Кровь: искусственная, но не голубая

Все знают о гемоглобине, представляющем собой плоскую молекулу гема с ионом железа в центре, «вставленную» в глобулярный белок глобин. Особенностью положения иона железа в молекуле гема является то, что он ковалентно не связан с молекулой гема, поэтому обладает определенной степенью свободы. «Сверху» положительно заряженное железо удерживает атом азота, входящий в боковую цепь аминокислоты гистидина, который, однако, по силе «притяжения» не может тягаться с таким мощным окислителем как кислород.

Если кислорода много, например в легких, его молекула «присоединяется», связывается с железом, вытягивая его из плоскости гема. В связанном виде кислород разносится кровью во все органы, где отдается клеткам, и гистидин втягивает железо обратно. На место кислорода приходит молекула углекислого газа СО₂, и игра в «перетягивание каната» начинается снова. Углекислый газ в легких явно не способен конкурировать с кислородом, поэтому легко уступает тому место в молекуле гема. Недаром гемоглобин называют еще транспортным белком. Опасность угарного газа СО в том, что он связывается с железом в геме значительно прочнее, нежели кислород, в результате чего нервные клетки мозга не получают живительного газа, дарующего жизнь.

Помимо железа в геме может присутствовать медь (гемоцианин), и кровь тогда имеет аристократический голубой цвет (как у некоторых морских организмов). Гем – структурный аналог хлорофилла, в котором роль железа играет магний, поэтому растения – зеленые.

Кажущаяся простота молекулярных превращений давно волнует умы ученых, озабоченных проблемой нехватки крови и ее безопасного использования (не секрет, что существующая система переливания крови очень дорога, что существенно увеличивает стоимость лечения; к тому же после переливания крови люди могут заболеть самыми разными вирусными и паразитарными заболеваниями).

Похоже, что сотрудникам Пенсильванского университета в г. Филадельфия (США) впервые удалось создать искусственный белок, который способен переносить кислород. Для этого им пришлось использовать весь потенциал знаний о протеомике, занимающейся вопросами строения и функционирования протеинов. С помощью компьютера ученые сначала сугубо теоретически разработали будущую аминокислотную последовательность, а затем и «сконструировали» ее.

Прежде всего необходимо было подобрать аминокислоты, цепочка которых образует так называемую -спираль. Напомним, что в природных белках известны три основные структуры: -спираль, -структура (последняя очень жесткая и в отличие от -спирали плоская), а также неструктурированные хаотичные последовательности, соединяющие - и -структуры. Есть еще петли и «цинковые пальцы», а также так называемые лейциновые «зипперы», или «молнии», образованные аминокислотой лейцином.

Но вернемся к аминокислотам, подсказанным компьютером. Их понадобилось всего лишь три, а именно: упомянутый уже лейцин, глютаминовая кислота и лизин (сокращенно Leu, Glu, Lis, или L, E, K). Известно, что для образования -спирали минимальной протяженности достаточно цепочки, или последовательности, всего лишь из семи аминокислот (гептада).

Соединив три аминокислоты в цепь LEELLKK, ученые получили «вожделенную» спираль, концевой лизин которой (K) меняли на лейцин, получая спираль LEELLKL. Дело в том, что лейцин легче меняется на аминокислоту гистидин (H), которая необходима для удержания иона железа в геме, о чем говорилось выше. Лейцин меняли на другую аминокислоту, а именно фенилаланин (F), который в естественных, природных протеинах всегда соседствует с гемом. В конечном итоге четыре полученные таким образом спирали «свили» в пучок, который с помощью двух молекул гистидина – как в «настоящем» гемоглобине – удерживает железо в геме. «Правильное» расположение гема в искусственном гемоглобине было подтверждено с помощью методов ядерно-магнитного резонанса и рентгеноструктурного анализа.

Ученые, в частности, показали, что -спираль (как и в естественных протеинах) способна к вращению, и ее ротация позволяет боковой цепи глютаминовой кислоты входить в соприкосновение с гемом, в результате чего дистальный (более удаленный) гистидин приближается к гему и «заставляет» последний прочно связывать кислород. Скорость и прочность связывания кислорода, а также время его обмена на углекислый газ соответствуют природным гемоглобинам, в том числе и человеческому, при этом кислород связывается прочнее, чем углекислый газ. А вот угарный газ СО удерживается гемом искусственного белка в восемь раз дольше, нежели кислород (400 и 50 мсек соответственно), что опять же соответствует тому, о чем говорилось выше.

Ученые самокритично признают, что пока о применении их молекулярного дизайна в практических целях говорить рано. Дело в том, что их искусственный белок «разгружается» от кислорода почти так же быстро, как гемоглобин человека, а вот его связывание идет в 100 раз медленнее – так же медленно, как в гемоглобине… аскариды! Но паразиту спешить некуда, он живет в идеальной нише, в которой тепло и сытно. Человеку же, тем более пострадавшему от кровопотери в результате травмы или операции, подобный формат перезагрузки искусственного гемоглобина никак не подходит.

Что же предлагают ученые? Дело в том, говорят они, что в молекуле естественного транспортного белка имеется большой гидрофобный (отталкивающий воду) карман, образованный протеиновыми - и -структурами. Он нужен как раз для ускорения связывания кислорода в легких. «Сконструированный» протеин в силу своих маленьких размеров ничем подобным похвастаться не может. Карман тоже можно было бы как-то сконструировать и химически «подшить» к части макромолекулы искусственного белка, содержащей гем. Но сегодня подобная задача пока невыполнима.

Вполне возможно, что какой-нибудь суперкомпьютер и справился бы с задачей проведения всех сложных расчетов, но объединить это все в молекулярном «макете» пока не представляется возможным. Не будем забывать, что природа потратила не менее миллиарда лет на «создание» гемоглобинов…

Материал подготовил И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(Nature, 2009, № 7236, р. 305)