Самое грандиозное шоу на Земле: доказательства эволюции - Ричард Докинз

Автооригами, в соответствии с которым сворачиваются и закручиваются цепочки белка, управляются при помощи законов химической притягательности и законов, определяющих углы, под которыми атомы связаны друг с другом. Вообразите ожерелье из магнитов необычной формы. Это ожерелье не висело бы грациозно прогибающейся линией вокруг грациозной шеи. Оно приняло бы какую-то другую форму, став запутанным, поскольку магниты удерживали бы друг друга и нашли бы друг у друга уголки и щели в различных местах вдоль цепочки. В отличие от случая с цепочкой белка, точная форма переплетения не была бы предсказуемой, потому что любой магнит притягивает любой другой. Но она иллюстрирует, как цепочки аминокислот могут спонтанно формировать сложную узловатую структуру, которая может быть не похожа на цепь или ожерелье.

Подробности того, как законы химии определяют третичную структуру белка, полностью еще не поняты: химики еще не могут установить во всех случаях, как свернется данная последовательность аминокислот. Однако есть хорошие свидетельства, что третичная структура в принципе выводима из последовательности аминокислот. Нет ничего таинственного во фразе "в принципе". Никто не может предсказать, как упадет игральная кость, но все мы верим, что это всецело определено точными деталями того, как она брошена, плюс некоторыми дополнительными фактами о сопротивлении воздуха и так далее. Проверенный факт, что определенная последовательность аминокислот всегда сворачивается в определенную форму или одну из дискретного набора альтернативных форм (см. длинную сноску напротив). И - важный вопрос для эволюции - сама последовательность аминокислот полностью определена, через применение правил генетического кода, последовательностью (триплетами) "букв" в гене. Даже при том, что смертным химикам нелегко предсказать, какое изменение в форме белка будет следствием конкретной генетической мутации, тем не менее, существует факт, что, как только мутация произошла, итоговое изменение формы белка будет в принципе предсказуемо. Один и тот же мутантный ген надежно произведет одну и ту же измененную форму белка (или дискретное меню альтернативных форм). И это -все, что имеет значение для естественного отбора. Естественному отбору не нужно понимать, почему генетическое изменение имеет определенное последствие. Достаточно, что оно есть. Если это последствие влияет на выживание, то сам измененный ген погибнет или уцелеет при конкуренции за доминирование в генофонде, независимо от того, понимаем ли мы точный путь, которым ген влияет на белок.

Учитывая, что форма белков очень разнообразна, и учитывая, что она определена генами, почему она так в высшей степени важна? Частично, потому что некоторые белки играют в теле непосредственно структурную роль. Фибриллярные белки, такие как коллаген, объединяются в крепкие веревки, которые мы называем связками и сухожилиями. Но большинство белков не является фибриллярными. Вместо этого они сворачиваются в свою характерную шаровидную форму с едва уловимыми впадинами, и эта форма определяет характерную роль белка как фермента, то есть катализатора.

Катализатор - химическое вещество, которое ускоряет, в миллиарды или даже триллионы раз, химическую реакцию между другими веществами, в то время как сам катализатор выходит из процесса, невредимым и готовым катализировать снова. Ферменты, которые являются белками-катализаторами - чемпионы среди катализаторов благодаря своей специфичности: они очень разборчивы в отношении того, какие химические реакции они ускоряют. Или, пожалуй, можно сказать: химические реакции в живых клетках очень разборчивы в отношении ускоряющих их ферментов. Многие реакции в клеточной химии настолько медленны, что без подходящего фермента практически не происходят вообще. Но с нужным ферментом они протекают очень быстро и могут производить продукты в большом количестве.

Вот как мне нравится это выражать. В химической лаборатории на полках есть сотни бутылок и банок, каждая содержит различные чистые вещества: соединения и элементы, растворы и порошки. Химик, желающий произвести определенную химическую реакцию, выбирает две или три бутылки, берет порцию из каждой, смешивает их в пробирке или колбе, возможно, нагревает, и происходит реакция. Другие химические реакции, которые могли бы произойти в лаборатории, не происходят, потому что стеклянные стенки бутылок и колб препятствуют встрече компонентов. Если Вы хотите другую химическую реакцию, Вы смешиваете другие компоненты в другой колбе. Повсюду есть стеклянные барьеры, сохраняющие вещества чистыми, отдельными друг от друга в бутылках или колбах, и содержащие комбинации реагентов отдельно друг от друга в пробирках, или колбах, или мензурках.

Живая клетка также является большой химической лабораторией, и в ней есть такой же большой запас химикатов. Но они не хранятся в отдельных бутылках и банках на полках. Они все перемешаны. Это как если бы вандал, химический владыка хаоса, вошел бы в лабораторию, схватил все бутылки на всех полках и опрокинул их с разнузданной импульсивностью в один большой котел. Ужасно? Что ж, было бы ужасно, если бы все они прореагировали вместе, во всех возможных комбинациях. Но они не реагируют. Или если они и реагируют, то скорость, с которой они это делают, настолько мала, что с тем же успехом они могли бы не реагировать вообще. Кроме как - и в этом вся суть - если присутствует фермент. Нет никакой надобности в стеклянных бутылках и колбах, чтобы содержать вещества отдельно, потому что в любом случае они не будут реагировать вместе как попало - пока не появится подходящий фермент. Эквивалентом хранения химикатов в закупоренных бутылках, прежде чем Вы захотите смешать отдельную пару, скажем A и B, является смешивание всех сотен веществ в большом ведьмином вареве, но с добавкой только фермента, нужного чтобы катализировать реакцию между A и B, и никакую другую комбинацию. На самом деле метафора склонных к беспорядочности опрокинутых бутылок заходит слишком далеко. Клетки в действительности содержат инфраструктуру мембран, между которыми, и в пределах которых, и происходят химические реакции. До некоторой степени эти мембраны играют роль стеклянных перегородок между пробирками и колбами.

Суть этого раздела этой главы в том, что "правильный фермент" достигает своей "правильности" в значительной степени вследствие своей физической формы (и это важно, потому что физическая форма определяется генами, и это - гены, чьим вариациям, в конечном счете, благоприятствует или не благоприятствует естественный отбор). Молекулы в большом количестве дрейфуют, вертятся и кружат в бульоне, омывающем внутренности клетки. Молекула вещества A могла бы быть счастлива прореагировать с молекулой вещества B, но только если им доведется столкнуться, будучи повернутыми в строго правильном направлении друг относительно друга. Важно то, что это редко случается - если в процесс не вступает подходящий фермент. Точная форма фермента, форма, в которую он свернулся как магнитное ожерелье, оставляет его изрытым впадинами и вмятинами, у каждой из которых есть своя точная форма. У каждого фермента есть так называемый "активный центр", который обычно представляет собой специфическую впадину или карман, чья форма и химические свойства придают ферменту его специфику. Слово "впадина" недостаточно передает особенность, точность, этого механизма. Возможно, лучшее сравнение с электрической розеткой. В том, что мой друг зоолог Джон Кребс назвал "великим штепсельным заговором", различные страны во всем мире, что раздражает, приняли разные произвольные соглашения для штепселей и розеток. Британские штепсели не будут подходить к американским или французским розеткам, и так далее. Активные центры на поверхности молекул белка - розетки, которым будут отвечать только определенные молекулы. Но если великий штепсельный заговор ведет только к полудюжине отдельных форм во всем мире (вполне достаточно, чтобы создать постоянные неудобства путешественнику), различные виды розеток, представляемых ферментами, намного более многочисленны.

Представьте себе конкретный фермент, который катализирует химическую комбинацию двух молекул, P и Q, создавая соединение PQ. Одна половина активного центра "розетки" как раз подходит, чтобы в нем устроилась молекула типа P, как часть пазла. Другая половина той же розетки столь же точно приспособлена, чтобы в нее вставлялась молекула Q - обращенная в точности в правильном направлении, чтобы химически соединиться с молекулой P, уже находящейся там. Находясь в одной впадине, твердо удерживаемые как раз под нужным углом друг к другу сводящей молекулой фермента, P и Q объединяются. Новое соединение, PQ теперь отделяется в бульон, оставляя активную впадину в молекуле фермента готовой примирять другую P и другую Q. Клетка может быть заполнена роем идентичных молекул фермента, продолжающих работать как роботы на автомобильном заводе, производя в большом количестве PQ в клеточном аналоге промышленных количеств. Поместите другой фермент в одну и ту же клетку, и он произведет в большом количестве другой продукт, возможно PR, или QS или YZ. Конечные продукты различны, даже при том, что доступное сырье -одно и то же. Другие типы ферментов заняты не созданием новых соединений, а расщеплением старых. Некоторые из этих ферментов вовлечены в переваривание пищи, и они используются также в "биологических" стиральных порошках. Но, так как эта глава о строительстве эмбрионов, мы здесь рассматриваем главным образом строительные ферменты, которые посредничают в синтезе новых химических соединений. Один такой процесс показан в действии на цветной странице 12.