Беседы о жизни - Станислав Галактионов

Простейший пример «самособирающегося» надмолекулярного комплекса — четвертичная структура белка — уже был нами вскользь описан. Но благодаря белкам специфической пространственной структуры оказывается возможным самопроизвольное формирование многих, гораздо более сложных структур — элементов клетки. При этом в структуры такого типа наряду с молекулами белков вовлекаются также и соединения иной природы.

Так, белки в сочетании с РНК особого сорта образуют надмолекулярные частицы — рибосомы, играющие первостепенную роль в процессе биосинтеза белковых молекул на матричной РНК. Другие белки совместно с соединениями жировой природы, липидами, самопроизвольно формируют на поверхности клеток мембраны — тончайшие образования, регулирующие материальный обмен клетки с наружной средой.

И все эти и другие сложнейшие структуры целиком определяются и удерживаются невалентными межмолекулярными взаимодействиями, причем образуются они, повторяем, самопроизвольно. Этот факт можно объяснить только способностью белковых молекул принимать в растворе строго определенную пространственную форму, что, как видим, оказывается определяющим фактором также и для процесса самосборки.

С большим трудом удерживаются авторы от триумфального восклицания: «А мы что говорили?!» И в самом деле, слова о том, что именно в пространственном строении молекул белков следует искать объяснение почти всех их удивительных свойств, оказались без малого пророческими. Читатель имел возможность убедиться в их правоте: избирательность ферментов, их стереоспецифичность, быстродействие в качестве катализаторов, способность упорядочить запутаннейшие цепи химических реакций в организме, участие молекул белков в самосборке надмолекулярных структур — все это прочно связано с представлением о третичной структуре белков — соединений, удивительнейших во всех отношениях.

И в самом деле, даже если ограничиться лишь двумя функциями белка — ферментативной и структурообразовательной, — поражаешься разнообразию возможностей белков. Подумать только: комбинируя в линейной последовательности двадцать аминокислотных остатков, природе удается «получить» ферменты, контролирующие тысячи химических реакций самой разнообразной природы или блоки надмолекулярных структур (подчас очень причудливых), число которых и вовсе уж не поддается оценке.

Именно белки являются тем удивительно пластичным инструментом и материалом одновременно, обеспечивающим существование и функционирование всех живых структур любого организма. Ведь даже когда основная масса организма образована веществами небелковой природы, как, например, у большинства растений, собственно жизненные процессы протекают лишь в тех структурах, где содержится много белка. Ибо в древесине, пробке, оболочке взрослой растительной клетки практически никаких процессов обмена веществ не происходит, это мертвые образования, выполняющие чисто механические функции. А функциональной основой жизни, обусловливающей всякое активное ее проявление, всегда оказываются белки.

И однако, будем справедливыми. В одной из важнейших функций всякого живого организма белковым молекулам верно и очень изобретательно ассистируют также и молекулы другого важнейшего класса биополимеров. Ибо, как справедливо отметил один известный биохимик, белки могут все, кроме одного: они не могут копировать самих себя.

Наше возвращение к нуклеиновым кислотам вызвано вовсе не тем, что авторские пристрастия вдруг изменились и белки перестали ходить у нас в любимчиках. Просто для дальнейшего прославления роли белков в жизненных процессах нам необходимо познакомиться со схемой их синтеза, и здесь никак не обойтись без деталей некоторых молекулярных механизмов, где первостепенную роль играют молекулы РНК и ДНК. В первой главе об этих процессах — самокопировании молекул ДНК, размножении РНК-овых копий, синтезе белка — уже шла речь, но тогда мы вынуждены были обойтись чисто формальным, символическим их описанием (пусть даже и хореографическим). Теперь же, вооруженные запасом необходимых сведений о молекулярных структурах и взаимодействиях, мы готовы заново рассмотреть и молекулы нуклеиновых кислот, и процессы их воспроизведения.

Итак, прежде всего о структуре комплементарных парных комплексов молекул ДНК, о которых шла речь в начале книги. Комплементарные пары оснований, напоминаем, образуют аденин с цитозином и гуанин с тимином. Аденин и гуанин относятся к числу так называемых пуриновых оснований; эти основания представляют собой два сочлененных цикла — шестичленный и пятичленный, образующих одну плоскость. Два других основания, цитозин и тимин — пиримидиновые, содержат только шестичленный цикл. Таким образом, схема соединения оснований такова, что большое основание образует комплементарную пару с малым, но никогда — большое с большим или малое с малым. На вопрос же о том, почему большой гуанин объединяется именно с малым цитозином, но не с малым тимином, также ответить сравнительно легко. При сближении определенным образом ориентированных ароматических колец гуанина и цитозина между ними возникают три водородные связи, причем группы, участвующие в их образовании, хорошо соответствуют друг другу. При сближении аденина и тимина также появляются водородные связи, но только две. А вот между аденином и цитозином водородные связи либо не образуются вовсе, либо, если и возникают, то очень слабые.

С учетом этих подробностей становится ясной природа сил, удерживающих комплементарные нити ДНК вместе: пара комплементарных оснований образует общую плоскость из двух колец, стянутых водородными связями. При этом такие вот плоские элементы, складываясь друг с другом, образуют как бы стопку правильной формы. Эта стопка удерживается невалентными силами, а вдоль нее, закручиваясь в форме спирали, тянутся две нити регулярной, повторяющейся части молекулы — сахаро-фосфатный остов. Поэтому такая структура и называется двойной спиралью ДНК.

Впрочем, кто же в наши-то дни этого не знает! Знаменитая двойная спираль. В некотором роде символический знак новой биологии. На фасаде главного корпуса Академии наук БССР, возведенном несколько десятилетий назад, есть барельефы с изображением символов науки, имевших хождение в те годы, — глобуса, реторты и электрофорной машины. Так вот, если в ближайшее время президиум академии решит заменить их чем-то более созвучным эпохе, то, по нашему мнению, скорее всего это будут спутник, стилизованный атом лития (три электрона), и, конечно, двойная спираль — символ чего-то биологического.

Здесь надо отметить, что очень широко распространено даже среди части биологов совершенно ошибочное представление, будто образовывать спиральные структуры могут только биологические полимеры и что именно в этом заключен сам таинственный смысл их «биологичности». Однако спираль — наиболее естественное состояние почти всякого полимера при невысоких температурах; в кристаллической форме до 90 процентов полимерных молекул свернуты в спираль, в растворах также могут спирализовываться значительные участки зауряднейших, хорошо знакомых нам из повседневного быта полимеров — полиэтилена, полихлорвинила, нейлона и т. д. Так что способность молекул белков и ДНК к образованию спиральной структуры не является каким-то загадочным свойством, выделяющим их в ряду прочих полимеров. Но существование именно такой пространственной структуры спирали ДНК — факт в высшей степени замечательный, и его открытие Дж. Уотсоном и Ф. Криком в 1953 году по праву считается одним из главных событий биологии XX века.

Собственно говоря, «открытие» не вполне подходящее слово. Дж. Уотсон и Ф. Крик предсказали эту структуру, исходя из самых общих положений кристаллографии и рентгенограмм, истолковать которые можно было очень и очень по-разному. Их работа не только положила начало триумфальному (как, по крайней мере, кажется со стороны) шествию молекулярной биологии — она утвердила право биологов на теоретические исследования, считавшиеся до тех пор почти неприличными. Сам великий Э. Чаргафф — звезда первой величины в области исследования нуклеиновых кислот — отнесся к намерению Дж. Уотсона и Ф. Крика расшифровать структуру ДНК чисто умозрительными методами с великолепным ироническим презрением. Буквально накануне публикации Дж. Уотсоном и Ф. Криком их эпохальной статьи он справлялся в письме к руководителю лаборатории Дж. Кендрью, чем там занимаются его клоуны от науки. Такова была участь биолога-теоретика в недавнем прошлом (к сожалению, также и значительное время спустя — авторам известны многочисленные примеры).

Уже сама структура двойной спирали подсказывает способ реализации процесса репликации. Ведь если основания обладают столь четко выраженным попарным сродством, значит, у одиночной нити ДНК каждый свободный нуклеотид будет «стараться» занять место напротив своего партнера. А после этого стоит только последовательно соединить их, выстроенных таким образом, в одну нить. Так оно примерно и происходит на самом деле. В процессе репликации двойная спираль раскручивается, и на каждой отделившейся ее нити «нарастает» новая комплементарная нить.