Станислав Галактионов - Беседы о жизни

Нарисуем еще раз, несколько видоизменив, структурную формулу основного звена белковой цепи — типичной аминокислоты:

Для удобства последующих рассуждений мы пронумеровали заместители у центрального атома углерода. Если мы теперь попытаемся аналогичным образом пронумеровать вершины уже знакомого нам молочного тетраэдра, окажется, что это можно сделать двумя различными способами. Поставим пакет на стол так, чтобы вверх была направлена, скажем, вершина № 4. Глядя на него сверху, мы увидим, что прочие вершины могут образовать последовательность 1, 2, 3 (то есть N, R, С) либо в направлении вращения часовой стрелки, либо в обратном.

Легко убедиться, что тетраэдры, пронумерованные двумя способами, являются зеркальным отражением друг друга: всякая последовательность обхода окружности в зеркале представляется измененной на обратную.

Таким образом, оказывается, что молекулы со структурной формулой приведенного выше типа могут существовать в виде двух так называемых пространственных изомеров — соединений, различающихся пространственным расположением заместителей. Эти изомеры называют зеркальными, или, чаще, стереоизомерами, а атом углерода, о заместителях которого идет речь, — асимметричным. Название это, однако, относится лишь к такому тетраэдрическому углероду, все заместители которого различны.

Если же хоть одна пара заместителей одинакова, различных стереоизомеров одного и того же соединения не получится. Наиболее близким нам примером является аминокислота глицин, в которой боковой радикал R представляет собой водород, — для «глицинового» тетраэдра можно найти положение (вверх торчит группа COOH), при котором порядок обхода остальных заместителей (H, N, H) одинаков в обоих направлениях. Таким образом, глицин обладает лишь одним стереоизомером; все же остальные аминокислоты могут существовать в форме двух стереоизомеров, условно называемых «левыми» и «правыми» (или еще: аминокислотами L- и D-типа), причем никакими поворотами молекулярного тетраэдра нельзя перевести одну форму в другую, для этого придется разорвать валентные связи и поменять местами хотя бы одну пару заместителей углерода.

Наш стереоконструктор может с успехом быть использован как поточная линия по выпуску моделей аминокислот как L-, так и D-типа, но если мы захотим специализироваться на производстве лишь одной формы — скажем, L-аминокислот, нам придется резко повысить уровень квалификации и внимания стоящего у «поточной линии» персонала, иначе недолго и перепутать «ножки» асимметричного углерода и начать выпускать брак: смесь, состоящую наполовину из «левых», наполовину из «правых» стереоизомеров. Как раз такая смесь, называемая рацематом, и получается обычно при химических реакциях, приводящих к образованию веществ, содержащих асимметричный атом углерода. Тем более удивительно, что при синтезе молекулы белка в организме используются лишь L-аминокислоты, «правая» их разновидность не участвует в образовании белковой цепи. Ведь не стоит же, в самом деле, у «конвейера» синтеза белка разумное существо — контролер ОТК, — которое отбрасывает в сторону «правые» аминокислоты и подает на «конвейер» только «левые»!

(Кстати, природные аминокислоты не являются каким-то исключением среди веществ биологического происхождения, поскольку очень многие соединения, содержащие асимметричные атомы углерода — сахара, органические кислоты, стероиды, — синтезируются живыми организмами в форме только одного стереоизомера. Последнее обстоятельство используется, в частности, при попытках обнаружить в метеоритах остатки веществ биологического происхождения. Для этого существуют очень чувствительные оптические методы, и, обнаружив с их помощью преобладание одного из двух стереоизомеров — неважно, какого именно вещества, — можно было бы утверждать, что мы напали на след жизнедеятельности инопланетян. Пока, впрочем, этого сделать не удалось; точнее, несколько сообщений о положительных результатах такого анализа было, но все они впоследствии опровергались; как оказывалось, в образцы метеоритов попросту попадали заурядные земные микроорганизмы.)

До поры до времени авторы не намерены отвечать на вполне закономерный вопрос: как же все-таки происходит отбор стереоизомеров аминокислот при синтезе белков? Пока мы ограничимся лишь очередным намеком на то, что объяснение следует искать все там же: в удивительных свойствах ферментов, которые строжайшим образом контролируют любую химическую реакцию в организме, в том числе и синтез своих собственных молекул. И ключ к познанию этих свойств, информация, необходимая белку для выполнения его чрезвычайно важной биологической роли, заложена не в химическом составе молекулы белка (иначе не возникало бы проблемы неодинаковости L- и D-изомеров) и даже не в чередовании аминокислотных остатков, а в трехмерной, пространственной структуре белковой глобулы.

Переход от «обычной» структурной формулы к пространственной структуре молекулы белка — это не просто очередной этап биологического кодирования, передачи генетической информации. Это, помимо прочего, преобразование информации в принципиально иную форму — из «линейной» (чередование нуклеотидов в ДНК и РНК, аминокислотная последовательность белка) в «трехмерную».

Впрочем, пока мы совершенно не готовы к беседе на эту тему. Например, заметили ли читатели, что до сих пор мы избегали разговора о характере пространственного расположения заместителей у атома азота? Вообще говоря, в большинстве соединений трехвалентного азота заместители располагаются у основания пирамиды, в вершине которой расположен атом азота. Однако всякому человеку, мало-мальски знакомому с химией, известны коварство и непостоянство азота. То он, видите ли, двухвалентный, то пятивалентный, то почти полностью инертный, то агрессивный… В вопросах пространственной организации этот элемент также остается верен себе: иногда, как упоминалось, для него свойственно пирамидальное расположение заместителей, иногда — какое-то другое. А ведь атом азота входит в основную цепь белковой молекулы, и, чтобы иметь возможность что-то сказать о ее пространственном строении, просто необходимо точно знать, какую же форму расположения заместителей соизволил азот выбрать в этом случае…

Выше мы всюду говорили о способах расположения заместителей вокруг того или иного атома просто как об известном факте. Действительно, каждый из этих способов подтвержден экспериментальными методами, например, рентгеноструктурным анализом. Однако те же закономерности получаются и чисто расчетным путем на основе строгой квантовомеханической теории, то есть могут быть объяснены на основе самых общих физических законов.