«Левые» и «правые» аминокислоты

Явление подавляющего преобладания в живых организмах одного из двух возможных энантиомеров молекул (помимо аминокислот, таким же свойством обладают, например, сахара, только они не «левые», а «правые») впервые было обнаружено великим микробиологом Луи Пастером еще в 1848 году и известно как молекулярная асимметрия. Это открытие поставило целый ряд вопросов, затрагивающих основы естествознания. Дело прежде всего в том, что молекулярную асимметрию в организме невозможно объяснить, исходя только из представлений физики и химии: успешное функционирование в живых системах лишь «левых» аминокислот (или «правых» сахаров) обусловлено эволюционным отбором, сугубо биологическим фактором, аналога которому не найти ни в физике, ни в химии. То есть молекулярная асимметрия есть одно из характернейших свойств живого; можно даже сказать, что лишь система, способная различать зеркальные энантиомеры молекул (по рисунку легко убедиться, что «правая» аминокислота есть зеркальное отражение «левой»), достойна того, чтобы считаться по-настоящему живой.

С другой стороны, первоначальные элементы живого, в том числе и аминокислоты, могли образоваться сами собой в мелководных лагунах при разряде молний в первичной атмосфере Земли; эксперименты, моделирующие такие «доисторические» условия, вроде бы подтверждают это. Однако аминокислоты, получающиеся в подобных опытах, представляют собой так называемый рацемат, смесь равных количеств «левого» и «правого» энантиомера. Чтобы отобрать какой-либо один сорт из этой смеси, необходимо использовать молекулярную систему не менее сложную, чем простейший живой организм. Такая необходимость окончательно замыкает порочный круг типа «для зарождения живого требуется наличие живого», который может быть разорван теперь только за счет дополнительного предположения. Но какого: о чем-то или все же о Ком-то?

Вот в какие дебри, и вовсе не только биологические, а общефилософские, может завести упоминание об асимметрии биологических молекул. Но мы лишь еще раз подчеркнем, что молекулярная машина организма использует для своего нормального жизненного цикла энантиомеры строго определенного типа, то есть является, как принято говорить, стереоспецифичной. При этом стерео-специфичным в ней оказывается также и чрезвычайно эффективное воспроизводство энантиомеров. А между тем жесточайшим врагом пептидных химиков считается высокая степень самопроизвольного перехода тщательно отобранных «левых» энантиомеров аминокислот в их «правую» форму просто как следствие их включения в пептидную цепь.

Короче говоря, пространственное строение белковой молекулы играет важную роль для проявления ее биологических функций уже в силу наличия в ней асимметрических центров — атомов углерода, принадлежащих «левым», а не «правым» аминокислотам. Но это не единственный и даже не самый главный источник трехмерности структуры белков и пептидов. Основной вклад в создание пространственных форм их молекул вносит возможность внутримолекулярного вращения отдельных частей молекулы друг относительно друга, причем осями вращения могут служить так называемые одинарные валентные связи. Допустимы, например, внутренние вращения вокруг трех валентных связей, исходящих из центрального углеродного атома (N — С; С — С и С — R). Валентные структуры различных типов боковых цепей R тоже содержат одинарные связи, и, соответственно, подобные вращения происходят и в боковых цепях.

Понятно также, что эти рассуждения справедливы только по отношению к довольно примитивной модели молекулы, где атомы представлены шариками разного диаметра, а одинарные валентные связи — твердыми стерженьками. В действительности — то есть в модели следующего, квантового уровня — атомные ядра окружены электронными «облаками», которые, перекрываясь, создают связи между атомами в молекуле. Разрыв этих связей — необходимое условие химической реакции, создающей новую молекулу. Но если ограничиться изучением процессов узнавания молекулами в клетке друг друга, упрощенная модель белковой молекулы оказывается достаточной.

Такая модель действительно напоминает змейку Рубика, «молекулярный шарнир», способный изгибаться в пространстве, образуя разнообразнейшие трехмерные структуры. Длинная белковая цепочка, как уже говорилось, существует в клетке лишь в одной стабильной конформации, которая необходима для выполнения биологической функции белка. Однако для сравнительно коротких пептидов это не так: они могут принимать несколько устойчивых пространственных форм. Тем не менее пептидам удается играть роль природных биорегуляторов — а ведь молекулы в клетке узнают друг друга именно по вполне определенной пространственной структуре. Разрешение этого и многих других противоречий оказалось невозможным без использования теоретического конформационного анализа — подхода, в развитии которого приняла когда-то участие и наша группа молодых энтузиастов.

Глава 4

Как не получить Нобелевскую премию

Поставили на карту

К началу шестидесятых годов прошлого столетия ученые, изучающие молекулы, замороженные до кристаллического состояния, добились выдающегося успеха. Английские кристаллографы и биофизики Макс Перутц и Джон Кендрью установили пространственное строение миоглобина и гемоглобина — важнейших белков, обеспечивающих хранение и транспортировку кислорода в крови. Они использовали рентгеноструктурный анализ — процесс, включающий выращивание кристаллов белков, облучение их потоком рентгеновских лучей и тщательное изучение картины отражения этих лучей от атомов белковых молекул. Оба белка представляли собой совокупности так называемых альфа-спиралей, регулярных структур, в которых каждый четвертый аминокислотный остаток сближен друг с другом. Положение атомов в пространстве было определено с точностью до ангстремов — стомиллионных долей сантиметра. Нобелевскую премию за эту работу Кендрью и Перутц получили в 1962 году.

С тех пор рентгеноструктурная кристаллография добилась колоссальных успехов: трехмерные структуры тысяч белковых молекул уже расшифрованы с помощью этого подхода. Однако против него всегда выдвигалось принципиальное возражение о том, что белок, замороженный в кристалле, может иметь иную пространственную структуру по сравнению с тем же белком в растворе — то есть в организме. Метод же, позволяющий построить конформацию белка вне кристалла по изменениям определенных параметров его атомов под воздействием сильного магнитного поля — ядерный магнитный резонанс (ЯМР), — в те времена был применим лишь к небольшим молекулам. Но после кардинального усовершенствования метода, отмеченного Нобелевской премией 2002 года (Курт Вютрих), трехмерные структуры белков в растворе стало возможным восстанавливать с высокой точностью — и они оказались схожими со структурами тех же белков, полученными рентгеноструктурной кристаллографией. А совсем недавно появился новый подход к проблеме, так называемая криоэлектронная микроскопия: растворы белков замораживают и рассматривают под электронным микроскопом. При этом весьма трудоемкий этап выращивания подходящих для рентгеноструктурного анализа кристаллов исключается, но точность определения положений атомов белков снижается; в самых последних работах, однако, она уже достаточно высока для построения надежных моделей белковых молекул.

Пространственная структура миоглобина, определенная рентгеноструктурным анализом (индекс 1MBN). Слева: схематическое изображение, показывающее ориентацию спиралей; справа: изображение, где однотипные атомы представлены как шарики одного и