Благодаря тому, что боковые радикалы аминокислотных остатков весьма разнообразны по своей структуре, химической природе, электрическим свойствам, оказываются различными гибкость отдельных участков белковой молекулы, их взаимное сродство, способность к образованию периодических структур и т. п.
И существуют такие способы чередования аминокислотных остатков в белковой молекуле, что, предоставленная самой себе, она самопроизвольно свернется во вполне определенную структуру. Значит, проблема предсказания третичной структуры, записанной на языке аминокислотной последовательности, сводится к подробному описанию внутримолекулярных взаимодействий в белке, которое позволило бы точно воссоздать основные силы, изгибающие или выпрямляющие отдельные участки цепи, сближающие или отталкивающие различные ее части, а это, несомненно, физическая задача.
Не теряя времени, мы тут же, прямо-таки через полторы-две страницы примемся за ее постановку в традиционном «физическом» виде. Но перед этим — несколько слов на более общие темы.
Нет смысла скрывать далее от читателя, что необычная пространственная структура белковых молекул и есть причина их необычных свойств (будем опять-таки для простоты говорить только о свойствах ускорения химических реакций). И общая схема организации жизненного процесса, вскрытая молекулярной биологией, выглядит таким образом: на основе записанной в ДНК аминокислотной последовательности всех белков данного организма при участии или под действием части этих белков осуществляется синтез новых белковых молекул.
В общих чертах нам известен даже способ реализации ДНК-овой записи в виде аминокислотной последовательности белка. Если мы теперь, уже вступив на твердую почву физических представлений, сумеем описать поведение каждой такой молекулы в различных ситуациях, мы сможем получить полное представление о молекулярных механизмах процессов передачи информации от ДНК к белку, которые нами не рассматривались (из чего, очевидно, не следует, что о них ничего не известно). В результате мы получаем замкнутое и исчерпывающее описание феномена жизни на языке физики — предел амбиций всякой отрасли естествознания. Усилиями современной науки удалось, таким образом, свести (хотя бы в принципе) проблему живого к задачам внутри- и межмолекулярной подвижности, к задаче поиска молекулой или системой молекул единственного, наиболее устойчивого состояния… Это ли не прогресс биологии второй половины двадцатого века!
Прочтем теперь внимательно следующие два абзаца:
«…Если бы доктор Бауман ввел свою систему в надлежащее русло и приложил бы свои идеи лишь к образованию животных, не распространяя их на природу души… он бы не вверг себя в наиболее соблазнительный вид материализма, приписывая органическим молекулам желание, отвращение, чувства и мысль. Следовало бы удовлетвориться предположением чувствительности, в тысячу раз меньшей, чем та, которой всемогущий наделил животных, наиболее близких к мертвой материи. В результате этой глухой чувствительности и разницы в структуре для всякой органической молекулы имелось бы только одно, самое удобное положение, которое она непрерывно искала бы, автоматически беспокоясь, как это случается с животными, когда они ворочаются во сне… Ему вообще следовало бы определить животное как систему органических молекул, которые вступают в разнообразные соединения, пока каждая из них не найдет наиболее подходящего положения для своей фигуры и своего спокойного состояния…»
Этот фрагмент позаимствован нами из книги французского философа-энциклопедиста Д. Дидро (1713–1784 гг.) «Мысли к объяснению природы».
Вспомним же по этому поводу (да простится нам обилие цитат!) слова великого биохимика А. Сент-Дьёрдьи (заочно знакомого каждому, когда-либо принимавшему витамин С, открытый А. Сент-Дьёрдьи в 1931 году), относящиеся к ученым прошлых веков: «Не обладая подчас даже самыми примитивными исследовательскими приборами, они широко пользовались двумя устройствами, которыми наделила человека природа и употребление которых впоследствии вышло из моды: глазами и мозгом».
В этой главе мы хотим поговорить о том, каким образом белковая молекула сама, без всякой посторонней помощи находит предопределенную ей аминокислотной последовательностью пространственную структуру. Прибегая к терминам «находит», «ищет» и т. п., мы непроизвольно (как бы в подражание раскритикованному Д. Дидро злополучному доктору Бауману) одушевляем молекулу, наделяем ее элементами сознания. Конечно, те наивные представления о молекулах, которыми располагал доктор Бауман, в какой-то мере служат оправданием идеи одушевленности биологических молекул. Но, странное дело, проходят десятилетия, столетия, а из лексикона биологов вовсе не исчезают обороты типа: «белки определенным образом приспосабливаются…», «целенаправленная организация структуры белковой молекулы…», наконец, «молекула белка запрограммирована на…».
Исполненное тайн бытие всемогущих и загадочных белков, ощущение беспомощности при попытках постичь их удивительные свойства — все это выработало элементы некоего странного культа среди биохимиков и биологов вообще. Вы думаете, идеи доктора Баумана бесповоротно погибли на рубеже XVIII и XIX столетий? Ничуть не бывало. Один из виднейших ботаников начала нашего века, К. Негели, писал пространные и очень серьезные сочинения на тему о психологии белковых молекул. Или вам угодно более свежий пример? Герой нашумевших исследований «первичного сознания» у растений американец К. Бакстер пишет уже в наши дни: «…способность восприятия, вероятно, не ограничивается клеточным уровнем. Возможно, ею обладают и молекулы, и атом, и даже его частицы. Наверное, нужно было бы заново изучить с этой точки зрения все то, что до сих пор принято считать неживым».
Мы хотим еще раз подчеркнуть то, о чем уже писалось в конце прошлой главы: процесс самостоятельного сворачивания белковой молекулы во вполне определенную структуру обусловлен чисто физическими силами, то есть взаимодействиями, возникающими между отдельными ее частями. Нам хотелось бы также преподнести читателю этот тезис как можно более доказательно, поскольку изложение основных физических принципов, на которых он базируется, вполне доступно в рамках и на уровне нашего повествования. Поэтому мы решили целиком посвятить настоящую главу физическим и даже, если угодно, физико-теоретическим аспектам проблемы. Это вовсе не означает усложнения материала; с другой стороны, те из читателей, которых интересуют общие принципы последовательного биологического кодирования на молекулярном уровне, а не физические механизмы, лежащие в основе одного из этапов такого кодирования, могут без особого ущерба для понимания последующего материала эту главу при чтении опустить.
Прием подобного рода (то есть уведомление читателя о необязательности предстоящей главы) широко практикуется авторами многих учебников и монографий по математике. По опыту общения с подобной литературой нам хорошо известно блаженное чувство облегчения, посещающее читателя в момент знакомства с подобной декларацией. Двумя главами позже выясняется, однако, что его надули, и чтобы хоть как-нибудь ориентироваться в тексте, нужно вернуться к легкомысленно пропущенным главам.
Еще раз о квантовой механике
Мы усердно пытались обойти проблемы, связанные со строгой теорией строения молекул, теорией, основанной на той самой квантовой механике, которую даже ее создатели с похвальной самокритичностью называли «безумной». Но, видно, недаром наши мудрые предки придумали поговорку насчет сумы да тюрьмы: нам снова придется столкнуться лицом к лицу с этой удивительной, опрокидывающей все житейские представления наукой. На этот раз — в связи с вопросом, выглядящим вполне невинно: насколько точным с точки зрения квантовой механики является общепринятое выражение «молекулы состоят из атомов»?
Из того, что мы успели сказать о строении химической связи, ясно следует, что молекулы складываются из атомов совершенно особым способом, не так, как, скажем, стена из кирпичей.
Любой атом, по уверениям физиков, состоит из ядра и положенного ему количества электронов, причем у атома, взятого отдельно, все эти электроны подчиняются вполне определенной системе пространственного расположения вокруг ядра.
В молекуле, составленной из атомов каких-то химических элементов, мы найдем ядра точно тех же типов; и у большинства из них сохранится в принципе способ пространственного размещения значительной части электронов. Но зато оставшиеся электроны полностью утратят свою принадлежность к какому-либо определенному атому, образуя более или менее общую систему, пространственно связанную с парой, тройкой или иной группой ядер. Именно таким образом и возникают химические связи; впрочем, если говорить совсем строго, это «обобществление» относится (хотя и в меньшей мере) ко всем без исключения электронам, имеющимся в молекуле.
