Жизнь как она есть: её зарождение и сущность
Шрифт:
Первый уровень организации, который мы должны рассмотреть, самый низший из всех, — это тот уровень, на котором атомы связываются один с другим для образования мелких молекул. Итак, один атом является довольно симметричным объектом. Его форма приближается к сферической, и если мы посмотрим на него в зеркало, то его зеркальное отражение окажется точно таким же, именно так выглядел бы и бильярдный шар. Более сложные структуры могут оказаться «разветвленными» — наши собственные руки отличный тому пример [3] . Если мы посмотрим на правую руку в зеркало, то увидим левую руку, и наоборот. Мы можем сложить обе наши руки, как в молитве, и кажется, что между ними мы держим зеркало. Способа, с помощью которого мы можем точно наложить одну руку на другую, даже мысленно, не существует.
3
Здесь
У некоторых простых органических молекул, таких как спирт, «разветвленность» отсутствует; они и их зеркальные отображения одинаковы, так же, как кубок. Но большинству органических молекул это не свойственно. Сахар на обеденном столе, если взглянуть на него в зеркало, становится совершенно другим собранием атомов. Эта разница имеет значение не для всех типов химических реакций. Если бы мы нагрели такую молекулу и могли наблюдать, как увеличиваются молекулярные колебания до тех пор, пока не нарушится одна из связей, то увидели бы, что в случае, когда мы представили бы этот процесс в зеркальном изображении, относительные перемещения всех атомов оказались бы идентичными. Основные реакции в химии симметричны в условиях отражения с очень высокой степенью приближения. Разветвленность становится важной, только если две молекулы должны точно соответствовать друг другу. Мы можем увидеть это при изготовлении перчатки. Все детали перчатки: ткань, нить, даже пуговицы — каждая по отдельности, зеркально-симметричны, но их можно соединить двумя похожими, но различными способами, чтобы сшить перчатку как на правую руку, так и на левую. Очевидно, что нам нужны обе, потому что у нас две разные руки, хорошая перчатка на левую руку не подойдет на правую.
Простейшая форма асимметричной молекулы этого типа образуется, когда один атом углерода связан одинарными связями с четырьмя другими разными атомами или группами атомов. Это происходит потому, что все четыре связи атома углерода не лежат в одной и той же плоскости, а расположены с равными промежутками во всех трех измерениях и направлены приблизительно к вершинам правильного тетраэдра.
Распределение в пространстве четырех связей вокруг одного атома углерода.
Таким образом, органические молекулы (молекулы, содержащие атомы углерода) часто могут быть разветвленными, даже когда они могут оказаться мелкими, но нам нужно понять, какое значение все это имеет для клетки. Основная причина заключается в том, что биохимическая молекула не изолирована от других. Она вступает в реакцию с другими молекулами. Почти любая биологическая реакция ускоряется с помощью свойственного только ей особого катализатора. Мелкая молекула, для того чтобы прореагировать подобным образом, должна плотно прилегать к поверхности катализатора, и поскольку у мелкой молекулы есть вздутие, то оно должно быть и у катализатора. Как в случае с перчаткой, реакция не будет происходить должным образом, если мы попытаемся приспособить левостороннюю молекулу во впадину, соответствующую правосторонней.
Представьте, что в эту минуту вы можете наблюдать за работающей химической фабрикой и видеть все многочисленные происходящие там реакции, при этом молекулы быстро перемещаются с одного места на другое, приспосабливаясь к различным каталитическим молекулам, расщепляются, вновь образуются, группируются и вступают в реакцию еще самыми различными способами. Теперь представьте, что вы наблюдаете за фабрикой, являющейся точным зеркальным отражением первой. Все будет происходить как и раньше, так как в зеркальном мире законы химии те же самые. Трудности возникнут, только если вы попытаетесь объединить обе фабрики, смешивая при этом некоторые составные части одной системы с элементами зеркального мира.
Поэтому мы можем понять, почему в одном организме многие «разветвленные» асимметричные молекулы, крупные и мелкие, должны быть гармоничны. Более того, доказано экспериментально, что асимметричные молекулы с одной стороны вашего тела имеют точно такое же вздутие, что и молекулы с противоположной стороны. Но разве не могли бы существовать два различных типа организмов: один — зеркальное отображение другого, по крайней мере, в том, что касается их составляющих? Такого просто нет. В природе не существует двух различных царств, в одном из которых есть молекулы одного типа, а в другом — их зеркальное отображение. Глюкоза везде имеет одинаковое вздутие. Еще важнее, что мелкие молекулы, которые соединяются вместе для образования белка, аминокислоты, все являются L-аминокислотами (их зеркальные изображения называются D-аминокислоты: L = Levо, D = Dextro) 2, а все сахары в нуклеиновых кислотах также имеют одинаковое вздутие. Первый великий объединяющий принцип биохимии заключается в том, что все основные молекулы во всех организмах имеют одинаковое вздутие.
2 В указанной выше книге далее сказано, что правовращающие соединения обозначают буквой D, а левовращающие — буквой L. И затем: «Два изомера глицеральдегида обозначают как D-изомер (правовращающий)и L-изомер (левовращающий)». — Прим. пер..
Две разновидности аминокислотного аланина. Каждая является зеркальным отображением другой. На рисунках вверху показаны пространственные модели; внизу — модели строения молекулы. Буквами обозначены атомы. Разновидность аланина, обнаруженная в белке, — L-аланин, на рисунке слева.
Есть много других биохимических особенностей, которые необыкновенно похожи во всех клетках. Фактически существующие метаболические пути (точные пути, по которым одна мелкая молекула преобразуется в другую) часто удивительно похожи, хотя не всегда одинаковы. Поэтому существует несколько структурных особенностей, но единообразие еще поразительнее на глубочайших уровнях организации; поразительнее, потому что оно является одновременно произвольным и законченным.
Многое в структуре и механизме обмена веществ клетки основано на одном семействе молекул, белках. Молекула белка — это макромолекула, насчитывающая до тысяч атомов. Каждый белок организован определенным образом, каждый атом находится на своем месте. Каждый вид белка образует сложную трехмерную структуру, не похожую на другие, которая позволяет ему выполнять каталитическую или структурную функцию. Эта трехмерная структура образована путем свертывания лежащей в ее основе одномерной структуры, которая сложена из одной или более так называемых полипептидных цепей. Последовательность атомов вдоль этого остова образует структуру из шести атомов, повторяющуюся снова и снова. Разнообразие обеспечивают очень небольшие боковые цепочки, которые отходят от остова, по одной при каждом повторе. У типичного остова их насчитывается несколько сотен.
Неудивительно, что синтетический механизм клетки создает из этих полипептидных цепей, связывая их друг с другом непрерывной веревочкой, особый набор мелких молекул, аминокислоты. С одного конца они все похожи (на участке, который образует повторяющийся остов), но отличаются с другого конца (на том участке, который образует малые боковые цепочки). Удивительно то, что при создании белка используется лишь двадцать их разновидностей, и этот набор из двадцати видов постоянен повсюду в природе. Кроме того, ведь существуют еще другие виды аминокислот, и некоторые из них можно найти в клетке. Тем не менее, для создания белка используется только этот определенный набор из двадцати видов.
Белок похож на абзац, написанный на языке с двадцатибуквенным алфавитом, конкретная природа белка при этом определяется конкретным порядком букв. За одним тривиальным исключением — этот шрифт никогда не меняется. Животные, растения, микроорганизмы и вирусы — все пользуются одним и тем же набором букв, хотя, насколько мы можем судить, можно было бы легко воспользоваться другими похожими буквами, точно так же, как при создании нашего собственного алфавита можно было бы использовать другие символы. Выбор некоторых из этих химических букв очевиден, поскольку они очень мелкие и легко Доступны. Выбор других не столь очевиден. Если бы в каждом напечатанном в мире тексте использовался один и тот же произвольный набор букв (что, как мы знаем, далеко не так), то мы бы сделали обоснованный вывод, что этот вполне разработанный шрифт, вероятно, возник в одном конкретном месте и переходил дальше в процессе постоянного копирования. Трудно не прийти к такому же заключению в отношении аминокислот. Набор из двадцати видов до того универсален, что его выбор, по-видимому, относится к самому началу появления всех живых существ.