Конкурс «био/мол/текст»-2013

Эта работа получила Приз зрительских симпатий конкурса «био/мол/текст»-2013.

---

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific. Спонсор приза зрительских симпатий — фирма Helicon.

О, сколько нам открытий чудных
Готовят просвещенья дух
И опыт, сын ошибок трудных,
И гений, парадоксов друг,
И случай, бог изобретатель.
А.С. Пушкин

С древних времен человек стремился к познанию природы, наблюдая за происходящими в ней явлениями. Накопленные знания сначала передавались из уст в уста, а с изобретением письменности хранение информации стало более упорядоченным. Так постепенно человек открывал одну за другой тайны природы. Развивались наука и техника; появилась промышленность. Природа «подарила» людям огромное количество разнообразных соединений, изучением строения которых стала заниматься органическая химия. Настал момент, когда пытливым ученым захотелось получить вещества с удивительным строением, не встречающимся в природе, — и был проведен лабораторный синтез катенанов (рис. 1) и ротаксанов.

...Прошло время, и в природе были обнаружены ДНК-катенаны, а в 2013 году к этой коллекции добавился и фермент-катенан. Интерес к подобным соединениям стремительно возрос. Так в чем же особенности данной структуры? Почему эта молекула привлекает химиков, биологов и даже врачей? Обо всем этом будет рассказано далее — по порядку.

«Жизненная сила»

Слышали ли вы о теории витализма? Да, это касается особой «нематериальной» силы, которая присуща только живым организмам. В XVIII веке шведский химик Торнберн Бергман в своём труде «Размышления о естественной системе ископаемых» высказал убеждение, что вещества растительного и животного происхождения (всё, что мы называем органикой) образуются благодаря некой неуловимой таинственной «жизненной силе» (vis vitalis, если по-латыни). Это направление научной мысли получило название витализм. Полагали, что нематериальная по своей природе «жизненная сила» всегда ускользает при химическом исследовании. А потому переход между неорганическим и органическим царствами невозможен ни при каких условиях... [1].

Но у этой теории нашлись свои противники. Фридрих Велер в 1828 году синтезировал мочевину из неорганических компонентов, а затем Бертло в 1854 году получил жиры (рис. 2). Оба они верили в возможность синтеза органических веществ из неорганических в лаборатории, и теория витализма была опровержена, а ученые-химики стали синтезировать большое количество сложных органических соединений.

Поэзия органического синтеза

То, что органический синтез (особенно многостадийный) представляет собой весьма трудоемкий процесс, согласятся все. Но то, что в нем присутствует красота и искусство, возможно вызовет некоторое удивление у неподготовленного читателя. Здесь можно отметить работы великого теоретика и уникального экспериментатора Роберта Бернса Вудворда (рис. 3), лауреата нобелевской премии в 1965 г. «за выдающийся вклад в искусство органического синтеза», который по праву говорил, что «в органическом синтезе можно найти и вызов, и дерзание приключения, и озарение, и вдохновение искусства. Легко представить себе, насколько более скучным стало бы занятие органической химией, если бы эти стимулы утратили своё значение» [2].

«Непревзойденный король синтеза», как называли его современники, завершил начатый в 1956 г. полный синтез хлорофиллов а и b (брутто-формулы C₅₅H₇₂O₅N₄Mg и C₅₅H₇₀O₆N₄Mg) — пигментов фотосинтезирующих растений, являющихся сенсибилизаторами фотосинтеза, — а также внес ощутимый вклад в познание структур многочисленных природных веществ. В числе расшифрованных им структур можно назвать такие молекулы, как пенициллин (1945), стрихнин (1948), патулин (1949), террамицин, ауреомицин и биомицин (1952), севин (1954), магнамицин (1956), глиотоксин (1958), олеандомицин (1960), стрептомицин (1963), тетрадоксин (1964) и др.

Синтез у Вудворда базировался в правильно подобранном реагенте на определенной стадии: он учитывал стерический (пространственный) эффект, то есть «вставлял» более объёмные группы атомов в тот момент, когда это было максимально выгодно. Бесспорно, применение данного фактора, который сам Вудворд характеризовал как «соотношение пространственного подобия», внесло огромный вклад в развитие синтетического дизайна, так как от пространственного расположения атомов может зависеть не только скорость, но и сама возможность протекания последующей реакции [3].

Ох уж эти кольца — возвращаемся к вопросу валентности

Перенесемся в 19 век. В то время уже выдвигались различные теории строения органических соединений, и предпринималось много попыток писать строение бензола (рис. 4) — одной из простейших кольцевых систем. Родоначальник ароматических соединений — бензол — был выделен Фарадеем в 1825 г. Примерно в то же время был установлен факт наличия кратных связей между атомами углерода в ненасыщенных углеводородах: этилене, ацетилене и их гомологах. Тем самым стало возможным записывать их структурные формулы, а высокую реакционную способность объясняли стремлением углерода насытить все четыре валентности. Но с бензолом было намного интереснее: имея состав C₆H₆, то есть, являясь крайне ненасыщенным соединением, он с трудом вступает в химические реакции. Почему же он не торопится насыщаться? Может быть, строение молекулы бензола и его аналогов отличается от других непредельных соединений? Тогда какую структуру он имеет?

Структуру бензола предложил Август Кекуле, который решил посвятить свою жизнь химии, исходно обучаясь на архитектора в Гиссене. А произошло это после посещения уже первой лекции Юстуса Либиха — профессора с мировым именем. Существует легенда открытия Кекуле: «Атомы в молекуле взаимно влияют друг на друга, и свойства молекулы зависят от расположения атомов. Кекуле представлял углеродные цепи в виде змей. Они извивались, принимали самые различные положения. Благодаря своему большому дару воображения, Кекуле мог представить картину чудесных превращений, однако структура бензола ему долго не удавалась. Однажды, утомленный работой, Кекуле отложил исписанные листы и подвинул кресло к камину. Приятная теплота постепенно окутала тело, и ученый забылся в полудреме. И снова в его сознании возникли шесть углеродных атомов, образуя причудливые фигуры. Шестиатомная „змея“ непрерывно извивалась и вдруг, будто разозленная чем-то, она с ожесточением начала кусать себя за хвост, потом крепко ухватила его за кончик, и так замерла. Нет, не змея, это же перстень графини Герлиц, который протягивал Кекуле Юстус Либих» [4]. Когда Кекуле очнулся, он быстро набросал первую формулу (рис. 5).

А мы их делали к Новому Году!

Кто из нас в детстве не делал бумажные гирлянды для украшения новогодней елки? Возможно, некоторые пытались экспериментировать и с более сложными формами. Так, если взять бумажную ленту длиной приблизительно 50 см и шириной 4–5 см и склеить ее концы, у вас получится кольцо. Если разрезать его вдоль, то получится два отдельных узких кольца (рис. 6А). Однако если разрезать вдоль ленту Мёбиуса, то получится одно (!) кольцо, но вдвое большего диаметра (рис. 6Б). Ну а в третий раз мы получим модель катенана: если при склеивании ленты в кольцо повернуть один из концов ленты на полный оборот (а не на половину, как для ленты Мёбиуса), а затем разрезать, то получится два кольца, продетых одно в другое (рис. 6В)!

Теперь давайте окунемся в 20-й век. Тогда в продуктах поликонденсации были обнаружены циклические полимеры, что подхлестнуло идею создания молекул, связанных между собой лишь механически, — катенанов (от лат. catena — цепь). Первая экспериментальная работа, в которой были намечены реальные пути синтеза катенанов, была выполнена в 1960 году в Фрейбургском университете Вассерманом. В 1967 г. Люттрингхаузу и Изеле удалось синтезировать катенан полустатистическим методом, использующим влияние пространственных факторов; при этом применялись реакции, отработанные на химических системах в направленном синтезе. Чуть позже был получен катенан из закольцованной молекулы фаговой ДНК. Связь между кольцами получила название нольэлектронной, механической или топологической [5].

Стабильность системы

Нельзя разобщить циклы катенана, не разорвав при этом химическую связь, поэтому энергия механической связи будет определяться энергией химической связи в одном из циклов. А это означает то, что катенаны достаточно стабильны и могут длительное время находиться в живой природе [5].

Его величество фермент удивил многих...

17 июня 2013 года в университете Неймегена была опубликована новость о нахождении уникального по своей структуре фермента, который существует в двух формах — тетрамер, образующий кольцо («обычная» циклическая форма), и октамер, подозрительно напоминающий... катенан. Естественно, исследователей привлекла вторая структура, представляющая собой два кольца с топологической (механической) связью, которая упоминалась ранее в тексте.

Сам этот фермент был выделен микробиологом Майком Джеттеном, специализирующимся на поиске неизвестных видов архей и бактерий в грязевых озерцах, образованными вулканическими сольфатарами в Италии (рис. 7).

Позже был выделен тот самый фермент-катенан, который представляет собой гидролазу сульфида углерода, то есть превращает CS₂ в углекислый газ (CO₂) и сероводород (H₂S). Но потребовалась экспериментальная проверка полученного результата: не являются ли сцепленные циклы артефактными? Для этого химик Жасмин Мечинович (Jasmin Mecinovic) измерял отношение количеств одинарных и двойных циклов в растворе, изменяя при этом концентрацию. Отношение сохранялось неизменным. Повторив опыт, используя три различные технологии (эксклюзионную хроматографию, многоугловую лазерную фотометрию и масс-спектрометрический анализ), он получил результат, подтвердивший первый: сцепленные циклы CS₂-гидролазы в действительности существуют [6].

Несколько слов о природных ДНК-катенанах

В живых организмах широко распространены циклические двунитчатые ДНК. Впервые они были обнаружены в вирусах полиом Далбеко и Вогтом, а также Вейлем и Виноградом в 1963 г. Все эти ДНК существуют в виде ковалентно замкнутых кольцевых двунитчатых молекул без «концов». Методом последовательной седиментации в сочетании с методом электронной микроскопии Хадсону и Винограду удалось показать, что митохондриальная ДНК из клеток HeLa [7] содержит катенановые молекулы.

В последующих работах Виноград и сотр. показали наличие катенановых митохондриальных ДНК в клетках мышей ЗТЗ, дегенерированных вирусом SV 40, и в неоплодотворенных яйцах морских ежей. Также показали, что кинетопластическая ДНК трипаносом частично существует в форме катенанов, состоящих из двух или более топологически связанных кольцевых мономеров размером 0,45 мкм [5].

Вместо заключения

Молекулы, образованные топологической связью, демонстрируют новый строительный принцип живой материи. Пока остается неясным, с какой целью природа создала фермент в форме катенана. Возможно, эта форма имеет какие-либо преимущества по сравнению с «простой» циклической формой фермента. А может быть, это просто случайность? Тем не менее, была обнаружена некоторая зависимость между повышенным содержанием катенановых ДНК и различными формами рака или лейкемии [5]. Но данный вопрос является малоизученным. Я уверена, что открытие ферментов-катенанов даст мощный толчок в изучении подобных природных соединений. А пока остается только гадать насчет роли механической связи между двумя кольцами белка. И ждать решения загадки нового строительного принципа, который подарила нам матушка-природа.

Литература

1. Чирков Ю. (2010). Несбывшийся прогноз Марселена Бертло. «Наука и жизнь». 11;
2. Тютинник В.М. Роберт Бернс Вудворд. Библиотека химического факультета МГУ;
3. Вудворд К. (1998). Артистизм и элегантность Роберта Бернса Вудворда. «Химия и жизнь». 4;
4. Манолов К. Великие химики. т.2. М.: «Мир», 1986. — 904 с.;
5. Шилл Г. Катенаны, ротоксаны и узлы. London, NY: Academic press, 1971;
6. Mark B. van Eldijk, Iris van Leeuwen, Victor A. Mikhailov, Lotte Neijenhuis, Harry R. Harhangi, et. al.. (2013). Evidence that the catenane form of CS2 hydrolase is not an artefact. Chem. Commun.. 49, 7770;
7. Бессмертные клетки Генриетты Лакс.