Соль, которую на хлеб не насыпешь

Соль оказалась не такой простой, как принято было считать. Фото Евгения Зуева (НГ-фото)

Известно, что возможности оптической микроскопии лимитированы в силу того, что видимый свет имеет слишком большую длину волны. Поэтому сначала были изобретены ультрафиолетовый, а затем и электронный микроскоп (с помощью последнего можно рассматривать вирусы и большие белковые комплексы). Однако физики знали, что еще меньшей длиной волны обладают рентгеновские лучи, которые поначалу были использованы для «рассмотрения» молекулы витамина В12 (кобаламина), а затем и таких белков, как мио- и гемоглобин. За их рентгеноструктурный анализ Нобелевская премия была вручена в 1962 году британским ученым Джону Кендрью и Максу Перутцу, потратившим 25 лет на получение «картинок» с разрешением в 25 ангстрем (1 ангстрем – 10-10 м).

За прошедшие годы было опубликовано много изображений белковых структур. Работа эта финансировалась крупнейшими фармацевтическими компаниями, заинтересованными в точном знании молекулярных «отношений» в ферментах и рецепторах, чтобы создавать новые лекарства. Однако на пути ученых было много препятствий, связанных прежде всего с тем, что далеко не все протеины (белковые молекулы) кристаллизуются. А кристалл – это самая удобная форма состояния вещества для микроскопических исследований. Для того чтобы обойти это препятствие, кристаллографы придумали криотехнологию – замораживание белков в жидком азоте при температуре –173 градуса. Но это лишь частично решило проблему, поскольку в клетках протеины «работают» при температурах, близких к комнатной.

Еще одним препятствием было то, что мощные рентгеновские лучи при долгой экспозиции чуть ли не сжигают нежные белковые кристаллы. Вот почему с таким интересом была встречена статья Вадима Черезова в журнале Science, в которой он описал структуру серотонинового рецептора, то есть белка клеточной мембраны, улавливающей в нашем мозге серотонин, или молекулу «счастья».

Нарушения в серотониновой системе мозга приводят к самым нежелательным последствиям в виде стрессов, депрессий, суицида. Можно упомянуть также, что еще средневековые авторы описывали «корчи» (ergotism) у людей в результате отравления хлебом, испеченным из зерна, загрязненного спорыньей. Последняя представляет собой паразитический грибок, синтезирующий в своих плодовых телах токсичный эрготамин, который соединяется с серотониновыми рецепторами. Это и приводит к мышечным судорогам.

Поэтому молекулярным фармакологам очень важно знать структуру рецептора с максимальной точностью. Сотрудникам Черезова в Исследовательском институте калифорнийского города Ла-Джолла удалось разглядеть две подвижные функциональные петли белка, которые при других способах изучения не фиксировались. В качестве источника был использован рентгеновский фемтосекундный (длительность светового импульса – 10-15 с.) лазер с чрезвычайно короткой длиной волны. Излучение такого лазера генерируется при изгибании мощного электронного пучка в ускорителях элементарных частиц. Это так называемое синхротронное излучение.

Сходный источник синхротронного излучения, ускоритель в Гамбурге, был использован и авторами статьи в том же Science, авторами которой являются А. Оганов и А. Ляхов из университета штата Нью-Йорк, А. Гончаров из вашингтонского Института Карнеги и В. Пракапенка из Чикагского университета, которым помогала в Германии З. Конопкова. Ученые решили посмотреть, что происходит с обычной солью NaCl при гигантских давлениях в 200 тыс. ГПа (2x109 атм). (Надо заметить, что Оганов и Ляхов еще в 2012 году опубликовали в Nature Chemistry статью, в которой описали стабильный оксид ксенона (ХеО), сохранявший свою целостность при давлениях в 850 ГПа.)

Химики называют количественно-массовые отношения элементов в соединениях стехиометрией. Со школьной скамьи мы знаем, что стехиометрия соли представляет собой соотношение натрия и хлора 1:1. Однако, как выяснили авторы статьи, при сверхвысоких давлениях происходит нарушение «четности», в результате чего натрий и хлор могут быть в самых разных отношениях друг к другу. Под рентгеном удалось также разглядеть, что при этом образуются кубические и ромбические структуры в кристаллах соли и даже металлическое состояние. Поразило экспериментаторов также и то, что «порушенное» состояние химии оказалось термодинамически стабильным, но, конечно же, в условиях гигантского давления.