2. Изучение тонкой структуры белков с помощью физико-химических методов

Развитие химических и физических методов в пер­вой половине текущего столетия позволило биохими­кам точнее исследовать крупные молекулы белка, ко­торые, по представлениям ученых, являются основой жизни. Так создалась новая область науки — молеку­лярная биология, сочетающая в себе физику, химию и биологию. Основной задачей молекулярной биологии было детальное изучение тонкой структуры и функ­ций биомолекул.

В 1923 г. шведский химик Теодор Сведберг разработал новый метод определения раз­меров белковых молекул — ультрацентрифугирование. Скон­струированная им ультрацентрифуга представляла собой вращающийся сосуд, который создавал центро­бежную силу, в сотни тысяч раз превышающую силу земного притяжения. Во вращающейся ультрацентрифуге молекулы белка осаждаются, или седиментируют. Молекулярный вес белковых молекул можно определить по скорости их оседания. Так, молекула средней величины, например молекула гемоглобина (пигмент крови), имеет моле­кулярный вес, равный 67 600. Эта величина в 3700 раз превышает молекулярный вес воды, равный 18. Дру­гие белковые молекулы еще крупнее, их молекулярный вес выражается сотнями тысяч единиц. Введена соответствующая единица – константа Сведберга.

Размер и сложность белковой молекулы опреде­ляют размещение на ее поверхности атомов, способ­ных нести электрические заряды. При этом каждому белку свойственно оригинальное расположение поло­жительных и отрицательных зарядов, способное определенным образом изменяться в зависимости от изменения кислотности окружающей среды.

Если раствор белка поместить в электрическое поле, отдельные белковые молекулы начинают двигаться либо к положительному, либо к отрицательно­му электроду со скоростью, обусловленной характером электрического заряда, размером и формой молекулы и т. д. Нет двух белков, которые в любых равных условиях обладали бы одинаковой скоростью. На основе этой закономерности шведский химик Арне Тизелиус, ученик Сведберга, в 1937 г. сконструировал прибор, который состоял из U-образной трубки с белковой смесью, способной перемещаться под действием электриче­ского поля. (Это явление перемещения в электриче­ском поле взвешенных в жидкости частиц называется электрофорезом.) Ввиду того что каждый компонент смеси движется со свойственной ему скоростью, смесь можно постепенно разделить. U-образная трубка со­бирается из особым образом соединенных секций, ее легко расчленить. Благодаря этому каждую составную часть смеси, находящуюся в отдельной секции, можно отделить от остальных компонентов.

Применяя соответствующие цилиндрические лин­зы и используя изменение отражения светового луча при прохождении его через суспендированную смесь (по мере изменения концентрации белков), стало воз­можным проследить процесс разделения смеси. Изме­нение рефракции давало на фотографии волнообраз­ные кривые, по которым можно было вычислить ко­личество каждого белка в смеси. В частности, белки плазмы крови, подвергнутые электрофорезу, были раз­делены на множество фракций, включая альбумин и три группы глобулинов — альфа-, бета- и гамма- — причем фракция гамма-глобулинов содержала антитела. В 40-е годы были разработаны методы промыш­ленного получения различных белковых фракций.

Ультрацентрифугирование и электрофорез зависе­ли от общих свойств молекулы белка. Применение рентгеновских лучей позволило биохимикам исследо­вать внутреннее строение молекулы. Проходя через вещество, пучок рентгеновских лучей рассеивается. Если частицы вещества расположены в строгом по­рядке (как атомы в кристалле), то рассеяние лучей будет также упорядочено. Пучок рентгеновских лучей, попадая на фотопленку после рассеяния кристаллом, даст симметричное расположение точек. На основании такого рисунка можно определить положение атомов в кристалле.

Крупные молекулы нередко состоят из более мел­ких единиц, равномерно расположенных внутри моле­кулы. Это справедливо и для белковых молекул, структурными единицами которых являются амино­кислоты. О расположении аминокислот в молекуле белка можно судить по тому, как рассеивается пучок рентгеновских лучей. Хотя рассеяние луча белками выражено не столь ярко, как рассеяние кристалла­ми, его все же можно использовать для анализа белков. Общая картина пространственного располо­жения аминокислотных единиц была выявлена в на­чале 30-х годов. Выдающиеся исследования амери­канского химика Лайнуса Полинга выявили точное распределение аминокислот в молекуле гемоглобина и пока­зали, что их цепь представляет собой улиткообраз­ную спираль.

По мере того как ученые все глубже проникали в строение белка, они получали все более сложные ре­зультаты рентгеноструктурного анализа. Появилась необходимость в сложных и трудоемких математиче­ских вычислениях, которые были не под силу челове­ческому разуму. К счастью, в 50-х годах была создана электронно-вычислительная машина, способная в кратчайший срок выполнять сложнейшие вычис­ления.

Впервые электронно-вычислительную машину при­менили для изучения витаминов, а именно – витамина B₁₂. Еще в 1926 г. два американских врача, Джордж Майнот и Уильям Мерфи, заме­тили, что регулярное введение печени в диету больных злокачественным малокровием спа­сает их от неминуемой смерти. Они предположили, что это свойство печени обусловлено присутствием витамина. Этот витамин, получивший название B₁₂, удалось выделить только в 1948 г. Его молекула оказалась очень сложной; она состоит из 183 атомов и шести различных элементов. В 1956 г., используя новые физико-химические методы и ЭВМ, группа ученых под руководством шотландского химика-органика Александра Тодда выяснила детальное строение этого витамина. Поскольку среди прочих структур он со­держал цианогруппу, атом кобальта и аминогруппу, витамин получил название цианокобаламина.

Неизбежность применения электронно-вычисли­тельных машин при дифракционном изучении белков стала очевидной. В 1960 г., используя метод дифрак­ции рентгеновских лучей и вычислительные машины, английские биохимики Макс Перутц и Джон Кэндрю смогли дать полную картину строения молекулы миоглобина (мышечного белка, в какой-то степени напо­минающего гемоглобин, но в четыре раза более мел­кого) с точным указанием расположения каждой ами­нокислоты.