Станислав Галактионов - Беседы о жизни
Части читателей, возможно, появление этого термина в таком контексте покажется странным: как известно, гидрофобия, или водобоязнь, — научное медицинское название бешенства, и словосочетание «гидрофобные взаимодействия», которое появится чуть ниже, вызывает необычные ассоциации.
Но речь пойдет о водобоязни совсем иного рода: о хорошо знакомом каждому из нас «нежелании» жирных веществ смачиваться водой. Физическая природа этого явления вкратце такова. На поверхности контакта воды с жиром в прилегающем водном слое образуется упорядоченная, так называемая «льдоподобная» структура. Известно, что образование льда — процесс, требующий затраты энергии; с другой же стороны, как мы помним, всякая система стремится занять положение, которому соответствует наименьшая энергия. В рассматриваемом случае это означает стремление всемерно ограничить поверхность контакта воды с жирным или — давайте начнем пользоваться введенным термином — гидрофобным веществом.
Капля воды, нанесенная на пластинку парафина, не растекается по ней, а съеживается в округлую чечевичку, и, наоборот, капля жира в тарелке супа стремится принять ту же чечевицеобразную форму, чтобы вода и жир соприкасались поменьше. Можно, конечно, спросить, почему та же водная капля на пластинке парафина не соберется в шарик, тогда она почти совсем не будет соприкасаться с парафином. Вспомним, однако, что для этого ей придется приподнять свой центр тяжести, а это тоже затрата энергии, уже не компенсируемая тем выигрышем, который получается за счет дальнейшего ограничения площади соприкосновения.
Итак, гидрофобность многих веществ — парафина, масел, бензина, полиэтилена — явление, хорошо известное нам из повседневного опыта; к сказанному можно было бы еще добавить, что гидрофобные вещества совершенно нерастворимы в воде, что естественным образом следует из приведенных рассуждений и столь же хорошо подтверждается известными всем примерами.
Какова же химическая природа гидрофобных веществ? Из интересующих нас классов соединений важнейшими являются два: вещества, содержащие длинные фрагменты типа… ―СН2―СН2―СН2― … то есть так называемую алифатическую часть (напомним, что парафины имеют общую формулу СН3(СН2)n СН3), и циклические ароматические соединения, содержащие кольца типа
(попробуйте растворить в воде нафталин!).
Именно такие элементы структуры содержатся в боковых радикалах некоторых аминокислотных остатков: валина, лейцина, изолейцина, пролина (алифатические цепи), фенилаланина, триптофана (ароматические циклы). Соприкосновение этих боковых групп с водой энергетически «невыгодно», поэтому вполне вероятно предположить, что в белковой глобуле они будут стремиться разместиться внутри глобулы, а наружу будут выставлены хорошо гидратируемые (как бы смачиваемые водой) радикалы. Например, боковой радикал серина представляет собой остаток метилового спирта, боковой радикал аспарагиновой кислоты — остаток уксусной кислоты; оба вещества, как все знают, прекрасно растворяются в воде. Большой гидрофильностью (этот термин, что совершенно очевидно, означает свойство, противоположное гидрофобности) отличаются также остатки аргинина, глутаминовой кислоты, треонина.
Итак, по соображениям стабильности глобулярной структуры гидрофобные остатки должны локализоваться внутри, образуя как бы жирную каплю, защищенную от доступа воды наружным слоем гидрофильных остатков. Такое расположение остатков следует, впрочем, уже из самого факта растворимости белков в воде: будь неполярные остатки снаружи, белки бы в воде не растворялись. Впервые гипотеза о существовании подобного «гидрофобного ядра» глобулы была высказана советскими учеными С. Бреслером и Л. Талмудом еще в 1949 году, когда о пространственном строении белковых молекул не было известно почти ничего. Впоследствии именно такой способ размещения боковых цепей различной природы в глобулах ряда белков был подтвержден рентгеноструктурным анализом, а стремление гидрофобных остатков собраться вместе даже породило не вполне удачный термин «гидрофобные взаимодействия», прочно вошедший в словарь молекулярной биологии.
Одно из следствий описанного строения белковой глобулы можно наблюдать довольно часто — всякий раз, когда вы готовите яичницу. При высокой температуре третичная структура белков разрушается вследствие теплового движения, и гидрофобные радикалы, ранее скрытые от воды гидрофильной «рубашкой», оказываются в контакте с водой. Молекулы белка теряют растворимость, и совершенно прозрачный и вязкий яичный белок (опять эта игра слов!) становится плотной непрозрачной массой. (Вспомним, что прозрачность — неотъемлемое свойство всякого истинного раствора.)
Закончив это кулинарное отступление — почти совершенно, впрочем, неизбежное в любом не слишком лаконичном рассказе о строении белков, — вернемся к вопросу, с которого мы начали: можно ли по аминокислотной последовательности белка предсказать, будет ли его глобула близка по форме сфере или какой-нибудь вытянутой фигуре?
Оказывается, с учетом всего, что мы уже знаем о характере размещения гидрофобных и гидрофильных остатков в глобуле, на этот вопрос можно ответить. Впервые такая возможность была указана американским биофизиком Г. Фишером (по слухам, исходящим из непроверенных молекулярно-биологических источников, отцом экс-чемпиона мира по шахматам). Симпатичная наука стереометрия, которая для многих (в том числе и для авторов) служила причиной некоторых затруднений при обучении в средней школе, утверждает, например, что поверхность шара меньше поверхности сигарообразного тела того же объема. С другой стороны, поскольку на поверхности белковой глобулы расположены гидрофильные остатки, а внутри — гидрофобные, это означает, что уже простое сопоставление числа тех и других может служить мерой уклонения формы глобулы от сферической, а с помощью несложных расчетов, доступных тем немногим, кто не окончательно забыл школьный курс геометрии, можно оценить степень вытянутости глобулы.
Кстати, для этого даже не нужно знать текст аминокислотной последовательности белковой цепи — достаточно общего аминокислотного состава молекулы. (Здесь наступило время покаяться в допущенной неточности! Ведь ранее мы утверждали, что третичная структура глобулы определяется системой внутримолекулярных взаимодействий, совершенно игнорируя влияние растворителя — воды. Не вдаваясь в подробности, скажем лишь, что изощренные конформаторы-расчетчики умеют учитывать и взаимодействие молекулы белка с водой.)
Конечно, представление о глобуле как о правильном геометрическом теле очень приблизительно: поверхность глобулы может быть изрезана различными неровностями, иметь изогнутую форму, короче — напоминать произведение лауреата выставки абстрактной скульптуры. (Непонятно, кстати, почему изображения структур белковых молекул — того же миоглобина или лизоцима — до сих пор не послужили ни одному скульптору-абстракционисту в качестве «натуры».) И уж, разумеется, оценки с помощью гипотезы «гидрофобного ядра» никаких подробностей структуры не сообщают. Но, повторяем, на конформационном безрыбье…
Словом, если завтра в какой-нибудь газете появится объявление «Срочно требуются квалифицированные ясновидцы», можно не сомневаться, что наряду с тысячами возмущенных столь откровенным розыгрышем читателей найдутся немногие, которые на всякий случай все же позвонят по телефону, указанному в объявлении, и поинтересуются, удалось ли отделу кадров найти хоть одного стоящего ясновидца. Кстати, если удалось, нельзя ли ему поработать по совместительству еще в одном учреждении. А в ответ на резонный вопрос начальника отдела кадров, кого же, собственно, представляет невидимый собеседник, почти наверняка раздастся уклончивое: «Вообще-то нас интересует пространственная структура белков…»
Спорт находчивых и мужественных
Как мы только что убедились, очень грубое предсказание общих очертаний белковой глобулы — дело сравнительно нетрудное. Однако многовековая история колдовства, ведовства и черной магии учит, что запросы потребителей на рынке предсказаний непрерывно растут: если рядовому авгуру в Древнем Риме приходилось, самое большее, отвечать, будут ли всемогущие боги благосклонны к участникам завтрашней битвы, то главе современных гадалок мадам Солей (Франция) доводится, по слухам, консультировать новоиспеченных премьер-министров относительно предполагаемого персонального состава будущего кабинета. Недаром мадам Солей вынуждена (по тем же слухам) прибегать к активной помощи компьютеров!
Поведение молекулярных биологов в этом смысле ничуть не отличается от поведения прочих потребителей предсказаний. Ученые хотят знать не просто форму глобулы, но и, например, схему размещения в белковой цепи участков периодических структур: α-спирали и β-структуры. Конечно, прорицателю, работающему по старинке, такая задача не под силу; современные же предсказатели, вооруженные до зубов всевозможными математическими премудростями, добились в ее решении значительных успехов, о которых стоит поговорить подробнее.
