области карты Рамачандрана. Правда, по мере появления новых экспериментальных пространственных структур белков стало ясно, что некоторые точки попадают и в «запрещенные» области. Но прецедент был создан: было показано, что даже грубые и заведомо неточные расчеты в какой-то степени отражают реальные конформационные возможности белков.
Уточнения модели начались с того, что взаимодействие между парами атомов («пружинка») было представлено в виде функции, зависящей от межатомного расстояния («потенциальная функция»). Эта функция должна была иметь максимум при минимальном расстоянии — когда твердые шарики перекрылись бы, — переходить к нулевому значению на больших расстояниях и иметь слабый минимум где-то в промежутке. Параметры функции зависят от типа пары взаимодействующих атомов и могут быть определены либо эмпирически, по физическим свойствам газов и кристаллов, либо получены из подробных квантовомеханических расчетов.
Эмпирическая потенциальная функция энергии взаимодействия пары атомов, где r — расстояние между атомами, δ — расстояние, меньше которого начинается отталкивание атомов (шарики перекрываются), и ε — минимальное значение энергии
Последний способ, вообще говоря, более оправдан с точки зрения физики, поскольку использует более глубокие уровни строения атомов и молекул. Но неожиданным образом конформационные карты, построенные с использованием квантовых расчетов (по необходимости упрощенных), содержали низкоэнергетические («разрешенные») области, в которые значения углов φ и ψ, найденные в эксперименте, попадали крайне редко. Карты же, вычисленные с помощью эмпирических потенциальных функций, согласовались с экспериментом гораздо лучше.
Это обстоятельство постоянно беспокоило квантовых химиков, работающих с пептидными молекулами, и вызывало их споры с «эмпириками». В середине девяностых я был на небольшом симпозиуме в Иерусалиме, где познакомился с профессором Шнеиром Лифсоном и его учеником Майклом Левиттом (будущим Нобелевским лауреатом). Лифсон был химиком с широким спектром научных интересов, в число которых входило и исследование межатомных взаимодействий в биологических молекулах. В этом направлении работал еще один ученик Лифсона, Арни Хаглер, предложивший, в частности, новый квантовохимический набор межатомных потенциальных функций, не улучшивший, однако, соответствие расчетной конформационной карты и данных рентгеноструктурного анализа. Но это обстоятельство его не смутило: он полагал, что новые экспериментальные результаты — когда-нибудь в будущем — подтвердят расчеты, основанные, в конце концов, на совершенно правильных теоретических соображениях. На этом месте я не удержался и ляпнул сдуру, что как человек, выросший при советской власти, я постоянно слышал рассуждения о теоретической безупречности коммунистического учения, которое должно было привести к светлому будущему — но только вот будущее это все никак не наступало... Аудитория похихикала, но с Арни я с тех пор не виделся и не разговаривал — а ведь когда-то он довольно дружелюбно воспринял идею (так и не осуществившуюся) о моей работе в основанной им компании.
Конформационные карты аминокислотных остатков были получены несколькими группами в разных странах на основе различных типов эмпирических потенциальных функций. Наша группа использовала слегка модифицированные потенциалы, предложенные Валерием Григорьевичем Дашевским, соратником известного кристаллографа Александра Исааковича Китайгородского. И хоть нам приходилось придумывать всякие программистские трюки для ускорения процесса счета на электронно-вычислительной машине «Минск-22» и дежурить при ней по ночам — техника безопасности: а вдруг загорится? — процесс пошел. Первым результатом была карта, на которой все значения внутримолекулярной энергии оказались равны нулю. Но нас обрадовало и это, потому что количество нулей было правильное — сто сорок четыре, двенадцать на двенадцать, перебор всех пар значений углов с интервалом в тридцать градусов. «День первых нулей» мы отмечали впоследствии как свой профессиональный праздник по образцу Дня танкиста или Дня работника пищевой промышленности. А когда ошибку исправили, рассчитанные нами карты в основном совпали с картами других исследователей из США, Италии, Бельгии, Индии и Советского Союза. Мы стали членами клуба.
Салат «Брадикинин»
Конформационные карты аминокислотных остатков были хорошим началом — они не противоречили уже имеющимся экспериментальным данным. Но ценность любой теории не столько в умении объяснить уже известное, сколько в возможности успешно предсказать результат эксперимента. В этом, собственно говоря, и заключается основная цель драг-дизайна — предсказать биологические функции молекулы еще до проверки их на практике.
Функции молекул в клетке, особенно пептидных и белковых, зависят от их пространственных структур. Если теоретический конформационный анализ научится надежно предсказывать такие структуры, значительный (и необходимый!) шаг на пути к направленному драг-дизайну пептидных биорегуляторов будет сделан. Членам интернационального клуба конформационных карт это было очевидно с самого начала — но их останавливала тогдашняя неполнота физических моделей молекул, начиная с неточности потенциальных функций межатомных взаимодействий и еще более приблизительного учета взаимодействий с растворителем. Отважиться на проведение конформационного расчета полной молекулы реального пептида с тем, чтобы найти все его стабильные конформации, могли лишь авантюристы. И такие появились — в нашем лице.
Объектом исследования был выбран брадикинин, линейный пептид с последовательностью из девяти аминокислот. Брадикинин расслабляет сосуды и тем самым снижает давление крови; он же участвует в биохимических реакциях при воспалениях и проявлениях боли. Нас, однако, привлекли не его биологические свойства, а сравнительно ограниченные конформационные возможности его пептидного остова.
Рассчитанные заранее конформационные карты показали, что полный конформационный расчет брадикинина должен проанализировать как минимум пятьсот семьдесят шесть пространственных структур пептидного остова; для девятичленного пептида иной последовательности их могло бы быть порядка двадцати тысяч. Пять-шесть сотен — это тоже очень много: ведь каждую из таких конформаций следовало выбрать как начальную точку расчета межатомной энергии. Между тем при наших вычислительных ресурсах этот процесс занимал несколько часов лишь для одной конформации брадикинина. Позволить себе десятки, а то и сотни суток непрерывного счета мы не могли.
Вместо этого пришлось придумать новое упрощение — предположение, что взаимодействия аминокислот, отдаленных в пептидной последовательности друг от друга, менее влияют на конформационную стабильность молекулы в целом, чем взаимодействия отдельных фрагментов, входящих в эту последовательность. Иными словами, в первом приближении можно попытаться составить возможные конформации молекулы брадикинина, комбинируя наборы стабильных конформаций его фрагментов, — а рассчитать энергии этих наборов гораздо легче. Таким способом можно также удлинять цепочку: начать, например, с тетрапептида 1-4, затем скомбинировать его низкоэнергетические конформации со стабильными структурами тетрапептида 2-5 и провести расчет конформационных энергий пентапептида 1-5, потом добавить конформации фрагмента 3-6 и так далее. Для молекул белков, где пространственная структура зачастую определяется взаимодействиями остатков, далеко отстоящих друг от друга в аминокислотной последовательности, этот подход не годится; но для сравнительно небольших пептидов он может быть правомерен.
Полный конформационный расчет брадикинина показал возможность существования всего нескольких низкоэнергетических конформаций молекулы. Все они характеризовались резким изломом в центре пептидного остова;
