В пятой Рождественской лекции Королевского института 1980 года биофизик Дэвид Филлипс представляет одного из первопроходцев молекулярной биологии — Макса Перуца. Легендарный ученый рассказывает удивительную историю разгадки структуры гемоглобина, объясняет тончайшие химические механизмы его работы и показывает, как микроскопические изменения в атомах приводят к смертельным болезням. Лекция превращается в захватывающее путешествие в глубь живой клетки, где законы химии, генетики и механики сливаются воедино.
🔬 Открытие «тайны жизни»: путь Макса Перуца к гемоглобину 1:03
Макс Перуц начинает свой рассказ с воспоминаний о юности, когда он, будучи студентом, покинул родную Вену и отправился в Кембридж к «великому мудрецу» Джону Десмонду Берналу. На амбициозный вопрос о том, как разгадать загадку жизни, Бернал ответил, что секрет кроется в структуре белков, а рентгеновская кристаллография — единственный путь к его познанию. Этот вывод основывался на открытии, сделанном Берналом и Дороти Кроуфут (в замужестве Ходжкин) в 1934 году: они обнаружили, что кристаллы белка дают четкие дифракционные картины, если сохранять их влажными, поскольку они подобны губкам. Кристаллы пепсина на их первых снимках демонстрировали прекрасный гексагональный узор с точками, расстояние между которыми соответствовало дистанциям между отдельными атомами.
Когда Перуц спросил Бернала, над каким белком ему работать, у профессора не оказалось подходящих образцов. По совету знакомого биохимика выбор пал на гемоглобин — самый интересный и многофункциональный белок красных кровяных телец. Способ получения кристаллов гемоглобина для лабораторных тестов оказался на удивление простым:
- Необходимо поймать крысу и взять несколько капель крови, уколов ее хвост.
- Отделить эритроциты с помощью центрифугирования и тщательно промыть их.
- Добавить к 1 мл эритроцитов 0,4 мл дистиллированной воды.
От добавления чистой воды эритроциты лопаются, и гемоглобин выходит наружу. Поскольку он нерастворим в дистиллированной воде, белок начинает кристаллизоваться, образуя красивые структуры, которые лектор демонстрирует прямо на экранах в студии. Данный эксперимент, как шутит Перуц, может повторить любой школьник, если ему удастся поймать крысу.
🫀 Как работает наше сердце: простая модель циркуляции 5:22
Основная функция гемоглобина — перенос кислорода из легких в ткани и транспортировка углекислого газа обратно. Чтобы наглядно продемонстрировать этот процесс, Макс Перуц показывает упрощенную механическую модель кровеносной системы, созданную Дейвом Хартом и Крисом Рейберном в его кембриджской лаборатории. Модель состоит из двух резиновых баллонов, представляющих левый и правый желудочки сердца, пластиковых трубок, имитирующих тело и легкие, и клапанов с пинг-понговыми шариками, которые перекрывают обратный ход жидкости.
С помощью юного волонтера по имени Мэттью лектор запускает импровизированное «сердце». Сжатие баллонов заставляет шарики приподниматься, пропуская жидкость строго в одном направлении:
- При сокращении левой камеры кровь выталкивается в тело и возвращается в правую камеру.
- При сжатии правой камеры кровь направляется в легкие, откуда возвращается обратно в левую камеру.
Кровь, поступающая из легких, имеет ярко-алый цвет, тогда как возвращающаяся из тканей — синеватый. Перуц напоминает, что круговорот крови впервые доказал Уильям Гарвей в первой половине XVII века (в 1628 году). Его идеи встретили жесткое сопротивление критиков, утверждавших, что артериальная и венозная кровь не могут быть одной и той же жидкостью из-за столь радикальной разницы в цвете. Гарвей опроверг это, оставив венозную кровь в чаше на открытом воздухе, после чего она поалела. Истинную причину этого явления — поглощение кислорода — раскрыл лишь французский химик Антуан Лавуазье в конце XVIII century.
🧪 Химия дыхания: почему вода не заменит кровь 10:36
В тканях кислород используется для «сжигания» пищи с образованием углекислого газа и воды. И кислород, и углекислый газ умеренно растворимы в воде, однако чистой плазмы в организме катастрофически не хватило бы для поддержания жизни. По словам Макса Перуца, если бы наша кровь состояла только из воды, человек не смог бы получить достаточно кислорода, даже неподвижно лежа в постели, а углекислый газ превратил бы кровь в подобие бурлящей газировки. Гемоглобин увеличивает кислородную емкость крови в 15 раз по сравнению с чистой водой и связывает углекислоту очень тонким, химически выверенным образом.
Исследования состава гемоглобина, начатые Перуцем в 1937 году, на тот момент давали ученым лишь общее понимание: белок состоит примерно из 10 000 атомов углерода, кислорода, водорода, азота и серы. За красный цвет крови отвечает особая структура — гем. Ее строение расшифровал мюнхенский химик Ханс Фишер, доказав, что гем представляет собой кольцо из атомов углерода и азота с одиночным атомом железа в самом центре. Именно к атому железа прикрепляется молекула кислорода. При анемии доктора прописывают сульфат железа, чтобы стимулировать костный мозг производить больше гемоглобина. Перуц с гордостью отмечает, что только в 1979 году его коллеге Саймону Филлипсу с помощью рентгеноструктурного анализа удалось впервые воочию увидеть, как именно кислород садится на этот атом железа.
Масштабы микромира поражают воображение исследователей:
- Эритроциты по форме напоминают Нло, а их диаметр в тысячу раз меньше зрачка человеческого глаза.
- Каждый эритроцит содержит чуть менее 300 миллионов молекул гемоглобина.
- В одной крошечной капле крови из уколотого пальца находится около 300 миллионов эритроцитов, что дает астрономическое количество молекул белка в одной капле.
Белковая часть молекулы (глобин) состоит из четырех цепей аминокислот: двух цепей по 146 звеньев и двух цепей по 141 звену. Таким образом, одна молекула гемоглобина содержит четыре белковые цепи, четыре гема и четыре атома железа.
📊 Эффект Бора и «жестокое» правило молекулярного насыщения 16:09
Для химиков долгое время оставалось загадкой, почему железо в гемоглобине не ржавеет намертво при контакте с кислородом, а способно обратимо связывать и отдавать его. Перуц демонстрирует разницу спектров поглощения: дезоксигенированный гемоглобин имеет синеватый оттенок и одну широкую темную полосу в зеленой части спектра, а насыщенный кислородом — алый цвет и две четкие полосы в зеленой и желтой областях. С помощью спектрофотометра Hewlett-Packard со встроенным компьютером эти изменения выводятся на мониторы в виде графиков с одним или двумя пиками. Вакуумный насос позволяет откачать кислород из колбы и вернуть раствор в исходное «венозное» состояние прямо во время лекции.
В 1904 году группа датских физиологов — Кристиан Бор (отец знаменитого физика Нильса Бора), Хассельбах и Крог — обнаружила удивительное свойство гемоглобина. Вопреки ожиданиям, что пустой белок обладает максимальным сродством к кислороду, выяснилось, что «аппетит гемоглобина растет во время еды». Макс Перуц объясняет это свойство (гем-гем взаимодействие) через остроумную, хотя и «аморальную» аналогию:
- Если одна молекула гемоглобина уже имеет три связанных кислорода, а вторая — только один, то новый приходящий кислород с гораздо большей вероятностью присоединится к «богатой» молекуле.
- В тканях, наоборот, «бедная» молекула скорее отдаст свой единственный кислород, чем богатая.
Лектор цитирует библейское правило: «ибо кто имеет, тому дано будет... а кто не имеет, у того отнимется и то, что имеет». Биологический смысл этого механизма огромен — гемоглобин работает как эффективная механическая лопата, полностью загружаясь в легких и дочиста разгружаясь в тканях. Однако с точки зрения чистой химии это казалось абсолютным абсурдом, ведь белки являются изоляторами, и никаких «электрических проводов» для передачи сигнала между удаленными атомами железа внутри молекулы нет. Перуц шутит, что если бы его экзаменаторы на докторскую степень настаивали на немедленном решении этой загадки, ему пришлось бы оставаться аспирантом 33 года.
Кроме того, датские ученые обнаружили, что углекислый газ помогает вытеснять кислород. Английский физиолог Джон Скотт Холдейн предположил, что этот процесс завязан на кислотность. Эксперимент с pH-метром подтверждает: при насыщении раствора кислородом стрелка прибора сдвигается, фиксируя выделение ионов водорода и падение pH. Лектор показывает, что кровь буквально «убивает шипение» углекислоты в тканях с помощью щелочной реакции, превращая CO₂ в растворимый бикарбонат, а в легких снова выделяет кислоту, заставляя углекислый газ бурно выделяться наружу для выдоха.
🚬 Смертоносная ловушка: как угарный газ блокирует дыхание 38:38
Угарный газ (CO), выделяющийся при работе автомобильных двигателей и курении сигарет, связывается с железом гемоглобина в том же самом месте, что и кислород. Однако его сродство к железу в 250 раз выше, и он садится на него намертво. В эксперименте раствор гемоглобина заставляют «выкурить» сигарету через вакуумную систему лаборатории. Раствор приобретает характерный ярко-розовый цвет карбоксигемоглобина. По словам Перуца, именно поэтому лица людей, отравившихся угарным газом, выглядят румяными и лихорадочными, что порой ведет к опасным ошибкам в медицинских диагнозах.
Попытка откачать угарный газ вакуумным насосом полностью проваливается — двойной пик на спектре поглощения остается абсолютно стабильным. По расчетам ученых, у заядлых курильщиков до 15% атомов железа в крови могут быть перманентно заблокированы угарным газом. Лектор строго предупреждает молодых слушателей: вред курения заключается не только в отдаленном риске рака легких к 60 годам, но и в немедленной потере физической формы здесь и сейчас. Сердцу курильщика приходится биться гораздо сильнее и быстрее, чтобы компенсировать выключенные из работы объемы гемоглобина при любой пробежке. Измерения на специальном газоанализаторе показывают, что выдох волонтера Робина содержит всего 4 части CO на миллион (ppm), тогда как у курящего ассистента Билла Коутса этот показатель достигает критических 18 ppm.
🧩 Рентгеновская одиссея длиною в 22 года: разгадка структуры 47:54
Будучи молодым исследователем, Макс Перуц получал великолепные дифракционные рентгеновские снимки гемоглобина, но совершенно не понимал, как расшифровать положение атомов по этим темным точкам. Большинство коллег-кристаллографов открыто считали его безумцем, ведь в те годы наука не знала точной структуры даже обычного сахара, а Перуц замахнулся на гигантскую молекулу из 10 000 атомов. Потребовалось 16 лет упорного труда, чтобы нащупать работающий математический метод (изоморфное замещение тяжелыми металлами), и еще 6 лет, чтобы применить его на практике с первыми компьютерами.
Спустя 22 года непрерывных исследований ученый наконец-то увидел трехмерную модель гемоглобина: четыре белковые цепи, закрученные в сложнейшие петли, и четыре гема, расположенные на поверхности. По признанию Перуца, это был фантастический триумф, сравнимый с открытием нового неизведанного континента. Однако радость омрачалась тем, что статичная модель все еще не объясняла динамику взаимодействия гемов — этот новый тупик растянулся еще на долгие 11 лет.
🩸 «Рок-н-ролл» молекулы гемоглобина и бамбуковые нити генетической ошибки 51:26
Разгадка пришла в один-единственный день, когда, изучая атомные модели, Перуц и его интернациональная команда (Майкл Россман, Тони Норт, Билл Болтон, Хилари Мьюрхед) осознали, что гемоглобин меняет свою форму в ответ на химический стимул. Молекула исполняет своеобразный «рок-н-ролл»: при связывании кислорода пары белковых цепей смещаются, скручиваются и разворачиваются относительно друг друга. Молекула буквально «дышит», совершая мириады щелчков внутри эритроцитов в такт сокращениям человеческого сердца, переходя из разомкнутой венозной формы в сомкнутую артериальную. Это стало первым в истории науки открытием динамического изменения структуры белка, что впоследствии подтвердилось для сотен других регуляторных белков, например, в нервных волокнах.
Иногда этот сложнейший молекулярный механизм ломается из-за микроскопических генетических сбоев. Около 40 лет назад в Африке была впервые описана серповидноклеточная анемия — тяжелое наследственное заболевание. Она наследуется рецессивно: если оба родителя являются здоровыми носителями поврежденного гена, четверть их детей рождается глубоко больными. Из-за ускоренного разрушения дефектного гемоглобина костный мозг пытается компенсировать огромные потери, бурно разрастаясь, что приводит к характерному увеличению и выпячиванию лба у больных детей, пока их кости еще мягкие.
Под микроскопом эритроциты таких пациентов в отсутствие кислорода деформируются из округлых «блюдец» в вытянутые серпы или жесткие «сосиски». При возвращении кислорода они временно восстанавливают форму. Как выяснил коллега Перуца Вернон Инграм, вся биологическая катастрофа вызвана заменой всего одной аминокислоты: в шестой позиции бета-цепи глутаминовая кислота заменяется валином. На уровне ДНК это соответствует замене всего одной буквы — аденина на урацил. С химической точки зрения полярные атомы кислорода заменяются гидрофобной метильной группой. Это ничтожное изменение заставляет молекулы гемоглобина в венозной крови слипаться в «нити жемчуга», образуя жесткие волокна, которые прорастают внутри клетки подобно побегам бамбука и безжалостно разрывают ее форму. Зная точную трехмерную структуру дефекта, ученые всего мира сегодня пытаются найти лекарство, способное заблокировать эту смертельную агрегацию.
