От оргазма до бессмертия. Записки драг-дизайнера

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, основал существующие до сих пор Европейские пептидные симпозиумы. Рудингер был вынужден бежать из Чехословакии дважды, в 1939 и 1968 годах: в Англию от оккупации гитлеровской и в Швейцарию от оккупации советской. Мне не довелось познакомиться с ним лично, но я не раз слышал рассказы о нем его ближайших сотрудников. Чаще всего вспоминали, как Рудингер, который совсем молодым пареньком служил в британских ВВС во время войны, любил обсуждать за кружкой пива воздушные бои над Ла-Маншем с Эрихом Вюншем, бывшим боевым летчиком люфтваффе, тоже ставшим после войны известным пептидным химиком.

После успеха с рибонуклеазой А сомневаться в принципиальных способностях синтеза пептидов воспроизводить длинные аминокислотные цепи уже не приходилось. Синтез превратился из научной задачи в задачу технологическую, хотя и весьма сложную: в случае с рибонуклеазой А понадобилось провести триста шестьдесят девять химических реакций и еще тысяча сто тридцать одну вспомогательную операцию. Эта ситуация подтолкнула развитие методов аналитической химии, в первую очередь различных видов хроматографии, позволяющих найти и выделить все возможные соединения, содержащиеся в реакционной смеси — буквально отыскать иголку в стоге сена. Кроме того, на помощь пришла новая идея — микробиологический синтез белков. Синтез последовательностей нуклеотидов гораздо проще химического синтеза белков, так что синтезировать последовательность нуклеотидов, кодирующую аминокислотную последовательность какого-нибудь белка, сравнительно легко. Полученную нуклеиновую кислоту внедряют затем в организм бактерии (обычно используют кишечную палочку вида Escherichia coli), которая и начинает синтезировать требуемый белок.

Тем самым пептидные химики, уже болезненно пережившие однажды вторжение в свои ряды роботов-синтезаторов, вынуждены были признать, что в гонке за длиной пептидной цепочки их опередили микроорганизмы. По счастью, научные задачи пептидной химии этим не исчерпываются: всегда интересно провести синтез пептида при каком-нибудь необычном сочетании аминокислот в цепи, придумать новую, более удобную, защитную группу, применить новый эффективный реагент — за сто лет многое еще осталось неисследованным. Но проблему получения практически любой пептидной или белковой молекулы в химически чистом виде сегодня можно считать решенной.