На протяжении более ста лет биохимики многих стран мира посвящали свои усилия выяснению природы белков. Много сделали в этой области и русские ученые, среди которых почетное место занимают такие исследователи, как И. М. Сеченов, М. В. Ненцкий и другие.
В настоящее время в результате применения точнейших методов исследования, и в первую очередь — рентгеноструктурного анализа, стало возможным определить пространственное расположение атомов в молекуле гемоглобина — важнейшего пигмента, ведающего снабжением организма кислородом. Американский биохимик лауреат Нобелевской премии М. Ф. Перутц — один из пионеров изучения пространственной структуры этого белка. Благодаря исследованиям М. Ф. Перутца и группы его сотрудников стала известна структура молекулы гемоглобина, прояснились многие процессы, происходящие в кровеносных сосудах живого организма.
О том, насколько была сложна и трудна эта работа, можно составить впечатление по высказыванию английского физика У.-Л. Брэгга: «При изучении кристаллического гемоглобина лошади исследователям пришлось замерить 28 тысяч рефлексов, а при их обработке, для построения полного трехмерного патерсоновского синтеза, число слагаемых во всех трех суммах составило 1.21 X 1010. Несмотря на большое количество вычислительных и механических усовершенствований, сокращающих эту работу, промер 28 тысяч рефлексов и вычисление всех тройных сумм для одного кристалла гемоглобина потребовали четырех лет. Когда эта работа планировалась, не было никаких гарантий, что ее результаты оправдают вложенные усилия, — но, к счастью, эти опасения не оправдались».
Описанию этих работ и посвящена предлагаемая статья из журнала «Stientific American».
Доктор биологических наук П. А. КОРЖУЕВ
В 1937 году я избрал темой своего исследования рентгенографический анализ гемоглобина — белка крови, переносящего кислород. К счастью, рецензенты моей докторской диссертации (я был тогда аспирантом Кембриджского университета) не требовали определения его структуры, 1иначе я рисковал бы оставаться аспирантом в течение… двадцати трех лет. Проблема определения места каждого атома в этой гигантской молекуле и до сих пор еще не решена окончательно, но структура ее уже расшифрована достаточно детально, чтобы дать представление о запутанном трехмерном строении каждой из четырех составляющих ее аминокислотных цепей и расположении четырех пигментных групп — пунктов присоединения кислорода.
Каждая из четырех цепей гемоглобина напоминает по форме цепочку миоглобина — мышечного белка, переносчика кислорода. Сопоставление структур этих двух белков позволяет С помощью физических методов достаточно точно определить, где располагается каждый аминокислотный остаток в гемоглобине по отношению к изгибам и поворотам его цепей. Однако с помощью одних лишь физических методов нельзя установить, какая из двадцати различных аминокислот занимает данное место. Это достигается химическим анализом.
Суммарные результаты этих двух различных методов исследования позволяют представить себе общую четкую картину строения молекулы гемоглобина.
По своей функции гемоглобин не является кислородным резервуаром типа молекулярного легкого. Две из четырех цепочек в молекуле меняют свое положение в пространстве, так что просвет между ними сужается с присоединением к гемоглобину кислорода и расширяется после его отщепления. Данные о том, что химическая активность гемоглобина и других белков связана с изменениями в их структуре, были известны и раньше, но нами впервые продемонстрирована природа этих изменений. Они позволили считать молекулу гемоглобина как бы дышащей. Но казалось парадоксальным, что расширение молекулы происходит при отсутствии кислорода, а не тогда, когда он связан с гемоглобином.
За два года до моего поступления в аспирантуру профессор Джон Бернал и Дороти Кроуфут- Хотчкин получили первые рентгенодифракционные картины кристаллов белка и установили, что белковые молекулы, <несмотря на большие размеры, имеют высокоорганизованную структуру. В то время это открытие вызвало сенсацию, так как к белкам еще всюду относились как к коллоидам с неопределенной структурой. В конце тридцатых годов значение нуклеиновых кислот еще предстояло открыть; в соответствии с тем, чему я учился, «секрет жизни» казался мне заключенным в структуре белков. Из всех методов, доступных физике и химии, лишь рентгенокристаллография давала единственный шанс, правда, довольно слабый, определить эту структуру…
Модель молекулы гемоглобина, сконструированная в результате рентгенодифракционных исследований. Вид сверху (верхний рисунок) и сбоку (нижний рисунок). Рисунки сделаны с модели, построенной М. Ф. Перутцом и его сотрудниками. Блоки неправильной формы показывают электронную плотность на различных уровнях молекулы гемоглобина. Молекула состоит из четырех субъединиц: двух идентичных альфа- (светлые блоки) и бета- цепей (темные блоки). Буквами N на верхнем рисунке обозначены концевые аминогруппы альфа-цепей; буквами С — концевые карбоксильные группы. В складках каждой цепи «упрятан» цветной диск. Это — гем, железосодержащая структура, соединяющаяся с кислородом.
Когда я избрал темой диссертации рентгенографический анализ гемоглобина, мои друзья-студенты смотрели на меня с сочувственной улыбкой. Ведь наиболее сложным из органических веществ, структура которых определилась тогда рентгенографическим методом( был краситель фталоцианин, молекула которого содержит SB атомов. Как же я мог надеяться определить положение каждого из тысяч атомов в молекуле гемоглобина?
ФУНКЦИЯ ГЕМОГЛОБИНА
Гемоглобин — основной компонент красных кровяных шариков (эритроцитов), переносящих по артериям кислород от легких к тканям, способствующий переносу углекислого газа по венам обратно к легким. Один эритроцит содержит около 280 миллионов молекул гемоглобина. Каждая молекула в 64 с половиной тысячи раз тяжелее атома водорода и состоит примерно из 10 тысяч атомов водорода, углерода, азота, кислорода и серы плюс четыре атома железа, которые в данном случае более важны, чем все остальные. Каждый атом железа расположен в центре группы атомов, образующих пигмент, называемый гемом, который придает крови ее красный цвет и регулирует ее способность соединяться с кислородом. Каждый гем окружен одной из четырех аминокислотных цепей, которые вместе составляют белковую часть молекулы — глобин. Четыре цепи глобина состоят из двух одинаковых пар, так называемых альфа- и бета-цепей. Все четыре цели вместе содержат 574 аминокислотных остатка.
В отсутствие переносчика кислорода 1 литр артериальной крови может растворить и перенести не более 3 миллилитров кислорода. Гемоглобин повышает эту способность в 70 раз. Без него большие животные не смогли бы получать достаточного для своего существования количества кислорода. Кроме того, более 90 процентов транспортируемой углекислоты переносится по венам благодаря гемоглобину.
Каждый из четырех атомов железа в молекуле гемоглобина может связать одну молекулу (то есть два атома) кислорода. Эта реакция обратима — в том смысле, что кислород забирается там, где его много (в легких) и освобождается там, где в нем ощущается потребность (в тканях). Она сопровождается изменением цвета: гемоглобин, содержащий
кислород| известный как окси- гемоглобин, окрашивает артериальную кровь в алый цвет; восстановленный, или освобожденный от кислорода, гемоглобин придает венозной крови пурпурный оттенок. В данном случае термин «восстановленный» для бескислородной формы гемоглобина неудачен, потому что слово «восстановленный» означает для химика, что атом или группа атомов присоединяют электроны. На самом же деле атомы железа как в восстановленном, так и в окисленном гемоглобине имеют одинаковое число электронов и находятся в виде двухвалентных или «ферро»-ионов.
Они окисляются до трехвалентных, или «ферри»-ионов, при определенных болезнях крови и действии некоторых ядов. В этом случае гемоглобин приобретает бурую окраску и в такой форме известен как метгемоглобин, или ферригемоглобин.
Рентгенодифракционный снимок, полученный от одного кристалла гемоглобина который вращался во время съемки. Электроны, сгруппированные вокруг центров атомов в кристалле, рассеивают падающие на него рентгеновские лучи, образуя симметрично расположенные пятна. Пятна, находящиеся на равных расстояниях от центра и противоположные друг другу, имеют одинаковую плотность
«Ферро»-ионы железа обладают способностью связывать молекулярный кислород только при условии, если гем соединен с глобином. Сам по себе гем не связывает кислорода; эта реакция становится возможной лишь в специфической химической среде, создаваемой глобином. В сочетании же с другими белками, такими как ферменты пероксидаза и каталаза, тот же гем может обнаруживать совершенно другие химические свойства.
Однако функция глобина этим не ограничивается. Благодаря ему происходит физиологически выгодное взаимодействие четырех атомов железа внутри каждой молекулы. Соединение любых трех атомов железа с кислородом ускоряет присоединение кислорода к четвертому; точно так же освобождение кислорода тремя атомами заставляет четвертый атом быстрее освободиться от своего кислорода.
Я уже упоминал, что гемоглобин играет также важную роль в переносе углекислого газа от тканей к легким. Этот газ не переносится атомами железа, и только часть его связывается непосредственно с глобином; наибольшее его количество поглощается эритроцитами и жидкостью крови — в форме бикарбоната. Исчезновение кислотной группы у каждой молекулы гемоглобина, отдающей кислород, облегчает перенос бикарбоната. Когда гемоглобин вновь захватывает кислород из легких, эти кислотные группы опять образуются, начиная ряд химических реакций, стимулирующих освобождение углекислого газа из тканей. Напротив, присутствие бикарбоната и молочной кислоты в тканях ускоряет освобождение кислорода.
Дыхание кажется нам таким простым; но, однако, это элементарное проявление жизни осуществляется благодаря взаимодействию многих видов атомов в гигантской молекуле колоссальной сложности. Выяснение структуры молекулы открыло бы нам не только ее внешний вид, но и функцию.
ПРИНЦИП РЕНТГЕНОГРАФИЧЕСКОГО АНАЛИЗА
Рентгеноструктурный анализ белков иногда считается труднодоступным разделом науки, понятным только специалистам, но идеи, лежащие в основе этой работы, настолько просты, что многие физики находят их просто скучными. Кристаллы гемоглобина и других белков содержат много воды и, подобно всем живым тканям, теряют регулярность своей структуры при высушивании. Чтобы сохранить эту регулярность во время рентгенографического анализа, кристаллы помещают в маленькие стеклянные капилляры, где они остаются влажными. На один кристалл направляют узкий пучок рентгеновых лучей одной длины волны. Если кристалл неподвижен, то на фотопленке, находящейся сзади него, будут зафиксированы пята, ложащиеся эллипсами; если же кристалл вращать в определенном направлении, то эти пятна возникают в узлах правильной решетки, зависящей от расположения молекул в кристалле. Каждое пятно имеет характерную интенсивность, зависящую от расположения атомов внутри молекулы. Пятна, расположенные симметрично, но по разные стороны от центра рентгенограммы, имеют одинаковую степень интенсивности.
Для расшифровки рентгенограмм был изготовлен простой оптический прибор, имеющий экран с двумя отверстиями в точках, где находятся симметричные пятна. Интерференционные полосы, полученные при дифракции света через эти два отверстия, показаны ниже на рисунке.
Рентгенографическое изображение можно объяснить с помощью специального оптического устройства для получения интерференционных картин пятен на рентгенограмме (рисунок справа). Каждая пара симметрично расположенных пятен дает характерные для них интерференционные полосы. Таким образом, пятна, обозначенные 2,2 и 2,2, дают полосы, обозначенные 2,2. Двухмерное изображение атомной структуры кристалла может быть получено, если все интерференционные картины будут одновременно напечатаны на одном и том же листе фотобумаги. Но для этого раньше нужно решить фазовую проблему (см. ниже).
ФАЗОВАЯ ПРОБЛЕМА
Изображение атомной структуры кристалла получают двумя путями: поочередным печатанием всех интерференционных картин на один и тот же кадр или наложением всех интерференционных картин и получением общего отпечатка на одном кадре. При этом возникает неизбежная трудность. Для того чтобы изображение не искажалось, каждая группа пятен на рентгенограмме должна быть расположена правильно по отношению к некоторой произвольно выбранной общей начальной точке. Расстояние максимума волны от начальной точки называется фазой. Накладывая (интерференционные картины, можно получить почти любую картину структуры при соответствующем произвольном выборе фаз. Сама по себе рентгенографическая картина дает нам только амплитуды, но не фазы волн, полученных от каждой пары пятен. Это значит, что половина информации для получения изображения отсутствует.
Вследствие этой недостаточности информации дифракционная картина кристаллов уподобляется шифру без ключа. Проводя годы в попытках измерить интенсивность нескольких тысяч пятен в дифракционных рентгенограммах гемоглобина, я испытывал танталовы муки, находясь в положении исследователя, окруженного набором таблиц, исписанных неизвестными письменами. В течение некоторого времени У.-Л. Брэгг и я без особого успеха пытались разработать метод расшифровки фаз. Окончательное решение пришло в 1953 году, когда я открыл, что метод, найденный для более простых структур, может быть также использован для белков.
Фазовая проблема возникает вследствие того, что пятна на рентгенограмме не указывают, какие фазы должны иметь все интерференционные картины по отношению к произвольно выбранной общей начальной точке. На этом рисунке четыре идентичные интерференционные картины имеют разные фазы относительно начальной точки в левом верхнем углу. Фаза означает расстояние гребня волны от начальной точки, измеренное в градусах. Длина одной волны — 360 градусов
Суть этого метода в том, что молекулу вещества несколько видоизменяют путем введения в нее тяжелых атомов — таких как атомы ртути, — для определения их положения в структуре молекулы. Присутствие тяжелого атома вызывает заметные изменения в дифракционной картине и дает возможность получить большую информацию о фазах. По разнице амплитуд волн, соответствующих отражению белка с тяжелым атомом и без него, для каждой группы волн можно определить расстояние гребня волны от тяжелого атома для каждой интерференционной полосы. Таким образом, благодаря тяжелому атому, определяющему общую начальную точку, представляется возможность измерить величину фазы, как показано на рисунке (стр. 85, слева), где тяжелый атом обозначен Н1. Но эксперимент еще не говорит нам, в каком направлении измеряется фаза….
На том же рисунке показано, что если тяжелый атом Н2 ввести в молекуле в другое положение, чем Н1, то он уменьшает амплитуду волны, рассеиваемой белком. Степень этого уменьшения позволяет измерить расстояние гребня волны от Н2. Можно видеть, что этот гребень должен быть впереди Н1; другими словами, расстояние его от Н1 не может совпадать с расстоянием от Н2. Окончательный ответ зависит от знания длины и направления линии, соединяющей Н2 и Н1. Эти величины возможно рассчитать математически.
Метод тяжелых атомов можно применить для изучения гемоглобина, .присоединяя атом ртути к атомам серы аминокислоты цистеина. Он оправдывает себя, однако, только в том случае, если такое присоединение не изменяет структуру молекул гемоглобина и порядок ее расположения в кристалле. Когда я впервые попытался применить фазовый метод, то не был уверен, что мне удастся полностью удовлетворить этим строгим требованиям. И когда я проводил первую рентгенографию меркурированного (связанного с атомом ртути) гемоглобина, настроение у меня колебалось между надеждами на немедленный успех и мрачными предчувствиями провала. Когда же дифракционные пятна оказались точно в том положении, что и в немеркурированном белке, лишь с несколько иной интенсивностью — то есть именно так, как я надеялся, — я ворвался в комнату Брэгга в радостном возбуждении, уверенный, что скоро уже будет определена структура и гемоглобина, и многих других белков. Брэгг разделил мою радость; ни один из нас тогда не предвидел тех огромных технических трудностей, которые встанут на нашем пути в последующие пять лет.
РЕШЕНИЕ ПРОБЛЕМЫ СТРУКТУРЫ
Решив, по крайней мере в принципе, фазовую проблему, мы задались целью построить структурное изображение молекулы гемоглобина на основе наших рентгенографических данных.
Количество пятен на рентгенограммах белковых кристаллов доходит до десятков тысяч. Чтобы правильно определить фазу каждого пятна и его интенсивность, нужно было сделать несколько точных измерений. Затем в результаты надо внести поправки на различные геометрические факторы и использовать их для построения изображения, накладывая десятки тысяч волн. В окончательном расчете приходилось складывать или вычитать десятки миллионов чисел. До появления счетно-вычислительных устройств такая работа была бы совершенно невозможной.
Метод введения тяжелого атома дает сведения о фазах, изменяя интенсивности пятен на рентгенограмме а — рассеяние синусоидальной волны чрезвычайно упрощенным белком (треугольник из трех атомов) дает амплитуду и фазу одной группы пятен; b и с — после введения тяжелых атомов Н1 и Н2 в различные участки белка амплитуда и фаза волны изменяются. Тяжелые атомы могут служить начальными точками для измерения величины фаз (Р1 и Р2) волн, рассеянных неизмененным белком. Расстояние между Н1 и Н2 должно быть точно известно
В то время как я сражала с разного рода техническими трудностями, Д. Кендрью успешно применил метод тяжелых атомов для изучения структуры миоглобина — белка, по строению близкого к гемоглобину, но имеющего значительно более простую структуру. В 1957 году первая трехмерная модель миоглобина была построена.
Для построения пространственного изображения молекулы белка были использованы трехмерные дифракционные картины (интерференционные плоскости в пространстве). Их строили для пар симметрично расположенных в пространстве пятен. Координаты двух пятен обозначаются соответственно h, k, l и h‾, k‾, l‾,. Каждой паре пятен соответствует трехмерная интерференционная картина, как это показано yа рисунке. Чтобы построить изображение молекулы, необходимо наложить Друг на друга интерференционные плоскости в пространстве с учетом фаз для тысяч пар пятен…
Это был триумф, но одновременно с оттенком разочарования. Возможно ли, что поиски истины могли привести к такому безобразному предмету, более похожему на клубок каких-то внутренностей? Неужели, отыскивая золотой самородок, мы нашли свинцовую глыбу? Но чем внимательнее мы всматривались в изображение миоглобина, тем целесообразнее, гармоничнее представлялся он нам. Когда в последующие годы Кендрью и его сотрудники увеличили разрешающую способность рентгеноструктурного метода, они убедились, что некоторые внутренние причины странной формы этой молекулы выявляются сами собой. Форма не была случайной, она была фундаментальным продуктом природы, вероятно, общим для миоглобина и гемоглобина, во всяком случае у позвоночных.
Летом 1959 года, почти через 22 года после того, как я получил первую рентгенограмму гемоглобина, мы смогли, наконец, построить трехмерную карту электронной плотности гемоглобина с разрешающей способностью 5,5 ангстрем, подобную той, которая на два года раньше была получена для миоглобина. И как только цифры со счетчика были перенесены на контурную карту, мы убедились в том, что каждая из четырех цепей гемоглобина по форме очень напоминает единственную цепь миоглобина. Бета- цепь и миоглобин были вообще идентичны, а альфа-цепь отличалась от них лишь более коротким поперечником одной маленькой петли.
Миоглобин был экстрагирован Кендрью из мышц кашалота. Гемоглобин был получен из крови лошадей. Позднейшие исследования показали, что миоглобин тюленя и лошади, гемоглобин человека и коровы имеют сходное строение.
На первый взгляд случайная, беспорядочная складчатость цепи оказалась целесообразной, удобной для удержания гема в положении, облегчающем ему перенос кислорода. Гем лежит в складке цепи так, что только две его кислотные группы находятся на поверхности молекулы и могут вступать в контакт с окружающей молекулу водой. Атомы железа в геме связаны с атомами азота аминокислоты гистидина.
Через некоторое время я построил модели альфа- и бета-цепей гемоглобина и убедился в том, что они соответствуют атомной картине, как и цепь миоглобина. Если две белковые цепи похожи по внешнему виду, то можно надеяться, что и состав их окажется также сходным. На языке химии белка это означает, что 20 различных видов аминокислот в миоглобине и гемоглобине всех позвоночных содержатся приблизительно в одинаковой пропорции и порядок их расположения тоже примерно одинаков. Чтобы установить справедливость этого утверждения, мы проделали множество химических анализов.
Молекула миоглобина в том виде, в котором она впервые была сконструирована Д. Кендрью и его сотрудниками в 1957 г. Она имела этот весьма отталкивающий вид, напоминающий внутренности. Колбасовидные сплетения отражают ход аминокислотной цепи в молекуле. Темное, дисковидное образование (расположенное здесь не совсем правильно) представляет собой гем.
Но совершенно неожиданным оказалось то, что белки с почти одинаковой структурой и функцией резко различаются последовательностью своих аминокислот.
Какой же механизм заставлял различные цепи складываться одним и тем же образом?
ВОЗМОЖНЫЙ МЕХАНИЗМ СКЛАДЫВАНИЯ
Что придает какой-то одной конфигурации большую стабильность, чем всем другим? Единственное объяснение, к которому мы можем пока обратиться, касается распределения так называемых полярных и неполярных аминокислот между поверхностью и глубокими слоями молекулы.
Некоторые аминокислоты, такие как глютаминовая кислота и лизин, имеют боковые группы атомов с положительным или отрицательным зарядом, которые активно взаимодействуют с окружающими молекулами воды. Боковые группы таких аминокислот, как глютамин или тирозин, в конечном счете электронейтральны, однако содержат атомы азота или кислорода, у которых разноименные заряды достаточно велики, чтобы образовать диполь. Они тоже притягивают воду, но не так активно, как заряженные группы. Это притяжение происходит благодаря образованию разноименных зарядов в самой молекуле воды, что делает ее, в свою очередь, диполярной. Соединяясь с электрически заряженными группами или любыми другими диполями, водные молекулы уменьшают до минимума напряженность электрического поля вокруг этих групп и стабилизируют всю структуру в результате снижения количества так называемой свободной энергии.
Боковые группы Других аминокислот, таких как лейцин и фенилаланин, содержат только углеродные и водородные атомы. Будучи электронейтральными и лишь слабо диполярными, эти группы отталкивают воду подобно воску. Причина этого отталкивания странна и загадочна. Группы, которые называются углеводородными, имеют тенденцию приводить хаотичность молекул воды в строгий порядок, такой, как в кристалле льда. Это упорядочение уменьшает стабильность системы. Физики в таких случаях говорят об уменьшении энтропии, которая служит мерой беспорядка в системе. Таким образом, сила, заставляющая боковые группы «отворачиваться» от воды и соединяться друг с другом, — это анархическое сопротивление молекул воды тому упорядочивающему влиянию, которое оказывают на них эти группы.
Цепи гемоглобина, альфа-цепь — слева и бета-цепь — справа, выведенные из модели, построенной автором и его сотрудниками. Прерывистые линии показывают ход центральной цепи. Частично виден тем (цветной диск), прикрытый моделью
Наши модели показывают, что боковые группы, обладающие наибольшим зарядом или степенью биполярности, располагаются на поверхности молекулы, взаимодействуя с водой. Неполярные группы либо заключены внутри молекулы, либо таким образом вклиниваются в ее углубление, что не могут контактировать с водой. Говоря физическим языком, боковые группы распределяются так, чтобы по возможности уменьшить свободную энергию и увеличить энтропию в молекулах белка и окружающей воды…
Сейчас еще преждевременно говорить о том, существует ли единственное объяснение той силы, которая из всех возможных конфигураций белковой цепи избирательно стабилизирует только одну Известно, что по крайней мере одна аминокислота вследствие своей изломанной конфигурации, нарушает плавность цепи, заставляя ее образовывать угол в том месте, где она находится. Цепи в гемоглобине и миоглобине у всех видов имеют несколько углов, НО только в одном из них, а именно в 36 положении в бета- цепи гемоглобина и в 37 — в миоглобине, всегда присутствует пролин. Во всех других углах его присутствие необязательно и определяется видом животного.
Так как последовательность аминокислот в белках определить легче, чем их пространственную структуру, то задача облегчилась бы, если бы мы могли вывести эту структуру, зная аминокислотную последовательность. В принципе, вероятно, чтобы добиться этого, достаточно знать межатомные силы и путь, по которому эти атомы группируются. Не деле же проблема эта чрезвычайно усложняется тем, что существует огромное количество путей, по которым может идти закручивание длинной белковой цепи.
СОЕДИНЕНИЕ ЧЕТЫРЕХ ЦЕПЕЙ
Если гемоглобин состоит из четырех одинаковых цепей, то кристаллограф может надеяться, что они лежат по углам правильного тетраэдра.
В результате этого образуется почти сферическая молекула размером 64 X 55 X 50 ангстрем. Кажется удивительным, что четыре предмета такой неправильной формы могут так точно подходить один к другому. Но если механизм складывания белковой части молекулы удалось предсказать, то положение гемов в молекуле оксигемоглобина оказалось довольно неожиданным. Исходя из их химического взаимодействия, априорно можно было бы предполагать, что они расположены рядом. В действительности же оказалось, что каждый гем лежит на поверхности молекулы как бы в отдельном «пакете», «не подозревая» о существовании своих партнеров. Отсюда видно, что одно из наиболее важных физиологических свойств гемоглобина не может быть объяснено только его структурой.
В 1937 году Ф. Гурвиц нашел ключ к молекулярному объяснению физиологического действия гемоглобина.
Бета-цепь (слева) и миоглобин (справа). Цветными кружками обозначены пролиновые остатки, на долю которых приходится 10% всех аминокислот; их положение часто совпадает с изломами цепи. Кружки обозначающие Hg, показывают места, где атомы ртути могут быть присоединены к атомам серы
Излом молекулы гемоглобина, наблюдающийся там, где остаток аминокислоты пролина (цветной) расположен между двумя сегментами спирали в бета-цепи; изображен только скелет цепи. Все атомы водорода и боковые ветви аминокислот, за исключением пролина, удалены
Он поставил кристаллы оксигемоглобина, имеющие форму игл, в холодильник. Когда через несколько недель он достал эту взвесь, то увидел, что кислород был поглощен бактериями и вместо красных игл появились фиолетовые гексагональные пластинки — кристаллы восстановленного гемоглобина. Во время исследования этих кристаллов под микроскопом, между предметным и покровным стеклами проник кислород, вызывая на глазах распад фиолетовых пластинок и образование красных игл оксигемоглобина. Это превращение убедило Гурвица в том, что реакция гемоглобина с кислородом должна сопровождаться изменением структуры молекулы гемоглобина. Эти наблюдения и загадка структуры оксигемоглобина настолько заинтересовали меня, что я предложил аспирантке Хилари Мюрхед попробовать применить метод рентгеноструктурного анализа с низкой разрешающей способностью для изучения структуры восстановленной формы гемоглобина.
Мюрхед успешно решила эту сложную задачу. Сделанные ею карты электронной плотности показали нам два вида структурных изменений: изменение в складчатости одной цепи и нарушение взаимного расположения цепей.
Группа ученых в Кембриджском университете доказала, что это изменение в окисленной форме гемоглобина происходило после того, как три из четырех атомов железа соединялись с кислородом. Это в несколько сот раз ускоряло связывание четвертого, атома железа с кислородом…
Атомный механизм перемещения бета-цепей пока еще не выяснен. Наш рентгеноструктурный анализ еще не достиг разрешающей способности, необходимой для их рассмотрения, и мне кажется, что до тех пор, пока мы не получим структур восстановленного гемоглобина и оксигемоглобина на атомном уровне, мы не сможем до конца разобраться в этом загадочном явлении.
М. Ф. ПЕРУТЦ
Сокращенный перевод с английского М. КАНДРОРА