Надо было разозлить вас раньше

Статья называлась «Конфигурации полипептидных цепей в кристаллических белках», а написали ее три светила: Лоренс Брэгг, нобелевский лауреат по физике 1915 года, и два молекулярных биолога, которым еще предстояло получить Нобелевскую премию по химии в 1962 году – Джон Кендрю и Макс Перуц, все трое – из лаборатории Кавендиша в Кембридже. В то время эта знаменитая лаборатория была всемирным центром рентгеновской кристаллографии. В целом рентгеновская кристаллография была детищем Брэггов: Лоренс Брэгг и его отец сэр Генри Брэгг вместе трудились над математической моделью этого физического феномена и разработали экспериментальную методику.

Идея рентгеновской кристаллографии проста до гениальности. Еще с начала XIX века физики понимали, что если направить видимый свет на решетку с равным расстоянием между прутьями, а позади решетки поставить экран, то свет, пройдя сквозь нее, формирует на экране дифракционный узор из темных и светлых пятен. Светлые пятна получались в тех местах, где световые волны из разных щелей в решетке усиливали друг друга, а темные – там, где различные волны подвергались деструктивной интерференции (там, где пик одной волны накладывался на минимум другой). Однако, кроме того, физики знали, что для формирования дифракционного узора расстояния между щелями должно быть того же порядка, что и длина волны светового излучения (расстояние между двумя соседними пиками волны). Хотя создать подобные решетки с тончайшими прорезями для видимого света было относительно легко, сделать их для рентгеновских лучей оказалось невозможно: типичная длина волны для рентгеновского излучения в тысячи раз короче длин волн видимой части спектра. Первым, кто понял, что решетками для установок, на которых проводятся эксперименты по дифракции рентгеновского излучения, могут послужить встречающиеся в природе периодические кристаллы, был немецкий физик Макс фон Лауэ. Лауэ обнаружил, что межатомные расстояния в кристаллах были в точности того же порядка, что и предполагаемые длины волн рентгеновского излучения. Лоренс Брэгг пошел по стопам Лауэ и сформулировал математический закон, который описывает дифракцию рентгеновских лучей на кристаллической структуре. Как ни поразительно, этот важнейший результат он получил еще на первом курсе магистратуры в Кембридже. Семейная команда, состоящая из Генри и Лоуренса Брэггов, построила затем рентгеновский спектрометр, который позволил им проанализировать структуру самых разных кристаллов. Кстати, Лоуренс Брэгг – самый молодой в истории нобелевский лауреат: когда он получил премию, ему было всего 25 лет!

Учитывая все эти регалии, можно представить себе, что когда Полинг увидел название статьи, которую написали Брэгг, Кендрю и Перуц, сердце у него екнуло. И из первых двух абзацев вполне можно было сделать вывод, что команда Брэгга обошла его у самого финиша: «Белки состоят из длинных цепочек аминокислотных остатков… В данной статье сделана попытка собрать как можно больше информации о природе цепочки по данным рентгеновских исследований кристаллических белков и изучить возможные типы цепочек, которые соответствуют имеющимся данным». Полинг быстро прочитал все 36 страниц статьи и с облегчением обнаружил, что хотя ученые из лаборатории Кэвендиша описали около 20 структур, альфа-спирали среди них не было. Более того, авторы статьи пришли к выводу, что ни одна из этих структур не подходит для альфа-кератина. Полинг с радостью согласился с этим выводом – в особенности потому, что считал, что Брэгг с коллегами не наложили на свои конфигурации самое важное ограничение, зато ввели условие, которое Полингу казалось совершенно ненужным. С одной стороны, ни в одной из моделей Брэгга не учитывалась плоскостная структура пептидной группы, а Полинг был полностью убежден, что его предположение верно. С другой – ученые из лаборатории Кавендиша, судя по всему, исходили из предположения, что на каждый полный виток их спиральных структур должно было приходиться целое число аминокислот, в то время как альфа-спираль Полинга, вопреки традициям, предполагала около 3,6 аминокислот на виток, и ничего дурного в этом Полинг не видел. Кроме того, Брэгг основывался на рентгеновской кристаллографии и считал догмой наблюдаемое расстояние между витками в 5,1 ангстрем, на которое указывали данные Астбери. Впоследствии Перуц вспоминал, что перед началом работы группы Брэгг вбивал в ручку метлы гвозди, изображавшие аминокислотные остатки, по спирали с расстоянием между витками по оси в 5,1 сантиметра.

Полинг от природы был страстный спорщик и не терпел конкурентов. Хотя ему было приятно, что кембриджские коллеги упустили несколько важных соображений, появление статьи Брэгга побудило его к немедленным действиям – так он боялся, что его могут опередить. В октябре 1950 года они с Кори опубликовали в «Journal of the American Chemical Society» короткую заметку с описанием альфа-спирали и гамма-спирали. Примерно в это же время другая британская исследовательская группа из исследовательской лаборатории компании «Куртлодз» тоже получила многообещающие результаты. Клемент Бэмфорд, Артур Эллиот и их коллеги сумели получить волокна из синтетических полипептидов. К огромной радости Полинга, рентгеновские снимки дифракции на этих волокнах ясно показали, что расстояние между витками по оси составляет не 5,1, а 5,4 ангстрем, что соответствовало результатам Полинга. Полинг заподозрил, что эта характеристика рентгеновских снимков волоса, вероятно, была всего лишь дефектом снимков, вызванным частичным наложением отраженных изображений, а вовсе не важной характеристикой структуры. Вскоре подозрение переросло в уверенность, и Полинг, Кори и Брэнсон опубликовали статью, где подробно описывали альфа– и гамма-спирали. По стечению обстоятельств эта важная статья была послана в журнал в точности в день пятидесятилетия Полинга.

Кстати, химик Джек Дуниц рассказывал мне забавный случай, связанный с самим словом «спираль» – «helix». Джек Дуниц, который в то время работал у Полинга на временную должность научного сотрудника с ученой степенью, вспоминает, что в 1950 году Полинг называл структуру альфа-кератина другим, синонимичным словом – «spiral». Даже в краткой заметке Полинга и Кори в «Journal of the American Chemical Society» говорилось исключительно о «spirals». Дуниц вспоминает, что как-то раз заметил в разговоре с Полингом, что раньше ему казалось, будто слово «spiral» может означать только двумерную, плоскостную спираль, а объемную, трехмерную надо называть «helix». Полинг ответил, что слово «spiral» может означать и двумерную, и трехмерную спираль, однако, подумав, добавил, что слово «helix» нравится ему больше. В результате этого разговора пространная статья Полинга, Кори и Брэнсона, опубликованная в феврале 1951 года, вообще не содержала слова «spiral», а в ее названии «Структура белков. Две спиральные конфигурации полипептидной цепочки с водородными связями» употреблялось слово «helical». К этому времени Полинг был настолько убежден в верности своей модели, что они с Кори вслед за статьей об альфа-спирали выпустили целый фейерверк статей о структуре полипептидных цепочек.

Между тем, одним весенним субботним утром в том же году – дело было в Англии – Макс Перуц отправился в библиотеку и обнаружил там в свежем номере «Proceedings of the National Academy of Sciences» сразу несколько статей Полинга. Лет через тридцать шесть после этого он описывал, какие чувства охватили его в то утро (термины он выбирал научные, однако суть эмоций предельно ясна).

«Статья Полинга и Кори сразила меня наповал. В их спиралях, в отличие от тех конструкций, которые предлагали мы с Кендрю, не было ни малейших натяжек, все амидные группы были плоскостные, все карбоксильные группы формировали идеальные водородные связи с аминогруппами, находившимися на четыре остатка дальше по цепи. Похоже, придраться к этой структуре было в принципе невозможно. Как же я ее проглядел? Почему не подумал, что амидные группы должны быть плоскостными? Почему слепо цеплялся за период в 5,1 ангстрем, который предложил Астбери? С другой стороны, разве могла спираль Полинга и Кори при всей своей внешней красоте быть верной, если у нее неправильный период? В голове у меня царила полнейшая неразбериха. Я сел на велосипед и покатил домой на обед – и проглотил все, что было на тарелке, не слыша ни болтовни детишек, ни расспросов жены, которая интересовалась, что со мной сегодня.»

Еще немного поразмышляв над моделью Полинга, Перуц заметил, что альфа-спираль напоминает винтовую лестницу, ступеньками которой и служат аминокислотные остатки (на илл. 12 они отмечены буквой R). Высота каждой ступеньки составляет примерно 1,5 ангстрема. Таким образом, теория рентгеновской дифракции Брэгга предсказала существование до той поры не известных структур в отраженном спектре рентгеновского излучения, разделенных расстояниями в 1,5 ангстрема, от плоскостей, перпендикулярных оси волокна. Ни у одной модели из группы Брэгга подобной черты не было, так что это оказалось бесспорными «отпечатками пальцев» альфа-спирали Полинга.

Перуц уже был готов сделать вывод, что поскольку в данных Астбери подобных структур не было, этого достаточно, чтобы опровергнуть модель Полинга, но тут он вдруг вспомнил, что сама постановка эксперимента Астбери, при которой оси волокон были перпендикулярны пучку рентгеновского излучения, не позволила бы распознать «ступеньку» в полтора ангстрема. Расчеты показывали, что идеальные условия, при которых можно было бы наблюдать структуры в отраженном рентгеновском свете, получаются при наклоне волокон под углом около 31 градуса.

Перуцу не терпелось тут же проделать необходимую проверку. Он вскочил на велосипед, покатил обратно в лабораторию, схватил конский волос, который лежал у него в ящике стола, поместил его в рентгеновский аппарат под углом, который, по его вычислениям, лучше всего подходил для того, чтобы выявить неведомую структуру, обернул его пленкой со всех сторон (у Астбери была камера, которая делала снимки на пластине, поле зрения у нее было слишком узкое, и, таким образом, рассеяния на большие углы не могли быть детектированы) и пустил рентгеновский луч. Проявить снимок он смог лишь через несколько часов, которые стали для него настоящей пыткой, но в конце концов Перуц получил ответ. Предсказанные моделью альфа-спирали структуры, расположенные на расстоянии в полтора ангстрема, прямо-таки бросались в глаза!

Утром в понедельник Перуц первым делом показал рентгеновский снимок Брэггу. Брэгг поинтересовался, что заставило Перуца ни с того ни с сего провести эксперимент, который привел к таким знаменательным результатам. Перуц ответил, что страшно разозлился на самого себя за то, что упустил из виду модель альфа-спирали. На это Брэгг пробурчал – и эта фраза вошла в историю: «Надо было мне разозлить вас раньше!»