кольцо.
Разнообразие аминокислот, из которых образуются природные пептиды, не так уж велико: подавляющее большинство пептидов состоит всего из двадцати типов мономеров. Инструкция по включению в пептидную цепь именно этих двадцати аминокислот записана в молекулах нуклеиновых кислот, обеспечивающих передачу всей генетической информации об организме от поколения к поколению.
Нуклеиновые кислоты представляют собой, как уже говорилось, очень длинные полимеры, построенные из мономеров нуклеотидов. В свою очередь, нуклеотиды состоят из оснований, присоединенных к сахарам одного из двух типов — рибозы и дезоксирибозы. Именно сахара образуют полимерную цепочку — или из рибозы (рибонуклеиновая кислота, РНК), или из дезоксирибозы (дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК). Особые биохимические механизмы «прочитывают» каждые три нуклеотида, стоящие подряд в цепочке ДНК, и воспринимают эту информацию как приказ либо начать синтез белковой молекулы, либо выбрать из запасов организма какую-либо аминокислоту, либо завершить синтез. Соответствие между тройками нуклеотидов и выбираемыми аминокислотами устанавливает генетический код, открытие которого до сих пор можно смело считать самым большим достижением молекулярной биологии. А правилами этого кода предусмотрен выбор только упомянутых выше двадцати аминокислот.
Правда, в природных пептидах и белках иногда встречаются и другие аминокислоты. Но они, как говорят на молекулярно-биологическом жаргоне, не кодируются, а получаются в организме из аминокислот, уже включенных в состав пептидных молекул.
Такое сверхкороткое описание сложнейшей проблемы, официально называемой ни много ни мало «центральной догмой молекулярной биологии», может создать впечатление, что ее решение далось легко и просто. На самом же деле это потребовало многих лет труда, сотен, если не тысяч, изощренных экспериментов и немалых чисто человеческих разочарований, ибо об устройстве, например, генетического кода были выдвинуты десятки остроумнейших гипотез, а уцелела в результате лишь одна.
К тому же превращение этой гипотезы в общепризнанную (на уровне Нобелевской премии) теорию немедленно выдвинуло новую проблему: почему данная тройка нуклеотидов означает выбор именно данной аминокислоты? И тогда пришлось ставить новые эксперименты, придумывать новые гипотезы и так далее. Иными словами, в науке удачный ответ — это только повод для новых вопросов, и в этом смысле творческая жизнь научных работников отличается от бега белки в колесе лишь возможностью в случае успеха расширить размеры колеса.
Пептиды и белки
Итак, пептиды — это цепочки аминокислот, выстроенные в ряд (его еще называют аминокислотной последовательностью). Зная, как организованы пептиды, мы тем самым знаем и химическую структуру белков, веществ, выполняющих в организме множество чрезвычайно важных функций — от обеспечения правильного течения биохимических реакций (например, большинство ферментов — белки) до использования в качестве строительного материала. По представлениям химика, белки — это точно такие же цепочки из тех же двадцати типов аминокислот остатков, но гораздо большей длины, чем пептиды. Обычно считается, что цепочка размерами где-то не более пятидесяти аминокислот — это еще пептид, а сверх того — уже белок.
Если бы эта книга писалась в советскую эпоху, в раздел о белках пришлось бы вставить обязательную цитату из классика марксизма-ленинизма Фридриха Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел». Иначе бдительный редактор остановил бы продвижение рукописи по издательскому конвейеру — продемонстрировать знание трудов основоположников было необходимо. В наши дни над их сочинениями принято скорее посмеиваться — а между тем это глубокое высказывание заслуживает внимания и сейчас, через сто с лишним лет после того, как была написана работа Энгельса «Диалектика природы».
Получение химически чистого пептида небольшой длины — пять, шесть, восемь аминокислот — в наши дни задача для студента-старшекурсника. Тем не менее синтез пептидов до сих пор считается одним из труднейших видов химического синтеза. Действительно, чтобы получить нужную последовательность, концевые группы каждой аминокислоты нужно сначала модифицировать (химики говорят «защитить»). Аминокислот — двадцать типов; вариантов групп, подлежащих защите при синтезе — не менее десятка; каждую из них приходится активировать особым образом; освобождать синтезированный пептид от висящих на нем защитных группировок также нужно каждый раз по-разному. Учитывая все это, сравнение химика, ведущего пептидный синтез, с гроссмейстером, разыгрывающим ответственную партию и просматривающим варианты на десятки ходов вперед, вовсе не будет гиперболой.
Такое лестное сравнение правомерно для пептидных химиков даже сейчас, когда уже изучены многие удобные для пептидного синтеза реагенты, защитные группы, условия реакций с участием различных аминокислот и тому подобное. А что же говорить о тех гигантах, которые воздвигли и продолжают строить небоскреб химии пептидов: от немецкого химика Эмиля Фишера, первым предположившего и доказавшего, что белки и пептиды состоят из аминокислот (второй в истории химии нобелевский лауреат — 1902 год), к швейцарскому ученому Винсенту Дю Виньо, осуществившему первый синтез девятичленного пептида окситоцина (Нобелевская премия 1955 года), и американскому синтетику Брюсу Меррифилду, придумавшему революционное усовершенствование — так называемый твердофазный синтез пептидов и белков (Нобелевская премия 1984 года). Здесь названы только трое; но за сто с лишним лет существования химии белков и пептидов на ее небосклоне сияло и продолжает сиять несколько десятков ярких созвездий по-настоящему выдающихся ученых.
Рекорд в длине пептидной цепочки, синтезированной в лаборатории, был поставлен в 1969 году: две группы американских химиков независимо друг от друга объявили о получении полной аминокислотной последовательности белка рибонуклеазы А (сто двадцать четыре аминокислоты) и почти полной последовательности рибонуклеазы S — сто четыре звена. Синтетический препарат рибонуклеазы А обладал 70-80 процентами биологической активности природного белка, но было вполне вероятно, что этот уровень активности обусловлен не «правильной» последовательностью, а несколько искаженными побочными продуктами синтеза (например, цепочками с пропуском одной или нескольких аминокислот).
Поэтому усилия пептидных химиков сосредоточились на разработке таких методов синтеза и разделения его продуктов, которые обеспечивали бы безусловную химическую чистоту и полную биологическую активность синтезируемых пептидов. Поначалу считалось, что в этом отношении твердофазный синтез Меррифилда, основанный на применении особого аппарата — полуавтоматического синтезатора, — уступает традиционным подходам. Первый биологически активный пептид — хорошо известный биорегулятор ангиотензин — был получен с помощью нового метода в 1965 году Гарландом Маршаллом, учеником Меррифилда. И нелицеприятная дискуссия о чистоте продукта началась при первом же выступлении Гарланда в Европе.
Много позже, на рубеже столетий, когда я уже проработал немало лет бок о бок с профессором Гарландом Маршаллом, он признавался мне, что все еще не может забыть ледяной прием, оказанный его давнему докладу грандами пептидной химии. По счастью, среди них нашелся человек, который пригласил молодого аспиранта на чашку кофе и дал понять, что коллеги, в сущности, просто немного завидуют успеху — отсюда и такая реакция. Это был Йозеф Рудингер, легендарный пептидный химик из Праги — он, например,
