Фрэнсис Крик - Жизнь как она есть: её зарождение и сущность
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.
Атомистическая модель малого белка, ферментной рибонуклеазы S. Темные атомы образуют часть активного участка фермента. Обычно белок полностью окружен молекулами воды.
Природа пользуется еще одним, совершенно отличным химическим языком, который также довольно единообразен. Генетическую информацию любого организма содержит в себе одно из двух близко связанных семейств гигантских цепочечных молекул, нуклеиновых кислот ДНК и РНК, подробнее описанных в главе 5. Каждая молекула имеет безмерно длинный остов с регулярной, повторяющейся структурой. И снова боковая группа присоединена через равные промежутки, но в этом случае существует только четыре типа; у генетического языка только четыре буквы. Длина типичного малого вируса, такого как вирус полиомиелита, около пяти тысяч букв. Генетическое сообщение в клетке бактерии обычно насчитывает несколько миллионов букв; а у человека — несколько миллиардов, упакованных в центре каждой из наших многочисленных клеток.
Одно из важнейших биологических открытий шестидесятых годов заключалось в обнаружении генетического кода, малого словаря (в принципе похожего на азбуку Морзе), который переводит язык генетического материала, состоящий из четырех букв, на язык белка, исполнительный язык, состоящий из двадцати букв. Подробнее он описан в приложении.
Для того чтобы перевести генетическое сообщение на определенный участок нуклеиновой кислоты, биохимический механизм считывает последовательность боковых цепочек группами из трех цепочек, начиная с некоторой заданной точки. Поскольку в языке нуклеиновой кислоты только четыре различных буквы, то существует шестьдесят четыре возможных триплета (4 х 4 х 4). Шестьдесят один из них (они называются кодонами) означают ту или иную аминокислоту. Три остальных триплета означают «конец цепочки». (Сигнал «начало цепочки» немного сложнее.)
Точная природа генетического кода имеет такое же значение в биологии, как и периодическая таблица элементов Менделеева в химии, но между ними есть и существенная разница. Периодическая таблица, должно быть, одинакова во всей Вселенной. Генетический код, по-видимому, довольно произволен или, по крайней мере, частично таков. Предпринималось много попыток вывести зависимость между двумя языками на основании принципов химии, но до сих ни одна из них не привела к успеху. У кода есть несколько постоянных признаков, но они могут оказаться случайными.
Даже если бы где-нибудь в другом месте существовала совершенно особая форма жизни, в основе которой также были бы нуклеиновые кислоты и белок, я все равно не вижу достаточных оснований, почему генетический код должен быть точно таким же, как и здесь. (Азбука Морзе, между прочим, не вполне произвольна. Наиболее часто встречающиеся буквы, например, е и т, состоят из наименьшего числа точек и тире.) Если это проявление произвольности в генетическом коде подтвердится, то мы можем только еще раз прийти к выводу, что вся жизнь на Земле возникла из одной очень примитивной популяции, которая первая использовала его, чтобы управлять потоком химической информации с языка нуклеиновой кислоты на язык белка.
Таким образом, чтобы нести генетическую информацию, все живые существа пользуются одним и тем же языком из четырех букв. Все пользуются одинаковым языком из двадцати четырех букв для создания своих белков, механических инструментов живой клетки. Все пользуются одинаковым химическим словарем при переводе с одного языка на другой. О такой невероятной степени единообразия едва ли подозревали немногим более сорока лет назад, когда я был еще студентом. Сегодня я нахожу странным, что те люди, которым размышления о своем единстве с природой доставляют глубокое удовлетворение, часто совершенно не подозревают о том самом единстве, о котором они пытаются судить. Возможно, в Калифорнии уже существует церковь, в которой каждое воскресное утро оглашается генетический код, хотя я сомневаюсь, что кто-нибудь посчитает весьма вдохновляющим подобное голое перечисление фактов.
