Металлы, которые всегда с тобой

Терлецкий Ефим Давидович

Вскоре выяснилось, что химотрипсин чрезвычайно труден для исследования, и Перутц сосредоточился только, на гемоглобине. Но и гемоглобин оказался не менее крепким орешком. Понадобилось чуть ли не 30 лет (!), прежде чем удалось установить его строение. Разумеется, Перутц на такой срок работы не рассчитывал. Однако он отдавал себе отчёт, что берётся за весьма нелёгкую задачу. Много позднее он по этому поводу не без иронии говорил: «...Когда темой своей диссертации я выбрал рентгено-структурный анализ гемоглобина, мои товарищи не могли смотреть на меня без сожаления. В ту пору самым сложным органическим вещёством, структура которого была установлена с помощью рентгеноструктурного

анализа, оставалась молекула красителя фталоцианина, состоящая из 58 атомов. Как мог я надеяться выяснить расположение тысяч атомов в молекуле гемоглобина?»

В 1946 году к Перутцу присоединился армейский офицер королевских ВВС Дж. Кендрю, который после демобилизации решил посвятить себя молекулярной биологии. До войны здесь же в Кембридже, в Тринити-колледже, он блестяще окончил курс естественных наук, получив степень бакалавра, а затем и магистра (примерно соответствующую нашей кандидатской).

К приходу Кендрю результаты десятилетних усилий Перутца в исследовании гемоглобина были весьма скромными. Поэтому Кендрю выбрал себе более простой объект для экспериментов — миоглобин кашалота. Этот белок в больших количествах был найден в мышцах китов и тюленей, что и объясняет их способность долго находиться под водой. Мы уже знаем о том, что молекулы кислорода переходят от гемоглобина к миоглобину, где и хранятся надёжно, пока не потребуются клетке.

Долгие годы неудач не сломили Перутца. Он не отступил. Стало ясно, что нужно менять тактику исследований. Обычные методы рентгеноструктурной дифракции оказались недостаточными для расшифровки чрезвычайно сложной молекулы гемоглобина.

В то время руководителем Кавендишской лаборатории был У. Л. Брэгг, нобелевский лауреат, один из основателей рентгеноструктурного анализа. Естественно, что он был живо заинтересован в установлении структур белковых молекул — сложнейших в природе. Он постоянно наблюдал за ходом экспериментов и частенько захаживал в лабораторию Перутца, чтобы взглянуть на свежие рентгенограммы: Потом сэр Брэгг отправлялся домой и на досуге долго размышлял над полученными результатами.

Изготовление рентгенограммы кристалла — лишь половина дела. Далее пятна на снимке, соответствующие определённым структурным центрам, с помощью специального оптического прибора преобразуют в ряд дифракционных полос. Затем их совмещают, и только тогда получают нечто вроде контурных карт, по которым определяют строение вещёства.

Чтобы добиться изображения, отражающего реальную структуру, нужно правильно расположить набор дифракционных полос по отношению к определённой, но произвольно выбранной исходной точке. Получая такой набор, довольно легко определить амплитуду волны. Но не её фазу! Здесь-то «зарыта собака» всей многолетней проблемы: изображений могло получиться бесчисленное множество— в соответствии с выбранной фазой для каждого ряда полос. Попробуй, угадай, какое из них правильное.

Вот как сам Перутц писал про это: «Сама по себе рентгенограмма говорит нам только об амплитудах, но ничего не говорит о фазах полос, которые даёт каждая пара пятен; таким образом, половина информации, необходимой для получения изображения, отсутствует. Из-за этого рентгенограмма кристалла оказывается иероглифом без ключа для его расшифровки. Терпеливо измеряя в течение ряда лет интенсивность нескольких тысяч пятен на рентгенограммах гемоглобина, я испытывал танталовы муки, которые может понять только исследователь, заполучивший коллекцию табличек с надписями на неизвестном языке. ...Мы с Брэггом пытались разработать методы расшифровки фаз, но не добились большого успеха».

«Золотой» миоглобин

Заветный

ключик был подобран только в 1953 году. Именно тогда Перутца осенила блестящая и, в общем-то, простая идея. Он подумал о том, что не худо было бы воспользоваться методом, разработанным для расшифровки структур простых кристаллов. В этом случае к молекуле «цепляли» атомы каких-нибудь тяжёлых металлов, существенным образом менявших интенсивность дифракционных полос. Сравнивая амплитуды, которые давали молекулы с атомами металлов и без них, можно было установить разницу. Определение по ней величины фазы представлялось, как говорится, делом техники. В качестве тяжёлого металла выбрали ртуть.

«...Пока я проявлял свою первую рентгенограмму гемоглобина с введённой в его молекулу ртутью,— рассказывал Перутц,— я то предавался оптимистическим надеждам на немедленный успех, то впадал в отчаяние, перебирая в уме все возможные причины неудачи, наконец на бумаге появились дифракционные пятна — точно в тех же местах, что и в случае свободного от ртути гемоглобина, однако интенсивность их была несколько иная — что я и ожидал. Ликуя, я ворвался в комнату Брэгга, считая, что выяснение структуры гемоглобина и многих других белков уже у нас в руках. Брэгг разделил мой энтузиазм. Никто из нас в тот момент не мог представить себе те огромные технические трудности, которые задержат нас ещё на пять лет».

Дело заключалось в чрезвычайно трудоёмких вычислениях. Судите сами. Число пятен на рентгенограммах может достигать сотен тысяч. Для каждого нужно измерить интенсивность с атомами ртути и без них, затем внести поправки на различные геометрические факторы и потом, накладывая друг на друга десятки тысяч дифракционных полос, получить искомую структуру. Таким образом, приходилось оперировать многими миллионами чисел. Конечно же, без помощи ЭВМ эту работу выполнить было невозможно. И даже с её применением громоздкие расчёты заняли ещё несколько лет.

Перутц являл собой пример истинного исследователя, который ни под каким видом не сворачивал с пути и твёрдо, пусть чуть ли не ползком, продвигался к намеченной цели.

Заметим попутно, что в то же самое время, в: той же самой Кавендишской лаборатории английский физик Фрэнсис Крик, работавший над докторской диссертацией «Исследования поведения кристаллов гемоглобина в растворах солей различной плотности», и американский генетик Джеймс Уотсон, приехавший на стажировку, чтобы заняться миоглобином, буквально за два года теоретически обосновали и разработали структуру знаменитой двойной спирали — молекулы ДНК- И, как они сами говорили всерьёз, дожидались за это Нобелевской премии.

Перутц, их научный руководитель, все ещё не пришёл к окончательным результатам. Даже Кендрю почти закончил расшифровку строения молекулы миоглобина. Именно он впервые начал применять ЭВМ и, набив на этом руку, резко продвинулся вперед. Из-за некоторых особенностей работы с миоглобином ртуть была неприменима для построения структурных карт, зато вполне подошло золото.

Кендрю получил 400 рентгенограмм простого и столько же «золотого» миоглобина, затем с помощью вычислительных машин подобрал плотность молекулы при 4000 различных значений и нанес их на прозрачные карты. В 1957 году он наконец смог создать первую модель молекулы миоглобина, дававшую весьма приблизительное представление лишь о форме белковой цепи. Для окончательной расшифровки понадобилось еще 10 000 рентгеновских снимков и несколько месяцев, в течение которых шесть сотрудников обрабатывали эти данные на ЭВМ. Окончательная модель молекулы миоглобина, учитывающая расположение почти каждого атома, была построена в 1959 году.