Как белки создают жизнь
Живые организмы отличаются от неживых прежде всего тем, что они движутся и выполняют «работу» — дышат, переваривают пищу, сокращают мышцы и т. д. Чтобы понять природу жизни, нам необходимо разобраться, что приводит в движение белковые «машины».
Окончательная форма, которую принимает белковая молекула (ее конформация, как говорят биологи), определяется равновесным расположением электрических зарядов в ее аминокислотной цепи. Если распределение положительных и отрицательных зарядов в молекуле белка изменится, она тут же примется выгибаться и приспосабливаться к новой ситуации. Распределение зарядов в белковой молекуле может быть избирательно изменено целым рядом процессов, в частности присоединением других молекул или химических групп (например, гормонов) и даже воздействием внешних электромагнитных полей — скажем, тех, что излучаются мобильными телефонами [Tsong 1989].
Конструктивное совершенство трансформирующихся белков поистине впечатляет: их точнейшим образом выверенная трехмерная конфигурация дает им возможность связываться с другими белками. Когда белковая молекула встречается с другой белковой молекулой, физически и энергетически ей комплементарной, они соединяются примерно так же, как хорошо подогнанные шестеренки в часах.
Рассмотрим еще две иллюстрации. На первой показаны пять белковых молекул — своего рода молекулярные «шестеренки» клеток. Эти органические «шестеренки» имеют более мягкие края, чем их механические аналоги, но благодаря своей точно выдержанной трехмерной конфигурации могут надежно сцепляться с другими, комплементарными им белковыми молекулами.
На рис. А показана предпочтительная конформация нашей гипотетической белковой молекулы. Силы отталкивания между двумя отрицательно заряженными концевыми аминокислотами (обозначены стрелками) заставляют цепь растягиваться так, чтобы упомянутые аминокислоты оказались как можно дальше друг от друга. На рис. В концевая аминокислота показана крупным планом. Сигнал — в данном случае молекула, имеющая большой положительный заряд (белый шарик) — притягивается к отрицательно заряженному участку концевой аминокислоты и связывается с ним. В данном конкретном случае положительный заряд сигнала больше отрицательного заряда аминокислоты. После того как сигнал связывается с белком, на соответствующем конце цепи образуется избыток положительного заряда. Поскольку положительный и отрицательный заряды притягиваются, аминокислоты станут поворачиваться относительно соединяющих их связей так, чтобы их положительно и отрицательно заряженные концы сблизились.
На следующей иллюстрации функционирование клетки демонстрируется на примере механических часов. На первом рисунке показан металлический механизм с его шестеренками, пружинами, камнями и корпусом. Поворачиваясь, шестеренка А заставляет поворачиваться шестеренку В, шестеренка В шестеренку С и так далее. На следующем рисунке на изображение рукотворного механизма для наглядности наложено увеличенное в миллионы раз изображение белковых молекул. В такой белково-металлической «машине» легко представить себе, как белок 1, поворачиваясь, заставляет вращаться белок 2, а тот, в свою очередь, белок 3. А теперь переведите взгляд на третий рисунок, где уже нет никаких рукотворных деталей. Прошу! Перед вами — белковая «машина», один из тысяч белковых агрегатов, входящих в состав живой клетки!
На рис. С показан переход от конформации А к конформации В. Изменение конформации порождает движение, которое используется для выполнения полезной работы — в частности, для осуществления таких функций, как пищеварение, дыхание и сокращение мышц. Когда сигнал отделяется, белок возвращается к своей предпочтительной вытянутой конформации. Так сигнально-обусловленное движение белковых молекул делает возможными процессы жизнедеятельности.
Белки внутриклеточной цитоплазмы, благодаря совместному действию которых она осуществляет свои функции, группируются в особые агрегаты, называемые каскадами, или биохимическими путями. Эти агрегаты классифицируются по их функциям — например, дыхательные каскады, пищеварительные каскады, каскады мышечных сокращений, а также печально известный энергопроизводящий цикл Кребса — подлинное бедствие для студентов, которым приходится запоминать все фигурирующие в нем белковые компоненты и сложные химические реакции.
Разнообразие белков. На рисунке показаны пять различных белковых молекул. Каждой из них свойственна строго определенная трехмерная конфигурация, в точности воспроизводящаяся от клетки к клетке.
A. Фермент, поглощающий атом водорода.
B. Скрученная нить белка коллагена.
C. Мембранный канал — белок со сквозным отверстием в центре.
Можете ли вы себе представить, в какой восторг пришли биологи, когда разобрались в том, как работают белковые «машины»? Клетка использует их для осуществления различных метаболических и поведенческих функций. Непрерывное движение белков, непрерывное изменение их формы в течение одной-единственной секунды — вот что движет жизнью!
Вы, вероятно, заметили, что в двух предыдущих параграфах я ни слова не сказал о ДНК. Почему? Потому что источником движения, обусловливающего различные формы жизнедеятельности клетки, является вовсе не ДНК, а изменение электрической заряженности белков. Откуда же взялось широко распространенное представление о том, что гены «управляют» всем живым? Дарвин в «Происхождении видов» предположил, что наследственные факторы, передающиеся из поколения в поколение, определяют, какие именно признаки будут наблюдаться у потомков. Авторитет Дарвина был столь велик, что ученые сломя голову бросились на поиски этих самых «управляющих жизнью» наследственных факторов.
В 1910 году путем тщательных микроскопических исследований удалось установить, что передающаяся из поколения в поколение наследственная информация заключена в хромосомах — нитевидных структурах, которые становятся видны в клетке непосредственно перед тем, как она разделится на две «дочерние» клетки. Хромосомы входят в состав самой большой из органелл клетки — ядра. Изолировав ядро, ученые забрались внутрь хромосом и обнаружили, что они состоят всего из двух типов молекул — белка и ДНК.
В 1944 году ученые определили, что наследственная информация содержится в ДНК хромосом [Avery, et al, 1944; Lederberg 1994]. Эксперименты, позволившие сделать этот вывод, были чрезвычайно изящными. Исследователи выделили ДНК одного вида бактерий — назовем его видом А — и добавили к культуре, содержащей только бактерии вида Б. Очень скоро у бактерий вида Б стали проявляться наследственные признаки, ранее свойственные виду А. Когда стало известно, что для передачи наследственных признаков не нужно ничего, кроме ДНК, эта молекула заняла в науке поистине выдающееся место.
Оставалось определить структуру нашей «выдающейся» молекулы. С этой задачей справились Джеймс Уотсон и Френсис Крик. Молекулы ДНК оказались длинными нитевидными цепочками, составленными из азотсодержащих химических соединений четырех видов — так называемых оснований (аденина, тимина, цитозина и гуанина; А, Т, С и G).
Уотсон и Крик сделали вывод, что последовательность аминокислот в остове белковой молекулы определяется последовательностью оснований в молекуле ДНК [Watson and Crick 1953]. Длинная цепочка молекулы ДНК подразделяется на отдельные гены — участки, служащие шаблонами для синтеза конкретных белков. Так были обнаружены коды воспроизводства белковых «машин» клетки!
Уотсон и Крик объяснили, почему ДНК идеально подходит для передачи наследственной информации. В обычном состоянии каждая нить ДНК переплетается с еще одной нитью ДНК, образуя свободно свернутую конфигурацию — так называемую двойную спираль. Характерная особенность этой двойной спирали в том, что последовательности оснований в обеих нитях ДНК являются зеркальными отражениями друг друга. Когда нити ДНК расплетаются, каждая из них содержит информацию, необходимую для воспроизводства ее точной комплементарной копии. То есть путем разъединения нитей двойной спирали молекулы ДНК становятся самокопирующимися. Это наблюдение позволило предположить, что ДНК самостоятельно управляет своим воспроизводством — что она как бы сама себе «хозяйка».
Исходя из догадки, что ДНК управляет собственным воспроизводством и несет в себе программу выработки белков, Френсис Крик сформулировал Главную догму биологии: положение о главенствующей роли ДНК. Это положение красной нитью пронизывает все научные тексты и, можно сказать, высечено на скрижалях науки, подобно библейским заповедям.
