Летопись важнейших открытий. Деятельность Д.Ходжкин по установлению структуры витамина В12

Зябкина О.А., учитель химии МБОУ Митрофановской СОШ Летопись важнейших открытий. Деятельность Д.Ходжкин по установлению структуры витамина В12 В годы второй мировой войны одной из остро вставших проблем на научном фронте оказалась проблема пенициллина. В военное время в этом лекарстве возникла самая острая потребность для лечения инфекционных заболеваний. Но поскольку химическая структура пенициллина была почти неизвестна, не могло   быть   и   речи   о   его   синтезе   и   налаживании   массового   производства. Усилия   лабораторий   многих   стран   были   направлены   на   решение   этой проблемы.  Располагая   небольшой   группой   помощников   в   Оксфорде,   английская исследовательница   Дороти   Ходжкин   в 1942  г.  также  включилась   в  общую волну исследований в этом направлении. К тому времени ученая уже сумела хорошо   себя   зарекомендовать   в   качестве   опытного   кристаллографа   и специалиста в области рентгеноструктурного анализа (РСА) белков, поэтому Эрнст Б.Чейн, разработавший способ выделения и очистки этого антибиотика, решил   предоставить   ей   столь   драгоценные   в   то   время   кристаллы   этого вещества для исследований. Усиленная работа в этом направлении в течение последующих 6 лет и одновременное совершенствование расчетных методик и техники   РСА   привели   Ходжкин   и   ее   коллег   к   успеху.   В   1949   г.   она окончательно   определила   молекулярную   структуру   пенициллина.Еще   до окончания работы над пенициллином, в 1948 г., сразу же после того, как были получены первые кристаллы витамина В12, Ходжкин обратилась к изучению структуры   этого   вещества   с   помощью   метода   РСА.   Уже   первые рентгенограммы   показали,   что   определение   структуры   в   данном   случае является   практически   невыполнимым   заданием.   Аналогичные   структурыранее исследователям не встречались. Молекулярная масса этого соединения (1355) превышала массы всех ранее известных структур. Следует заметить, что 1930–1940­е гг. – это начальный период в развитии рентгеноструктурных   исследований   сложных   органических   молекул.   В   те давние времена каждая новая рентгенограмма вызывала большое волнение и дискуссии. Исключительно трудную задачу представлял анализ даже малых молекул,   состоящих   из   нескольких   атомов.   Нужно   было   обладать   чтобы   уметь   расшифровывать фантастической   прозорливостью, рентгенограммы сложных молекулярных структур. Дело в том, что проблема рентгеноструктурного   анализа   любого   кристалла   состоит   в   нахождении   не только   амплитуд   всех   дифрагированных   лучей   (обычно   называемых отражениями), но и их фаз. Знание амплитуд и фаз позволяет кристаллографу воспроизвести   распределение   электронной   плотности   кристалла,   которое создает   набор   дифрагированных   лучей,   и   в   конечном   итоге   на   основании интерпретации   карт   электронной   плотности   получить   информацию   о структуре вещества. Амплитуды находят по интенсивности дифрагированных лучей.   Однако   наличие   в   молекуле   большого   числа   атомов   приводит   к необходимости   очень   большого   числа   дифракционных   измерений.   Это трудоемкий   процесс,   и   он   отнимает   много   времени.   Кроме   того, интенсивности дифрагированных лучей относительно слабы по сравнению с интенсивностями отражений для кристаллов малых молекул. Эти трудности приводят  ко  многим  дополнительным   техническим  проблемам. Достаточно сложной   является   в   этих   исследованиях   и   так   называемая   «фазовая проблема».   Со   всеми   этими   трудностями   в   свое   время столкнулась Ходжкин. К счастью, уже на пенициллине ею были созданы многие способы обработки   данных,   развиты   косвенные   методики   расчетов   и Рис.   1. Корринкорректировки   данных.   Именно   на   пенициллине   она   одной   из   первых использовала   вычислительную   технику   для   этих   целей.   Ходжкин   в значительной степени усовершенствовала методику расчета фаз на основе так называемого метода изоморфного замещения. С   1948   г.   в   течение   всех   последующих   шести   лет   Ходжкин   тесно сотрудничала   с   химиками­органиками,   которые   занимались   той   же проблемой,   но   с   использованием   химических   методов   исследования.   В каждом из этих случаев рентгеновское и химическое исследование взаимно дополняли друг друга. Совместные усилия вскоре привели к значительным успехам.   Ходжкин   смогла   установить   отдельные   структурные   фрагменты молекулы.   Особенно   важной   совместной   работой   стало   установление структуры   гексакарбоновой   кислоты   в   1953   г.   В   то   время   ее   коллеги   А.Джонсон   и   А.Тодд)   в   химической   лаборатории (Дж.Кэннон, Кембриджского   университета   выделили   из   гидролизата   цианокобаламина методом   электрофореза   на   бумаге   кристаллическую   оптически   активную кобальтсодержащую   гексакарбоновую   кислоту,   которая   при   расщеплении давала   производные   пиррола   и   алифатические   органические   кислоты различного   строения.   Тогда   Ходжкин   с   сотрудниками   произвела рентгеноструктурный   анализ   этой   кислоты,   используя   новейшие   методики обработки данных с помощью компьютера. Оказалось, что гексакарбоновая кислота   содержит   новую,   частично   гидрированную   тетрапиррольную циклическую   систему   с   пятью   сопряженными   двойными   связями. С помощью этого анализа структура В12 впервые была интерпретирована как клешнеобразный   (хелатный)   кобальтовый   комплекс.   Предполагалось,   что   в комплекс   входит   эфир   остатка   фосфорной   кислоты   5,6­ спиртом. диметилбензимидазолнуклеотида Аминогруппа этого спирта образует пептидную связь с карбоновой кислотой, ­аминопропиловым     с  входящей   в   состав   частично   гидрированной   тетрапиррольной   циклическойсистемы   с   пятью   сопряженными   связями.   Атом   кобальта   в   этом гипотетическом комплексе координационно связан с цианогруппой четырьмя атомами   азота   пиррольных   колец   и   атомом   азота   в   3­положении бензимидазола. Рис   2.  Хлорофилл а (R=CH3) Следует  заметить, что  подобные   циклические  пиррольные  структуры  были найдены   в   то   время   в   различных   природных   системах.   К   ним   относятся хлорофилл   и   цитогемин   (клешнеобразные   комплексные   соединения тетрапиррольной циклической системы с магнием и железом соответственно) (рис. 2 и 3). Но тетрапиррольная циклическая система у витамина В12, как оказалось, была построена несколько иначе. Рис   3.Цитогемин (гем а) Для уточнения структуры цианокобаламина понадобилось еще несколько лет экспериментов   и   расчетов.   Окончательные   детали   пространственного распределения   атомов   в   молекуле   витамина   В12 (его   полная   трехмерная структура) были установлены в 1956 г. (рис. 4). В расчетной части Ходжкин оказало   помощь   Национальное   бюро   стандартов   западных   автоматических компьютеров в Лос­Анджелесе. Рис   4.  Структура   витамина   В12 (цианокобаламин, R=CN) Молекула витамина В12 состоит из трех частей. Планарная часть содержит тетрапиррольное   ядро   коррина,   стабилизированное   центральным   атомом кобальта.   Перпендикулярно   к   ней   расположена нуклеотидная   часть, построенная из циклических остатков рибозы и 5,6­диметилбензимидазола и замкнутая в макроцикл через карбоксамидный атом азота. Этот атом азотасвязан с одной стороны через остаток пропановой кислоты с тетрапиррольной группировкой,   а   с   другой   стороны   –   через   изопропильный   мостик   –   с кислородом   группы   и   далее   с   фрагментами   рибозы   и бензимидазола. Анионная   часть соединена   с   атомом   кобальта   необычной кобальт­углеродной связью (рис. 5). Рис   5. Нобелевский Д.Ходжкин    лауреат демонстрирует структуру   В12 на модели витамина Определение   структуры   позволило   выяснить   механизм   действия   витамина В12 в организме, а также спланировать первые эксперименты по модификации его   молекулы   с   целью   изменения   физиологических   свойств. Через достаточно продолжительный период времени (об этом см. следующие номера   газеты   «Химия»)   его   структура   наконец­то   была   подтверждена синтетическим путем. «За   определение   с   помощью   рентгеновских   лучей   структур   биологически   активных веществ», пенициллина и витамина B12 Ходжкин в 1964 г. получила Нобелевскую   премию   по   химии.   При   презентации   член   ШведскойКоролевской   академии   наук   Гуннар   Хегг   сказал:   «Знание   структуры   чтобы соединения   является   абсолютно   необходимым   для   того, интерпретировать   его   свойства   и   реакции   и   решить,   как   можно   его синтезировать   из   более   простых   соединений.   При   этом   определение структуры пенициллина явилось поистине изумительным стартом новой эры кристаллографии...   Определение   же   структуры   витамина   В12 следует понимать   как   триумф   рентгеноструктурного   анализа   кристаллов   с   точки зрения химической и биологической значимости результатов при огромной сложности структуры».