Мы знаем, что формы белков неисчислимо разнообразны, и знаем, что они предопределены генетическими последовательностями. Но почему это так важно? Отчасти потому, что белки являются непосредственным строительным материалом тела. Так, волокнистые белки, например коллаген, соединяются в прочные жгуты, называемые связками и сухожилиями. Большинство белков все же не волокнистые, они имеют характерную глобулярную форму. Глобулы снабжены мелкими выступами (или зубчиками), и их взаиморасположение обусловливает ферментную или каталитическую роль белков.
Катализатором называют химическое вещество, которое ускоряет химическую реакцию иногда в миллион или миллиард раз; при этом сам катализатор остается неизменным: реакция успешно прошла, и катализатор снова свободен и снова готов к работе. Особый класс катализаторов составляют белковые катализаторы, или ферменты (энзимы). Они фантастически капризны — предельно разборчивы в выборе химической реакции. Или наоборот: химические реакции в клетке разборчивы в выборе фермента. Ведь многие реакции в клетке настолько медленные, что без помощи ферментов от них бы не было никакого толку. Но с ферментами они протекают очень быстро, так что продукт можно выдавать на-гора.
Мне нравится представлять это так. Вот химическая лаборатория с сотнями бутылочек и колб, и в каждой простое или сложное вещество, раствор или порошок. Химик, желающий провести опыт, снимает с полки пару-тройку бутылочек, берет оттуда щепоть одного, каплю другого, смешивает в отдельной пробирке (может и подогреть) — и реакция начинается. А сколько еще могло бы произойти химических реакций в этой лаборатории, если бы все имеющиеся там вещества не были изолированы?
Живая клетка сродни гигантской химической лаборатории с огромными запасами химикатов. Но они не разделены стеклянными стенками. Все перемешано, будто какой-то громила ворвался в лабораторию и расколотил все колбы. Ужасно, правда? Было бы ужасно, если бы все вещества вступали в реакцию друг с другом в любых комбинациях. Однако этого не происходит. Или происходит, но с ничтожной скоростью. Если только там нет фермента. Тогда все полки с бутылочками становятся ненужными, ведь вещества и так не собираются вступать в реакцию, пока не появится правильный фермент. Иными словами, если нужно, чтобы вещества А и Б вступили в химическую реакцию, можно хранить их в отдельных закупоренных бутылочках, а можно слить сотню разных веществ в котел и потом добавить фермент, катализирующий реакцию А и Б. Следует понимать, что аналогия с разгромленной лабораторией не слишком хороша. Ведь в клетке имеется инфраструктура из мембран, которые разграничивают пространство, где протекают реакции. Так что в некоторой степени мембраны исполняют роль колб и флаконов.
Смысл этого раздела главы в том и заключается, что «правильность» фермента достигается за счет правильной формы, а она, в свою очередь, получается за счет определенной генетической последовательности (последовательности нуклеотидов в гене), а естественный отбор работает именно с генами, поддерживая или отбрасывая их. В «супе», который наполняет клетку, плещутся, роятся и вертятся тысячи молекул. Молекула А, может, и желала бы прореагировать с молекулой Б, но для этого им нужно встретиться и занять правильную позицию по отношению друг к другу. Это очень маловероятно, если только не вмешается правильный фермент. И у него, обладающего своеобразной формой, сложившейся подобно магнитному ожерелью, есть необходимые выступы и углубления нужной конфигурации.
У каждого фермента имеется так называемый активный центр (или активный сайт). Обычно это зубец или карман, форма которого придает специфические свойства ферменту. Слово «зубец» здесь, наверное, не совсем уместно. Пожалуй, лучше сравнить его с электрической розеткой. Это примерно то, что мой друг зоолог Джон Кребс назвал «великим штепсельным заговором»: различные страны внедряют собственные типы вилок и розеток, и в итоге английские вилки не подходят к американским или французским розеткам, и так далее. Активные центры на поверхности белковых молекул подобны розеткам, в которые можно вставить только вилки определенного типа. Но если в арсенале «штепсельных заговорщиков» всего полдюжины типов вилок и розеток (тем не менее этого достаточно, чтобы создать путешественнику неудобства), то типы «вилок» ферментов гораздо, гораздо более разнообразны.
Представим, как с помощью фермента образуется химическое соединение АБ, — очевидно, путем присоединения молекулы А к молекуле Б. В одну часть активного центра фермента идеально вставляется молекула А, будто деталь в пазл. Вторая часть активного центра так же идеально подходит для молекулы Б, куда она прицепляется, становясь в позицию, которая требуется для соединения А и Б. Выступы и выемки крепко держат А и Б, угол для реакции совершенно точен — молекулам А и Б ничего не остается, кроме как вступить в реакцию. Образуется соединение АБ, высвобожденное из объятий фермента, а сам фермент готов снова примерить к своим выемкам и выступам новые молекулы А и Б. В клетке могут быть целые армии одинаковых ферментных молекул, работающих подобно роботам на конвейерной ленте, выпускающей продукт клеточной индустрии АБ. А если в клетке на конвейере заработает другой фермент, то пойдет выпуск другой продукции — АВ, БД или ЕЖ. Конечные продукты будут различными, хотя сырье всегда одно и то же. А есть и другие ферменты — они занимаются не соединением молекул друг с другом, а расщеплением молекул на части. Некоторые из таких ферментов вовлечены в процесс пищеварения, также они являются своего рода биологическими моющими средствами. Но так как в этой главе обсуждается построение эмбрионов, то нас все же интересуют строительные ферменты, посредники химического синтеза. (Один из таких процессов показан на цветной вклейке 12.)
Здесь у читателей могут возникнуть вопросы. Все это прекрасно: зубцы и выступы, вилки и розетки, активные центры, у которых сродство только к одним типам молекул и которые в миллион раз ускоряют единственную реакцию — да, все это хорошо. Слишком хорошо, чтобы быть правдой. Как получаются молекулы фермента нужной формы? Какова вероятность того, что сразу объявится фермент, у которого есть и «вилки», и «розетки» для А и Б, причем эти высокоспецифичные неровности сразу поставят А и Б напротив друг друга, заставив любоваться друг на дружку под нужным углом, а потом еще и соединиться? Вероятность ничтожна, если представлять себе целиком сразу весь пазл — или, если вам нравится аналогия, сразу все сети «штепсельного заговора». Но на самом деле следует представить вот что: постепенные улучшения. Как в других случаях, когда перед нами встает загадка образования сложных структур, нельзя думать, что их совершенство в настоящий момент существовало всегда.
Молекулы ферментов ускоряют нужные реакции в миллиард раз. Это выходит у них благодаря совершенной форме, приспособленной для определенной реакции. Но так ли нужна такая скорость? Возможно, и ускорения в миллион раз хватило бы. Или в тысячу раз. Даже стократно. Да что тут говорить — и в десять раз, и даже в два раза быстрее, чем исходная реакция. Даже за это улучшение естественный отбор сразу ухватился бы. Работа фермента улучшалась постепенно, его форма совершенствовалась, меняясь от самой простой, почти без зубцов, до филигранно подогнанных друг к другу деталей. Постепенность означает, что на каждом шаге, даже шажке, происходило какое-то заметное улучшение. А заметность его предполагает, что не мы, а естественный отбор должен обратить на него внимание, даже если для нас это улучшение неразличимо.
Вот так все и работает. Лучше не придумаешь! Клетка является живой химической фабрикой, способной выпускать колоссальное число соединений в любом количестве, стоит только добавить необходимый фермент. И как этот выбор делается? Путем включения нужного гена. Если клетка представляется котлом с химикатами, не вступающими в реакцию друг с другом, то в клеточном ядре, напротив, работает только малое число генов. Если ген включен (например, мы говорим о клетке печени), то последовательность нуклеотидов, то есть генетический код, определит последовательность аминокислот (помните магнитное ожерелье?), она определит форму, в которую свернется белок, а в этой форме появятся нужные зубцы и впадины, которые неизбежно заставят молекулы в «котле» соединиться требуемым образом. В каждой клетке, за исключением красных кровяных телец, имеется ядро, содержащее набор генов для всех ферментов. Но также в каждой клетке «активированы» немногие гены. Так, в клетках щитовидной железы вырабатываются ферменты для производства тироидного гормона, и соответственно, работают только гены этих ферментов. Точно так и с любыми другими клетками. Конфигурация клетки, ее поведение, ее участие в спектакле — все определяется идущими в клетке химическими реакциями. Поэтому весь ход эмбрионального развития управляется генами. Именно гены диктуют последовательность аминокислот, определяющую третичную структуру белков, именно она формирует «розетки» и «штепсели» в активном центре. Он, в свою очередь, контролирует клеточную химию, а это вызывает спонтанно организованное, подобное поведению скворцов в стае, поведение клеток в процессах эмбрионального развития. Таким образом, разница генов может вызвать изменения хода эмбрионального развития и, следовательно, изменения облика и поведения взрослых особей. А впоследствии выживание и репродуктивный успех этих особей повлияют на выживание генов, которые некогда обеспечили их выживание и репродуктивный успех. И в этом заключается естественный отбор.
