Глава 3. Единообразие биохимии

Глава 3. Единообразие биохимии

В сущности, проблема возникновения жизни — это проблема органической химии, химии соединений углерода, но органической химии в необычной плоскости. Особый характер живых существ, как мы убедимся, с невероятной тонкостью и точностью подробно определен уже на уровне атомов и молекул. В начале, должно быть, именно молекулы развились таким образом, что образовалась первая живая система. Поскольку жизнь зародилась на Земле настолько давно, возможно, даже четыре миллиарда лет назад, то нам очень трудно узнать, как выглядели первые живые существа. В основе всех живых существ на Земле, без исключения, лежит органическая химия, а подобные химические соединения обычно неустойчивы в течение длительных периодов времени при том колебании температур, что существует на поверхности Земли. Постоянные сотрясения, вызванные тепловым движением в течение сотен миллионов лет, в конце концов, разрушают сильные химические связи, прочно удерживающие вместе атомы органической молекулы в течение более коротких периодов времени, например, в течение нашей собственной жизни. По этой причине почти невозможно найти «молекулярные ископаемые» из тех очень давних времен.

Минералы могут быть намного устойчивее, по крайней мере, на отчасти менее обработанном уровне, в основном потому что в их атомах для образования регулярных трехмерных структур используются прочные связи. Разрыв одинарной связи значительно не разрушит форму минерала. Ископаемые можно в изобилии наблюдать в горных породах, сформировавшихся немногим более миллиарда лет назад, к тому времени, когда организмы уже достаточно развились, и у них появились костные ткани. Обычно подобные ископаемые состоят не из первичных тканей тех организмов, а из неорганических отложений, которые просочились в них и приобрели их форму. Форма мягких тканей обычно не сохраняется, хотя иногда присутствуют следы типа червоточин — отпечатки на горных породах времени.

Существуют ли вообще ископаемые намного древнее этих? Тщательное микроскопическое исследование очень древних пород доказало, что они содержат небольшие вкрапления, которые выглядят как окаменелые остатки очень простых организмов, несколько напоминающих некоторые одноклеточные организмы, обитающие сегодня на Земле. Это имеет большое значение. Мы склонны предполагать, что в процессе эволюции многоклеточные существа развились из этих древних организмов, которые имели только одну клетку. Хотя некоторые обстоятельства здесь все еще спорны, первые организмы такого типа появились примерно 2 1/2 — 3 1/2 миллиарда лет назад. Возраст Земли примерно 4 1/2 миллиарда лет. После того как утих хаос ее первоначального формирования, наступил период длиною около миллиарда лет, в течение которого могла бы развиться жизнь на основе сложного химического состава земной поверхности, особенно в океанах, озерах и заводях. Мы совсем не располагаем ископаемыми останками того периода, потому что все еще не обнаружены сохранившиеся фрагменты осадочных пород того времени.

У нас есть только два способа подойти к этой проблеме. Мы можем попытаться смоделировать те древние условия в лаборатории. Поскольку жизнь — это, вероятно, счастливая случайность, которой даже для появления в расширенной лаборатории на поверхности планеты могло понадобиться много миллионов лет, то не слишком удивительно, что подобные исследования до сих пор далеко не продвинулись, хотя здесь есть и некоторые успехи. Кроме того, мы можем тщательно изучить все живые организмы, существующие сегодня. Так как все они произошли от какого-нибудь из тех первых простых организмов, то можно надеяться, что они все еще несут в себе некоторые следы тех самых древних живых существ.

На первый взгляд, подобная надежда представляется абсурдной. Неужели что-то может объединять лилию и жирафа? Неужели человек может иметь что-то общее с бактериями, живущими в его кишечнике? Циник мог бы заявить, что поскольку, так или иначе, все живые существа едят или их съедают, то это, по крайней мере, говорит о том, что у них есть нечто общее. Удивительно, но оказывается, что это действительно так. Единство биохимии намного глубже и полнее, чем предполагали всего лишь сто лет назад. Огромное разнообразие природы: человек, животные, растения, микроорганизмы, даже вирусы — на химическом уровне все создано по общему основному плану. Именно фантастическое совершенствование этого основного плана, развившееся в ходе естественного отбора за бесчисленные поколения, создает для нас трудности в нашей повседневной жизни при проникновении под его внешнюю форму и постижении единства изнутри. Несмотря на все различия, мы все пользуемся единым химическим языком, или, точнее, как мы увидим, двумя такими языками, близко связанными друг с другом.

Для понимания единства биохимии мы должны сначала уяснить в самых общих чертах, какие химические реакции происходят внутри организма. Живую клетку можно представить как довольно сложную, хорошо организованную химическую фабрику, которая принимает один набор органических молекул — свое питание, — расщепляет их при необходимости на более мелкие единицы, а затем вновь сортирует и соединяет эти более мелкие единицы, часто за несколько осторожных шагов, в целях создания многих других мелких молекул, некоторые из которых она выделяет, а другие использует для дальнейшего синтеза. В частности, она собирает особые наборы этих мелких молекул в длинные цепи, обычно без ответвлений, чтобы образовать жизненно важные макромолекулы клетки, три больших семейства гигантских молекул: нуклеиновые кислоты, белки и полисахариды.

Первый уровень организации, который мы должны рассмотреть, самый низший из всех, — это тот уровень, на котором атомы связываются один с другим для образования мелких молекул. Итак, один атом является довольно симметричным объектом. Его форма приближается к сферической, и если мы посмотрим на него в зеркало, то его зеркальное отражение окажется точно таким же, именно так выглядел бы и бильярдный шар. Более сложные структуры могут оказаться «разветвленными» — наши собственные руки отличный тому пример[3]. Если мы посмотрим на правую руку в зеркало, то увидим левую руку, и наоборот. Мы можем сложить обе наши руки, как в молитве, и кажется, что между ними мы держим зеркало. Способа, с помощью которого мы можем точно наложить одну руку на другую, даже мысленно, не существует.

У некоторых простых органических молекул, таких как спирт, «разветвленность» отсутствует; они и их зеркальные отображения одинаковы, так же, как кубок. Но большинству органических молекул это не свойственно. Сахар на обеденном столе, если взглянуть на него в зеркало, становится совершенно другим собранием атомов. Эта разница имеет значение не для всех типов химических реакций. Если бы мы нагрели такую молекулу и могли наблюдать, как увеличиваются молекулярные колебания до тех пор, пока не нарушится одна из связей, то увидели бы, что в случае, когда мы представили бы этот процесс в зеркальном изображении, относительные перемещения всех атомов оказались бы идентичными. Основные реакции в химии симметричны в условиях отражения с очень высокой степенью приближения. Разветвленность становится важной, только если две молекулы должны точно соответствовать друг другу. Мы можем увидеть это при изготовлении перчатки. Все детали перчатки: ткань, нить, даже пуговицы — каждая по отдельности, зеркально-симметричны, но их можно соединить двумя похожими, но различными способами, чтобы сшить перчатку как на правую руку, так и на левую. Очевидно, что нам нужны обе, потому что у нас две разные руки, хорошая перчатка на левую руку не подойдет на правую.

Простейшая форма асимметричной молекулы этого типа образуется, когда один атом углерода связан одинарными связями с четырьмя другими разными атомами или группами атомов. Это происходит потому, что все четыре связи атома углерода не лежат в одной и той же плоскости, а расположены с равными промежутками во всех трех измерениях и направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.

Распределение в пространстве четырех связей вокруг одного атома углерода.

Таким образом, органические молекулы (молекулы, содержащие атомы углерода) часто могут быть разветвленными, даже когда они могут оказаться мелкими, но нам нужно понять, какое значение все это имеет для клетки. Основная причина заключается в том, что биохимическая молекула не изолирована от других. Она вступает в реакцию с другими молекулами. Почти любая биологическая реакция ускоряется с помощью свойственного только ей особого катализатора. Мелкая молекула, для того чтобы прореагировать подобным образом, должна плотно прилегать к поверхности катализатора, и поскольку у мелкой молекулы есть вздутие, то оно должно быть и у катализатора. Как в случае с перчаткой, реакция не будет происходить должным образом, если мы попытаемся приспособить левостороннюю молекулу во впадину, соответствующую правосторонней.

Представьте, что в эту минуту вы можете наблюдать за работающей химической фабрикой и видеть все многочисленные происходящие там реакции, при этом молекулы быстро перемещаются с одного места на другое, приспосабливаясь к различным каталитическим молекулам, расщепляются, вновь образуются, группируются и вступают в реакцию еще самыми различными способами. Теперь представьте, что вы наблюдаете за фабрикой, являющейся точным зеркальным отражением первой. Все будет происходить как и раньше, так как в зеркальном мире законы химии те же самые. Трудности возникнут, только если вы попытаетесь объединить обе фабрики, смешивая при этом некоторые составные части одной системы с элементами зеркального мира.

Поэтому мы можем понять, почему в одном организме многие «разветвленные» асимметричные молекулы, крупные и мелкие, должны быть гармоничны. Более того, доказано экспериментально, что асимметричные молекулы с одной стороны вашего тела имеют точно такое же вздутие, что и молекулы с противоположной стороны. Но разве не могли бы существовать два различных типа организмов: один — зеркальное отображение другого, по крайней мере, в том, что касается их составляющих? Такого просто нет. В природе не существует двух различных царств, в одном из которых есть молекулы одного типа, а в другом — их зеркальное отображение. Глюкоза везде имеет одинаковое вздутие. Еще важнее, что мелкие молекулы, которые соединяются вместе для образования белка, аминокислоты, все являются L-аминокислотами (их зеркальные изображения называются D-аминокислоты: L = Levо, D = Dextro) 2, а все сахары в нуклеиновых кислотах также имеют одинаковое вздутие. Первый великий объединяющий принцип биохимии заключается в том, что все основные молекулы во всех организмах имеют одинаковое вздутие.

2 В указанной выше книге далее сказано, что правовращающие соединения обозначают буквой D, а левовращающие — буквой L. И затем: «Два изомера глицеральдегида обозначают как D-изомер (правовращающий)и L-изомер (левовращающий)». — Прим. пер..

Две разновидности аминокислотного аланина. Каждая является зеркальным отображением другой. На рисунках вверху показаны пространственные модели; внизу — модели строения молекулы. Буквами обозначены атомы. Разновидность аланина, обнаруженная в белке, — L-аланин, на рисунке слева.

Есть много других биохимических особенностей, которые необыкновенно похожи во всех клетках. Фактически существующие метаболические пути (точные пути, по которым одна мелкая молекула преобразуется в другую) часто удивительно похожи, хотя не всегда одинаковы. Поэтому существует несколько структурных особенностей, но единообразие еще поразительнее на глубочайших уровнях организации; поразительнее, потому что оно является одновременно произвольным и законченным.

Многое в структуре и механизме обмена веществ клетки основано на одном семействе молекул, белках. Молекула белка — это макромолекула, насчитывающая до тысяч атомов. Каждый белок организован определенным образом, каждый атом находится на своем месте. Каждый вид белка образует сложную трехмерную структуру, не похожую на другие, которая позволяет ему выполнять каталитическую или структурную функцию. Эта трехмерная структура образована путем свертывания лежащей в ее основе одномерной структуры, которая сложена из одной или более так называемых полипептидных цепей. Последовательность атомов вдоль этого остова образует структуру из шести атомов, повторяющуюся снова и снова. Разнообразие обеспечивают очень небольшие боковые цепочки, которые отходят от остова, по одной при каждом повторе. У типичного остова их насчитывается несколько сотен.

Неудивительно, что синтетический механизм клетки создает из этих полипептидных цепей, связывая их друг с другом непрерывной веревочкой, особый набор мелких молекул, аминокислоты. С одного конца они все похожи (на участке, который образует повторяющийся остов), но отличаются с другого конца (на том участке, который образует малые боковые цепочки). Удивительно то, что при создании белка используется лишь двадцать их разновидностей, и этот набор из двадцати видов постоянен повсюду в природе. Кроме того, ведь существуют еще другие виды аминокислот, и некоторые из них можно найти в клетке. Тем не менее, для создания белка используется только этот определенный набор из двадцати видов.

Белок похож на абзац, написанный на языке с двадцатибуквенным алфавитом, конкретная природа белка при этом определяется конкретным порядком букв. За одним тривиальным исключением — этот шрифт никогда не меняется. Животные, растения, микроорганизмы и вирусы — все пользуются одним и тем же набором букв, хотя, насколько мы можем судить, можно было бы легко воспользоваться другими похожими буквами, точно так же, как при создании нашего собственного алфавита можно было бы использовать другие символы. Выбор некоторых из этих химических букв очевиден, поскольку они очень мелкие и легко Доступны. Выбор других не столь очевиден. Если бы в каждом напечатанном в мире тексте использовался один и тот же произвольный набор букв (что, как мы знаем, далеко не так), то мы бы сделали обоснованный вывод, что этот вполне разработанный шрифт, вероятно, возник в одном конкретном месте и переходил дальше в процессе постоянного копирования. Трудно не прийти к такому же заключению в отношении аминокислот. Набор из двадцати видов до того универсален, что его выбор, по-видимому, относится к самому началу появления всех живых существ.

Атомистическая модель малого белка, ферментной рибонуклеазы S. Темные атомы образуют часть активного участка фермента. Обычно белок полностью окружен молекулами воды.

Природа пользуется еще одним, совершенно отличным химическим языком, который также довольно единообразен. Генетическую информацию любого организма содержит в себе одно из двух близко связанных семейств гигантских цепочечных молекул, нуклеиновых кислот ДНК и РНК, подробнее описанных в главе 5. Каждая молекула имеет безмерно длинный остов с регулярной, повторяющейся структурой. И снова боковая группа присоединена через равные промежутки, но в этом случае существует только четыре типа; у генетического языка только четыре буквы. Длина типичного малого вируса, такого как вирус полиомиелита, около пяти тысяч букв. Генетическое сообщение в клетке бактерии обычно насчитывает несколько миллионов букв; а у человека — несколько миллиардов, упакованных в центре каждой из наших многочисленных клеток.

Одно из важнейших биологических открытий шестидесятых годов заключалось в обнаружении генетического кода, малого словаря (в принципе похожего на азбуку Морзе), который переводит язык генетического материала, состоящий из четырех букв, на язык белка, исполнительный язык, состоящий из двадцати букв. Подробнее он описан в приложении.

Для того чтобы перевести генетическое сообщение на определенный участок нуклеиновой кислоты, биохимический механизм считывает последовательность боковых цепочек группами из трех цепочек, начиная с некоторой заданной точки. Поскольку в языке нуклеиновой кислоты только четыре различных буквы, то существует шестьдесят четыре возможных триплета (4 х 4 х 4). Шестьдесят один из них (они называются кодонами) означают ту или иную аминокислоту. Три остальных триплета означают «конец цепочки». (Сигнал «начало цепочки» немного сложнее.)

Точная природа генетического кода имеет такое же значение в биологии, как и периодическая таблица элементов Менделеева в химии, но между ними есть и существенная разница. Периодическая таблица, должно быть, одинакова во всей Вселенной. Генетический код, по-видимому, довольно произволен или, по крайней мере, частично таков. Предпринималось много попыток вывести зависимость между двумя языками на основании принципов химии, но до сих ни одна из них не привела к успеху. У кода есть несколько постоянных признаков, но они могут оказаться случайными.

Даже если бы где-нибудь в другом месте существовала совершенно особая форма жизни, в основе которой также были бы нуклеиновые кислоты и белок, я все равно не вижу достаточных оснований, почему генетический код должен быть точно таким же, как и здесь. (Азбука Морзе, между прочим, не вполне произвольна. Наиболее часто встречающиеся буквы, например, е и т, состоят из наименьшего числа точек и тире.) Если это проявление произвольности в генетическом коде подтвердится, то мы можем только еще раз прийти к выводу, что вся жизнь на Земле возникла из одной очень примитивной популяции, которая первая использовала его, чтобы управлять потоком химической информации с языка нуклеиновой кислоты на язык белка.

Таким образом, чтобы нести генетическую информацию, все живые существа пользуются одним и тем же языком из четырех букв. Все пользуются одинаковым языком из двадцати четырех букв для создания своих белков, механических инструментов живой клетки. Все пользуются одинаковым химическим словарем при переводе с одного языка на другой. О такой невероятной степени единообразия едва ли подозревали немногим более сорока лет назад, когда я был еще студентом. Сегодня я нахожу странным, что те люди, которым размышления о своем единстве с природой доставляют глубокое удовлетворение, часто совершенно не подозревают о том самом единстве, о котором они пытаются судить. Возможно, в Калифорнии уже существует церковь, в которой каждое воскресное утро оглашается генетический код, хотя я сомневаюсь, что кто-нибудь посчитает весьма вдохновляющим подобное голое перечисление фактов.

Далее мы увидим, что один из способов подойти к проблеме происхождения жизни — это попытаться представить, каким образом это замечательное единообразие впервые появилось. Почти все современные теории и экспериментальные исследования по происхождению жизни за исходную точку принимают синтез либо нуклеиновой кислоты, либо белка, или же того и другого вместе. Каким образом на этой первозданной Земле (если жизнь действительно зародилась на Земле) могли появиться первые необходимые для этого макромолекулы? Мы уже видели, что эти цепочечные молекулы образованы объединением мелких субъединиц в непрерывную цепочку. Каким образом могли синтезироваться мелкие молекулы в этих древних, пребиотических условиях? И каким образом мы могли бы определить, даже если бы имели возможность наблюдать весь процесс на уровне атомов, когда система впервые заслужила название «живая»? Чтобы понять эту проблему, мы должны исследовать в следующей главе: какие качества должны присутствовать у любой живой системы.