Станислав Галактионов - Беседы о жизни
Несомненно, что белковая молекула даже в чисто механической трактовке — объект очень сложный, и, глядя на ее модель (правильнее было бы сказать карикатуру), невозможно просто умозрительно предсказать какие-нибудь особенности пространственной подвижности молекулы. С другой стороны, все подробности геометрического строения элементарного звена, характерные для цепочки белка, принципиально не выделяют ее в ряду прочих полимеров. В смысле гибкости и пространственной подвижности цепочки других полимеров тоже заметно ничем от нее не отличаются, и все же ни один из них не обладает теми замечательными свойствами, которые присущи белкам.
Объяснить это можно только одним способом. Цепи синтетических полимеров состоят либо из звеньев одного типа
А А А А…
Б Б Б Б…
и т. д., либо из регулярных комбинаций разных звеньев
А Б А Б А Б А Б…,
либо, наконец, из случайно чередующихся звеньев различных типов
А Б Б А А А Б Б А Б…
В каждой молекуле белка определенного сорта, как мы знаем, чередование различных звеньев-аминокислот строго упорядоченное. Однако никакой регулярности, периодичности в чередовании различных остатков, если угодно, «правильности» их расположения, в белках не наблюдается.
Поиски такого рода закономерностей проводились хитроумнейшими методами математической статистики и не дали никаких результатов.
Кстати, совершенно аналогичное разочарование постигло в сравнительно недавнее время литературоведов (вот и еще один стык наук!): все те же хитроумные математические методы потерпели полное фиаско в попытках установить сколько-нибудь существенные закономерности расстановки отдельных букв в произведениях великих писателей.
Чтобы окончательно покончить с проблемой регулярности белковых последовательностей, оговоримся, что все сказанное не относится к белкам, выполняющим в организме чисто механические функции, например, тем, которые составляют основу сухожилий (коллаген) или волос (кератин). В этих белках существует четко выраженная регулярность аминокислотной последовательности, что имеет большое значение в связи с их механическими свойствами.
В особой упорядоченности аминокислотных остатков белковой цепи скрыт ключ к пониманию свойств белка. Подтверждением тому могут служить синтетические полипептиды — соединения, имеющие тот же тип мономерных звеньев, что и белковые молекулы, но с монотонным или случайным их чередованием. По всем своим свойствам они являются самыми заурядными полимерами. Поскольку каждый белок, обладающий каким-то экстраординарным свойством (а других белков просто не бывает), выполняет в организме определенную функцию, его присутствие в организме должно быть «предусмотрено» тем, что в последовательности нуклеотидов зашифрована (и мы теперь знаем, как именно) его аминокислотная последовательность. Точнее говоря, в последовательности нуклеотидов ДНК закодирована последовательность РНК, в последовательности РНК — аминокислотная последовательность белка, в последовательности белка… (невольно вспоминается философская фраза Дерсу Узала, охотившегося на медведя, занятого рыбной ловлей: «Чего-чего рыба кушай, медведь рыба кушай, мы хотим медведь кушай…»). В самом деле, что же (в свою очередь) кодирует аминокислотная последовательность?
Вкратце ответить на вопрос о том, что закодировано в аминокислотной последовательности белковой молекулы, мы уже попытались: пространственная структура, способ пространственного «сворачивания» полипептидной цепи. Однако это, вообще говоря, справедливо для любого полимера. Но вот еще об одном — и самом важном — отличии белков от прочих полимеров речи пока не было: каждая молекула белка данного типа имеет одну и ту же, строго определенную пространственную структуру. Структура эта очень сложной и «неправильной» формы, то есть речь здесь идет вовсе не об одной из рассмотренных выше периодических структур, которые характерны лишь для некоторых фрагментов белковой цепи.
Кстати говоря, теперь следует обратить внимание на то, что выражение «структура белковой молекулы» звучит достаточно неопределенно. В самом деле, имеем ли мы в виду ее аминокислотную последовательность или пространственное строение? Поэтому в специальной литературе для краткости принята следующая терминология. Если мы имеем в виду порядок чередования аминокислотных остатков в белковой молекуле, мы говорим о первичной ее структуре. Под вторичной структурой подразумеваются α-спираль и β-структура — типы периодических структур; поэтому понятие «вторичная структура» может относиться лишь к регулярным фрагментам молекулы белка, но не к молекуле в целом. Наконец, третичная структура молекулы — это ее пространственное строение.
Необходимо при этом еще раз подчеркнуть, что свойство существования в виде единственной, причем непериодической структуры присуще не полипептидам вообще, а только белкам. Вот, оказывается, в чем смысл неслучайности, строгой заданности чередования боковых привесков у регулярного полимерного остова. Вот схема очередного этапа биологического кодирования, о котором один из виднейших его исследователей, американский биохимик К. Анфинсен, выразился следующим образом: «Язык боковых цепей, на котором написана пространственная структура белковой молекулы».
«О господи, еще одна табличка! — вздохнет в этом месте читатель. — Ну, давайте — аланин — „поворот цепи влево“, тирозин — „поворот вправо“, или как там у вас?»
Ошибка, дорогой читатель, ошибка. Не будет таблички, да и быть не может. Просто потому, что способ такого кодирования на сегодняшний день никому не известен. Нет ни одного человека, который сумел бы, глядя на аминокислотную последовательность белка, нарисовать его пространственную структуру.
Впрочем, не может быть таблички и по другим причинам. Сколь ни мало нам известно о способе кодирования пространственной структуры белковой молекулы ее аминокислотной последовательностью, тем не менее одно можно утверждать вполне определенно: примитивным словарем «слов», состоящих из немногих знаков, здесь не обойтись. Если рациональный словарь такого рода и существует, его «слова» должны содержать до десятка знаков, а при двадцатибуквенном алфавите это порождает огромное разнообразие комбинаций, массу возможных оттенков тех еще не вполне понятных элементов, которыми мы намерены описывать сложную и неправильную пространственную структуру белковой молекулы.
Вспоминается известный случай, имевший место во время первой мировой войны. Для исключения возможности подслушивания телефонных разговоров в американской армии использовались в качестве телефонистов индейцы одного очень малочисленного племени, причем все переговоры они вели на своем родном языке. И уж, конечно, не зная этого языка (а за пределами США он был практически неизвестен), расшифровать такие сообщения было намного труднее, чем, скажем, криптограммы, написанные самым сложным цифровым кодом, но на известном языке. А если вернуться к проблеме выяснения способа кодирования третичной структуры белков, то не подлежит сомнению, что в этом случае гораздо более близкой аналогией будет расшифровка сообщения, переданного на незнакомом языке…
Для нас с вами это означает окончание победного марша по глади хорошо изученного и окончательно установленного и вступление в сумрачную чащу гипотетического и ненадежного. Именно к этому, сказать по правде, и стремились лукавые авторы, а вся предыдущая часть книги — это своего рода введение в существо задач, на которых, образно говоря, пробуксовывает ныне могучий сверхвездеход современной молекулярной биологии.
«Теперь вся сила в гемоглобине»
Возможно, мы несколько сгустили краски: нельзя, конечно, сказать, что о способе предопределения пространственной структуры белковой молекулы ее аминокислотной последовательностью не известно вовсе уж ничего.
Прежде всего пространственное строение молекул более двух десятков белков установлено чисто экспериментальными средствами — методами рентгеноструктурного анализа. С помощью этих методов удается установить точное пространственное расположение всех атомов молекулы в кристаллической структуре. Слово «удается» очень точно передает ситуацию, если речь идет о рентгеноструктурном анализе белков. Около трех десятков лет лучшие специалисты-рентгеноструктурщики всего мира бились над этой проблемой. Первые попытки рентгенографического анализа строения белка были предприняты при активном участии знаменитого английского кристаллографа Дж. Бернала; как мы уже знаем, именно рентгеноструктурными методами было подтверждено строение полинговских α-спирали и β-структуры. Однако еще долгое время (хотя как знать? Восемь или девять лет — так ли уж это долго?) полная расшифровка третичной структуры белковой молекулы средствами рентгенографии была невозможной. И лишь в 1959–1960 годах это впервые удалось англичанам М. Перутцу и Дж. Кендрью. Первенцем оказалась молекула миоглобина — белка, запасающего кислород в тканях мышц. И сразу же вслед за ней М. Перутц и Дж. Кендрью установили структуру молекулы гемоглобина, известного красного вещества крови.
