Страница 68 из 92
Работы Блоха и его сотрудников позволили выяснить, как из двууглеродной ацетатной группы получаются длинные молекулы с 30 атомами углерода. Была определена последовательность родственных соединений, близких в химическом отношении, но довольно далеких друг от друга в физиологическом плане. Оказалось, что они имеют общее происхождение и представляют собой просто этапы в цепи биосинтезов. Например, ланостерин выделяется из шерсти овец, а родственный ему холестерин широко распространен в крови и тканях человека. В свою очередь холестерин является предшественником желчных кислот некоторых половых гормонов.
Линен, который работал над теми же проблемами, получил аналогичные результаты. Однако наряду с этим он интересовался и клеточным аспектом проблемы, связывая его более тесно с обменом веществ и структурой. Кроме того, Линен показал, как может видоизменяться цепь синтезов, в результате чего вместо стеринов получаются терпены, каучуки и другие вещества. В этих реакциях участвуют и активированные изопреновые молекулы.
Биохимические исследования К. Блоха и Ф. Линена во многом способствовали изучению путей биосинтеза в организме одной биологически очень важной группы соединений. Холестерин давно интересовал медицину, так как его отложение на внутренних стенках кровеносных сосудов ведет к их сужению и закупорке. Проблема снятия этих отложений и поддержания кровеносной системы в должном состоянии все еще остается нерешенной. За исследования обмена холестерина и жирных кислот К. Блох и Ф. Линен были удостоены в 1964 г. Нобелевской премии по физиологии и медицине.
Химия клетки ведет свое начало с середины прошлого века. Одно из первых ее достижений — открытие нуклеиновых кислот. Как говорит само их название, эти кислоты связаны с ядром клетки. Они были открыты в 1869 г. Фридрихом Мишером. Сам он использовал термин «нуклеин», и лишь 20 лет спустя немецкий биохимик Р.Альтман ввел понятие нуклеиновой кислоты.
Свои открытия Мишер сделал, работая в лаборатории известного биохимика Ф. Гоппе-Зейлера. В 1879 г. в этой лаборатории начал исследования нуклеиновых кислот Альбрехт Коссель. Нуклеиновым кислотам и связанным с ними протеинам он посвятил более четверти века. В 80-е годы Коссель, проведя успешные эксперименты по гидролизу нуклеиновых кислот, обнаружил, что они содержат аденин, гуанин, фосфорную кислоту и еще какое-то вещество, подобное сахару. В сущности, он открыл первичную структуру этих сложнейших биополимеров.
В клетке нуклеиновые кислоты тесно связаны с белками, имеющими щелочной характер. Коссель отдал много сил и времени их изучению. Оказалось, что они принадлежат к группе протаминов (которые относятся к простейшим белкам) и гистонов.
Исследования Косселя в биохимии происходили в очень важный для нее период — период ее утверждения как науки. Исследуя такие сложные соединения, как нуклеиновые кислоты и белки, ученый открыл ряд их составных элементов: гипоксантин, аденин, гуанин (являющиеся составными частями нуклеина), а также аминокислотный гистидин. За свои достижения А. Коссель был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине.
В 1936 г. Макс Фердинанд Перуц, молодой австриец, работавший в Кавендишской лаборатории, приступил к исследованию структур гемоглобина методом рентгеноструктурного анализа. Это вещество переносит кислород в кровь и имеет огромное значение для физиологии. Первые рентгенограммы были получены в 1937 г. Объектом исследования служил гемоглобин лошади. Результаты было исключительно трудно интерпретировать, так как они требовали трудоемких вычислений, а ЭВМ тогда еще не существовало. Год за годом Перуц с исключительным терпением продолжал свои эксперименты, поддерживаемый и поощряемый руководителем лаборатории У.Л. Брэггом. В 1953 г. Перуц усовершенствовал метод рентгеноструктурного анализа, что облегчило расшифровку получаемых рентгенограмм. В 1959 г., после более чем двадцатилетней работы, Перуц и его сотрудники смогли наконец продемонстрировать пространственную структуру гемоглобина. В этой работе ему помогали многие ученые. Дж. Бернал научил его, как делать рентгенограммы, а Д. Кейлин, один из крупнейших английских биохимиков нашего века, обеспечил ему доступ в свою биохимическую лабораторию. Крик, Уотсон и Сенгер, будущие лауреаты Нобелевских премий, работали у Перуца и в свою очередь освоили его опыт.
В 1946 г. из английских военно-воздушных сил был демобилизован специалист, участвовавший в разработке радаров. Джои Кендрю, закончивший Кембриджский университет по специальности химика, вернувшись в этот научный центр, начал работать у Перуца. Под влиянием Бернала и Полинга он заинтересовался структурой белков и решил избрать объектом своих исследований небольшую белковую молекулу — миоглобин. Это вещество, родственное гемоглобину, содержится в мышцах. Его молекула, в 4 раза меньшая, чем у гемоглобина, служит своеобразным накопителем для кислорода. Наличием миоглобина объясняется красный цвет мышц. Особенно много миоглобина у морских млекопитающих, которые длительное время остаются под водой и потому нуждаются в большом запасе кислорода в тканях тела; из-за большого содержания миоглобина их мышцы имеют очень тёмный цвет.
Кендрю и его сотрудники, извлекали миоглобин из мяса кашалота и для получения контрастных рентгенограмм обрабатывали его ртутью или золотом. Так как миоглобин имеет сравнительно простую структуру, эта группа довольно быстро добилась успеха — в 1957 г. пространственная структура миоглобина была определена.
В 1962 г. Нобелевские комитеты по химии и по физиологии и медицине приняли решение о присуждении премий ученым, добившимся успехов в определении структуры гигантских биомолекул. Премии по физиологии и медицине были удостоены Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс за определение пространственной структуры ДНК. Лауреатами премии по химии стали Перуц и Кендрю, открывшие структуру гемоглобина и миоглобина.
Все эти исследования проводились методом рентгено-структурного анализа, а для обработки результатов использовались первые, еще несовершенные ЭВМ. Сейчас в распоряжении исследователей имеется значительно более совершенная техника, которая дает возможность значительно ускорить исследование структуры биомолекул. В 1967 г. Д. Филипс определил структуру лизоцима. В те же 60-е годы Уильям Хоуард Стайн, Станфорд Мур и Кристиан Бемер Анфинсен установили структуру рибонуклеазы, за что были удостоены в 1972 г. Нобелевской премии по химии. Процесс этот — чрезвычайно медленный, но только через него можно перейти от молекулярных структур к молекулярным комплексам и клеточным субструктурам и объяснить строение живого существа во взаимосвязи с его функцией. Это одна из важнейших задач биологии будущего.
Дальнейший прогресс в исследовании молекулярных комплексов клетки был достигнут благодаря работам Арона Клуга из Лаборатории молекулярной биологии Медицинского исследовательского центра в Кембридже. Клуг сочетал метод рентгеноструктурного анализа с электронной микроскопией.
Клуг начал работать в Кембридже в 1949 г., здесь он обучился искусству получения рентгенограмм у Розалинд Франклин, внесшей большой вклад в определение структуры ДНК. Желая установить, как нуклеиновая кислота связывается с протеиновыми молекулами, Клуг начал с исследования вируса табачной мозаики. Накопленный при этом опыт оказал ему неоценимую помощь впоследствии, когда ученый стал заниматься хромосомами человека. В частности, он интересовался хроматином, составляющим основу хромосом. Во время деления клетки, когда ДНК хромосом находится в деспирализованном состоянии, хроматин различим в микроскоп. Нуклеопротеиновая структура хромосом очень напоминает вирусы, которыми Клуг уже занимался, что и позволило ему добиться в этой области значительных успехов.
Еще в 1968 г. Клуг применил метод ренгеноструктурного анализа в сочетании с математической обработкой данных на ЭВМ. Впоследствии он освоил электронную микроскопию, повысив разрешающую способность метода до 2,8 Å (ангстрем; напомним, что диаметр атома водорода равен 1 Å). При этом Клуг получал изображения, не пользуясь такими контрастными веществами, как, например, атомы тяжелых металлов.