10. Рентгенографическое исследование структуры молекул

Число Нобелевских премий не является критерием для оценки важности той или иной области науки. Однако можно с уверенностью сказать, что исследователи, занимавшиеся дифракцией рентгеновских лучей, получали награды Шведской академии наук далеко не пропорционально их числу. В 1914 г. Макс фон Лауэ был награжден Нобелевской премией за открытие дифракции рентгеновских лучей. В следующем году Нобелевская премия была присуждена Уильяму и Лоуренсу Брэггам (отцу и сыну) за проведение экспериментов, объясняющих природу дифракции пучка рентгеновских лучей поверхностью кристалла. В течение следующих трех десятилетий еще три Нобелевские премии были присуждены ученым, объяснившим новые аспекты дифракции рентгеновских лучей.

В 1954 г. Лайнус Полинг получил Нобелевскую премию за открытие α-спиральной конфигурации полипептидной цепи, характерной для многих белков. Это открытие явилось началом современной эры применения рентгеноструктурной кристаллографии для установления пространственной структуры сложных органических молекул. Знание такой структуры важно потому, что биологические функции органических молекул зависят от пространственного расположения атомов в молекуле. Дороти Ходжкин установила полную структуру витамина B₁₂ и инсулина. За первую из этих работ она в 1964 г. получила Нобелевскую премию. В 1962 г. за работу по установлению структуры двух глобулярных белков крови - миоглобина и гемоглобина - были награждены Нобелевской премией Джон Кендрью и Макс Перутц. В том же году Фрэнсис Крик, Джеймс Уотсон и Морис Уилкинс были удостоены той же награды за открытие двойной спирали ДНК.

Хотя установление структур многих других молекул и не было отмечено Нобелевским комитетом, эти результаты также способствовали развитию методов изучения пространственной структуры молекул. Известный химик-органик Эмиль Фишер для описания двухмерных изображений молекул, содержащих асимметрический атом углерода, предложил пользоваться проекциями, называемыми ныне проекциями Фишера (см. приложение). Потребовалось более 50 лет, пока Бейфут подтвердил правильность проекций Фишера рентгеноструктурным методом. Успешному развитию молекулярной биологии способствовали открытия, сделанные при помощи рентгеноструктурных исследований. Благодаря применению этого метода стало возможно объяснить, что представляют собой активные центры ферментов, генетический код ДНК и даже некоторые аспекты молекулярной эволюции.

Рентгенограммы молекул не похожи на фотографии, получаемые оптической камерой; атомы, входящие в молекулы, слишком малы для того, чтобы их можно было наблюдать в видимом свете. Рентгеновские лучи используют для фиксирования положения атомов потому, что их длина волны имеет тот же порядок, что и величина атома. Они рассеиваются электронами атомов, образующих молекулы, и при определенных благоприятных условиях получается дифракционная картина, которая может быть интерпретирована при помощи математических соотношений.

В книге Джеймса Уотсона "Двойная спираль" [10] ясно показано, что великое открытие Полинга явилось плодом его замечательной интуиции в объяснении математических данных рентгеноструктурного анализа. Уотсон пишет:

"Вскоре я усвоил, что Полинг достиг этого, опираясь больше на здравый смысл, чем на сложные математические выкладки. В своих рассуждениях он иногда оперировал уравнениями, но и тут в большинстве случаев можно было бы обойтись словами. Ключ к успеху Лайнуса надо искать в том, что он доверился простым законам структурной химии. α-Спираль была открыта не с помощью простого созерцания рентгенограмм; главный фокус состоял в том, чтобы задать себе вопрос: какие атомы предпочитают соседствовать друг с другом? Основными рабочими инструментами были не бумага и карандаш, а набор молекулярных моделей, на первый взгляд напоминающих детские игрушки"^*.

^* (Дж. Д. Уотсон, Двойная спираль, "Мир", М., 1969, стр. 44.)

Для разгадки структуры ДНК Уотсон и Крик строили пространственные модели молекул. Сооружая правдоподбные структуры, они затем должны были, как это делал Полинг, обосновать с помощью математических соотношений их полное соответствие с рентгенограммами образцов.