Познание деталей пространственной структуры белка — ключ к пониманию и расшифровке многих важных его функций. Неудивительны поэтому настойчивые попытки создать надежные методы исследования белка, позволяющие заглянуть в глубь его молекулы. Создание таких методов в 50-х годах и их развитие было торжеством взаимодействия биологии с химией и физикой, а также математикой. Важную роль сыграло применение быстродействующих электронных вычислительных машин, так как без их использования невозможно было бы применить разработанные теоретиками методы расчета экспериментальных данных. Начало этих исследований, основанных на использовании метода рентгеноструктурного анализа, было положено в Германии Р. Герцогом и В. Янке и в Англии Д. Берналом и У. Астбери в 20—30-х годах. Решающий успех был достигнут лишь в начале 50-х годов в Кембридже Д. Кендрью и М. Перутцем.
Первые рентгенограммы были получены для фибриллярных белков. У. Астбери предположил, что вдоль оси их волокон атомы молекул расположены в определенном порядке, и пропустил в этом направлении рентгеновские лучи. Картина дифракции лучей отдаленно напоминала стрелковую мишень. Затем были получены рентгенограммы с достаточно четкими рефлексами, на основании которых можно было строить модель белка. Для глобулярных белков решение подобных задач неимоверно усложняется по сравнению с анализом любого самого сложного кристалла неорганического соединения: трудно получить кристаллы белков, трудно сделать удовлетворительные рентгенограммы, еще труднее измерить рефлексы и построить модель.
Впервые анализ третичной структуры белка с помощью рентгеноструктурного метода был выполнен уже в 1957 г. Д. Кендрью при разрешении 60 нм. Первым белком, который удалось увидеть «со стороны», был миоглобин кашалота. Этот белок родствен гемоглобину, но последний служит для переноса кислорода, а миоглобин — для накопления его в тканях китов. Именно этот «запасной» кислород позволяет китам долго находиться под водой.
Вскоре М. Перутц определил конфигурацию гемоглобина при разрешении 55 нм. Первые модели показывали лишь полипептидные цепи в пространстве. Увидеть отдельные аминокислотные остатки еще не удавалось. Лишь когда разрешение было доведено до 20 нм (это сделал Д.Кендрью), удалось полностью определить положение отдельных атомов в молекуле и показать истинную третичную структуру белковой молекулы.
В настоящее время методом рентгеноструктурного анализа изучено и изучается большое число белков. Созданы уникальные установки для анализа: они не только осуществляют измерения, но и обрабатывают полученные данные и выдают готовые заключения о строении молекул или их фрагментов. Они могут также корректировать ход исследования с помощью заложенных в их вычислительные устройства программ. В Советском Союзе выполнен ряд важных работ. Под руководством Б. К. Вайнштейна установлена структура леггемоглобина и ряда других белков.
В начале XX в. начались исследования не только белков, но и другого важного класса биополимеров — нуклеиновых кислот. Когда начали изучать нуклеиновые кислоты, мало кто думал, что это приведет к расшифровке строения «молекул наследственности». И хотя еще Ф. Мишер, открывший нуклеиновые кислоты в 1868 г., предполагал, что они связаны с процессом оплодотворения, все гипотезы подобного рода были забыты. Нуклеиновые кислоты стали рассматривать как вещества, с помощью которых в организме накапливается фосфор.
|