і служать перешкодою, і шляхами сполучення.

А ефект, який, як вони сподіваються, відкрили вчені, носить назву «міжмембранне перенесення електронів».

Останнім з експериментів був знову-таки досить примітивний зовні дослід. Посудину розділили перегородкою з каліброваними порами, через яку могли проникати лише дуже дрібні частинки. В один відсік налили суміш, що містить клітини печінки, в яких флавопротеїд був отруєний спеціальною отрутою. Так що клітини ці не могли брати участь в окисленні, хоча поживних речовин в суміші було скільки завгодно. Ланцюжок виявився розірваним. Інший відсік заповнили дрібними мембранними бульбашками, що містять і флавопротеїд, і цитохром b5. Самі по собі ці бульбашки здатні до окислення, але дуже слабо. Але почалося окислення якраз в тому відсіку, який містив клітини, свідомо не здатні до дії. Дрібні частинки сусіднього відсіку пройшли перегородку і передали свої електрони. Тоді ланцюг клітин в іншому відсіку ожив, і почалася бурхлива реакція.

Знову-таки пояснення однозначне. Передача електронів була чисто фізичною – ніяких біохімічних переносників суміш не містила.

Автор: Б. Смагін.

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *