Рагувир Партасарати
Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Полная версия

Глава 2. Белки: молекулярное оригами

В основе почти любого действия или события в вашем организме лежит белок. Белки в красных кровяных тельцах обратимо связывают кислород из воздуха, которым вы дышите. Одни белки тянут за собой другие, обеспечивая сокращение ваших мышц. Белки вытягивают и втягивают выпячивания, с помощью которых клетки иммунной системы протискиваются сквозь ваши ткани. Одни белки в ваших глазах улавливают свет и порождают электрические импульсы, а другие открывают и закрывают шлюзы, направляя эти импульсы в ваш мозг. Множество разных белков содержится не только в клетках, но и за их пределами, придавая, например, прочность и эластичность вашим тканям. Но что же такое белки?

Как и ДНК, белок – это молекула, состоящая из выстроенных в цепь простых единиц. В ДНК простейшим звеном может выступать любой из четырех нуклеотидов, а в белке – любая из 20 аминокислот. В каком бы порядке ни располагались нуклеотиды в цепи, двухцепочечная ДНК всегда укладывается в двойную спираль. Структура белков, напротив, определяется их аминокислотной последовательностью. Каждый белок имеет характерное лишь для него расположение аминокислот, а следовательно, и отличную от других трехмерную форму. Схемы и инструменты для постройки белка закодированы в нем же. В белках, пожалуй, ярче всего проявляется принцип самосборки, подразумевающий, что природа кодирует инструкции по организации вещества в самом веществе, затем они активируются и выполняются универсальными физическими силами. Самосборка характерна не только для живых организмов – насыпаемый песок, например, собирается в конусы, наклоненные под определенными углами, а мыльные пузыри оформляются в сферы, – но в биологии она вездесуща. Изучая белки, мы увидим, как силы порождают формы, как этот процесс увенчивается успехом и все же иногда с треском проваливается и как тяжело компьютерам даются геометрические расчеты, с которыми молекулы справляются за микросекунды.

Белки в трех измерениях

Аминокислотная цепь в воде изгибается, перекручивается и складывается в специфическую форму. Чаще всего в белках встречаются два варианта вторичной структуры: спирали и листы (на рисунке – слева и справа соответственно).

Я не стал рисовать все атомы в этих структурах, а ограничился лишь несколькими показательными точками и связями между ними. Спиральная и листовая структуры в белковых молекулах настолько распространены, что мы часто изображаем стилизованные формы – плавную спираль диаметром около нанометра (одной миллиардной доли метра) и лист (или слегка складчатый слой) из нескольких тяжей шириной примерно треть нанометра.

Раньше всего, в 1958 году, была открыта трехмерная структура белка миоглобина, который переносит кислород в мышцах. Как и в случае ДНК и многих других молекул, это стало возможно благодаря математическому анализу дифракционной картины, полученной в результате облучения вещества рентгеновскими лучами. Структурой миоглобина занималась в Кембриджском университете группа Джона Кендрю. Для проведения рентгенографии белки нужно перевести в твердое состояние, превратив в кристаллы. Но если кристаллы сахара, например, можно получить на любой кухне, то подтолкнуть белки к кристаллизации не так-то просто даже в современной лаборатории. Сотрудники Кендрю безуспешно экспериментировали с миоглобином морских свиней, пингвинов, морских котиков и других животных, пока не наткнулись на мясо кашалота, очень кстати припасенное в морозильной камере на Кембриджской станции низкотемпературных исследований. (Особенное внимание именно к этой группе животных объясняется тем, что мышцы морских обитателей, дышащих воздухом и погружающихся на большую глубину, содержат очень много миоглобина, который позволяет им запасать больше кислорода и реже всплывать на поверхность.) Белок кашалота формировал «поистине изумительные <…> гигантские кристаллы»¹. Изучив их, Кендрю и его коллеги определили, что 153-аминокислотная цепь миоглобина складывается в структуру из восьми спиралей и нескольких неспиральных перемычек, прикрепленную к плоскому небелковому комплексному соединению, в котором атом железа связывается с кислородом (см. рисунок).

Пример белка, состоящего главным образом из листов, мы тоже можем найти в морском мире. Зеленый флуоресцентный белок, GFP, – это светоиспускающий белок, впервые обнаруженный в организме биолюминесцентной медузы. GFP представляет собой цепь из 238 аминокислот, сложенную в бочонок из листов шириной около трех нанометров, внутри которого находится фрагмент молекулы, отвечающий за испускание зеленого света (см. рисунок ниже²). Этот белок не остался простой океанической диковиной. Ученые научились внедрять GFP в бактерии, грибы, растения и даже животных, от плодовых мушек до рыбок данио-рерио, превратив его в своеобразный маяк, метку, позволяющую визуализировать нужные типы клеток и наблюдать, как они растут, движутся и делятся. Кроме того, GFP можно cшивать с интересующими белками, создавая так химерные молекулы-репортеры, за которыми легко следить: по свечению можно узнать, в какой части клетки они находятся, как ведут себя, когда клетки выполняют разные задачи, какие связи устанавливают с другими белками при создании более сложных структур^[13]. Сегодня существует богатая палитра производных от GFP либо происходящих из кораллов флуоресцентных белков, испускающих свет всех цветов радуги и носящих названия от незамысловатых («красный флуоресцентный белок») до куда более выразительных («мандарин», «вишня», «слива» – целая серия фруктовых имен). Этот ансамбль лег в основу многоцветной визуализации биологических механизмов, сферы применения которой вышли далеко за пределы морской колыбели этих белков^[14]3.

Портреты белков

Трехмерная структура белка важна в первую очередь потому, что тесно связана с его химическими или физическими задачами. Так, у GFP бочонок защищает светоиспускающий механизм от гашения водой и растворенным в ней кислородом. Однако следующие примеры покажут взаимосвязь строения и функций белков еще нагляднее.

Тонкие мембраны разделяют клетку на отсеки и отгораживают ее внутреннее пространство от окружающей среды. Особые мембранные белки, часто формирующие структуры в виде бочонка или кольца, обеспечивают сквозной транспорт атомов и молекул. Один из классов таких транспортеров составляют ионные каналы, пропускающие те или иные ионы – заряженные атомы калия, натрия и хлора, например – внутрь или наружу клетки через центральную пору, которая может быть открыта или закрыта. Контролировать поток ионов критически важно. Скольжение вашего взгляда по этой странице и бег мыслей у вас в голове определяются электрическим напряжением мембран (мембранным потенциалом), которое возникает при перераспределении ионов через них. Многие токсины животных, включая змей и скорпионов, действуют именно на ионные каналы, блокируя в итоге нервную систему жертв. На рисунке ниже изображен калиевый канал в поперечном разрезе (подразумеваемая мембрана лежит в плоскости листа)⁴. Центральной точкой обозначен ион калия, движущийся к нам или от нас, то есть входящий в клетку или выходящий из нее. Канал этот состоит из четырех идентичных молекул белка, которые свободно связываются друг с другом, формируя трансмембранную пору.

Если каналы могут только открываться и закрываться, то другие белки способны на более замысловатые упражнения. На следующем рисунке я изобразил димер из двух молекул белка кинезина⁵. Как подсказывает его название, этот белок участвует в движении. Молекула кинезина представляет собой длинный стебель, соединенный гибким аминокислотным шарниром с основанием в виде луковицы. Спиральные стебли двух молекул переплетаются и верхними частями специфически прикрепляются к грузу, который необходимо переместить внутри клетки. Грузом могут быть, например, мембранные пузырьки с химическими веществами, которые синтезируются в теле нейрона, а ожидать высвобождения должны на его периферии. Сформированный комплекс моторного белка с грузом проходит по внутриклеточным «рельсам», микротрубочкам, причем проходит в прямом смысле: две округлые ножки по очереди прикрепляются к рельсам и открепляются от них, шаг за шагом приближаясь к пункту назначения^[15]. (Эти ножки принято называть головками, а шагающее движение со сменой опережающей ноги – перехватывающим. Да-да, терминология не самая очевидная.) Рельсы тоже состоят из белков – на сей раз способных выстраиваться в жесткие трубочки, – и их трехмерная структура тоже позволяет им выполнять свою работу.

Строение белков влияет на их взаимодействие как друг с другом, так и с веществами иной природы – например, с ДНК. В следующих двух главах мы увидим, что многие белки прикрепляются к ДНК, чтобы руководить считыванием генетической информации. Эти ДНК-связывающие белки должны принимать форму, соответствующую изгибам двойной спирали ДНК. В таких белках часто встречаются спиральные мотивы, способные укладываться в бороздки ДНК. Для примера я изобразил гормон-чувствительную молекулу, называемую глюкокортикоидным рецептором⁶. (Эти белки работают в парах; широкими спиральными лентами я показал прилежащие к ДНК участки такой пары.) Когда к рецептору прицепляется гормон кортизол, его структура меняется, и только тогда он получает возможность связываться с ДНК и запускать последовательность событий, которая среди прочего подавляет воспалительный иммунный ответ^[16]. Вероятно, вы знакомы с кортизолом, под названием «гидрокортизон» входящим в состав мазей, и извлекали пользу из его способности активировать рецепторы: у вас уменьшались покраснение, зуд и отечность от укусов насекомых и контакта с ядовитым плющом или другими раздражителями.

Фолдинг белка

Как мы увидели, структура белка тесно связана с его функцией, однако свою конечную форму он приобретает не сразу. Каждый белок создается клеточными машинами, которые последовательно прикрепляют одну аминокислоту к другой, составляя из них цепочку, как из скрепок. Не существует никакого каркаса, который определял бы укладку такой цепочки, организуя ее в стопки листов, клубки спиралей или другие формы из почти бесконечного многообразия. Белок сам моделирует себя, укладываясь в пространстве должным образом: факторы, определяющие его структуру, зашифрованы прямо в его аминокислотной последовательности. Иными словами, белок осуществляет самосборку.

Каждая из 20 аминокислот обладает определенным набором физических характеристик. Одни аминокислоты заряжены положительно, другие – отрицательно, третьи нейтральны. Одни большие, другие маленькие. Какие-то из них гидрофобные (по сути, жирные) и предпочитают не смешиваться с водой, другие – гидрофильные и легко с ней смешиваются. Представьте белок, в котором подряд идут несколько положительно заряженных аминокислот, затем – цепочка нейтральных гидрофильных аминокислот, а после них – несколько отрицательно заряженных (см. рисунок). Разноименные заряды притягиваются, поэтому, предоставленный сам себе, белок укладывается так, что его противоположные концы сближаются.

Теперь представьте белок, состоящий из гидрофобных (квадратики) и гидрофильных (кружочки) аминокислот. Этот белок окружен водой (преобладающим компонентом внутриклеточной среды) и укладывается так, чтобы гидрофобные фрагменты прятались в центре кольца из любителей воды. Ради ясности я нарисовал эту схемку в двух измерениях. На самом же деле вам нужно представить почти сферическое ядро из гидрофобных аминокислот, окруженное оболочкой из гидрофильных.

В любом реальном белке происходит множество таких взаимодействий между аминокислотами, а также между аминокислотами и окружающей их водой, что порождает силы, вынуждающие белок принять определенную конформацию. Каждый белок синтезируется в клетке как цепочка аминокислот, и эта цепочка укладывается в оптимальную трехмерную форму. По-научному этот процесс называется фолдингом белка.

Как почти всегда бывает в биологии, эта грубая картина не совсем верна. Некоторые белки, особенно крупные и склонные к агрегации, не укладываются без доли постороннего участия, и им на помощь приходят белки из класса шаперонов⁷. В комплексах белков-шаперонов есть полости, защищающие новорожденный белок от сложностей перегруженной клеточной среды и способствующие корректному фолдингу аминокислотной цепи. Несмотря на эпизодическое участие шаперонов, общий принцип содержания в белке плана собственной постройки весьма убедителен и широко распространен в живой природе.

Все белки, описанные выше, и десятки тысяч других за долю секунды укладываются в трехмерные формы, избегая бесчисленного множества неудачных вариантов, которые не вполне соответствуют предпочитаемым компонентами белка взаимодействиям. Такое мастерство удивительно: это как если бы листок бумаги вдруг сам сложился в идеальную фигурку оригами. Более того, форма подавляющего большинства белков однозначно определяется последовательностью аминокислот. Иными словами, одна и та же последовательность всегда укладывается в пространстве одинаково. Каждая молекула зеленого флуоресцентного белка формирует бочонок, а каждая молекула миоглобина – одинаковый набор завитков.

Оценить великолепие такой самоорганизации помогут несколько примеров. Представьте последовательность, в которой, как обычно, есть положительно и отрицательно заряженные аминокислоты, а также гидрофобные и нейтральные гидрофильные аминокислоты. (Кстати, заряженные аминокислоты всегда гидрофильны.) Наша цепочка может уложиться так, как показано на левом рисунке, – и это достаточно хорошо: гидрофобные фрагменты скрыты внутри, а разноименно заряженные – сближены. И структура на правом рисунке по тем же причинам будет не хуже.

Две представленные конформации, несомненно, различаются. Можно предположить, что если этому белку потребуется прикрепиться к какой-нибудь малой молекуле – например, к гормону, – то благодаря «карману» функциональной окажется лишь первая форма.

Оказывается, на удивление сложно понять, как цепочка аминокислот принимает единственную оптимальную форму. Анализ сил, воздействующих на случайную последовательность аминокислот – скажем, составляемую вслепую, вытягиванием аминокислот из шляпы, – и оценка затрат энергии показывают, что «достаточно хороших» конформаций могло бы возникать очень много, слишком много для того, чтобы цепочка в итоге неизменно укладывалась только в одну из них. Природа избегает такой множественности возможных форм: аминокислотные последовательности реально существующих белков не случайны, а отобраны за 4 миллиарда лет эволюции. Организмы, которые кодируют аминокислотные цепи, не укладывающиеся в одну оптимальную форму, страдают от нерабочих, а порой и вредных белков и потому имеют меньше шансов выжить и оставить потомство. Эволюционно устойчивыми оказываются организмы, которые кодируют аминокислотные последовательности с четкой и однозначной инструкцией по формированию трехмерной структуры.

Результатом этого, как мы видели, стало общее правило однозначного соответствия аминокислотной последовательности и пространственной структуры у белков, которые мы сейчас находим в человеческом и других организмах. Если нам известна структура одной молекулы кинезина, то мы знаем и структуру любой другой молекулы кинезина. То же самое и с рецепторами кортизола. Впрочем, не бывает правил без исключений, а исключения из этого правила важны исключительно.

В первую группу нарушителей порядка входят нативно-развернутые белки, которые вообще обходятся без фиксированной формы. Это, например, некоторые белки, образующие поры в мембране клеточного ядра. Считается, что лапша из таких неструктурированных белков обеспечивает необходимую пластичность для перемещения разновеликих объектов между ядром и цитоплазмой.

Но больший интерес, на мой взгляд, представляют белки, имеющие несколько стабильных конформаций – не единственную жесткую форму и не аморфный вид, а парочку архитектур, между которыми они могут переключаться, словно рубильник, который зажигает или гасит свет. В последние десятилетия мы не только обнаружили такие белки, но и выяснили, что они участвуют в развитии диковинных болезней. А еще они способны объяснить – ну, на всякий случай, – почему не следует предаваться каннибализму.

Куру и каннибализм

В 1950-х годах в деревнях племени форе в Папуа – Новой Гвинее разразилась эпидемия странной болезни, которая вызывала у людей дрожь и неконтролируемые приступы смеха. Ежегодно она уносила до 200 жизней из примерно 11-тысячного племени. (Чтобы оценить масштаб потерь, представьте, что жуткая смерть постигает 150 тысяч ньюйоркцев в год.) Изучив структуру заболеваемости и возможные способы заражения, антропологи и клиницисты пришли к выводу, что болезнь, получившая название «куру» (на языке форе значит «дрожать»), распространяется путем ритуального каннибализма: семьи поедали тела умерших родственников, демонстрируя так любовь и уважение и помогая душам усопших освободиться⁸. Примерно в это время австралийское правительство, управлявшее Папуа – Новой Гвинеей, запретило каннибализм, что привело к стабильному снижению заболеваемости куру^[17]. Но установить возбудителя болезни удалось лишь спустя десятилетия^[18]. Людей форе убивали не бактерии, не вирусы и не паразиты, а белок – белок необычный, способный принимать одну из двух характерных форм. В «нормальной» форме этот белок выполняет свои обычные функции. В «неправильно свернутой» – нет, но еще хуже то, что он подталкивает другие белки принимать некорректную форму и объединяться в волокнистые агрегаты. Таким образом, аномальный белок можно считать инфекционным: часть съеденных молекул неправильной формы попадает в мозг, где запускает структурные изменения в белках с изначально безвредными аминокислотными последовательностями. Эти изменения амплифицируются в нервной системе больного и передаются после его смерти дальше, съевшим его обитателям деревни. Череда событий здесь напоминает о романе Курта Воннегута «Колыбель для кошки», в котором вымышленная форма воды «лед-девять», пребывающая в твердом состоянии при комнатной температуре, при контакте с обычной водой запускает процесс ее кристаллизации и преобразования в лед-девять. Итоговая цепная реакция оказывается еще более смертоносной, чем куру. Впрочем, в отличие от льда-девять, куру существует на самом деле.

Белки, способные сворачиваться в разные формы и выступать инфекционными агентами, называют прионами, и теперь мы знаем, что именно они вызывают некоторые болезни людей и других животных. Одна из них – губчатая энцефалопатия крупного рогатого скота, более известная под броским названием «коровье бешенство». Как и куру, это нейродегенеративное заболевание. Оно тоже вызывает дрожь, повышает возбудимость и нарушает координацию движений, но только у коров, а не у людей. Вспышка болезни в Великобритании в конце 1980-х затронула около 200 тысяч коров, и более 4 миллионов животных пришлось убить, чтобы остановить эпидемию. И все же болезнь успела передаться людям. Больше 100 человек умерли от ее человеческого аналога, нового варианта болезни Крейтцфельдта – Якоба, почти наверняка вызванного употреблением мяса больных животных. Но как же заразились коровы? Снова каннибализм! Фермерским коровам регулярно добавляли в пищу мясокостную муку, которая должна была ускорять рост и повышать продуктивность скота, а заодно служить способом утилизации отходов животноводства⁹. После вспышек болезни эту форму каннибализма запретили: в 1989 году – в Великобритании, а теперь и почти во всех странах мира (это справедливо для жвачных вроде коров и овец; другим сельскохозяйственным животным, например курам и свиньям, мясокостную муку, как правило, давать разрешено).

Само существование прионов какое-то время оспаривалось. В 1980-х возглавляемая Стенли Прузинером группа исследователей из Калифорнийского университета в Сан-Франциско после 10-летних трудов выделила возбудителя почесухи (скрепи) – овечьего аналога губчатой энцефалопатии коров – и определила его как белок. Заявление ученых встретили с огромным скепсисом: в отличие от бактерий, вирусов и паразитов, в примитивной аминокислотной последовательности не просматриваются черты самостоятельного агента, и потому действительно сложно представить, как она распространяется, амплифицируется и вызывает болезнь. Тем не менее, проведя скрупулезный анализ и исключив другие возможности, ученые доказали состоятельность прионной гипотезы.

Прионные и прионоподобные белки задействованы в развитии не только куру и коровьего бешенства, но и других серьезных заболеваний. В частности, при болезни Альцгеймера наблюдают скопления неправильно свернутых белков, что придает ей сходство с прионными инфекциями. Однако эти белковые агрегаты вряд ли заразны: их пересадкой от больных животных здоровым неврологические симптомы не передаются. Почему происходит и к чему приводит такая агрегация, пока неясно. И вообще, нам еще нужно ответить на массу вопросов о правильном и неправильном фолдинге белков.

Предсказание структуры белков

Если вернуться к подавляющему большинству белков, которые обладают-таки уникальной трехмерной структурой, то, как ни странно, нам по-прежнему сложно предсказывать, какую именно форму примет аминокислотная последовательность. Такие прогнозы, однако, были бы очень полезны¹⁰. Так, нам было бы гораздо легче оценивать параметры связывания потенциального лекарства с разными белками, располагай мы сведениями о трехмерной структуре каждого из них. Хотя теперь нам существенно проще определять структуру белков, чем во времена первого знакомства с миоглобином кашалота, этот процесс остается трудоемким, долгим и капризным. Основной метод рентгеновского изучения белков^[19] требует их предварительной кристаллизации, а для этого нужно совершить немало проб и ошибок. Есть и другие методы – например, с использованием электронных микроскопов, – но среди них не найдется ни быстрых, ни простых. Хочется думать, что вместо физического получения и измерения белка мы могли бы просто рассчитать по его аминокислотной последовательности, какую форму он примет. Специфика генетического кода позволяет нам без труда определять порядок аминокислот в белке по последовательности нуклеотидов в ДНК, о чем мы подробнее поговорим в следующей главе. В теории, раз мы понимаем физику электрических сил, гидрофобных и гидрофильных взаимодействий, мы могли бы просто загрузить аминокислотную последовательность в несложную компьютерную программу, которая произведет необходимые вычисления и остановится, обнаружив оптимальную молекулярную укладку. На практике же число возможных конформаций так велико, что даже самым быстрым компьютерам сложно изучить их все.

Для решения этой вычислительной проблемы разрабатывают хитроумные подходы: одни направлены на улучшение алгоритмов расчета сил и энергий, другие прибегают к упрощениям вроде группировки наборов атомов, третьи обращаются к нетрадиционным компьютерным архитектурам. Так, можно сконструировать нестандартный компьютер, интегральные схемы которого изначально созданы не для выполнения общих задач, а для расчета сил, действующих на аминокислоты. По такому пути пошел Дэвид Шоу^[20]11, пустивший немалые доходы от управления инвестициями на разработку уникальных суперкомпьютеров для решения биофизической проблемы фолдинга белков. Можно использовать и обычные компьютеры, если они интегрированы в огромный, стихийно организованный массив. Так поступили авторы программы folding@home, которая работает в фоновом режиме на компьютерах добровольцев (войти в их число может любой желающий) и использует периоды простоя, чтобы распределять вычисления по десяткам тысяч устройств¹². А можно делать ставку и на человеческий ум. Например, исследователи из Вашингтонского университета создали бесплатную игру foldit, посвященную фолдингу белков: пользователи перемещают на экране аминокислоты, как фрагменты мозаики, а результаты их работы передаются ученым¹³. Также можно применять искусственный интеллект, обучив компьютерную нейронную сеть выявлять закономерности в известных белковых структурах и применять их для предсказания новых форм. В этом направлении пошла DeepMind, дочерняя компания Google, добившаяся выдающихся результатов и победы в конкурсе «Критическая оценка предсказания структуры белков» в 2020 году¹⁴. Эти и другие стратегии доказали свою состоятельность, но быстрый и универсальный метод расчета структуры, которую примет аминокислотная последовательность, все еще не найден.

Человеку даже как-то унизительно признавать, что сами белки без труда решают проблему фолдинга, за долю секунды принимая нужную форму в каждой клетке каждого существа на Земле. Самосборка вызывает восхищение: она позволяет форме возникнуть из элементов и сил, неотъемлемых от самих природных веществ. Мы узнаем, что стоит за стремительностью и надежностью этого процесса, в главе 6, где речь пойдет о молекулярной случайности. Но сначала давайте изучим связь белков и ДНК, дадим определение гену и заложим основы для выяснения того, как самособранные структуры формируют схемы принятия решений в клетках.