Белок сигнализирует

Несколько лет назад американские биофизики сделали очень интересное открытие. Было установлено, что белки, содержащиеся в живых клетках и биологических жидкостях — молоке, спинномозговой жидкости, плазме крови, — обладают способностью светиться, люминесцировать. Свечение белков невидимо простым глазом и улавливается лишь специальными приборами. Однако не приходится сомневаться в том, что это самая настоящая люминесценция.

Белки начинают люминесцировать только при облучении невидимым ультрафиолетовым светом. Какие-то доли секунды после облучения они сами испускают ультрафиолетовые лучи, то есть белки не только поглощают световую энергию, но и выделяют ее затем в виде света, однако, как понятно из простых законов физики, уже света с другой (более длинной) длиной волны. Этот невидимый свет, который излучают белки, позволяет по-новому объяснить многое в их природе.

Но расскажем все по порядку.

ПОЧЕМУ ЖЕ ОНИ СВЕТЯТСЯ?

Белок, как известно, — очень сложное образование. Его молекула в тысячи раз больше, чем, например, молекула кислорода, водорода, углерода или азота. Она представляет собой особый комплекс из атомов всех этих элементов (с непременным участием азота), соединенных в структурные группы — аминокислоты. Аминокислоты — основа белка. Как кирпичи, спаянные цементом, аминокислоты соединены между собой в белке прочными химическими связями, называемыми пептидными. Если молекулу белка облучать ультрафиолетовыми лучами, то внесенное в пептидные связи возбуждение очень быстро передается по всей молекуле. При этом растраты энергии по дороге в тепло почти не происходит. Добравшись до ароматических аминокислот, входящих в состав белка, — триптофана, тирозина, фенилаланина,— полученная энергия затем высвечивается в виде ультрафиолетовых лучей.

Интенсивность люминесценции белков зависит не только от интенсивности первичного облучения, но и от концентрации белка в растворе, а также от особенностей его структуры.

Открытие способности белков люминесцировать после ультрафиолетового облучения дало в руки исследователям совершенно необычный, быстрый и удобный способ количественного определения белков. Этот новый спектральный метод по своей чувствительности, а главное скорости, значительно превосходит все применявшиеся ранее. Он позволяет точно и без всяких затрат химических реактивов определять содержание белка в растворах, крови, лимфе, моче, спинномозговой жидкости, молоке; оценивать наличие белка в таких продуктах, как мясо и шерсть.

Все это имеет большое практическое значение. Например, в Бельгии население получает более 21 процента пищевых белков за счет молока. До сих пор процент белка в молоке определяли весьма трудоемким химическим методом, что затрудняло селекционную работу по отбору животных, дающих молоко с большим содержанием белка. В последние годы это привело даже к некоторому общему снижению содержания белка в молоке. А только в Англии, например, из-за этого ежегодно теряется около 14 тысяч тонн молочного белка, то есть около двух железнодорожных составов высококачественного сыра.

Для определения белка новым люминесцентным методом был сконструирован небольшой прибор — флуоресцентный протеин-метр. Ультрафиолетовая люминесценция белка преобразуется в видимый свет с помощью уранилового стекла. Величина свечения измеряется полупроводниковым фотосопротивлением.

Внешне весь процесс сводится к нажатию кнопки и отсчету показаний по шкале микроамперметра. Достаточно взять всего около половины кубического сантиметра разведенного в 20 раз молока, чтобы определить содержание белка в нем с точностью до 0,1 процента.
БЕЛКОВЫЕ СИГНАЛЫ

Биофизикам удалось подметить еще один замечательный факт. Оказалось, что белки высвечиваются интенсивно и при облучении волнами с длиной в 245 миллимикрон (это составляет примерно половину длины волны видимого света). Эти волны мало поглощаются ароматическими аминокислотами. Облучение ими вызывает в белках как бы ответный резонанс, определенный максимум свечения, отмечаемый на графике. Но так происходит далеко не со всеми белками.

Если гидролизовать белок или добавить к нему щелочи и подогреть его, то есть нарушить взаиморасположение пептидных связей, то этот максимум исчезает. У такого неполноценного белка энергия, полученная пептидными связями от облучения, будет превращаться в тепло.

Таким образом, если структура белка изменяется, то в нем сразу же нарушается и процесс передачи энергии. Такой белок тускнеет, можно сказать, гаснет на глазах, как перегоревшая лампочка.

Учитывая, что максимум свечения очень чутко реагирует на любые изменения, происходящие в белке, выяснив прямую связь между подобной реакцией и структурной целостностью белка, С. Брайнес, С. Конев, Г. Голубева решили использовать это явление для исследования белков крови. Они поставили перед собой цель: выяснить, меняется ли структурно-энергетическое устройство молекул белка в зависимости от различных физиологических состояний живого организма.

Первоначально работа велась на молодые щенках. Им вводили в кровь кататоногенные вещества, вызывающие особое состояние обездвиженности, так называемое кататоно-подобное состояние, сходное с симптомами одной из форм (кататонической) тяжелой психической болезни — шизофрении. Щенки подолгу застывали в любом приданном им положении: стояли на трех ногах, вытягивались между двумя стульями, и вычурно закладывали лапы за голову.

Оказалось, что если перемешать пробирки с кровью здоровых щенков и тех, которым были введены кататоногенные вещества, то люминесцентный анализ крови сразу покажет, какая из них принадлежит нормальной собаке и какая — больной.

Так выяснилось, что развитие подобного патологического состояния сопровождается изменением белка. При этом он делается неполноценным в энергетическом отношении. Успехи опытов, проведенных на животных, позволили перейти к исследованию крови психически больных. Уже первые данные показали, что развитие психического заболевания также сопровождается в некоторых случаях изменением картины люминесценции белков крови, то есть их структурно-энергетическими перестройками. Дальнейшие эксперименты, которые ведутся в этом направление может быть, помогут раскрыть причины и механизм развития тяжелых психических недугов.

Люминесценция белков представляет собой очень удобный и чувствительный метод изучения биологических процессов, так как ароматические аминокислоты занимают совершенно определенное звено в цепи флуоресцирующих участков энергии при биологическом окислении. Если бы белки были лишены способности к люминесценции, живые организмы не смогли бы использовать энергию пищи для совершения работы мышц, сердца, печени, мозга и т. п.

Зависимость интенсивности свечения белков от сохранности взаиморасположения в них пептидных связей и наличия определенных аминокислот позволяет применить новый метод для анализа строения белков, далеко еще не изученного. В этом заключается, помимо чисто практических результатов, описанных выше, теоретический интерес проводимых работ…

Автор: С. В. Конев.