Беседы о жизни - Станислав Галактионов

Много подобных провокационных вопросов может задать проницательный читатель, особенно если он связан с химией по роду своей деятельности… Мы уклоняемся от более детального разговора на эту тему, но если у читателя появится все же желание самостоятельно разобраться в основах квантовомеханической теории строения молекул, почти наверняка ему придется начать свое образование с проработки классического труда «Природа химической связи», первое издание которого появилось еще в 1940 году. Его автором является американский ученый Л. Полинг — один из творцов современной квантовой химии.

Можно считать, что научному направлению, которое впоследствии стало называться молекулярной биологией, сильно повезло: самый ранний этап исследования пространственной структуры белковых молекул возглавил именно Л. Полинг. В самом деле, кому же, как не ему, автору целого ряда сложных и изощренных теорий, было взяться за объяснение валентного строения «нетипического» атома азота из остова белковой цепи и весьма вскоре получить это объяснение. Л. Полинг показал, что азот, входящий в состав пептидной группы — а это, как мы помним, элементарный фрагмент остова белковой цепи, — образует с атомом углерода соседнего остатка очень странную валентную связь: не одинарную, не двойную, но как бы промежуточную. А отсюда — очень важное следствие: плоскостное расположение заместителей у атома азота пептидной группы — повторяющегося элемента белковой цепи. Тем самым все атомы пептидной группы лежат в одной плоскости, причем Л. Полинг показал также, что атомы O и H находятся по разные стороны от связи C―N. Наконец он сам подтвердил такое строение пептидной связи экспериментально, с помощью рентгеноструктурного анализа, и указал точные размеры длин отдельных связей и значения валентных углов.

Тем самым был сделан первый шаг в исследовании пространственного строения белковой молекулы. Конечно, далеко не семимильный, но совершенно необходимый. А кроме того, сделан он был человеком, вовсе не намеревавшимся ограничиваться одним шагом.

Л. Полинг, будучи большим знатоком физики полимеров, понимал, что, по крайней мере, часть общей длины белковой цепи по аналогии с остальными полимерами должна стремиться приобрести периодическую, спиральную структуру. И следующей своей задачей он поставил выяснение вопроса о том, какова же должна быть эта структура.

Деятельность Л. Полинга на этом поприще положила начало довольно длительному периоду спиралемании в молекулярно-биологических исследованиях. Л. Полинг совместно со своими сотрудниками предложил для начала более десятка спиральных структур, правдоподобных с точки зрения самых общих стереохимических критериев. Бывало, что 80 процентов объема одного номера «Докладов» Американской академии наук (редактор Л. Полинг) занимали его статьи о новых типах спиралей. «Охота за спиралями» перекинулась на другие исследовательские центры, и одним из побочных эффектов этого явления оказалось, как знают читатели книги «Двойная спираль», замечательное открытие Дж. Уотсона и Ф. Крика.

Тем временем Л. Полинг принялся критически пересматривать предложенные им структуры с учетом новейших рентгенограмм — до того, впрочем, неоднозначных, что получить на их основе какую-либо полезную информацию было почти невозможно. Почти, но ведь за дело взялся сам Л. Полинг!

Окончательный его вывод был таков: полипептидные цепи могут образовывать два вида периодических структур. Первая, названная α-спиралью, представляет собой как бы цилиндрическое образование, основу которого составляет главная валентная цепь полипептида, а боковые радикалы торчат наружу; это одноцепочная структура, которая стабилизируется за счет возникновения между остатками, удаленными друг от друга на три звена, водородных связей (мы вынуждены несколько преждевременно упомянуть этот вид межатомных взаимодействий; более подробно они рассматриваются в следующей главе).

Совсем иное строение имеет вторая периодическая форма — так называемая β- или слоисто-складчатая структура. Здесь стабилизация происходит за счет образования водородных связей между двумя цепями противоположного направления, причем возможно в принципе сколь угодно расширить такой слой, «подстраивая» в ряд дополнительные цепочки. Для построения β-структуры из одноцепочечной молекулы необходимо образование шпильковидного изгиба цепи.

Одновременно Л. Полинг подчеркивал, что регулярную пространственную структуру имеет лишь часть полипептидной цепи, образующей белковую молекулу, причем во многих случаях — лишь незначительная ее часть. Можно сказать, таким образом, что им была установлена структура одного универсального типового элемента — пептидной группы — и двух факультативных: α-спирали и β-структуры. Впоследствии это было отмечено Нобелевской премией. Вторую Нобелевскую премию — премию мира — выдающийся американский ученый получил в 1962 году за свою общественную деятельность. По сей день Л. Полинг является активным участником всемирного движения в защиту мира; в знак признания заслуг в 1974 году ему была присуждена международная Ленинская премия мира. Возвращаясь к научной деятельности Л. Полинга, нельзя не упомянуть его пионерские работы по исследованию молекулярной природы генетических заболеваний (об этом тоже попозже), решение ряда фундаментальных вопросов теории химического строения, причем различные специалисты наверняка указали бы нам еще добрый десяток не менее важных результатов. И остается только удивляться обилию столь значительных вех на творческом пути одного-единственного человека — Л. Полинга.

Будем считать, что нам теперь известны самые общие принципы пространственного строения элементарных молекулярных фрагментов белковой цепи. И тем не менее мы все еще находимся в самом начале пути перехода от представления о белковой молекуле как о формальной последовательности символов — аминокислот (привитом читателю еще в первой главе) — к представлению о ней как о реальном физическом объекте, обладающем пространственной структурой.

Ну что ж, воспользуемся еще раз уже знакомым нам «стереоконструктором» и соберем из него «трехмерную» модель какой-нибудь молекулы — для начала необязательно белковой. Выберем из ящика с «деталями» нужные нам атомы, соединим их стерженьками — «валентными связями» и… обнаружим, что установить пространственную структуру молекулы было бы очень просто, если бы в дело не вмешивалось одно обстоятельство: вокруг любой одинарной связи возможно вращение. Одна часть молекулы может поворачиваться относительно другой.

Для очень многих молекул это означает, по существу, отсутствие фиксированной молекулярной структуры. Такие молекулы представляют собой более или менее сложный шарнир, допускающий сближение или удаление отдельных пар атомов в зависимости от углов поворота вокруг некоторых одинарных связей. Эти углы принято называть углами внутреннего вращения, а структуры, соответствующие различным наборам углов внутреннего вращения, — различными КОНФОРМАЦИЯМИ молекулы. Мы выделили это слово по двум причинам. Во-первых, оно символизирует собой целую эпоху многих современных отраслей знаний: физики полимеров, химии и, конечно же, молекулярной биологии; во-вторых, впредь мы будем использовать его так часто, что нам захотелось как-то отметить первое появление этого слова на страницах книги.

Растягивая или сжимая резинку, мы изменяем конформации молекул каучука и чувствуем при этом их противодействие. Гибкость, пластичность других бытовых полимеров, хотя бы полиэтилена, — это также следствие способности их молекул легко изменять конформацию, приспосабливаясь практически к любой форме. Прозрачный яичный белок на горячей сковородке становится белым — изменилась конформация… Нет, нет, позвольте, ведь мы как раз и хотим повести разговор о конформациях белковых молекул, так что с этим примером пока следует подождать. Давайте лучше излагать все по порядку.

Итак, зная пространственное устройство каждого из 20 типов элементарных звеньев белковой цепи, мы можем попытаться построить с помощью «стереоконструктора» модель целой молекулы белка, представляющую собой чрезвычайно длинную шарнирную систему, в сотнях или даже тысячах мест допускающую вращение одной части молекулы относительно другой. Очевидно, подобно молекулам всех полимеров, такая молекула должна обладать гибкостью и способностью принимать самые разнообразные пространственные структуры (не откажем себе в удовольствии повторить еще раз — КОНФОРМАЦИИ!) от полностью вытянутой до скатанной в клубок. Причем, помимо внутренних вращений в главной валентной цепи — остове, возможны еще вращения боковых радикалов.