Рудольф Сворень - В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]

В Институте кристаллографии им. А. В. Шубникова АН СССР впервые был проведен рентгеноструктурный анализ и построена пространственная модель леггемоглобина — белка с неизвестной ранее структурой. Работу выполнила группа, которую возглавил академик Б. К. Вайнштейн. Мы попросили исследователей рассказать о выполненной работе, ее значении, о планах на будущее. В публикуемой ниже краткой записи беседы отдельные ответы, высказывания, пояснения ее участников суммированы (разумеется, с их согласия), и рассказ ведется от имени коллективного автора, от имени всей группы исследователей.

Корреспондент. Вначале, если можно, хотя бы несколько слов о самом леггемоглобине… Где он встречается? Что делает? Что о нем было известно раньше?

Исследователи. Белок этот относится к тому же классу, что и хорошо всем известные гемоглобин и миоглобин. Но в отличие от всех других подобных белков он имеет не животное, а растительное происхождение, синтезируется и работает в растениях, а не в организме животного.

Молекула леггемоглобина сравнительно невелика — ее относительная молекулярная масса около 16 000, т. е. примерно в 8 тыс. раз больше относительной молекулярной массы водорода или в тысячу раз больше молекулярной массы кислорода. Молекулярная масса леггемоглобина в несколько раз больше, чем у некоторых «маленьких» ферментов, но во много раз меньше, чем у крупных белков.

Леггемоглобин пока обнаружен только в корневой системе бобовых растений, и появляется он там лишь после того, как в корнях поселяются бактерии, участвующие в связывании азота воздуха. Роль аналогичных белков в жизни животного изучена детально — они участвуют в транспортировке и хранении кислорода, в сложных химических превращениях, снабжающих организм энергией. Например, гемоглобин, сосредоточенный в красных кровяных шариках нашей крови, «загружается» кислородом в легких, разносит его по всему организму, двигаясь вместе с кровотоком. Миоглобин запасает кислород в мышцах. В каждом из этих белков есть так называемая гемогруппа (сокращенно гем) — сложное многоатомное соединение с атомом железа в центре. Гем осуществляет обратимое связывание кислорода: легко присоединяет его и в нужный момент легко отдает. Имеется гем и в леггемоглобине.

Корреспондент. В какой последовательности ведется расшифровка пространственной структуры белка? Каковы основные этапы этой работы?

Исследователи. Таких этапов два: получение высококачественных кристаллов белка и сам рентгеноструктурный анализ. Оба этапа достаточно трудоемки, занимают многие месяцы, оба они, особенно получение кристалла, включают множество очень ответственных вспомогательных работ, длинные цепочки тонких и точных подготовительных операций. Это, кстати, характерно практически для всех современных биохимических и биофизических исследований…

Корреспондент. Назовите, пожалуйста, некоторые звенья одной такой длинной цепочки… Чтобы можно было хотя бы схематично представить себе, «как это делается»…

Исследователи. Возьмем, к примеру, получение кристалла. Работа началась в поле, началась со сбора клубеньков желтого люпина. Кстати, леггемоглобин существует в клубеньках всего несколько дней: когда растение отцветает, он очень быстро разрушается. Клубеньки сразу же, прямо в поле, замораживались сухим льдом и в дюаровых сосудах доставлялись в лабораторию. Затем начался цикл выделения самого леггемоглобина. Все операции этого цикла перечислить и то трудно. Вот лишь несколько: измельчение клубеньков, центрифугирование, предварительная очистка раствора, очистка раствора от низкомолекулярных соединений с помощью молекулярного сита, разделение белков на несколько фракций с помощью целлюлозных ионообменников, электрофорез одной из фракций с применением молекулярных сит для отделения леггемоглобина от похожих белков. Все эти работы включают вспомогательные химические реакции, контрольные операции. Все они проводятся при температуре 4 °C, чтобы уберечь белок от теплового разрушения. В итоге было получено 2 г чистого леггемоглобина, из растворов которого выращивались кристаллики длиной до 0,5 и даже до 1 мм.

Чтобы вырастить хороший кристалл, нужны месяцы, и здесь тоже есть масса тонкостей и сложностей. Но все это, конечно, так же как и химическая очистка белка, лишь подготовка к главному— к самому рентгеноструктурному анализу…

Корреспондент. Почти как на космодроме — уйма второстепенной, казалось бы, работы, а мелочей нет… Ну а после того, как кристаллический белок получен и на него, наконец, направлены рентгеновские лучи, после этого дело идет спокойнее, проще?

Исследователи. К сожалению, нет. На этом этапе тоже выполняется много ответственных операций. Во-первых, это получение самой рентгенограммы кристалла.

Рентгенограмма кристалла в виде фотографии с большим числом симметричных ярких точек — это лишь вспомогательный документ, иногда контрольный, а иногда просто иллюстративный. Само же рентгенографическое исследование кристалла осуществляется без «посредников», без видимой картинки. Делается это так. Счетчик Гейгера с очень малым входным отверстием тщательна исследует пространство вблизи кристалла, определяет интенсивность рассеянных кристаллом рентгеновских пучков.

С помощью прецизионного механизма счетчик перемещается и «прощупывает» каждый «рефлекс», измеряет его рентгеновскую яркость. Результаты измерений сразу же вводятся в вычислительную машину. Она же, кстати, управляет счетчиком, наводит его на «рефлексы», предсказывает их координаты. Измерения проводятся при разных положениях кристалла, когда рентгеновские лучи падают на него под разными углами. Выполненная нами работа — это первая очередь определения структуры леггемоглобина, которая предусматривала анализ около тысячи «рефлексов» от самого исходного кристалла.

После исследования «чистого» кристалла в некоторые его участки обязательно включаются атомы тяжелых элементов (уран, ртуть), и все начинается сначала. В итоге была измерена интенсивность около 20 000 «рефлексов». Рентгенограмма кристалла С тяжелыми атомами дает дополнительную информацию, совершенно необходимую для последующего вычисления структуры белка. Включение тяжелых атомов — довольно тонкая операция. Кристалл погружают в определенные растворы солей и выдерживают в них довольно долго.

И еще одна особенность: под действием рентгеновских лучей кристалл портится, разрушается. Поэтому, начав работать с каким-нибудь кристаллом и желая выжать из него как можно больше информации, приходится в течение многих суток вести измерения непрерывно, в три смены, как, например, на производстве с непрерывным технологическим процессом.

Корреспондент. Вы назвали выполненную работу первой очередью исследований. Что должна представлять собой вторая очередь? Третья?

Исследователи. Первая очередь работы позволила определить структуру леггемоглобина с разрешением 5 Å. При этом воспроизведена общая архитектура молекулы, конфигурация ее белковой цепи, расположение гема и других основных блоков. Детали с размерами менее 5 Å мы пока не видим. Вторая очередь работы должна улучшить разрешение до 2,8 Å, третья очередь — до 2 Å и менее. В этом последнем случае можно будет воссоздать структуру молекулы вплоть до отдельных атомов. В ведущих лабораториях мира несколько белков уже изучено со столь высоким разрешением, и, думается, нам удастся решить эту задачу для леггемоглобина.

Корреспондент. А что для этого нужно? Чем именно определяется точность детализации модели?

Исследователи. Точность модели определяется объемом измерений дифракционного поля кристалла, т. е. количеством промеренных «рефлексов». Так, например, чтобы получить разрешение 2 Å, нужно измерить интенсивность не менее 100 000 «рефлексов».

Корреспондент. Леггемоглобин — ваш первый белок. Какие мысли и чувства вызывает именно это обстоятельство, именно факт «первости»?

Исследователи. Самые разные. Мы хорошо понимаем, что рентгеноструктурный анализ белков — уже давно признанная методика. И все же полученный результат доставил нам большую радость. Здесь можно продолжить аналогию с космодромом. Бесспорно, самые первые космические свершения занимают совершенно особое место. Именно потому, что они первые, потому, что это шаги в неизвестность. Но и каждый последующий шаг, каждый последующий запуск — второй, десятый, пятидесятый — это тоже непростое, нелегкое дело. И успешное его завершение не может не радовать. И еще: каждый такой запуск имеет свое собственное, самостоятельное значение. Так же, кстати, как имеет свое собственное научное значение и расшифровка структуры леггемоглобина.