Рентгеноструктурный анализ

Благодаря рентгеноструктурному анализу удалось проникнуть в тайну жизни. А началось всё с квантовой механики, которая является тем теоретическим фундаментом, который объясняет внутреннее строение всех веществ, существующих в мире.

Строительным материалом являются атомы и молекулы. Они создают многообразные структуры. Но как узнать структуру конкретного вещества? Для этого необходим экспериментальный метод, который помог бы выяснить атомное строение. Именно таким методом и является рентгеноструктурный анализ.

Основывается он на рентгеновских лучах, имеющих точно такую же природу как видимый свет или радиоволны. Все они – различные варианты электромагнитного излучения, а разница между ними заключается в длине волны.

Для рентгеновских лучей длина волны составляет порядка 10^-10 метра. Между атомами в молекулах и кристаллах расстояние имеет аналогичный масштаб. Это обстоятельство натолкнуло физика Макса фон Лауэ на мысль, что если рентгеновские лучи пропустить через кристалл, то должна получиться дифракционная картина, аналогичная той, которая наблюдается при прохождении световых волн сквозь дифракционную решётку.

Проведённые в 1912 году опыты полностью подтвердили такое предположение. Пучок рентгеновских лучей направили на кристалл, а за ним поместили фотопластинку. Когда фотоплёнку проявили, то обнаружили на ней регулярную систему пятен (см. рисунок ниже).

Очень скоро стало ясно, что по расположению и яркости пятен на рентгенограмме можно судить о расположении атомов или молекул, которые образуют кристалл. В случае с молекулами можно судить даже об их внутреннем строении.

Так и возник метод рентгеноструктурного анализа. Весомый вклад в его развитие внесли британские учёные Брэгги – Генри (отец) и Лоуренс (сын). Изобретённая методика позволила точно определять структуру минералов и молекул.

Постепенно учёные перешли к более сложным объектам исследования и, наконец, обратили свой взор на биологические молекулы. Однако из биологических молекул было очень трудно выделить кристаллы. Но даже если такое и удавалось, то десятки тысяч атомов, из которых состояла каждая молекула, создавали на рентгенограмме такой причудливый узор, что по нему невозможно было восстановить координаты всей массы атомов. Прошло много лет, прежде чем учёные научились решать такие сложные задачи.

Основными исследованиями занимались в Кавендишской лаборатории под руководством Лоуренса Брэгга. А главная задача состояла в определении пространственного строения белков. Это вполне понятно, так как в середине прошлого века учёный мир считал именно молекулу белка главной молекулой живой природы.

Основывалось такое убеждение на том, что ферменты, проводящие в клетках всевозможные химические превращения, всегда являются белками. То есть белок – это главный строительный материал любой клетки. Поэтому специалистам казалось, что разгадку всех тайн жизни можно получить, изучив строение белков.

Белок – это полимерная молекула. А её мономерные звенья представляют собой аминокислотные остатки. Располагаются они всегда строго линейно. При этом их структура сохраняется и при нагреве, когда полностью теряется биологическая активность.

Следовательно, последовательности аминокислотных остатков недостаточно для обеспечения биологической активности белков. Тут ещё необходима определённа укладка в пространстве групп, показанных на рисунке, расположенном ниже, в виде сокращённых названий аминокислот. На самом деле каждый кружок имеет свою строго специфическую форму.

Вот учёные, работавшие в Кавендишской лаборатории, и пытались определить пространственную структуру всей молекулы белка с помощью рентгеноструктурного анализа. Только в середине 50-х годов прошлого века Джон Кендрю и Макс Перуцу добились успеха.

Они научились определять трёхмерную структуру белков. Случилось это уже после того, как была решена проблема по определению устройства гена. А к этому устройству, как оказалось, белки никакого отношения не имеют.

Вячеслав Маркин