Пептид с множеством лиц

Беда в том, что, к сожалению, блестящие результаты экспериментальных методов зачастую прикрывают немалых размеров подводный камень: положим, мы получили представление о пространственной структуре данного пептида в растворе, измерив величины некоторых межатомных расстояний, углов поворота вокруг одинарных связей и тому подобных характеристик. Но к какой именно конформации относятся эти характеристики? Ведь мы знаем, что пептидная молекула в растворе может обладать несколькими практически равноправными конформациями. Ответ, возможно, покажется несколько неожиданным: не к одной из них, а к некоей, вообще говоря, несуществующей "усредненной" пространственной структуре молекулы.

Для уяснения того, как такое может получиться, представьте себе, что молекула - это вы сами, а равноправные конформации молекулы - различные позы, которые вы принимаете, например, при ежеутренних занятиях гимнастикой: положим для простоты, что речь идет только о приседаниях. Тогда устойчивыми можно считать всего две позы-конформации: исходную стойку в полный рост и положение, соответствующее полному приседанию (переход из одной позы в другую, как происходящий очень быстро, не будем принимать во внимание).

Теперь допустим, что в этом случае "экспериментально измеряемая характеристика" - рост, расстояние от макушки до пола. В первой конформации оно будет равно, скажем, 175 сантиметрам, а во второй - только 105. Следовательно, суждение о вашем росте зависит от того, в какой конформации вы находились в момент измерения; но, если бы ваши движения были действительно подчинены "молекулярным" законам, вы успели бы за время измерения десятки тысяч раз попеременно побывать то в одной, то в другой конформации и в результате ваш рост был бы определен как среднее между двумя крайними значениями, то есть как 140 сантиметров. Но ведь устойчивой конформации с ростом 140 сантиметров у вас не было вовсе...

Оптический обман

(Сходный эффект использует всем известный оптический обман, именуемый кинематографом: кадры сменяются так быстро, что мы видим на экране все точки плавного полета, скажем, чайки, хотя на пленке запечатлены лишь прерывистые отдельные моменты этого полета; таким образом мы видим и то, чего на самом деле нам не показывают.)

Правда, иногда в эксперименте все-таки удается выделить одну пространственную структуру пептида из остальных, но в большинстве случаев описанная ситуация с "усреднением" конформаций является типичной, а связанное с ней ограничение истолкования экспериментальных данных - принципиальным. Именно поэтому все большее значение при исследовании конформаций пептидов в последнее время приобретают теоретические - расчетные - методы.

Общей чертой всех расчетных методов является "перебор" равновесных, устойчивых конформаций молекулы и подсчет значений внутримолекулярной энергии, соответствующих каждой из таких конформаций; конформации, обладающие наиболее низкими энергиями, могут считаться наиболее устойчивыми и образовать, как говорят, набор стабильных конформаций молекулы. Конформации с высокими значениями энергии имеют малую вероятность осуществиться и, следовательно, могут быть исключены из дальнейшего рассмотрения.

В результате получается не одна "усредненная" пространственная структура (как при использовании экспериментальных методов), а целый набор стабильных низкоэнергетических конформаций пептидной молекулы, причем каждая из них может, в принципе, реализоваться в растворе и внести свой "вклад" в измеряемую усредненную" структуру.

Подобный подход, конечно, более привлекателен, поскольку позволяет более детально описывать конформации пептидов, чем перечисленные выше экспериментальные методы, но и возможность получить ошибочные результаты при его применении также существует. Начнем с того, что "перебрать" все потенциально устойчивые конформации пептидной молекулы попросту невозможно, поскольку таких конформаций чрезвычайно много.

Обычно считается, что повороты вокруг одинарных связей внутри одного аминокислотного остатка могут привести примерно к десятку равновесных пространственных структур; значит, пептидная цепочка из десяти остатков теоретически может обладать 1010 (то есть десятью миллиардами) конформаций - цифрой, которая заранее исключает из рядов исследователей-теоретиков людей слабонервных и склонных к обморокам.

Очевидно, кроме того, что при обсуждаемых расчетах (их называют конформационными расчетами или теоретическим конформационным анализом) совершенно необходимо привлечение мощной электронно-вычислительной техники - это во-первых. А во-вторых, ясно, что просмотреть все десять миллиардов структур все равно не под силу никаким ЭВМ и надо искать обходные пути, так, чтобы считать как можно меньше, но в то же время не пропустить ни одну из конформаций, которая должна войти в набор наиболее стабильных. В последнее десятилетие над этой задачей работали многие теоретики в США, Бельгии, Индии, СССР, и в конце концов она была в основном решена: теперь уже можно, пожалуй, считать, что те десятки (из миллиардов) нужных конформаций будут отобраны без случайных пропусков почти всегда, но все же иногда ошибка возможна.

Еще одна проблема в том, что на стабильность конформаций, помимо значения внутримолекулярной энергии, оказывает влияние и тот растворитель, в котором находится молекула; а между тем пока мы не умеем с желаемой точностью оценивать энергию взаимодействия растворителя с пептидом. По этой, а также по ряду других причин рассчитываемая нами энергия молекулы всегда будет несколько отличаться от "реальной", и поэтому оказывается, что мы в состоянии отделить в соответствии с расчетными величинами энергий наиболее стабильные конформаций от нестабильных, но расставить их "в порядке номеров" по энергиям внутри отобранного набора мы уже не имеем права - наши оценки не до такой степени точны.

И наконец, методы теоретического конформационного анализа различаются по физическим моделям, лежащим в основе расчета внутримолекулярной энергии. Наиболее строгие модели, использующие представления квантовой механики и квантовой химии, терпят, к сожалению, полный провал при их приложении к пептидам: они слишком громоздки и требуют совершенно нереальных масштабов загрузки ЭВМ - месяцев и лет непрерывного счета. Зато чрезвычайно плодотворной оказалась идея об атом-атомном приближении, то есть предположение о том, что внутримолекулярная потенциальная энергия есть сумма энергий попарных взаимодействий валентно не связанных атомов, причем сами взаимодействия зависят лишь от химического типа атомов и расстояний между ними (вспомним нашу "механическую" модель молекулы с шариками-атомами, стерженьками-связями и межатомными пружинками).

Это предположение, естественно, огрубляет "подлинные" взаимоотношения между элементами, составляющими молекулу, и тем самым также вносит погрешность в величину расчетной энергии, но указанный недостаток с лихвой искупается простотой, наглядностью и, главное, реальной возможностью использования принципов атом-атомного приближения для расчетов на ЭВМ (при этом нужны уже не годы или месяцы, а всего лишь часы или даже минуты чистого "машинного" времени). Поэтому атом-атомное приближение и нашло широкое поле для применения не только при исследовании конформаций биологических молекул, но и в кристаллофизике, во многих проблемах физикохимии и даже в теплофизике. А возникла эта идея в конце сороковых годов практически одновременно у американцев Ф. Вестхеймера и Т. Хилла и у советского исследователя А. Китайгородского.

Профессор А. Китайгородский скончался совсем недавно, в 1985 году, и может так случиться, что эта книга будет первым массовым изданием, в котором его имя упоминается уже посмертно. Поэтому автору, лично знавшему А. Китайгородского, хочется сказать несколько слов том, что значил этот человек для тех нескольких десятков исследователей, которые в разных концах нашей страны - в Москве, Ленинграде, Пущине, Риге, Минске, Одессе, Казани, Баку, Красноярске, Киеве, Таллине - работают над задачами, так или иначе связанными с проблемами углубления и применения атом-атомного приближения.

А. Китайгородский был прежде всего лидером нашего небольшого "научного сообщества" (одно из его любимых словосочетаний), причем лидером неформальным: до ухода на пенсию он занимал сравнительно скромную должность заведующего лабораторией и не был ни академиком, ни даже членом-корреспондентом. Но члены его "научного сообщества" знали, что всегда могут рассчитывать на его точный и своевременный совет в чисто научных вопросах, дружескую бескорыстную помощь в проблемах организационно-административных и просто на поддержку и ободряющую шутку в трудную минуту. А. Китайгородский обладал поразительной бодростью и жизнелюбием, в шестьдесят лет он выглядел как в сорок и, между прочим, в эти же годы много сделал для развития советского воднолыжного спорта.

Его кипящему темпераменту было мало просто почивать на лаврах "родоначальника" по-настоящему мощного научного направления: он стал блестящим популяризатором - вспомните книги "Физика - моя профессия", "Физика для всех" (совместно с Л. Ландау), "Порядок и беспорядок в мире атомов". Именно его статья в "Литературной газете" послужила началом процесса коренной перестройки работы Высшей аттестационной комиссии при Совете Министров СССР. А чего стоит одна только его борьба с телепатией, когда он не побоялся "раздразнить гусей" и твердо заявил, что "этого не может быть, потому что этого не может быть никогда" - цитата, которую до сих не могут простить обскуранты от лженауки.

Конечно, полностью оценить по достоинству заслуги А. Китайгородского перед наукой и обществом удастся лишь со временем; но те, с кем он успел поделиться частицей своей яркой личности, уже не забудут его, пока будут живы сами. А в анналах истории науки его имя будет значиться еще долго, потому что исследования, стимулированные идеями А. Китайгородского, продолжают бурно развиваться, и в их числе - теоретический конформационный анализ пептидных молекул.

В самом деле, конформационные расчеты пептидов в наши дни проходят довольно успешно: во всяком случае, определить набор наиболее стабильных конформаций молекулы размером до 12-15 аминокислотных остатков уже можно наверняка и притом за разумное время работы. (Некоторые отчаянные головы утверждают, правда, что их расчетам доступны и пептидные цепи из 60- 70 остатков, но пока проверить это никому другому не удалось: результаты, получаемые энтузиастами, оказываются невоспроизводимыми.) Характерно также, что результаты расчетов небольших пептидов все чаще и чаще хорошо согласуются с данными экспериментальных исследований и, следовательно, теория и эксперимент способны взаимно дополнять друг друга.

Все это означает, иными словами, что современное состояние молекулярно-биофизических исследований - ибо обсуждаемые задачи и методы принадлежат именно молекулярной биофизике - позволяет достаточно полно и детально описывать возможные пространственные структуры многих пептидных биорегуляторов по первому требованию любого желающего, и среди них - пептидных драг-дизайнеров. А как раз им-то подобная информация может пригодиться в самую первую очередь.