проявляли многие свойства белков, но из этого отнюдь не следовало, что именно белки обладают каталитическими свойствами ферментов. Многие специалисты, включая такого авторитетного ученого, как лауреат Нобелевской премии Рихард Вильштеттер, считали, что белки выполняют лишь функцию носителя для “истинного энзима” – небольшой каталитически активной молекулы. На фоне белка такая молекула выглядела незначительной примесью, что объясняло, по мнению этих специалистов, трудности ее обнаружения и идентификации.
В сущности, дело сводилось к чистоте ферментных препаратов и к вопросу о том, представляют ли они собой индивидуальное соединение или смесь двух веществ – белка и энзима. На этот случай у химиков есть простой и надежный тест: чистые вещества в большинстве своем образуют правильные кристаллы, если же вещество не кристаллизуется ни при каких условиях, то это почти наверняка смесь различных соединений. Так вот, в начале XX века были получены кристаллы многих известных на тот момент белков, но ни одного – фермента. Тут было о чем призадуматься.
То, что многим уже казалось невозможным, удалось американскому биохимику Джеймсу Бетчеллеру Самнеру (1887–1955). Он потратил несколько лет жизни на улучшение методик очистки фермента уреаза и на попытки закристаллизовать его. И он сделал это! Самнер получил препарат индивидуального вещества, которое по всем показателям было белком и при этом проявляло ферментативную активность. Это было действительно принципиальное открытие, после которого картина белкового мира обрела законченный вид: белки были строительными блоками живых организмов, они были ответственны за передачу наследственных признаков (так тогда полагали) и осуществляли все жизненно важные процессы, в общем, белки были квинтэссенцией мира живой природы. Неудивительно, что Самнер за эту работу получил в 1946 году Нобелевскую премию по химии.
Следствием этого объединения стало то, что ферменты на какое-то время отошли на второй план. Сначала надо было разобраться с внутренним устройством белков, а уж потом приниматься за их более сложных братьев. Об этом устройстве даже в 1930-е годы было известно крайне мало. Большинство ученых, основываясь на работах Фишера и Штаудингера, сходились в том, что белки – это полимерные молекулы, составленные из фрагментов аминокислот, соединенных пептидной связью. Доподлинно знали только состав белков – все известные на тот момент белки состояли из двадцати различных аминокислот. Оценки молекулярного веса белков показывали, что общее число аминокислот в различных белках может составлять десятки, сотни и даже тысячи. Это все.
В какой последовательности соединены аминокислоты в белке? Да и есть такая строго определенная последовательность? Как бы изобретательна ни была Природа, осуществить такую точную сборку из тысяч строительных блоков даже ей не под силу, считали многие ученые. Так, может быть, все дело в соотношении различных аминокислот в белке? Но почему небольшие различия в этом соотношении приводят к получению белков с совершенно разными свойствами? И чем вообще обусловлены уникальные и разнообразные биологические свойства белков – молекул чрезвычайно простых с химической точки зрения? Ответить на все эти вопросы было не под силу одному человеку, даже гениальному. Впрочем, без гениев дело не обошлось. О двух из них я расскажу.
Подчиняясь логике ответов на вопросы, начну с более молодого.
Биография Фредерика Сенгера по-своему уникальна. В его жизни не было нужды и лишений, мучительных поисков своего призвания, многократной смены видов деятельности, места жительства и жен, непризнания его открытий и травли со стороны завистливых коллег. Его жизнь – прямая как рельса, эталон “нормальной”, с точки зрения большинства людей, жизни, ее стоит описать хотя бы ради того, чтобы как-то уравновесить все остальные “ненормальные” биографии. И, конечно, потому, что Фредерик Сенгер – единственный в истории лауреат двух Нобелевских премий по химии.
Родился он в 1918 году в Англии во вполне благополучной и обеспеченной семье. Вскоре после этого его отец, практикующий врач, ударился в квакерство {7} , что наложило неизгладимый отпечаток не только на воспитание, но и на всю жизнь Фредерика. В 1936 году Сенгер поступил в престижный колледж Св. Иоанна в Кембридже (в этом городе он живет и поныне). Окончил колледж в числе лучших в 1939 году, на следующий год женился. Тут его жизнь, как и жизнь всех современников, чуть было не пошла наперекосяк из-за разразившейся Второй мировой войны, но он был квакером и имел по закону право отказаться от несения воинской службы. Он и отказался, а в 1943 году защитил диссертацию по биохимии.
В сущности, первое же самостоятельное научное исследование принесло Сенгеру всемирную славу. Он установил точное строение одного из белков – бычьего инсулина. Почему был выбран именно инсулин? Во-первых, в то время уже понимали роль инсулина при диабете, во-вторых, бычий инсулин был одним из немногих белков, доступных в чистом виде, и, наконец, это был самый маленький из известных белков – как выяснилось, он состоял всего из 51 аминокислоты {8} .
Сенгер придумал, как определить последовательность аминокислот в белке. Для этого он “разрезал” его на фрагменты – олигопептиды, состоявшие из небольшого количества аминокислот. Сделать это можно с помощью гидролиза кислотой или все тех же ферментов, выполняющих аналогичную роль в организме. Затем Сенгер разделял между собой и идентифицировал все эти фрагменты. У химиков для этого есть универсальный прием – сравнение с эталоном, специально синтезированным веществом с известной структурой. Понятно, что из двадцати различных аминокислот можно составить огромное количество, например, трипептидов (203=8000), но делать было нечего, пришлось синтезировать. И это было только первым этапом. Давайте представим, что каждая аминокислота обозначается своей буквой, и после анализа мы получили фрагменты
Он установил, что инсулин состоит из двух полипептидных цепочек, составленных из 30 и 21 аминокислот, соединенных между собой двумя дисульфидными мостиками. Из его данных также следовало, что аминокислоты в белке располагаются в строго определенной последовательности, а не хаотически. Кроме того, разработанный им метод был универсален и мог быть использован для установления строения любого белка. По проторенной дорожке анализ делался намного быстрее, и вскоре было установлен еще один принципиальный факт – каждый белок характеризуется уникальной аминокислотной последовательностью.
Это был подлинный прорыв и триумф. В 1958 году Сенгер получил свою первую Нобелевскую премию по химии. Как признавал сам Сенгер в автобиографии, столь быстрое признание немало помогло ему в жизни. Звание нобелевского лауреата дает всякие приятные привилегии: не надо заботиться о хлебе насущном и заниматься преподаванием, можно забыть о всяческих нудных административных обязанностях и полностью сконцентрироваться на науке или почивать на лаврах, это кому как нравится. Сенгер был довольно молод и выбрал занятия наукой.
В это время он перешел работать в кембриджскую Лабораторию молекулярной биологии вместе с Максом Перуцем (1914–2002), Джоном Кендрю (1917–1997), Аароном Клюгом (род. в 1926 г.) и Фрэнсисом Криком (1916–2004), все сплошь свежеиспеченные или будущие нобелевские лауреаты. Наступала эра ДНК, и вполне естественно, что интересы Сенгера сместились в эту область. Тем более что первостепенная задача там была все той же – установление точной последовательности нуклеотидов в цепи. Поначалу Сенгер использовал подход, столь успешно зарекомендовавший себя при исследовании белков, но по мере развития работ он внес в него много принципиальных изменений и усовершенствований. Сенгер упустил приоритет в анализе РНК, но восполнил потерю при анализе ДНК. Руководимой им группе удалось впервые расшифровать структуру ДНК бактериофага (5386 нуклеотидов), а затем митохондриальной ДНК человека (16 569 пар оснований). Разработанные Сенгером методы
Сенгер ответил на вопрос о последовательности аминокислот в белках, сейчас мы называем это первичной структурой белка. Но еще до исследований Сенгера было понятно, что первичной структурой дело не ограничивается, должна быть как минимум еще одна, вторичная структура. Вытекало это из простого наблюдения: белки при нагревании денатурируют, буквально – теряют свою природу, свои свойства, причем необратимо, безвозвратно. Пептидные связи в
