Александр Спирин
Слева – лазерный импульс для возбуждения (excitation) атомных вибраций, справа – их детекция с помощью второго лазера.
Изображение Physorg, Science daily
Отчего такие непомерные затраты временных ресурсов? Одной из главных причин является то, что для рентгена требуются весьма чистые кристаллы, на получение которых зачастую уходят годы, а некоторые вещества вообще не кристаллизуются, и тогда приходится применять ядерно-магнитный резонанс (ЯМР). Но и это не решение проблемы, поскольку есть соединения, в воде не растворяющиеся, и тогда бессильным оказывается и ЯМР. А молекулярные фармакологи требуют пространственные структуры с точностью до атома, чтобы создавать действенные лекарства, желательно не имеющие побочных эффектов.
Сотрудники Института имени Райса в Хьюстоне (США) предложили в статье в J. of Physical Chemistry определять форму молекул на примере атомной структуры MNA (метилнитроацетанилида). В полном соответствии с классическими постулатами Нильса Бора электроны химических связей между атомами в молекуле при получении короткого (100 фемтосекунд – миллионных долей наносекунды) лазерного импульса возбуждаются, что приводит к возрастанию колебаний-вибраций соседних атомов, которые можно «считывать» с помощью второго лазера. Пока авторы определили уже известную структуру из 23 атомов, но работа продолжается уже с новыми соединениями, для которых известен лишь их состав. Со временем они надеются довести свой метод до возможности определять и протеиновые структуры.
В нынешнем году отмечалось также 10 лет завершения работы над расшифровкой генома человека, которая принесла совершенно неожиданную для теоретиков от биологии сенсацию. Связана она с тем, что генов-то оказалось в пять раз меньше, чем теоретически предполагалось! Чтобы объяснить этот парадокс, было предложено много версий, одна из которых была связана с тем, что с одного гена могут синтезироваться белковые цепи разной длины, что действительно происходит в некоторых случаях. Реальность же более широкого плана оказалась совсем иной. Это доказали на примере смертельно опасного вируса геморрагической лихорадки Эбола (смертность до 90%) ученые Исследовательского института в калифорнийской Ла-Джолле, которым помогали коллеги из Токийского университета. Они выявили структурные изменения формы (конформации) вирусного белка (VP – Virus Protein), две составляющие которого имеют форму бабочки. С помощью этих «крыльев» вирусная частица «садится» на клетку. После этого три «бабочки» объединяются и образуют плотные нитчатые структуры, из которых строятся новые вирионы – замкнутые кольца, внутри которых удерживается РНК, что необходимо для считывания генов внутри инфицированной клетки. В который раз теоретики оказались посрамлены...
Последний пример касается не менее важного протеина, входящего в класс Г-белков (G-protein). Одними из самых известных Г-белков являются протеины семейства Ras, названные так по саркоме у крыс (RAt Sarcoma), вызываемой мутациями в одном из их генов. В норме эти Ras-протеины удерживают клетки от сползания к клеточному делению. Они работают в связке с белковыми рецепторами, молекулы которых пронизывают клеточные оболочки-мембраны. Довольно часто рецепторы имеют внутренние каналы, по которым в клетку поступают возбуждающие ее ионы. Так, например, известен ацетилхолиновый рецептор, на который садится никотиновая молекула, оказывающая свое возбуждающее действие. В норме этот рецептор с калиевым каналом необходим для действия блуждающего нерва, успокаивающего сердцебиение. Сотрудники университетов штатов Вирджиния и Иллинойс определили, что Г-белок необходим для нормального «исправления» калиевого канала указанного рецептора, способствуя его открытию. Ученые сравнивают различные конформации Г-протеина с положением рычажка на спирали реостата, регулирующего напряжение, подаваемое на обмотки электромотора или нить накала лампочки. Оно и понятно, так как одно дело утихомирить сердце после небольшой пробежки к автобусу на остановке, и совсем другое – после серьезной физической нагрузки.
Сегодня имеется уже большой банк протеиновых структур разного уровня разрешения (3–2 ангстрема, иногда чуть меньше). Требования же фармакологов вертятся вокруг атомных масштабов, поскольку им необходимо создавать молекулы, которые точно бы взаимодействовали с ничтожно малыми 3D-ложбинками, карманами и щелями патологически активных белков, ферментов и структурных элементов больных клеток, а также факторов их поражения, например, тех же вирусов, микроорганизмов и аутоиммунных лимфоцитов. В случае диабетов речь идет о помощи рецепторам, которые по каким-то причинам перестают отвечать на инсулин. Именно поэтому так важно атомное разрешение в определении самых разных молекулярных структур.
Дарья Гармоненко