Энергия жизни. От искры до фотосинтеза
Шрифт:
Во всех случаях карбоксильную группу отделяет от аминогруппы лишь один атом углерода, то есть все молекулы аминокислот, составляющих белки, имеют вот такой «скелет»:
В состав самой простой (и самой первой из обнаруженных) аминокислоты — глицина — входят два атома водорода, каждый из которых прикреплен напрямую к тому самому центральному атому углерода, и больше в молекуле глицина нет ничего. Во всех прочих аминокислотах к центральному атому углерода тоже прикреплен, помимо карбоксильной и аминогруппы, один атом водорода, а вот вместо второго имеется более-менее сложная углесодержащая группа атомов, именуемая «радикалом». Так что полную схему углекислоты можно записать так:
Как видно, все аминокислоты структурно похожи друг на друга и различаются только тем, что у них разные радикалы.
К концу века, когда из белков уже было выделено с десяток аминокислот, стало понятно, что пора приступить и, наоборот, к синтезу белка из аминокислот. Этой проблеме посвятил свою работу немецкий химик Эмиль Фишер. Он терпеливо создавал аминокислотам одно за другим все условия, которые могли стимулировать соединение органических веществ.
В 1907 году ему удалось собрать молекулу, состоящую из восемнадцати аминокислот — пятнадцати глицинов и трех лейцинов. Сейчас такие короткие цепочки аминокислот называют пептидами, от греческого слова, означающего «пищеварение», потому что они являются продуктами первого шага расщепления белков при пищеварении.
Достижение Фишера навсегда положило конец любым спорам о том, являются ли аминокислоты строительными кирпичиками для белков. Полученное им вещество, состоящее из восемнадцати аминокислот, проявляло все свойства, которые только можно было ожидать от простейшего белка. Ученый продемонстрировал, что при формировании цепочки карбоксильная группа одной аминокислоты соединяется с аминогруппой другой, так что скелет пеп тидов выглядит примерно так:
Центральный атом углерода каждой из участвующих в цепочке аминокислот имеет собственный радикал (в случае с глицином в роли радикала выступает единственный атом водорода), так что пептид можно рассматривать как однородную цепочку, из которой торчат различные радикалы, тип и порядок расположения которых отражает расположение в цепочке различных аминокислот.
Связь между карбоксильной группой и аминогруппой, впервые продемонстрированная Фишером, называется «пептидной», и накопленные с тех пор данные позволяют с наибольшей уверенностью, какую только может позволить себе наука вообще, говорить о том, что все существующие в природе белки состоят из аминокислот, скрепленных между собой пептидными связями.
С тех пор разработано уже много новых методов синтеза пептидных цепочек. С помощью метода, изобретенного в 1947 году израильским ученым Е. Качальским, при котором изначально используются несколько видоизмененные молекулы аминокислоты, можно создавать пептидные цепочки длиной до 200 аминокислот.
Как видите, природа строительных элементов для белков уже сама по себе заставляет видеть в белках нечто принципиально отличное от любых других огромных молекул. Молекулы крахмала и целлюлозы состоят из одинаковых единиц — из глюкозы. Огромная молекула инулина (крахмалоподобного соединения, производимого иерусалимским артишоком) состоит исключительно из фруктозы. Резина — только из углевода под названием «изопрен». Гиалуроновая кислота — скользкое вещество, служащее для уменьшения трения в суставах живого организма и встречающееся в межклеточном пространстве, — состоит из двух равномерно чередующихся разновидностей сахара. Все синтетические пластмассы состоят либо из одинаковых единиц, либо из двух видов единиц, чередующихся в составе вещества равномерно.
Соответственно, молекулы крахмала могут различаться между собой только количеством составляющих их единиц глюкозы; молекулы инулина — количеством единиц фруктозы и так далее. Разумеется, и этого достаточно, чтобы разница между представителями одного и того же вида огромных молекул была гораздо больше, чем между представителями одного вида меньших молекул, но все равно это ничто по сравнению с разнообразием, которое представляют белки.
Молекулы белка состоят из девятнадцати разных аминокислот (плюсминус одна), которые в той или иной молекуле могут быть представлены в любом количестве каждая, и порядок их размещения в пептидной цепочке тоже может быть любым. И любое изменение в размещении аминокислот приводит к появлению молекулы уже с другими свойствами. Белковые молекулы могут различаться между собой не только тем, что в состав одной входит восемнадцать аминокислот, а другой — девятнадцать. Две молекулы, состоящие обе из восемнадцати или девятнадцати аминокислот, могут разительно отличаться порядком расположения аминокислот, а значит, и своими свойствами.
Сколько же возможно в принципе таких вариаций? Допустим, строится молекула, в которой должно присутствовать по одной из каждых девятнадцати видов аминокислот. Начать можно с любой из девятнадцати, это дает нам уже девятнадцать вариантов. Далее продолжить каждый из них можно с помощью каждой из восемнадцати оставшихся аминокислот, так что мы имеем уже 19 х 18 сочетаний, каждое из которых можно продолжить с помощью каждой из 17 оставшихся, и так далее.
Продолжая рассуждать таким образом, мы получаем общее число возможных вариантов 19 x 18 x 17 x 16 x 15 x 14 x 13 x 12 x 11 x 10 x 9 x 8 x 7 x 6 x 5 x 4 x 3 x 2 x 1— такую последовательность называют «19 факториал» и записывают как 19! (цифра, а рядом с ней — восклицательный знак). Факториалы очень быстро достигают невообразимых значений — в данном случае вы и сами можете просчитать величину 19!, а если не хотите — то поверьте мне на слово, что получится число больше сотни квадриллионов (точнее, 121 646 600 408 832 000).
Соответственно, даже если ограничить возможность повторения одной и той же аминокислоты в цепочке одним разом, то из девятнадцати аминокислот можно построить более ста квадриллионов различных веществ с различными же свойствами.
На самом же деле белки состоят из гораздо большего количества повторяемых аминокислот. Гемоглобин, молекулярная масса которого 67 000, состоит из 539 аминокислот. Разумеется, они не могут быть все разными, что в значительной степени снижает количество возможных вариантов, но даже в этом случае получится величина порядка 4 x 10619, то есть четверки с 619 нулями.
Представить себе такое число невозможно. Достаточно просто уяснить себе, что количество различных белков, которые можно построить из девятнадцати аминокислот, как и количество различных книг, которые можно написать с помощью двадцати шести букв латинского алфавита, — для всех практических соображений следует счесть бесконечным.
С точки зрения энергетических соображений значение столь большого числа, с одной стороны, совершенно ясно, а с другой — очень интересно. Сравнительно несложно просто собрать вместе некоторое количество аминокислот, как это сделали Фишер или Качальский. Это равносильно тому, что собрать несколько игральных карт и просто сложить их в стопку не глядя.
Конечно, в стопке карт порядка больше, чем в картах, рассыпанных по полу, то есть и при такой сборке энтропия уменьшается (вспомните отношения между энтропией и порядком, описанные в главе 6). Соответственно, создание пептида из аминокислот — это процесс, связанный с уменьшением энтропии.
Однако образование некоего определенного белка, например гемоглобина, из практически неисчерпаемого набора аминокислот, можно сравнить с упорядочиванием карт в колоде по некоему строго определенному образцу. При этом порядок возрастает (а энтропия, следовательно, уменьшается) многократно. Работа, совершаемая организмом при формировании белка, достойна восхищения, потому что он не просто объединяет аминокислоты в пептидную цепь, но соединяет их в строго заданную пептидную цепь!