Беседы о жизни - Галактионов Станислав Геннадиевич

Уже рассчитаны структуры нескольких биологических пептидов — этаких сверхминиатюрных белочков, по «белковым» меркам просто обрывков: 3, 8, 9, 10 остатков… Но ведь это уже молекулы, содержащие до полутора сотен атомов! Расчет каждого такого соединения был очень труден, временами, казалось, выполнялся на пределе возможностей теоретического конформационного анализа, но, самое главное, давал верные результаты, соответствующие имеющейся экспериментальной информации о пространственной структуре молекулы. Даже в этих сравнительно простых случаях решить задачу простым перебором всех мыслимых конформаций оказалось невозможным — слишком уж велико их число. Зато удалось установить некоторые способы исключения из рассмотрения части структур, в отношении которых можно с уверенностью утверждать, что они не могут войти в число наиболее стабильных.

Словом, как пишут журналисты, специализирующиеся на производственной тематике, накоплен большой положительный опыт, и можно надеяться, что рано или поздно конформаторы разрешат проблему «молекулярно-биологических» чисел. В конце концов, удается же карточному шулеру средней руки составить нужную ему в данный момент игры комбинацию из 52 карт колоды, а ведь для полного перебора всех возможных комбинаций из 52 карт требуется не менее 1068 операций (по оценке У. Эшби, виднейшего английского кибернетика, который в соответствии со своими профессиональными склонностями называет числа такого порядка комбинаторными). Конечно, конформаторам, за плечами которых всего несколько лет исследований, далеко до шулеров, опирающихся на многовековой опыт своей почтенной специальности, но ведь лиха беда начало…

Что ж, подумает иной читатель, конформатор — профессия, может быть, и впрямь хорошая, да уж больно хлопотная. Шарахнулся из огня квантовой механики — попал в полымя другой, тоже малообнадеживающей задачи. И вообще в разговорах на эти темы слова «расчет», «задача» постепенно становятся доминирующими, и все реже вспоминается конечная цель, ради которой весь этот расчет затеян. А ведь интересуют-то нас проблемы не вычислительные, а молекулярно-биологические.

Увы, эти упреки не лишены оснований. Действительно, чем дальше мы говорим о попытках расчетных подходов к определению третичной структуры белка, тем больше приходится упоминать о делах чисто вычислительных, то есть отвлекаться проблемами, не относящимися к существу дела. Наверное, и в самом деле будет уместным ограничиться тем, что мы уже рассказали, ибо смысл, основа подхода уже ясны, а решающие успехи, как ни больно в этом признаваться, еще не достигнуты. Многое сделано на этом пути, многое делается именно сейчас, и у нас, конформаторов, как будто нет оснований сомневаться, что расчет третичной структуры белка рано или поздно осуществить все же удастся.

И тем не менее наше повествование о конформаторах и их усилиях на поприще поисков третичной структуры еще далеко не закончено. Конечно, сравнительно корректному физическому расчету в попарно-аддитивном приближении, не говоря уже о квантовохимических расчетах, такая задача пока недоступна. Но это еще вовсе не повод для того, чтобы сидеть сложа руки у безбрежного моря конформаций (напоминаем: 10100) и ждать подходящей вычислительной погоды. Возможно, имеет смысл попытаться нащупать пути разрешения проблемы с помощью более грубых или эмпирических приемов.

Например, совсем недавно прогнозы погоды, выдаваемые профессионалами-метеорологами на вполне научной основе, доставляли гораздо больше удовольствия любителям непритязательных острот, чем людям, которых действительно интересовало, какая же погода будет завтра. Метеорологи ссылались на те же трудности, что ныне конформаторы: в принципе они могут составить уравнения, описывающие развитие атмосферных процессов с очень большой точностью, и даже на срок, значительно превышающий сутки, но какой от этого прок, если их решение требует такого объема вычислений, что точное предсказание погоды на завтра будет получено через недели, месяцы или даже годы!

В самое последнее время положение метеорологов резко улучшилось благодаря широкому применению ЭВМ, хотя любители позлословить насчет эффективности радио- или телепрогнозов погоды все еще не испытывают недостатка в удобных поводах. Продолжая начатое сравнение, мы будем, однако, иметь в виду не современную метеорологию, а метеослужбу, скажем, начала века и вообще прошлых лет, когда ни о каком использовании ЭВМ не было и помина, а досадные ошибки в прогнозах случались намного чаще.

Люди, интересующиеся прогнозами погоды вовсе не по причине праздного любопытства, — моряки, земледельцы, путейцы, — конечно же, нередко страдали от таких ошибок; поэтому даже самые просвещенные из них, не чуждые метеорологической науке, тем не менее охотно пользовались советами бывалых людей, «методы» которых на первый взгляд могут вызвать лишь улыбку; «грач в феврале прилетел — будет дружная весна», «ласточки низко летают — к дождю», «красный закат — значит, похолодает» и т. п. И это еще, можно сказать, точно формулируемые признаки сравнительно с такими, как «поясницу ломит — быть грозе», или просто «чую, сынок, чую»…

Конечно, собрание всяческих подобных этим примет не заменяло научной метеорологии, но как часто они оказывались полезными в тех случаях, когда метеорология была беспомощна!

Точно так же и молекулярные биологи, с надеждой и сочувствием следившие за усилиями конформаторов, пытавшихся нащупать подходы к расчету третичной структуры белка в попарно-аддитивном приближении, начали убеждаться, что ждать придется еще долго.

В то же время для очень многих целей часто нужно было иметь хоть какое-нибудь представление о третичной структуре белков, для которых известна только аминокислотная последовательность. Пусть даже это будет описание очень приближенное, указывающее лишь на какие-то основные элементы пространственной организации глобулы. Пусть методы, используемые для такого предсказания, окажутся эмпирическими, не вполне надежными. Но если они хоть как-то будут «работать», позволяя хотя бы в самом первом приближении читать аминокислотную последовательность на языке пространственной структуры молекулы, — это все же намного лучше, чем ничего!

Вот одна из простейших, казалось бы, проблем: как на основании первичной структуры белковой молекулы ответить на вопрос о том, имеет ли ее глобула (этот термин также используют, говоря о пространственной структуре) округлую форму, близкую к сферической, или несколько вытянутую, скажем, сигарообразную? Оказалось, что приближенный ответ на этот вопрос возможен на основании очень простых рассуждений, которые мы сейчас воспроизведем, пояснив лишь предварительно необходимый для этого новый термин: прилагательное «гидрофобный». С этим понятием связаны некоторые физико-химические эффекты, весьма важные для формирования и существования белковой глобулы.

Части читателей, возможно, появление этого термина в таком контексте покажется странным: как известно, гидрофобия, или водобоязнь, — научное медицинское название бешенства, и словосочетание «гидрофобные взаимодействия», которое появится чуть ниже, вызывает необычные ассоциации.

Но речь пойдет о водобоязни совсем иного рода: о хорошо знакомом каждому из нас «нежелании» жирных веществ смачиваться водой. Физическая природа этого явления вкратце такова. На поверхности контакта воды с жиром в прилегающем водном слое образуется упорядоченная, так называемая «льдоподобная» структура. Известно, что образование льда — процесс, требующий затраты энергии; с другой же стороны, как мы помним, всякая система стремится занять положение, которому соответствует наименьшая энергия. В рассматриваемом случае это означает стремление всемерно ограничить поверхность контакта воды с жирным или — давайте начнем пользоваться введенным термином — гидрофобным веществом.