Карнавал молекул. Химия необычная и забавная

Длинную цепь составляли из четырех фрагментов, однако перед синтезом необходимо было решить, из каких именно блоков ее следует собирать, и потому длинную цепь мысленно «разрезали», но места разреза каждая группа намечала по-своему. Различия возникли из-за того, что неодинаковы были и методы соединения блоков, и методы промежуточной защиты, используемые каждой из групп.

Естественно, на последнем этапе у всех авторов получились одинаковые молекулы. Приблизительно год ушел на создание исходных блоков. Подстегиваемая обстановкой соревнования аахенская группа интенсифицировала работу и в декабре 1963 г. сообщила об успешном синтезе инсулина. Эта группа буквально вырвала первенство у питтсбургских химиков, которые сообщили об успешном результате в марте 1964 г. Окончательный выход чистого продукта колебался в пределах 0,02–0,07 %. У китайских химиков выход был несколько выше (1,2–2,5 %), но, разумеется, о производстве инсулина по таким методикам не могло быть и речи.

Синтез инсулина стал убедительной победой классической синтетической химии. Несмотря на низкий выход продукта, все признавали, что была проделана выдающаяся работа, которая позволила изменить образ мышления химиков, сформулировать новые принципы сборки больших молекул, отработать стратегию синтеза и подобрать оптимальные методики. Все это заметно повысило общий уровень органической химии. Однако истинного триумфа не получилось: почти одновременно с успешным завершением этих работ появилась принципиально иная, более совершенная методика сборки белковых молекул.

Главное – закрепить хвост

Профессор Рокфеллеровского университета из Нью-Йорка Роберт Меррифилд (рис. 5.17), занимаясь химией белков, высказал оригинальную идею: первую аминокислоту можно закрепить одним концом на некой нерастворимой поверхности (носителе). Затем следует присоединить к другому ее концу следующую аминокислоту, при этом нежелательные побочные продукты и промежуточные реагенты, не вступившие в реакцию, можно будет вымывать из реакционного сосуда после каждой стадии, а растущий полипептид, прикрепленный к носителю, останется при этом незатронутым. Молекулы растущих полипептидов будут подвешены «за хвост» к твердой поверхности носителя, а когда процесс синтеза завершится, конечный полипептид можно отделить от носителя.

Меррифилду удалось реализовать эту идею в 1965 г. Первую аминокислоту присоединяют к нерастворимому полимерному гелю (сшитый полистирол) с введенными в него хлорметильными группами – CH₂Cl, которые способны реагировать с группами СООН аминокислоты. Чтобы взятая для реакции аминокислота не прореагировала сама с собой и не присоединилась своей H₂N-группой к подложке, аминогруппу этой кислоты предварительно блокируют объемистым заместителем – [(С₄Н₉)₃]₃ОС(О)-группой. После того как аминокислота присоединилась к полимерной подложке, блокирующую группу удаляют и в реакционную смесь вводят другую аминокислоту, у которой также предварительно заблокирована H₂N-группа. В такой системе возможно только взаимодействие H₂N-группы первой аминокислоты и группы – СООН второй кислоты, которое проводят в присутствии катализаторов (солей фосфония). Далее всю схему повторяют, вводя третью аминокислоту.

На последней стадии полипептидные цепи отделяют от полистирольной подложки действием HBr в присутствии трифторуксусной кислоты F₃CCOOH. Меррифилд не только экспериментально проверил эффективность метода, но и сконструировал аппарат, который практически автоматизировал пептидный синтез. Это устройство представляло собой контейнер для аминокислот и реагентов, а также реакционный сосуд с автоматическими впускным и выпускным клапанами и программным механизмом, который регулировал последовательность процессов и длительность каждой стадии.

Часто иной подход к решению задачи заметно облегчает достижение результата. С помощью сконструированного аппарата Меррифилд и его коллеги синтезировали инсулин всего за 20 дней (притом с выходом в десятки процентов), в то время как «первопроходцы» – аахенская, питтсбургская и шанхайская группы – затратили на это больше года.

В 1984 г. Меррифилд был удостоен Нобелевской премии «За развитие методологии твердофазного химического синтеза».

Призовем на помощь природу

Во время проведения всех описанных выше работ химиков не оставляла мысль, что те задачи, которые ученые решают с таким трудом, природа решает легко и исключительно аккуратно. Синтез белков в живых организмах проходит в мягких условиях, быстро и без образования побочных продуктов. До определенного момента химики могли лишь с удивлением и интересом наблюдать подобные «синтезы», однако стремительное развитие биохимии позволило активно вмешаться в эти процессы, в том числе открыть принципиально новый способ синтеза инсулина.