Состав инсулина

Категория Инсулин

Инсулин – популярнейшая молекула xx столетия

В истории химии случались события, по своемудраматизму напоминавшие штурм неприступнойвершины, на которую пытаются взойти одновременнонезависимые группы альпинистов по различныммаршрутам. Все это сопровождается обстановкойсостязания – кто взойдет на вершину первым?

Далее речь пойдет о синтезе инсулина – событии,ставшем заметным достижением в химической науке.Точно так же, как перед штурмом вершиныальпинисты создают базовые, промежуточные иштурмовые лагеря, синтез инсулина был хорошоподготовлен, но не теми, кто вышел на покорениевершины, а основательными работамиисследователей-предшественников. Можно уверенносказать, что создание исходного плацдармавпечатляет не меньше, чем последующий штурм.Инсулин по праву можно назвать популярнейшеймолекулой ХХ столетия; с исследованиями этогосоединения связаны имена семи (!) нобелевскихлауреатов.

Белок, спасающий жизнь

В середине XX в. инсулин был одним из наиболееинтенсивно изучаемых веществ. Причина в том, чтоудалось объяснить происхождение одного изтяжелейших заболеваний – сахарного диабета.Болезнь возникает, когда в организменедостаточно гормона*инсулина. Инсулин запускает процессы,обеспечивающие поступление глюкозы (сахара) вклетки, а также стимулирует внутриклеточныемеханизмы, позволяющие усваивать глюкозу.

При недостатке инсулина глюкоза не расходуетсяклетками, она накапливается в крови и начинаетчерез почки поступать в мочу. Повышенный уровеньглюкозы в крови и ее выведение с мочой приводят кпохуданию, чрезмерному мочеотделению,постоянному ощущению сильной жажды и голода.Организм старается компенсировать дефициткалорий, которые он теряет с мочой в виде глюкозы,и начинает использовать жировые запасы итканевые белки (главным образом мышечные).Возникают утомление, сонливость, тошнота,нарушаются обменные процессы, что может привестик диабетической коме, а при отсутствии лечения ксмерти.

Сахарный диабет встречается среди населениявсех стран и у представителей всех рас. Самоераннее описание этого заболевания было сделанопримерно 3000 лет назад в Древней Индии. Подробныесимптомы болезни (обильное мочеотделение,чрезмерная жажда и потеря веса) были описаны вI в. н.э. Болезнь получила свое название отгреческого diabetes, что означает «протекаю,прохожу сквозь» (имеется в виду чрезмерноемочеотделение).

Планомерное изучение этого заболеваниядлилось не одно столетие. В XVII в. английскийврач Т.Уиллис обратил внимание на то, что моча упациентов с такими симптомами имеет сладковатыйвкус (провести подобный анализ мог толькоистинный ученый). Картина начала прояснятьсяпосле опытов французского физиолога КлодаБернара (1813–1878), в которых он наблюдал собак судаленной поджелудочной железой. Его опытыпродолжили в 1889 г. немецкие физиологи Йозеффон Меринг и Оскар Минковский. Они удалялихирургическим путем поджелудочную железу усобак и затем наблюдали у них резкий подъемконцентрации глюкозы в крови, ее появление в мочеи другие признаки сахарного диабета. Такимобразом они экспериментально доказали связьмежду поджелудочной железой и сахарным диабетом.

.Маклеод (1876–1935)
Д.Маклеод
(1876–1935)

Некоторые физиологи высказывалипредположение, что поджелудочная железавырабатывает вещество, которое способствуетусваиванию в организме глюкозы. В 1916 г.немецкий физиолог Шарпи-Шафер назвал этогипотетическое вещество инсулин (от латинского insula– островок, поскольку отчетливо наблюдаемыегруппы клеток поджелудочной железы к этомумоменту именовали островками Лангерганса). Тогдаэто было только предположение, котороевпоследствии полностью подтвердилось.

Ф.Бантинг
(1891–1941)

В 1921 г. трое канадских исследователей –профессор физиологии университета в г. Торонто(Канада) Джон Маклеод, врач-хирург ФредерикБантинг и врач-физиолог Чарлз Бест сумеливыделить инсулин из поджелудочной железыподопытных животных. Первые же опыты повведению полученного препарата собакам судаленной поджелудочной железойпродемонстрировали значительное снижениеуровня сахара в крови животных и улучшениеклинической картины.

Ч.Бест (1899–1978)
Ч.Бест
(1899–1978)

11 января 1922 г. (знаменательный факт вистории мировой медицины) более чистый иактивный препарат инсулина был введен первомупациенту – подростку, страдавшему тяжелойформой диабета. После полученногоположительного эффекта были проведеныаналогичные испытания еще на несколькихпациентах. Возникло новое направление вмедицинской науке – гормонотерапия.

В 1923 г. Маклеод и Бантинг были удостоеныНобелевской премии по физиологии и медицине «заоткрытие инсулина». Бест не был включен в списоклауреатов, и Бантинг отдал ему половинуполученных денег (жест, достойный истинногоученого).

В 1926 г. было налажено серийное производствоинсулина. Многие тысячи больных сахарнымдиабетом, ранее обреченных на смерть, былиспасены и могли вести сравнительно нормальнуюжизнь, регулярно принимая лекарство.

От медицины к химии

Физиологи Маклеод и Бантинг использовали длялечения больных экстракт поджелудочной железыживотных. Однако химиков всегда интересовало,как именно устроено то или иное соединение.Инсулин в кристаллическом виде впервые сумелполучить в 1926 г. Дж.Абель. Именно благодаря егоработам удалось наладить промышленноепроизводство препарата. Абель также определилсостав инсулина, стало понятно, что веществопредставляет собой белковую молекулу. C этогомомента исследования инсулина из медициныпереходят в область химии, точнее, в рукибиохимиков.

Ф.Сенгер (р. 1918)
Ф.Сенгер
(р. 1918)

Все упомянутые выше работы подготовилирешающий этап, позволивший выяснить, какустроена молекула, привлекавшая внимание стольбольшого числа исследователей. Решить эту задачуудалось американскому биохимику ФредерикуСенгеру. Вначале он разработал способидентификации концевых аминогрупп в белковоймолекуле путем обработки в щелочной средединитрофторбензолом (впоследствии этот методстал классическим). Далее он буквально разобрална части всю молекулу инсулина и определилсостав полученных аминокислот с помощью самыхсовременных методов – электрофореза,разработанного А.Тизелиусом (Нобелевская премия,1948 г.) и хроматографии, усовершенствованнойА.Мартином и Р.Сингом (нобелевские лауреаты,1952 г.). Однако установить, из каких аминокислотсобрана белковая молекула, лишь половина дела,притом менее сложная. Главное – выяснить ихпоследовательность в цепи.

Сенгер разработал план, по которому с помощьюспециально подобранных ферментов (биологическихкатализаторов) проводил расщепление белковойцепи на небольшие отрезки в заранее намеченныхучастках, а потом сопоставлял их состав. Работапредставляла собой безупречное сочетание логикии экспериментального мастерства, и в 1958 г.ученому была присуждена Нобелевская премия «заработы по структуре протеинов, особенноинсулина». Свой метод Сенгер довел буквально досовершенства, со временем его методика сталаобщим принципом исследования структуры белков.

Винсент Дю Виньо (1901–1978)
Винсент
Дю Виньо
(1901–1978)

Попутно отметим, что Сенгер, применивпохожие логические построения, но несколькоизменив методику и используемые реагенты, сумелустановить последовательность фрагментов вструктуре знаменитой двойной спирали ДНК.За эти исследования в 1980 г. Сенгеру(совместно с У.Гилбертом и П.Бергом) былаприсуждена еще одна Нобелевская премия «за вкладв определение последовательности оснований внуклеиновых кислотах». Таким образом, Сенгер –единственный дважды нобелевский лауреат похимии. Никто не мог предположить, что этиисследования ДНК со временем откроют новуюстраницу в химии инсулина, но об этом речь пойдетнесколько позже.

Дороти
Кроуфут-Ходжкин
(1910–1994)

Американский биохимик Винсент Дю Виньо,в течение нескольких лет изучавший инсулин,узнав о работах Сенгера, решил воспользоватьсяего методикой для расшифровки структуры двухдругих гормонов (вазопрессина и окситоцина).Однако он не только установил строение, но исинтезировал молекулы этих гормонов. Фактическион был первым, кто сумел синтезировать природныеполипептиды. Эта работа ученого была отмеченаНобелевской премией в 1955 г., т.е. он получилпремию на три года раньше Сенгера, чьи идеипомогли ему добиться столь великолепногорезультата. Работы Дю Виньо фактически открылидорогу к синтезу инсулина.

Тем временем изучение инсулина продолжалось.Исследование лечебных свойств инсулинапозволило установить, что его цинковый комплексиз нескольких молекул, так называемый Zn-инсулин,обладает более длительным лечебным действием.Строение этого комплекса оказалось весьмасложным (он содержит почти 800 атомов), поэтомубыли привлечены физико-химические методыанализа. В 1972 г. английский биофизик ДоротиКроуфут-Ходжкин (лауреат Нобелевской премии1964 г. за определение с помощью рентгеновскихлучей структур биологически активных веществ)установила трехмерную структуру этогонеобычайно сложного комплекса.

Упрощенный язык биохимиков

Прежде чем рассмотреть строение молекулыинсулина, познакомимся с тем, как биохимикиизображают молекулы белков.

Все белки представляют собой полимеры, цепикоторых собраны из фрагментов аминокислот.Аминокислоты – это органические соединения,содержащие в своем составе аминогруппу NH2 икарбоксильную группу СООН. В образованиибелков участвуют только такие аминокислоты, укоторых между аминогруппой и карбоксильнойгруппой всего один углеродный атом. В общемвиде они могут быть представлены формулой H2N–CH(R)–COOH.Группа R, присоединенная к атому углерода (тому,который находится между амино- и карбоксильнойгруппой), определяет различие междуаминокислотами, образующими белки. Эта группаможет состоять только из атомов углерода иводорода, но чаще содержит помимо С и Нразличные функциональные группы. Из всегомногообразия существующих аминокислот(теоретически количество возможных аминокислотнеограниченно) в образовании белков участвуюттолько двадцать, так называемые«фундаментальные» аминокислоты.Для «строительства» инсулина природаиспользовала 16 аминокислот (из допустимыхдвадцати) (табл.1).

Таблица 1

Аминокислоты, участвующие в созданииинсулина

Метки: , , ,

Оставить комментарий