Беседы о жизни - Галактионов Станислав Геннадиевич

До поры до времени авторы не намерены отвечать на вполне закономерный вопрос: как же все-таки происходит отбор стереоизомеров аминокислот при синтезе белков? Пока мы ограничимся лишь очередным намеком на то, что объяснение следует искать все там же: в удивительных свойствах ферментов, которые строжайшим образом контролируют любую химическую реакцию в организме, в том числе и синтез своих собственных молекул. И ключ к познанию этих свойств, информация, необходимая белку для выполнения его чрезвычайно важной биологической роли, заложена не в химическом составе молекулы белка (иначе не возникало бы проблемы неодинаковости L- и D-изомеров) и даже не в чередовании аминокислотных остатков, а в трехмерной, пространственной структуре белковой глобулы.

Переход от «обычной» структурной формулы к пространственной структуре молекулы белка — это не просто очередной этап биологического кодирования, передачи генетической информации. Это, помимо прочего, преобразование информации в принципиально иную форму — из «линейной» (чередование нуклеотидов в ДНК и РНК, аминокислотная последовательность белка) в «трехмерную».

Впрочем, пока мы совершенно не готовы к беседе на эту тему. Например, заметили ли читатели, что до сих пор мы избегали разговора о характере пространственного расположения заместителей у атома азота? Вообще говоря, в большинстве соединений трехвалентного азота заместители располагаются у основания пирамиды, в вершине которой расположен атом азота. Однако всякому человеку, мало-мальски знакомому с химией, известны коварство и непостоянство азота. То он, видите ли, двухвалентный, то пятивалентный, то почти полностью инертный, то агрессивный… В вопросах пространственной организации этот элемент также остается верен себе: иногда, как упоминалось, для него свойственно пирамидальное расположение заместителей, иногда — какое-то другое. А ведь атом азота входит в основную цепь белковой молекулы, и, чтобы иметь возможность что-то сказать о ее пространственном строении, просто необходимо точно знать, какую же форму расположения заместителей соизволил азот выбрать в этом случае…

Выше мы всюду говорили о способах расположения заместителей вокруг того или иного атома просто как об известном факте. Действительно, каждый из этих способов подтвержден экспериментальными методами, например, рентгеноструктурным анализом. Однако те же закономерности получаются и чисто расчетным путем на основе строгой квантовомеханической теории, то есть могут быть объяснены на основе самых общих физических законов.

Вот наконец проявилась (в первый, но далеко не в последний раз) проклятая особенность молекулярной биологии как «стыковой» научной дисциплины; для начала, как выясняется, необходим контакт с квантовой механикой. Случай, впрочем, не самый тяжелый, ибо на первый вопрос, поставленный молекулярной биологией, квантовая механика могла ответить с большой легкостью (просто потому, что ответ на него был ей во многом известен задолго до возникновения самой молекулярной биологии).

Конечно же, совершенно немыслимо пытаться излагать основы квантовомеханической теории строения молекул походя (а ведь на это толкает авторов неумолимая логика общего плана книги). Нам остается лишь скороговоркой повторить несколько самых общих ее положений.

Одна из наиболее заурядных особенностей квантовой механики состоит в том, что если на вопрос, где в атоме расположено его ядро, еще можно хотя бы приблизительно ответить: «В центре», то уж указать, в какой точке объема, занимаемого атомом, расположен некоторый электрон, невозможно никаким образом. Он, как известный дух из поэмы великого персидского поэта Фирдоуси, в каждый момент времени находится «здесь и не здесь».

Каждый атом состоит, таким образом, из положительно заряженного ядра и отрицательных электронных «облаков» вокруг него. Кстати, во многих научных дисциплинах, основанных на квантовой механике, термин «электронные облака» пишется без всяких кавычек.

Форма «облака» вокруг ядра не обязательно похожа на шар; напротив, в большинстве случаев протяженность «облака» в различных пространственных направлениях резко неодинакова. Именно с этим и связан факт различной пространственной ориентации валентных связей вокруг того или иного атома, входящего в состав молекулы. Дело в том, что образование валентных связей между атомами очень часто (хоть и не всегда) происходит так: электронные облака двух разных ядер сливаются в одно, охватывающее оба ядра.

Но вот наконец валентная связь оказывается сформированной: ядра атомов устанавливаются на некоем фиксированном расстоянии друг от друга. Расстояние это обычно очень невелико и в зависимости от типа валентной связи колеблется от 1 до 2 ангстремов — стомиллионных долей сантиметра. Длины связей между ядрами данного типа могут в принципе меняться от молекулы к молекуле, но, как правило, незначительно: не более чем на несколько сотых ангстрема.

Объяснить процесс образования валентной связи без квантовой механики совершенно невозможно: чего стоит одно лишь перекрывание электронных облаков, которые, будучи заряжены одноименно, как будто должны отталкиваться! Но, с другой стороны, любая химическая реакция, в сущности, есть не что иное, как разрыв одних валентных связей и образование новых.

Стало быть, все грандиозное здание химии, построенное трудом десятков поколений ученых, начиная от длинноволосых и бородатых алхимиков в черных, усеянных звездами колпаках и кончая длинноволосыми и бородатыми аспирантами середины 70-х годов нашего века, стояло бы без квантовой механики на курьих теоретических ножках? И нынешнее основание этого здания — квантовая химия — сохранило слово «химия» в названии только как дань традиции? Может быть, и нет вовсе никакой теоретической химии, даже квантовой, а есть квантовомеханическая (читай — физическая) теория образования и распада молекул?

Много подобных провокационных вопросов может задать проницательный читатель, особенно если он связан с химией по роду своей деятельности… Мы уклоняемся от более детального разговора на эту тему, но если у читателя появится все же желание самостоятельно разобраться в основах квантовомеханической теории строения молекул, почти наверняка ему придется начать свое образование с проработки классического труда «Природа химической связи», первое издание которого появилось еще в 1940 году. Его автором является американский ученый Л. Полинг — один из творцов современной квантовой химии.

Можно считать, что научному направлению, которое впоследствии стало называться молекулярной биологией, сильно повезло: самый ранний этап исследования пространственной структуры белковых молекул возглавил именно Л. Полинг. В самом деле, кому же, как не ему, автору целого ряда сложных и изощренных теорий, было взяться за объяснение валентного строения «нетипического» атома азота из остова белковой цепи и весьма вскоре получить это объяснение. Л. Полинг показал, что азот, входящий в состав пептидной группы — а это, как мы помним, элементарный фрагмент остова белковой цепи, — образует с атомом углерода соседнего остатка очень странную валентную связь: не одинарную, не двойную, но как бы промежуточную. А отсюда — очень важное следствие: плоскостное расположение заместителей у атома азота пептидной группы — повторяющегося элемента белковой цепи. Тем самым все атомы пептидной группы лежат в одной плоскости, причем Л. Полинг показал также, что атомы O и H находятся по разные стороны от связи C―N. Наконец он сам подтвердил такое строение пептидной связи экспериментально, с помощью рентгеноструктурного анализа, и указал точные размеры длин отдельных связей и значения валентных углов.

Тем самым был сделан первый шаг в исследовании пространственного строения белковой молекулы. Конечно, далеко не семимильный, но совершенно необходимый. А кроме того, сделан он был человеком, вовсе не намеревавшимся ограничиваться одним шагом.