Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
В результате этого процесса пептиды делятся на несколько групп и распределяются в виде пятен по бумаге. Эти пятна нельзя рассмотреть невооруженным глазом, но их можно увидеть, если прибегнуть к некоторым манипуляциям. Бумагу можно обработать химическим составом, который вступит с пептидами в реакцию, в результате которой образуются окрашенные соединения. Или можно использовать ультрафиолетовые лучи, чтобы обычно невидимые вещества, поглотив их, проступили в виде темных пятен, стали черными или, наоборот, стали светиться. В каждом пятне локализовано несколько пептидов с одинаковыми электрическими свойствами, поэтому эти пептиды нужно разделять дальше. Это делается при помощи хроматографии, о которой стоит поговорить особо.
Хроматографию изобрел в 1906 году русский ботаник Михаил Цвет. Он хотел разделить различные пигменты из листьев растений. Эти пигменты были настолько схожи по химическому составу, что обычные методы разделения были не эффективны. Тогда Цвет использовал совершенно новый способ.
Он приготовил из смеси пигментов раствор и вылил его в колонку, наполненную измельченным известняком. Пигменты прикрепились к поверхности крошечных частиц в верхнем слое известняка, а жидкость, в которой они были растворены, прошла по колонке вниз и вышла из нее. Первоначально окрашенный раствор вышел бесцветным, а в верхней части колонки осталась цветная полоска пигмента.
Затем Цвет пропустил через колонку другую жидкость — петролейный эфир. Эфир медленно вымывал пигмент из известняка. Причем каждый пигмент вымывался с различной скоростью. Те, которые связывались с известняком слабо (или очень хорошо растворялись в петролейном эфире), вымывались довольно быстро; те, которые связывались более прочно (или плохо растворялись в эфире), вымывались медленнее. Со временем исходная смесь пигментов была разделена на несколько цветных полос, в каждой из которых находился отдельный пигмент. Эти полосы можно было полностью вымыть из колонки и исследовать по отдельности.
Цвет назвал свой метод хроматографией, от греческих слов, означающих «цветное письмо», потому что состав смеси вырисовывался в виде цветных поперечных полос, располагающихся вдоль колонки. Естественно, этот метод применим и к бесцветным соединениям.
Много лет метод Цвета не получал признания, потому что первый доклад ученого был напечатан в довольно плохом немецком ботаническом журнале, а последующие доклады Цвета были на русском языке. Он был всего-навсего русским ботаником, и немецкие биохимики, правящие в науке в те времена, не обращали на него внимания. Однако в 1931 году немецкий биохимик Рихард Вильштеттер наткнулся на описание этого метода и начал его использовать. После этого хроматография получила широкое распространение.
Кроме известняка, в качестве наполнителя колонки использовались и другие измельченные вещества: окись алюминия, крахмал, позже стали применять ионообменные смолы. Смолы представляют собой ломкие вещества янтарного цвета, состоящие из крупных молекул, в состав которых входит бесчисленное количество групп атомов. Эти атомы в результате химических реакций способны в одних условиях соединиться с определенными видами молекул и, наоборот, отсоединяться от них в других условиях. Смолы разного состава обладают большим разнообразием свойств и поэтому подходят для многих видов исследований. Некоторые даже могут опреснять воду. Морскую воду пропускают через колонку со смолой и получают питьевую воду.
Большой шаг вперед был сделан в 1944 году, когда группа британских биохимиков из Кембриджского университета показала, что разделение смеси веществ на составляющие компоненты можно производить на фильтровальной бумаге. Вместо того чтобы пропускать растворитель через колонку, заполненную измельченным веществом, они смачивали им фильтровальную бумагу. Растворитель поднимался (или спускался) по бумаге, проходил то место, куда наносили каплю исследуемой смеси, и распространялся по бумаге дальше, увлекая за собой компоненты смеси, которые двигались с различной скоростью. В результате одно пятно смеси превращалось в несколько, каждое из которых соответствовало отдельному компоненту. Такой способ получил название бумажной хроматографии и сегодня является одним из часто применяемых методов из методического арсенала биохимиков. Почти каждое исследование завершается разделением смеси или очисткой отдельного вещества при помощи бумажной хроматографии.
Вернемся теперь к доктору Ингрэму и пептидной смеси, полученной при расщеплении гемоглобина.
Мы остановились на полученных с помощью электрофореза на бумаге пятнах, в каждом из которых находилось несколько пептидов. Затем он провел бумажную хроматографию пятен: смочил бумагу раствором, разделил их на «подпятна».
Когда все было сделано, на фильтровальной бумаге образовалось двадцать восемь отдельных пятен. Ингрэм пронумеровал каждое и проделал то же самое, только на этот раз с гемоглобином S, а не с гемоглобином А. При разделении фрагментов гемоглобина S у него также получилось двадцать восемь пятен.
Можно сказать, что он взял у каждой молекулы «отпечатки» и теперь ему оставалось их сравнить. Оказалось, что они у молекул гемоглобина А и S были одинаковы, за исключением одного пятна. Пятно под номером 4 в образце гемоглобина S отчетливо переместилось влево по сравнению с аналогичным пятном гемоглобина А.
Доктор Ингрэм неоднократно повторил эксперимент с обоими видами гемоглобина, каждый раз вырезая пятно номер 4, вымывал пептид из бумаги, пока не собралось достаточное количество материала. Конечно, это занятие было утомительным, но совершенно необходимым.
Под четвертым номером оказался пептид, состоящий из девяти аминокислот. Пептид расщеплялся при помощи соляной кислоты вначале на более мелкие фрагменты, а затем на отдельные аминокислоты. Те, в свою очередь, тоже разделялись и исследовались, и, наконец, Ингрэму удалось определить расположение аминокислот в четвертом пятне гемоглобина А. Он был таков: гистидин — валин — лейцин — лейцин — треонин — пролин — глутаминовая кислота — глутаминовая кислота — лизин (это названия различных аминокислот).
Расположение в гемоглобине S было следующим: гистидин — валин — лейцин — лейцин — треонин — пролин — валин — глутаминовая кислота — лизин.
Если вы сравните два списка, то увидите, что в них только одно различие. В том месте, где у гемоглобина А находится глутаминовая кислота, у гемоглобина S находится валин. Насколько нам сегодня известно, это единственное различие между двумя молекулами: несоответствие двух аминокислот из шестисот (по одной в двух одинаковых частях гемоглобина).
Один из коллег доктора Ингрэма, Джон Хаит, проделал тот же эксперимент с гемоглобином C, и в этом случае четвертое пятно оказалось другим. Его расчленили на два фрагмента. В гемоглобине C на месте глутаминовой кислоты, которая присутствовала в гемоглобине А, или валина — в гемоглобине S, оказался лизин. Поскольку фермент трипсин, используемый для расщепления молекулы на две части, атакует пептид в том месте, где находится лизин, четвертое пятно в гемоглобине С разделилось на два пептида, один из семи аминокислот и один из двух.
Теперь стало понятно, что было причиной различного поведения пептидов при электрофорезе. Глутаминовая кислота гемоглобина А несет отрицательный заряд. У валина в гемоглобине S заряда нет. Лизин в гемоглобине С имеет положительный заряд. В итоге заряды у каждого пептида различны, поэтому в электрическом поле они ведут себя по-разному.
Конечно, как и все, это громкое открытие немедленно вызвало новые вопросы. Почему такое ничтожное изменение состава молекулы гемоглобина так сильно влияет на его растворимость, устойчивость человека к малярии и тому подобное? Как гены влияют на состав молекулы? Как им удается контролировать соединение шести сотен аминокислот? И что может произойти с геном и заставить его изменить всего одну аминокислоту в молекуле белка?
Глава 8
Удаление шлаков
Как только благодаря гемоглобину и кровеносной системе кислород попадает в клетку, он соединяется с атомами молекул, полученных нами из пищи. В этом задействовано множество химических реакций, каждая из которых контролируется особым ферментом. В пище бесчисленное множество молекул, но в основном они состоят всего из четырех атомов: углерода, водорода, кислорода и азота. Эти четыре атома составляют 99 % всех атомов в пище.
Атомы водорода в органических соединениях (углеродсодержащие соединения, из которых состоят живые ткани и, следовательно, наша пища) легко соединяются в организме с кислородом, образуя воду. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода. Атомы углерода в органических соединениях вступают в реакцию с кислородом и образуют углекислый газ. Молекула углекислого газа состоит из одного атома углерода и двух атомов кислорода.
