Білок сигналізує

Кілька років тому американські біофізики зробили дуже цікаве відкриття. Було встановлено, що білки, що містяться в живих клітинах і біологічних рідинах – молоці, спинномозковій рідини, плазмі крові, – мають здатність світитися, люминесцувати. Світіння білків невидимо простим оком і вловлюється лише спеціальними приладами. Однак не доводиться сумніватися в тому, що це справжнісінька люмінесценція.

Білки починають люмінесцувати тільки при опроміненні невидимим ультрафіолетовим світлом. Якісь частки секунди після опромінення вони самі випускають ультрафіолетові промені, тобто білки не тільки поглинають світлову енергію, а й виділяють її потім у вигляді світла, проте, як зрозуміло з простих законів фізики, вже світла з іншою (більш довгою) довжиною хвилі . Цей невидимий світ, який випромінюють білки, дозволяє по-новому пояснити багато чого в їхній природі.

Але розповімо все по порядку.

ЧОМУ Ж ВОНИ СВІТЯТЬСЯ?

Білок, як відомо, – дуже складне утворення. Його молекула в тисячі разів більше, ніж, наприклад, молекула кисню, водню, вуглецю або азоту. Вона являє собою особливий комплекс з атомів всіх цих елементів (з неодмінною участю азоту), з’єднаних в структурні групи – амінокислоти. Амінокислоти – основа білка. Як цеглини, спаяні цементом, амінокислоти з’єднані між собою в білку міцними хімічними зв’язками, званими пептидними. Якщо молекулу білка опромінювати ультрафіолетовими променями, то внесене в пептидні зв’язку збудження дуже швидко передається по всій молекулі. При цьому розтрати енергії по дорозі в тепло майже не відбувається. Діставшись до ароматичних амінокислот, що входять до складу білка, – триптофану, тирозину, фенілаланіну, – отримана енергія потім висвічується у вигляді ультрафіолетових променів.

Інтенсивність люмінесценції білків залежить не тільки від інтенсивності первинного опромінення, але і від концентрації білка в розчині, а також від особливостей його структури.

Відкриття здатності білків люминесцувати після ультрафіолетового опромінення дало в руки дослідникам абсолютно незвичайний, швидкий і зручний спосіб кількісного визначення білків. Цей новий спектральний метод за своєю чутливістю, а головне швидкістю, значно перевершує всі, що застосовувалися раніше. Він дозволяє точно і без всяких витрат хімічних реактивів визначати вміст білка в розчинах, крові, лімфі, сечі, спинномозковій рідини, молоці; оцінювати наявність білка в таких продуктах, як м’ясо і шерсть.

Все це має велике практичне значення. Наприклад, у Бельгії населення отримує більше 21 відсотка харчових білків за рахунок молока. Досі відсоток білка в молоці визначали досить трудомістким хімічним методом, що ускладнювало селекційну роботу з відбору тварин, що дають молоко з великим вмістом білка. В останні роки це призвело навіть до деякого загального зниження вмісту білка в молоці. А тільки в Англії, наприклад, через це щорічно втрачається близько 14 тисяч тонн молочного білка, тобто близько двох залізничних составів високоякісного сиру.

Для визначення білка новим люмінесцентним методом був сконструйований невеликий прилад – флуоресцентний протеїн-метр. Ультрафіолетова люмінесценція білка перетвориться у видиме світло за допомогою уранілового скла. Величина світіння вимірюється напівпровідниковим фотоопором.

Зовні весь процес зводиться до натискання кнопки і відліком показань за шкалою мікроамперметра. Достатньо взяти всього близько половини кубічного сантиметра розведеного в 20 разів молока, щоб визначити вміст білка в ньому з точністю до 0,1 відсотка.

БІЛКОВІ СИГНАЛИ

Біофізикам вдалося помітити ще один чудовий факт. Виявилося, що білки висвічуються інтенсивно і при опроміненні хвилями з довжиною в 245 міллімикрон (це складає приблизно половину довжини хвилі видимого світла). Ці хвилі мало поглинаються ароматичними амінокислотами. Опромінення ними викликає в білках як би відповідний резонанс, певний максимум світіння, що відзначається на графіку. Але так відбувається далеко не з усіма білками.

Якщо гідролізувати білок або додати до нього луги і підігріти його, тобто порушити взаєморозташування пептидних зв’язків, то цей максимум зникає. У такого неповноцінного білка енергія, отримана пептидними зв’язками від опромінення, буде перетворюватися на тепло.

Таким чином, якщо структура білка змінюється, то в ньому відразу ж порушується і процес передачі енергії. Такий білок тьмяніє, можна сказати, гасне на очах, як перегоріла лампочка.

Враховуючи, що максимум світіння дуже чуйно реагує на будь-які зміни, що відбуваються в білку, з’ясувавши прямий зв’язок між подібною реакцією і структурною цілісністю білка, С. Брайнес, С. Конєв, Г. Голубєва вирішили використовувати це явище для дослідження білків крові. Вони поставили перед собою мету: з’ясувати, чи змінюється структурно-енергетичний пристрій молекул білка в залежності від різних фізіологічних станів живого організму.

Спочатку робота велась на молодих щенятах. Їм вводили в кров кататоногені речовини, що викликають особливий стан знерухомленості, так званий кататоно-подібний стан, схожий з симптомами однією з форм (кататонічної) важкої психічної хвороби – шизофренії. Цуценята подовгу застигали в будь-якому доданому їм положенні: стояли на трьох ногах, витягувалися між двома стільцями, і химерно закладали лапи за голову.

Виявилося, що якщо перемішати пробірки з кров’ю здорових цуценят і тих, яким були введені кататоногенні речовини, то люмінесцентний аналіз крові відразу покаже, яка з них належить нормальної собаці і яка – хворій.

Так з’ясувалося, що розвиток подібного патологічного стану супроводжується зміною білка. При цьому він робиться неповноцінним в енергетичному відношенні. Успіхи дослідів, проведених на тваринах, дозволили перейти до дослідження крові психічно хворих. Вже перші дані показали, що розвиток психічного захворювання також супроводжується в деяких випадках зміною картини люмінесценції білків крові, тобто їх структурно-енергетичними перебудовами. Подальші експерименти, які ведуться в цьому напрямі може бути, допоможуть розкрити причини і механізм розвитку важких психічних недуг.

Люмінесценція білків являє собою дуже зручний і чутливий метод вивчення біологічних процесів, так як ароматичні амінокислоти займають абсолютно певну ланку в ланцюзі флуоресціюючих ділянок енергії при біологічному окисленні. Якби білки були позбавлені здатності до люмінесценції, живі організми не змогли б використовувати енергію їжі для здійснення роботи м’язів, серця, печінки, мозку і т. п.

Залежність інтенсивності світіння білків від збереження взаєморозташування в них пептидних зв’язків і наявності певних амінокислот дозволяє застосувати новий метод для аналізу будови білків, далеко ще не вивчених. У цьому полягає, крім суто практичних результатів, описаних вище, теоретичний інтерес проведених робіт.

Автор: С. В. Конєв.