Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира - Крис Макманус Страница 44

образования и до конца ее естественного существования. Белковая усталость проявляется в постепенно накапливающихся ошибках, и нет никакого способа заменить неисправные старые белки. Это сценарий ветшающей космической станции, экипаж которой вынужден обходиться лишь тем, что есть на борту, поскольку никакие изношенные части заменить нельзя – до тех пор, пока весь корабль окончательно не выйдет из строя из-за накопления поломок. Хотя эритроциты живут недолго – у людей не более 120 дней, – для изучения белковой усталости они представляют собой идеальную систему. В течение сорока дней около одного процента содержащихся в них L-аспарагиновой кислоты превращается в D-аспарагиновую кислоту – удивительно быстрая деградация. К счастью, большинство аминокислот рацемизируются не так быстро, особенно те, что составляют белки. Для большинства аминокислот процесс рацемизации длится существенно дольше и может служить своего рода «биологическими часами» для определения возраста биологических объектов. Долговременная рацемизация белков отмечена у «ледяного человека» Этци, чье тело обнаружили в сентябре 1991 года в леднике в Тирольских Альпах. По данным радиоуглеродного анализа, он жил около 5000 лет назад, между 3350 и 3100 годами до н. э. В его волосах 37 процентов аминокислоты гидроксипролин оказалось в виде D-изомера, тогда как доля этого изомера в образцах волос возрастом 3000 лет оставляла 31 %, 19 % – в волосах тысячелетней давности и всего 4 % в образцах, собранных недавно[183].

Белки – сильнодействующие вещества, и они могут быть чрезвычайно опасны, если попадают в организм в виде ядов. Самый скромный пример – вяжущий вкус во рту, возникающий от свежего ананаса, который возникает под воздействием бромелаина, растворяющего белки фермента, содержащегося в ананасе. Фактически, когда вы едите ананас, он начинает переваривать поверхность ваших губ и языка – проще говоря, поедать вас. Белки могут быть опасны, но они необходимы организму и как источник энергии, и как источник девяти жизненно важных аминокислот – таких, как фенилаланин, который не вырабатывается нашим организмом и должен поступать извне. Иначе говоря, мы должны их есть. Потенциальный риск съесть опасный белок минимизируется нашей пищеварительной системой, вырабатывающей большое количество особых ферментов – в частности, трипсин, пепсин и эластазу, в совокупности именуемых протеазами, которые разделяют белки на оставляющие их аминокислоты. Прежде чем усвоиться, опасные съедобные белки нейтрализуются посредством переработки их в безопасные неядовитые аминокислоты, поступающие в кровь. Протеазы, как и все ферменты, выискивают конкретные трехмерные структуры, специфичные для каждого фермента. Так, трипсин расщепляет белки рядом с такими аминокислотами, как лизин или аргинин, и, хотя учебники биохимии редко подчеркивают это, трипсин реагирует именно на L-лизин и L-аргинин. Но что происходит, если трипсин обнаруживает D-лизин и D-аргинин? Ответ прост: ничего. Это все равно что пытаться надеть на левую ногу правый ботинок или открыть замок зазеркальным ключом – совмещения не произойдет. Белки и пептиды, содержащие D-аминокислоты, не перевариваются и выходят из организма неизменными с мочой и калом. Поэтому зазеркальное молоко непригодно для питья, D-казеин и другие D-белки не усвоятся, а просто пройдут через кишечник – возможно, вызвав диарею[184].

Иногда неспособность протеаз расщепить D-белки может стать причиной болезни. Потенциально важный пример – это амилоид, белок, катастрофически накапливающийся у людей с болезнью Альцгеймера. Амилоид, что несколько удивительно, содержит D-аминокислоту, D-серин. Чтобы выяснить его роль, ученые синтезировали пептид из одиннадцати аминокислот из середины амилоида и вставили в него или D-серин, обнаруженный у пациентов с болезнью Альцгеймера, или более нормальный L-серин. Оба варианта серина токсичны для клеток мозга, но протеазы мозга быстро ликвидировали L-серин, оставляя D-серин нетронутым. Возможно, дело в том, что L-серин в белке спонтанно рацемизируется в неудаляемый D-серин, который медленно накапливается, повреждая клетки мозга[185].

Хотя белки, содержащие D-аминокислоты, не перевариваются, некоторые D-аминокислоты все же обнаруживаются в крови, попадая туда либо из пищи (особенно подвергнутой кулинарной обработке), либо как побочный продукт жизнедеятельности бактерий, живущих в толстом кишечнике (было доказано, что у крыс, выращенных в безбактериальной среде, содержание D-аминокислот ниже). Вне зависимости от происхождения D-аминокислоты долго считались нежелательным феноменом, особенно после работ 1940-х годов, показавших, что D-серин и D-аспартат повреждают почки, а у крыс замедляют рост. Однако организм, похоже, решил эту проблему. В 1935 году Ханс Кребс, позже удостоенный Нобелевской премии за открытие цикла Кребса, обнаружил фермент, который назвал оксидазой D-аминокислот, в больших количествах присутствующий в почках и нейтрализующий вредные D-аминокислоты так, чтобы они могли выводиться с мочой. Вплоть до 1990-х годов казалось, что на этом история свободных D-аминокислот заканчивается. Но в 1984 году японский ученый Ацухи Хасимото и его коллеги из Медицинской школы Токайского университета обнаружили высокое содержание D-серина в мозге крыс, а вскоре был найден и D-аспартат. Ни то, ни другое, похоже, не было результатом спонтанной рацемизации или крысиной диеты. Эксперименты привели к открытию в мозге нового фермента, серин-рацемазы, преобразующего стандартный скучный L-серин в новый волнующий воображение D-серин. Позже оксидаза D-аминокислот была найдена в мозге везде, где присутствовали D-серин и серин-рацемаза, и оказалось, что этот старый фермент, отчаянно ищущий себе интересное занятие, особенно эффективно справляется с удалением D-серина. Если в мозге содержатся ферменты, создающие D-серин, и ферменты, расщепляющие его, и при этом большое количество D-серина содержится в гиппокампе и в коре мозга, значит, роль D-серина должна быть очень велика. Хотя это еще до конца не ясно, но, кажется, D-серин участвует в настройке одной из самых занимательных нейротрансмиттерных систем, открытых в последние годы, NMDA, связанной с памятью, обучением, эпилепсией, а также с повреждениями головного мозга, приводящими к инсульту. Однако почему именно D-аминокислота оказалась столь важным нейротрансмиттером, пока остается предметом догадок[186].

Ранее обсуждаемые D-аминокислоты, встречающиеся в виде свободных D-аминокислот в мозге или по ошибке в результате самопроизвольной рацемизации, не нарушают традиционного представления о том, что белки у высших животных состоят только из L-аминокислот. Основная догма молекулярной биологии, которая гласит, что ДНК продуцирует РНК, которая продуцирует белки, имеет следствие, что, поскольку ДНК кодирует только L-аминокислоты, а трансфер-РНК несут только L-аминокислоты, то белки должны состоять из L-аминокислот. Это действительно так, но нужно иметь в виду, что, хотя белки могут возникать только из L-аминокислот, они не обязаны сохранять эту форму всегда. Если организм считает полезным заменить L-аминокислоту в белке на D-аминокислоту, то с точки зрения биологии нет ничего, что могло бы этому воспрепятствовать. В действительности этот процесс очень распространен у бактерий и грибов, которые содержат много белков, состоящих из D-аминокислот[187].

Клеточная стенка бактерий действует как физическая защита и поддерживает постоянную внутреннюю среду в жарких или сухих условиях. Бактериальные стенки часто содержат необычные аминокислоты, включая экзотические L-аминокислоты, не входящие в те двадцать,