Знание-сила, 2005 № 07 (937)

Естественно, у нас началось интереснейшее и плодотворное сотрудничество, предмет которого — компьютерное молекулярное моделирование зрительного пигмента родопсина, светочувствительного мембранного белка. Появление Х.Т. Холмуродова в Дубне оказалось для нас более чем своевременным. Дело в том, что сравнительно недавно методами рентгеноструктурного анализа и ядерного магнитного резонанса была экспериментально определена третичная, то есть объемная, трехмерная структура родопсина. Он стал первым и пока единственным мембранным белком, для которого такая структура была определена. Теперь с помощью мощных вычислительных машин можно визуализировать родопсин в пространстве, можно теоретически и вместе с тем совершенно достоверно, как бы в физиологических условиях исследовать эту молекулу; например, изучать, как родопсин «дышит».

Иными словами, можно воочию увидеть, какова пространственная форма молекулы, можно исследовать, как эта форма меняется или как меняется взаиморасположение отдельных фрагментов молекулы в темновом состоянии, а в ближайшем будущем, как мы надеемся, можно будет посмотреть, как меняется расположение фрагментов после поглощения родопсином кванта света.

Взгляните на рисунки, на которых представлены первые (ранее еще не публиковавшиеся) результаты такого компьютерного молекулярного моделирования родопсина. Эти рисунки любезно предоставлены для журнала «Знание — сила» Х.Т. Холмуродовым. На первом из них дана модель расположения внутри большой белковой части молекулы ее маленькой хромофорной группы, которая обозначена красным цветом. Хромофорная группа родопсина — это альдегид витамина А, или ретиналь, который прочно «прикреплен» к белковой части молекулы ковалентной химической связью. Причем ретиналь в молекуле родопсина находится в совершенно определенной пространственной конфигурации, а именно в одной из его шестнадцати теоретически возможных изомерных форм. Именно эта, единственная, подходящая, как ключ к замку, изомерная конфигурация ретиналя и изображена на модели.

Компьютерные модели молекулы родопсина (вверху) и хромофорной группы молекулы родопсина (внизу). Зеленым цветом показана ее конфигурация в начальный момент взаимодействия с белком, красным цветом - через 3 наносекунды

На втором рисунке изображена модель одной только хромофорной группы и проиллюстрирован механизм быстрого изменения ее формы после взаимодействия с белком. Хорошо видно, и это четко показано в цвете, как именно и как быстро — всего за 3 наносекунды (1 наносекунда = 10 -9секунды) — белковое окружение меняет форму ретиналя. В результате такой конфигурационной перестройки ретиналь, как ключ, лучше, удобнее «встраивается» в замок, как бы «притирается», «приспосабливается» к белковому окружению. По-видимому, для более эффективного выполнения физиологической функции зрительного пигмента родопсина такая «притирка» имеет определенное значение.

— Говоря о кадрах, вы упомянули новую радиобиологию. Что вы имели ввиду?

— Видите ли, независимо ни от чьих желаний, волею судьбы, волею развития космической науки и техники сегодня рождается потребность в новой радиобиологии. О чем идет речь? Классическая радиобиология началась с открытия Конрада Рентгена. Когда открыли рентгеновские лучи, то выяснилось, что они вызывают для всего живого на Земле массу неблагоприятных последствий. С появлением атомного оружия исследование механизмов поражающего действия радиации стало более чем актуальным. Этот «земной» этап и представляет собой классическую радиобиологию. Не забудем еще, что радиация — это еще и изощренный инструмент биологических исследований. Вспомним Н.В. Тимофеева-Ресовского и его работы по радиационному мутагенезу. Полет Гагарина, систематический выход человека в ближний космос еще не потребовали новой радиобиологии, поскольку на околоземных орбитах обшивка космического корабля достаточно (не полностью, а именно достаточно) надежно защищает человека, животные и растительные организмы от космической радиации.

Но жизнь диктует новые задачи. Как когда-то Архимеду пришлось воплотить в жизнь свои изобретения, чтобы защитить от врагов родные Сиракузы, так и сейчас в связи с намерением человечества выйти в дальний космос приходится задумываться о новой радиобиологии. Я имею в виду амбициозную программу пилотируемых полетов на Марс. Долететь до Марса технически — уже не проблема. Но в дальнем космосе обшивка корабля уже не способна защитить живое существо, человека или мышку от космических лучей — заряженных частиц углерода, железа и ряда других, чрезвычайно опасных частиц. Физикам их список хорошо известен. А раз так, то возникает вопрос: каковы механизмы этого повреждения, сколько таких частиц может набрать организм, чтобы не поплатиться жизнью? Как минимум надо установить безопасные дозы облучения космическими частицами, иначе живое существо погибнет или сразу после полета, или через год-два от лучевой болезни. Как выяснилось, помимо лучевой болезни, потеря зрения — еще один лимитирующий фактор дальних и длительных космических полетов. Дело в том, что структуры глаза весьма чувствительны к повреждающему действию тяжелых частиц. Опасность развития катаракты или, что еще хуже, повреждения сетчатки глаза более чем высока.

Таким образом, рождается новый виток радиобиологических исследований, а именно радиобиология тяжелых частиц. И где, как не в Дубне, обладающей целым спектром уникальных источников излучения тяжелых частиц, заниматься этой проблемой? В мире можно по пальцам пересчитать центры, где есть ускорители, генерирующие на Земле космические частицы, и ОИЯИ — один из них.

— И вы уже используете ускорительную базу Объединенного института для решения этих задач?

— Да, мы начали такие исследования: облучаем на нуклотроне ОИЯИ белки хрусталика глаза — кристаллины и светочувствительный белок зрительных клеток сетчатки — зрительный пигмент родопсин. Получены первые небезынтересные результаты. Если коротко, то суть их сводится к следующему. Облучение родопсина заряженными частицами, например бора, приводит к заметным изменениям его физико-химических и функциональных свойств.

Что касается кристаллинов, то результаты здесь получились еще более интересные. Ранее мы подробно исследовали, как при действии ультрафиолетового света агрегируют, то есть образуют нерастворимые комплексы, кристаллины, в частности, один из них — бета-кристаллин. Ведь агрегация кристаллинов — это и есть основная причина помутнения хрусталика, то есть катаракты. Оказалось, что генетически дефектный бета-кристаллин агрегирует при ультрафиолетовом облучении гораздо легче, чем нормальный. Иными словами, нормальный кристаллин гораздо устойчивее к фотоагрегации, нежели генетически дефектный. Следует отметить, что такого рода дефекты бета-кристаллина наблюдаются и в жизни, то есть in vivo в случаях наследственной предрасположенности людей к возникновению катаракты. Как показали результаты наших первых опытов с заряженными частицами, они — эти частицы — способны вызвать скрытые повреждения в молекуле бета-кристаллина. И вот эти скрытые дефекты, вызванные заряженными частицами, нам удалось выявить с помошью их последующего облучения ультрафиолетом.