Айзек Азимов - Загадки мироздания
Процесс, путем которого рибонуклеаза (как и любой другой фермент) вызывает химическую реакцию, сам по себе настолько сложен и интересен, что заслуживает отдельного описания, чем я и займусь в следующей главе. Разумеется, как только химики установили точное строение молекулы фермента, их тотчас же заинтересовал вопрос о том, что же именно в этом строении придает молекуле ее потрясающую способность вызывать определенную химическую реакцию, в данном случае — распад РНК.
Химики осторожно начали работу в этом направлении, заменяя в рибонуклеазе то одну, то другую аминокислоту, стараясь понять, где же в ней «активный элемент», какие же именно участки молекулы непосредственно задействованы в реакции. Оказалось, что даже минимальное изменение одних аминокислот приводит к потере работоспособности фермента, в то время как другие аминокислоты можно было изменять в довольно значительной степени без какого-либо эффекта. Ключевыми оказались аминокислоты 12 (принадлежащая к разновидности гистидин), 41 (лизин) и 119 (снова гистидин).
Кажется вполне вероятным, что, несмотря на то что эти аминокислоты довольно значительно отстоят друг от друга в цепочке, все три вместе представляют собой единый активный элемент. Ведь пептидная цепь — не прямой стальной прут, а скорее гибкая нить, которую можно сложить таким образом, чтобы звенья № 12, 41 и 119 оказались рядом. Тогда образуется что-то вроде устойчивого соединения из трех аминокислот.
В «сложенном» таким образом виде молекулу фермента удерживают особого вида связи между определенными группами атомов. Очень важна роль аминокислоты цистин в одной из подобных связей. Цистин — это в какой-то степени двойная молекула. Каждая половинка ее является сама по себе полноценной аминокислотой, а соединяются между собой эти половинки посредством цепочки, в которую входят два атома серы (так называемый «дисульфидный мост»). Одна половинка молекулы цистина может входить в состав одной пептидной цепочки, а другая — другой. Таким образом, получается, что дисульфидный мост удерживает вместе не просто две половинки одной молекулы, а две отдельные пептидные цепочки (или два участка одной и той же цепочки).
В молекуле рибонуклеазы имеются четыре таких дисульфидных моста, связывающие различные участки пептидной цепочки. Помимо них, существуют еще и другие, более слабые виды дополнительных связей в молекуле, и все они вместе прочно удерживают пептидную цепочку в сложенном виде, благодаря чему в ней и складывается активный элемент.
Но если для формирования активного элемента в молекуле необходимыми являются лишь несколько присутствующих в ней аминокислот, то зачем нужна сотня с лишним остальных? Некоторые из причин уже очевидны.
Если рибонуклеазу разрубить на две части, скажем, по двадцатой аминокислоте, то ни одна из получившихся частей не будет работоспособна. Но если смешать растворы обеих получившихся частей, работоспособность окажется в значительной степени восстановленной. Создается впечатление, что обе части молекулы обратно соединяются из смеси именно правильным образом, хотя могли бы соединяться бесчисленным количеством неправильных вариаций. Очевидно, в ферменте аминокислоты выстроены таким образом, что цепочка просто не может не складываться правильно, так чтобы необходимые для формирования активного элемента аминокислоты не оказывались рядом. Возможно, именно для «самостоятельного» складывания цепочки правильным образом и необходимо наличие такого большого количества соответствующих звеньев.
К чему же такие сложности? Зачем выстраивать длинную цепь просто ради того, чтобы наверняка обеспечить формирование активного элемента; не проще ли было бы просто объединить три необходимые аминокислоты в одну трехзвенную цепочку, а с остальными — распрощаться?
В первую очередь причина в том, что совершенно не нужно, чтобы фермент всегда был активен.
Возьмем для примера распространенные ферменты трипсин и химотрипсин. Это пищеварительные ферменты, воздействующие на пищу в нашем кишечнике. Они обеспечивают расщепление белков пищи на короткие цепочки, которые затем будут расщеплены на аминокислоты и всосаны кишечником.
Такие ферменты являются составной частью сложной группы и должны выполнять свою работу только в нужный момент. Поэтому изначально они вырабатываются в неактивной форме, в которой известны под названием «трипсиноген» и «химотрипсиноген». Для того чтобы активизироваться, пептидные цепочки этих ферментов необходимо свернуть определенным образом, так чтобы образовался активный элемент. Однако сделать это непросто. Чтобы это произошло, необходимо разорвать пептидную цепочку в определенном месте. Тогда оставшаяся часть цепочки сама сворачивается правильным образом и получается активизированный фермент: химотрипсиноген превращается в химотрипсин, а трипсиноген — в трипсин.
Таким же образом и рибонуклеаза, которой необходимо правильным образом свернуться для образования активного элемента, сворачивается, по-видимому, не всегда, а только в определенных обстоятельствах. Соответственно, в зависимости от потребностей организма она может иметь как активный, так и неактивный вид. Если бы вместо длинной рибонуклеазы вырабатывался один лишь ее активный элемент, фермент был бы активен всегда, а это не соответствует потребностям сложного и тонкого живого организма.
Давайте вернемся к только что упомянутым пищеварительным ферментам. Молекула трипсина состоит из 223 аминокислот, выстроенных в три пептидные цепочки, объединенные между собой цистиновыми мостами; молекула химотрипсина несколько крупнее. Аминокислотное строение обоих ферментов уже установлено.
Активные элементы трипсина и химотрипсина оказались одинаковыми, и в целом их строение наполовину совпадает. Неудивительно, что и действие обоих ферментов одинаково — оба они вызывают расщепление белковых молекул в ходе пищеварительного процесса.
Но есть в их строении и различия, благодаря которым трипсин крепится к белковым молекулам одним образом, а химотрипсин — другим. По отношению к собственному активному элементу оба фермента ориентированы по-разному и поэтому полными дубликатами друг друга не являются.
Из-за таких различий в ориентации трипсин расщепляет не все аминокислотные связи, а лишь некоторые из них, например ту, при которой задействован уже упомянутый мной лизин, или другая аминокислота — аргинин, в определенных аспектах похожая на лизин. Химотрипсин же расщепляет другие аминокислотные связи — те, в которых участвуют аминокислоты фенилаланин, тирозин и триптофан (их объединяет присутствие в структуре молекулы кольца из шести атомов углерода).
Несмотря на то что активные элементы трипсина и химотрипсина одинаковы, назначение остального тела этих молекул оказывается различным. Таким образом, с помощью наличия двух различных между собой ферментов организм получает дополнительную гибкость в управлении пищеварительными процессами, которой не имел бы, если бы вместо длинной пептидной цепочки фермент представлял бы собой единый активный элемент.
Сходство трипсина и химотрипсина наталкивает на мысль о наличии у них общего «молекулярного предка». А причиной наблюдаемых между ними различий является тот факт, что в процесс наследования способности формировать определенные ферменты иногда может вторгнуться искажение (так называемая «мутация»).
Понятие эволюции методом естественного отбора можно с равным успехом применить как к живым организмам в целом, так и к пептидным цепочкам. Если функционирование новой, формируемой под воздействием мутации пептидной цепочки оказывается неэффективным или отсутствующим вообще, то ее носитель умрет. Если же действие новой, мутировавшей пептидной цепочки окажется несколько отличающимся от действия старой или даже принципиально другим, но тоже полезным, то ее носитель выживет и, возможно, видоизменится сам. Среди молекул, как и среди живых организмов, тоже выживает наиболее приспособленный.
Более того, эволюция молекул может пролить свет и на эволюцию организмов. Недавно было изучено строение фермента цитохром С, участвующего в обработке тканями кислорода, у 13 видов живых существ, от человека до плесени. Оказалось, что около половины из 104-108 аминокислот этого белка присутствуют в организмах всех 13 видов в одинаковом порядке. Это еще одно свидетельство в пользу того, что все живое имеет общего предка.
Чем сильнее различаются между собой биологические виды живых существ, тем больше отличается и строение в их организмах соответствующего фермента. Молекула цитохрома С в организме человека лишь на одну аминокислоту отличается от аналогичной молекулы в организме макаки-резуса. А вот от молекулы цитохрома С тунца ученые нашли уже 21 отличие, а от молекулы из организма плесени — 48 отличий (хотя напомним, что функция цитохрома С в организмах всех перечисленных биологических видов одна и та же).
