В просторы космоса, в глубины атома [Пособие для учащихся]
Шрифт:
Вполне вероятно, что кто-нибудь захочет подробно описать жизнь Гулливера в Лилипутии атомного века, углубить аналогию между его исследованиями лилипутской техники и нашими исследованиями невидимых машин микромира — атомов и молекул. Сюжет новых похождений знаменитого путешественника можно, разумеется, строить по-разному, но один элемент в него нужно ввести обязательно — нужно, чтобы судьба Гулливера каким-то образом зависела от его исследовательских успехов. Ну, скажем, так. На Гулливера готовится покушение, и чтобы сорвать его, нужно достаточно быстро разобраться в системе подрыва минных полей, окружающих жилище путешественника. Только подобный сюжетный ход может сделать нашу аналогию правдоподобной по самому важному показателю — по значимости результатов, полученных исследователями, потому что с инженерии машин-атомов и машин-молекул начинается точная наука
Контуры невидимки
Точный физический метод — рентгеноструктурный анализ — помогает расшифровать структуру сложнейших биологических объектов — белковых молекул.
Где-то в середине XVII в. в мире произошло событие, точнее, целая цепочка событий исключительной важности. Они, к сожалению, не вошли в школьные учебники, хотя, нужно думать, повлияли на судьбы цивилизации не меньше, чем восьмой крестовый поход или война Белой и Алой розы. Главный участник этих событий — Антони ван Левенгук из Амстердама, торговец и муниципальный служащий (основная профессия), оптик и натуралист (хобби). С помощью очень сильных самодельных линз — некоторые из них давали увеличение в 300 раз — он увидел живые клетки, бактерии, волокна стебля пшеницы, элементы крови. Одним словом, увидел невидимое.
В эти слова — «увидел невидимое» — нужно вдуматься. Они из той же хартии человеческого могущества, что и «поднялся в воздух», «ввел книгопечатание», «изобрел радио», «расщепил атом», «вышел в космос». Именно это «увидел невидимое» прорубило человеку окно в скрытый от него «по условию» огромный и удивительный микромир. Именно с этого «увидел невидимое» начались многие великие достижения современной физики, химии, биологии, медицины.
Невооруженным глазом можно видеть предметы размером до 0,1 мм. Микроскоп позволяет рассмотреть детали с размерами примерно до 0,0002 мм, т. е. до 2000 A (ангстрем), но не меньше: оптический прибор просто не может четко воспроизвести более мелкие детали. Световые волны просто не замечают эту мелочь, огибают ее, подобно тому как морская вода без труда перекатывается через мелкие прибрежные камни. Поэтому дальнейшее продвижение в область невидимого, за рубеж 2000 A стало возможным только потому, что исследователи заменили свет более коротковолновыми потоками (для мелкой ряби на воде и маленький камушек — препятствие) и разработали удивительно остроумные методы прощупывания невидимых объектов невидимым лучом с последующим колоссальным — в десятки и сотни тысяч раз — увеличением «картинки».
Один из таких методов — рентгеноструктурный анализ, созданный трудами многих выдающихся физиков и позволяющий в мельчайших подробностях увидеть детали кристаллов. Сущность метода: на кристалл направляют рентгеновские лучи; детали кристалла — молекулы, атомы — рассеивают их; в пространстве вокруг кристалла образуется сложная волновая картина; там, где рассеянные волны суммируются, появляются так называемые рефлексы — пучки с высокой рентгеновской яркостью; координаты «рефлексов» и их яркость в итоге зависят только от расположения деталей кристалла; измерив яркость и координаты «рефлексов», можно вычислить структуру кристалла, построить его точную модель.
В принципе происходит примерно то же, что и при образовании изображения в микроскопе. И здесь, и там есть источник излучения — в одном случае свет, в другом — рентгеновские лучи. И здесь, и там изображение строится из лучей, которые рассеивает наблюдаемый объект. Но в микроскопе «картинку» строят линзы, а для рентгеновских лучей линз не существует, и их роль берет на себя вычислительная машина. Благодаря очень короткой длине волны рентгеновского излучения — около 1 A — этот метод позволяет увидеть даже отдельные атомы. Более того, с помощью рентгеноструктурного анализа можно получить не плоскую, а трехмерную картину, воспроизвести пространственную структуру кристалла.
Настоящим триумфом рентгеноструктурного анализа стала расшифровка структуры белков, из которых предварительно выращивали кристаллы (для того, чтобы можно было применить рентгеноструктурный метод). Кристаллы эти чрезвычайно сложны, ибо сложны сами белковые молекулы, они состоят из тысяч и десятков тысяч различных атомов. Первые работы по расшифровке структуры белка миоглобина выполнили около 30 лет назад английские биофизики
М. Перутц и Дж. Кендрью. Эти работы были отмечены Нобелевской премией, они открыли новую страницу в молекулярной биологии. Уже через несколько лет в лабораториях мира рентгеноструктурными методами был изучен и ряд других белковых молекул.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.