Открыт молекулярный механизм, лежащий в основе синтеза ненасыщенных жирных кислот в растениях. В перспективе, модифицируя структуру растительных ферментов с помощью генной инженерии, можно получать машинное масло из растительного сырья.

Команде биохимиков из Брукхейвенской национальной лаборатории (США) и Королевского Каролинского института (Швеция), руководимой Джоном Шанклином, удалось разгадать 40-летнюю загадку, каким образом растительные энзимы отыскивают на молекулярных цепях жирных кислот специфические участки, где углерод-водородная связь заменяется на двойную углерод-углеродную в процессе синтеза ненасыщенных жирных кислот.

Статья с описанием открытия опубликована вчера в Proceedings of the National Academy of Sciences.

Физические и химические свойства алифатических или жирных кислот, в том числе жирных кислот растительного происхождения, именуемых в просторечии «растительными маслами», в состав которых они входят,

определяются числом и последовательностью расположения двойных углеродных связей в их молекулярных цепочках.

В органических соединениях валентность углерода равна 4, то есть он может образовывать четыре связи. Насыщенные жирные кислоты представляют собой цепочки атомов углерода, соединенных между собой одинарной связью, то есть две связи тратятся на два соседних атома углерода, а две оставшихся занимают («насыщают») атомы водорода. У ненасыщенных атомы углерода образуют между собой одну (мононенасыщенные жирные кислоты) и более (полиненасыщенные) двойных связей (см. схему).

Наличие участков с двойной углеродной связью изменяет пространственную конфигурацию цепочки – она изгибается. Масса изогнутых молекулярных цепочек пакуется менее плотно, поэтому и динамические свойства у ненасыщенных жирных кислот другие – они могут быть жидкими уже при комнатных температурах. Такие ненасыщенные жирные кислоты, выделенные из растительного сырья, и называются маслами.

От числа и конфигурации изгибов, то есть числа и расположения двойных углеродных связей, зависят и свойства этих масел – вязкость, температура кипения, способность образовывать длинные макроцепи в процессе полимеризации молекул, скорость автоокисления и т. д. Таким образом,

научившись контролировать положение двойных связей, можно получать ненасыщенные жирные кислоты с нужными характеристиками, что позволит, например, заменить современные машинные масла, получаемые из минерального сырья, материалами растительного происхождения.

За синтез ненасыщенных жирных кислот в клетках растений отвечают специальные ферменты – десатуразы. Разные десатуразы синтезируют жирные кислоты различных типов, изымая из определенного места молекулы жирной кислоты атом водорода и «переключая» освободившуюся связь на соседний атом углерода.

Рис. 1. Структура молекулы насыщенной (сверху) и ненасыщенной (мононенасыщенной) жирной кислоты. (Carnegie Mellon University).

Общий принцип работы энзимного конструктора был открыт уже давно, но каким образом ферменты отыскивают среди однообразных углерод-водородных групп, образующих молекулы жирных кислот, «нужные» участки, оставалось долгое время непонятным.

Загадку «умных» энзимов сформулировал еще 40 лет назад биохимик Конрад Блох, получивший Нобелевскую премию как раз за исследование синтеза жирных кислот и холестерина.

Разгадать же ее получилось с помощью инструментов, которые в то время были недоступны, – рентгеновской кристаллографии и компьютерного моделирования молекул.

Сначала Шанклин и его коллеги попробовали решить проблему, проанализировав с помощью рентгенографии молекулярную форму двух десатураз, проявляющих активность на разных участках молекулярной цепочки жирной кислоты: десатуразы дельты-9, которая устанавливает двойную связь между 9 и 10 атомами углерода в цепи, и десатуразы дельта-4, связывающей 4 и 5 атомы. Однако формальные отличия между кристаллами двух ферментов оказались слишком незначительными и ничего не дали для понимания их работы.

Тогда биохимики попробовали смоделировать на компьютере процесс стыковки энзима и связки из молекулы жирной кислоты и протеина, транспортирующего эту молекулу к месту «переделки». Выяснилось, что оба энзима стыкуются со связками таким образом, что молекула жирной кислоты оказывается повернутой к рабочей зоне энзима нужными участками углеродной цепи – 9–10 или 4–5.

То, что компьютерная модель работает корректно, было установлено при сравнении компьютерной и реальной картины связей протеина, кислоты и энзима, полученной с помощью кристаллической рентгенографии.

Убедившись, что модель правильно предсказывает ориентацию молекул, осталось выяснить молекулярный механизм ориентации.

Транспортные протеины и молекулы жирных кислот связываются однообразно: их можно сравнить с конвейером, по которому едут гуськом одинаковые заготовки, из которых фермент, а точнее, рабочая зона ферментного белка делает уже различные детали. В свою очередь, молекула фермента представляет собой блочную конструкцию из разных аминокислот, соединенных в определенной последовательности. Сравнивая дельта-9 и дельта-4 десатуразы, ученые установили, что между тем, как по-разному стыкуется связка кислоты и транспортного протеина (конвейер-заготовка) с рабочей зоной фермента, и позициями определенных, но уже удаленных от рабочей зоны аминокислот в молекуле фермента, есть взаимосвязь.

При замене этих аминокислот на другие в компьютерной модели ориентация связки жирной кислоты и транспортного протеина поменялась, подставив активной зоне фермента нужные участки молекулы жирной кислоты.

Чтобы проверить, работает ли этот механизм на практике, ученые поменяли аспарагиновую кислоту на одном из удаленных от рабочей зоны участков дельта-9 десатуразы на лизин, который занимает похожий участок в молекуле дельта-4 десатуразы. И гипотеза с блеском подтвердилась: измененная таким образом десатураза, еще напоминающая дельта-9 фермент, стала продуцировать ненасыщенную жирную кислоту с двойной связью между 4 и 5 атомами углерода.

Компьютерная модель объяснила, почему так происходит:

отрицательно заряженная аспарагиновая кислота отталкивает отрицательно заряженный участок транспортного протеина, конфигурация стыковки меняется и активной зоне фермента подставляется участок между 9 и 10 атомами углерода в молекуле жирной кислоты, «сидящей» на протеиновой тележке.

При замене аспарагиновой кислоты на положительно заряженный лизин меняется и конфигурация стыковки.

После замены еще одного участка на положительно заряженный дельта-9 десатураза почти полностью переключилась на производство жирных кислот по типу дельта-4, поставив точку в разгадке доселе таинственного механизма, позволяющего ферментам выбирать нужные участки в молекулярных цепочках и продуцировать ненасыщенные жирные кислоты. И начав новую главу, в которой за конструирование нужных ферментов и получение машинного масла из растений возьмутся уже генетики. Последним предстоит понять, что именно нужно подправить в аминокислотной структуре ферментов, чтобы получать растительное масло нужных свойств и успешно конкурировать с нефтехимиками.