Техника - молодёжи 1973-12, страница 13

Так выглядит молекула гемоглобина: четыре белковые цепочки, свернутые и плотно уложенные вокруг красящего вещества — гема. Схемы показывают молекулу с двух разных точек зрения.

боко заинтересовала еще в аспирантские годы. Для понимания поведения молекулы-гиганта, подумал я, надо сначала понять ее структуру. Но я даже не подозревал, что на это уйдет 33 года.

В лабиринтах молекулы-гиганта

Для исследования своей проблемы я применил физический метод — структурный анализ с помощью рентгеновских лучей. К началу 40-х годов он был уже усовершенствован настолько, что можно было определять атомное строение металлов, минералов и простых органических соединений. Но никто не знал, как применить его для расшифровки суперсложных молекул.

Первые 15 лет у меня ушли на поиски подходящего метода. Когда я в конце концов нашел его, то совместно с Джоном Кендрью применил сначала для распознания структуры миоглобина — красного вещества мышц. Оно получает от гемоглобина кислород, накапливает его и направляет в мышцы. За эту работу мы получили в 1962 году Нобелевскую премию по химии. Однако знание молекулярной структуры миоглобина ничуть не помогло мне решить основную проблему. И все же на пути к цели были сделаны первые шаги.

Выяснилось вот что. Молекула гемоглобина состоит из 4 блоков, скомпонованных в шаровидный клубок размерами 65X55X50 ангстрем. Каждый блок представляет собой длинную, причудливо изо гнутую белковую цепочку. Попарно они одинаковы. Две так называемые альфа-цепочки отличаются от двух бета-цепочек и расположением и количеством аминокислотных остатков (141 и 146). Каждая белковая цепочка свернута вокруг окрашенного кольца - - гема. В центре гема находится атом железа. Он присоединен одной стороной к цепочке, другой — к кислородному атому. Если бы все 4 гема располагались близко друг к другу, то можно было бы думать, будто присоединение кислорода к одному из атомов железа влияет на активность соседнего атома (подобно тому как на растущем побеге один листок подталкивает другой).

Принцип «у кого есть много, тому будет дано еще больше» этим можно было бы объяснить. Но коллектив из 4 атомов железа, запрятанных в 4 гемах, действует не так. Гемы размещены далеко друг от друга, в отдельных углублениях поверхности гемоглобино-вой молекулы. В каждом таком углублении с красящим (пигментным) кольцом соприкасается около 60 атомов белковой цепочки. Для непосредственной передачи физико-химических взаимодействий расстояние между темами слишком велико.

Молекула, которая дышит

К решению задачи вел совсем другой путь. В 1962 году мы с Хилери Мюрхейд открыли, что молекула гемоглобина, присоединяя и отдавая кислород, меняет свою форму. Все 4 белковые цепочки поворачиваются, и между ними возникают новые мостики. При этом изменяется на несколько градусов и угол наклона пигментного кольца, а цепочки перемещаются относительно друг друга на 2—3 ангстрема. Таким образом, гемоглобин не просто вместилище кислорода: он дышит. Но и это новое открытие не ответило на вопрос: как же, в сущности, работает молекула-гигант, состоящая почти из 10 тыс. атомов?

Как может случиться, что 4 крошечные кислородные молекулы изменяют форму гиганта из 10 тыс. атомов, наподобие четырех блох, заставляющих слона прыгать? Почему именно присоединение и отдача кислорода меняют форму ге-моглобиновой молекулы?

Причина изменений

Ответ стал мне ясен в начале августа 1970 года, когда мы с коллегами окончательно определили атомную структуру обеих форм гемоглобина венозной и артериальной. В первой атом железа окружен пятью, а во второй шестью атомами. Шестой - это атом кислорода, появление которого сопровождается легким сжатием атома железа. В венозной форме он несколько утолщен и не помещается в центре геминового кольца: так пояс брюк не сходится на животе у слишком располневшего человека.

Присоединяя к себе кислород, атом железа сжимается лишь немного - на 13%, как раз на-

Атомы железа (показаны шариками), входящие в состав гемов (плоские диски), для работы молекулы гемоглобина важнее всех остальных 10 тыс. атомов, входящих в ее состав.

На схеме внизу показана половина гемоглобиновой молекулы. С присоединением к ней кислорода венозная форма молекулы расшатывается, задвижки (изображены желтым цветом) отпираются и белковые цепочки слегка поворачиваются относительно друг друга.