Из чего состоят живые организмы?

Ответить на это очень легко: живые организмы, как и неживые тела, состоят из атомов.

Значение этого утверждения, что называется, трудно переоценить. Нобелевский лауреат Ричард Фейнман говорил в начале своих знаменитых “Фейнмановских лекций по физике”:

“Если бы в результате какой-то мировой катастрофы все накопленные научные знания оказались бы уничтоженными и к грядущим поколениям живых существ перешла бы только одна фраза, то какое утверждение, составленное из наименьшего количества слов, принесло бы наибольшую информацию? Я считаю, что это атомная гипотеза (можете называть еe не гипотезой, а фактом, но это ничего не меняет): все тела состоят из атомов — маленьких телец, которые находятся в беспрерывном движении, притягиваются на небольшом расстоянии, но отталкиваются, если одно из них плотнее прижать в другому”.

Сказанное Фейнманом, конечно, правда. Однако любое научное утверждение обязано иметь те или иные границы применимости. Поищем их и тут. Атомная гипотеза — это великое достижение человеческой мысли, но целиком ли Вселенная состоит из атомов? И все ли живые организмы состоят только из них?

На первый из этих вопросов ответ, как ни странно, будет однозначно отрицательным. Начнем с того, что наша Вселенная возникла в результате Большого взрыва примерно 13,8 миллиарда лет назад, и с тех пор ее состав сильно изменился. Насколько можно судить, в первые 300 000 лет во Вселенной не было ни одного атома (хотя были частицы нескольких других типов). Но и после того, как атомы возникли, они не стали главной составляющей космоса. По данным космической обсерватории “Планк”, нынешняя Вселенная на 4,9% состоит из обычных элементарных частиц, способных сложиться в атомы, на 26,8% — из темной материи (которая не проявляет никаких наблюдаемых свойств, кроме массы) и на 68,3% — из темной энергии (про которую вообще непонятно, связана ли она хоть с какими-нибудь материальными телами). Грубо говоря, Вселенная состоит из обычных атомов не больше чем на 5%.

Подчеркнем, что эти соотношения отражают современное положение вещей. Несколько миллиардов лет назад они наверняка были иными, ведь Вселенная непрерывно развивается; это подтверждается и расчетами на основе общей теории относительности, и прямыми наблюдениями космического реликтового излучения. Итак, данные исследований показывают, что сейчас части Вселенной, построенные из обычного вещества, представляют собой, по сути, всего лишь острова среди океанов темной материи и темной энергии, в глубины которых людям еще только предстоит заглянуть. (Между прочим, именно о таких исследованиях мечтает доктор Хаус в первой серии восьмого сезона знаменитого сериала.)

А вот на наш второй вопрос — все ли живые системы состоят из атомов? — ответом будет уверенное “да”. В этом плане биологический мир гораздо менее разнообразен, чем физический. Любое живое существо построено из атомов, и только из атомов, в полном соответствии с классической атомной гипотезой. Примеры иных, не атомных форм жизни можно пока найти лишь в научной фантастике. Например, в великом романе Станислава Лема “Солярис” упоминаются живые существа, созданные не из атомов, а из очень легких элементарных частиц — нейтрино. Но это не более чем мысленный эксперимент, поставленный писателем. В реальной биологии нам приходится иметь дело только с атомами и их устойчивыми сочетаниями, которые называются молекулами. А из молекул, в свою очередь, складываются вещества. Как писал тот же Фейнман, любое вещество — это свой тип расположения атомов.

Мир атомов довольно разнообразен. На момент написания этих строк ученым известно 118 видов атомов, которые принято называть химическими элементами. Правда, в живых телах встречаются далеко не все из них, а те, что встречается, распределены там очень неравномерно.

Хорошая новость заключается в том, что атомы часто бывают очень долговечными. В тех процессах, которые непосредственно изучает биология, они почти никогда не распадаются, не возникают заново и не превращаются друг в друга. Это не означает, что они не превращаются друг в друга вообще никогда: очень скоро мы увидим, что, если бы не было взаимных превращений атомов (точнее, их ядер), во Вселенной не смогла бы возникнуть жизнь. Однако для понимания того, как устроены живые тела, нам будет вполне достаточно учитывать взаимодействие готовых и неизменных атомов между собой.

 

Кратко про атомы

Итак, атомы.

Уже довольно давно известно, что они состоят из трех типов элементарных частиц: протонов, нейтронов и электронов (см. рис. 1.1А). Протоны и нейтроны — частицы относительно массивные, любой из них примерно в 1800 раз тяжелее электрона. Из протонов и нейтронов состоит атомное ядро, а из электронов — внешняя оболочка атома, которую обычно прямо так и называют электронной оболочкой. Электроны, образующие оболочку, перемещаются вокруг ядра по чрезвычайно сложным траекториям, но, как правило, не слишком от него удаляясь.

Самое важное для нас свойство элементарных частиц даже не масса, а электрический заряд. Здесь действуют абсолютно четкие и очень простые закономерности.

* Протон электрически заряжен положительно, электрон — отрицательно, а нейтрон не имеет никакого заряда.

* По величине отрицательный заряд электрона строго равен положительному заряду протона. Принято считать, что протон имеет заряд +1, а электрон –1.

* Число электронов в атоме по умолчанию равно числу протонов, так что заряд целого атома равен нулю. Если же число электронов отличается от числа протонов, значит, перед нами не просто атом, а заряженная частица — ион.

Физики еще в XVIII веке выяснили, что электрические заряды бывают двух типов: положительные и отрицательные. Также они обнаружили, что разноименные заряды притягиваются, а одноименные отталкиваются. Этот закон называется основным законом электростатики, или законом Кулона (на самом деле он записывается формулой, позволяющей точно определить силу притяжения или отталкивания, но мы тут обойдемся без математики). Закон Кулона действует где угодно, в том числе и внутри атома. Собственно говоря, электроны и протоны потому и образуют единый атом, что они электростатически притягиваются друг к другу. Для справки добавим, что протоны и нейтроны “склеиваются” в атомное ядро притяжением совсем другого рода — так называемым сильным ядерным взаимодействием, которое на маленьких расстояниях гораздо мощнее электростатического. Именно поэтому протоны в ядре держатся вместе, несмотря на отталкивающую их друг от друга кулоновскую силу.

Самый главный параметр любого атома — это число протонов, или атомный номер (Z). Величина Z однозначно определяет положение данного атома в периодической системе элементов, то есть в таблице Менделеева. Как мы уже знаем, число электронов обычно равно числу протонов. А вот что касается числа нейтронов, то оно может при одном и том же числе протонов быть разным. Атомы, имеющие одинаковый атомный номер, но разное число нейтронов, называются изотопами. Если слово “изотопы” не упоминается, значит, число нейтронов нам в данном случае неважно. Все атомы, имеющие одинаковое число протонов, по определению относятся к одному химическому элементу.

Самый простой из всех возможных атомов — водород (Z=1). Он состоит из одного протона и одного электрона. Нейтронов в нем может не быть вовсе (хотя могут и быть, в зависимости от того, какой это изотоп). Если лишить обычный простейший атом водорода его единственного электрона, от него останется положительно заряженный ион, в данном случае представляющий собой не что иное, как “голый” протон.

Еще в начале XIX века английский химик и врач Уильям Праут выдвинул опередившую свое время гипотезу, что атомы всех других химических элементов образуются в результате объединения того или иного количества атомов водорода. И он был не так уж далек от истины. Все атомы действительно состоят из однотипных частиц, самый простой возможный набор которых дает не что иное, как атом водорода (Z=1). Второй по сложности атом — гелий (Z=2), третий — литий (Z=3), ну а дальше в нашем распоряжении вся таблица Менделеева. Самые тяжелые атомы содержат больше сотни протонов и около двух сотен нейтронов. Но с такими чудовищами мы в биологии не встретимся.

 

Химические связи

Самый важный для нас способ взаимодействия атомов называется ковалентной связью (см. рис. 1.1Б). Это связь, образуемая общей парой электронов — по одному от каждого из двух атомов. Можно считать, что электроны этой пары принадлежат обоим атомам сразу. На графических формулах, отображающих строение молекул наглядно, ковалентную связь обозначают простой чертой между символами химических элементов. Именно такими связями и соединены атомы в большинстве обычных молекул. Пример — молекула водорода. Она состоит из двух атомов водорода (H), образующих единственную ковалентную связь между собой: H–H, или сокращенно H2.

Иногда ковалентные связи бывают двойными — образованными сразу двумя парами электронов — или даже тройными — образованными сразу тремя парами. Чем выше кратность связи, тем эта связь при прочих равных условиях прочнее. Двойные ковалентные связи встречаются в биологии очень часто. Тройные — намного реже, но знать об их существовании все-таки не помешает. На графических формулах двойные и тройные связи обозначают, соответственно, двойными или тройными черточками между символами атомов. Например, между атомами кислорода (O) вполне может образоваться двойная связь. В результате получится молекула O=O, или сокращенно O2. Кстати, это и есть тот самый атмосферный кислород, которым мы дышим.

Гораздо реже ковалентной (по крайней мере, в живой материи) встречается ионная связь, представляющая собой электростатическое притяжение заряженных частиц. Мы уже знаем, что по закону Кулона одноименные электрические заряды отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Поэтому положительно заряженная частица (катион) и отрицательно заряженная (анион) обязательно притянутся друг к другу. Уже упоминалось, что ионом называется любая самостоятельно существующая частица, в которой число электронов отличается от числа протонов. Сам этот термин, предложенный Майклом Фарадеем, происходит от греческого слова, означающего “идущий”: в растворе, через который пропущен электрический ток, положительно заряженные ионы движутся к отрицательному полюсу, а отрицательные — к положительному Атом становится ионом, если он приобрел лишний электрон или, наоборот, часть своих электронов где-то потерял.

Отличный пример ионной связи демонстрирует всем известная поваренная соль NaCl (натрий хлор), формулу которой можно переписать как [Na+][Cl–]. Это означает, что кристалл соли состоит из положительно заряженных ионов натрия и отрицательно заряженных ионов хлора в соотношении один к одному. В данном случае каждый атом хлора как бы отбирает один электрон у соседнего атома натрия.

 

Элементы жизни

Химический состав живой материи довольно однообразен. Для того чтобы в первом приближении разобраться в устройстве живой клетки, достаточно знать всего-навсего пять химических элементов. Это водород (H), кислород (O), азот (N), углерод (C) и фосфор (P). На атомные номера этих элементов мы пока не будем обращать внимания: во-первых, нет ничего легче, чем найти их в таблице Менделеева, а во-вторых, для нас сейчас гораздо важнее другой показатель. Самое главное, что нам нужно знать о любом химическом элементе, — это его валентность, то есть число ковалентных связей, которые может образовать его атом.

Итак, валентность водорода равна 1, кислорода — 2, азота — 3, углерода — 4 и фосфора — 5. Эти числа надо просто запомнить. Иногда у некоторых из перечисленных элементов бывают и другие валентности, но, занимаясь биологией, это можно игнорировать во всех случаях, кроме немногих особо оговоренных. Одновалентный водород, двухвалентный кислород, трехвалентный азот, четырехвалентный углерод и пятивалентный фосфор — главные химические слагаемые жизни (см. рис. 1.2).

Иногда по ходу разговора нам будут встречаться и другие атомы, например сера (S), натрий (Na), хлор (Cl), калий (K) или железо (Fe). Но постоянно помнить о них не надо. Пяти главных биогенных (то есть образующих жизнь) химических элементов для начала вполне достаточно.

 

Сверхновые и жизнь

Не подлежит сомнению, что большинство атомов в нашей Вселенной — это атомы водорода и гелия. Астрофизики утверждают, что 13 миллиардов лет назад, то есть “всего лишь” через несколько сот миллионов лет после Большого взрыва, соотношения были следующими: примерно 75% всех атомов во Вселенной составляли атомы водорода, примерно 25% — атомы гелия, а на атомы всех более тяжелых элементов, вместе взятых, приходилось 0,00007%. Конечно, с тех пор Вселенная изменилась. Но и сейчас все элементы, кроме водорода и гелия, составляют в сумме не больше 2% существующих атомов. Между тем очевидно, что из водорода, валентность которого равна единице, и гелия, который вообще неохотно образует химические связи, никаких сложных молекул не построишь.

Сравнив количество разных видов атомов в современной Вселенной, мы сразу увидим, что самые распространенные в ней после водорода и гелия элементы — кислород (Z=8), углерод (Z=6) и азот (Z=7). Это можно наглядно показать на графике, изображающем относительное обилие химических элементов в нашей галактике Млечный Путь (см. рис. 1.3). По горизонтальной оси там можно отложить атомный номер (Z), а по вертикальной — распространенность элементов, причем желательно в логарифмическом масштабе (попросту говоря, это означает, что каждая “ступенька” на вертикальной оси соответствует разнице не на единицу, а в 10 раз). На таком графике первым делом бросается в глаза уже известный нам факт: водорода и гелия в Галактике во много раз больше, чем всех остальных химических элементов вместе взятых. Эти два элемента — вне конкуренции. В области лития (Z=3), бериллия (Z=4) и бора (Z=5) наблюдается явный провал, потому что ядра этих атомов относительно неустойчивы: в системе ядерных реакций, происходящих в звездах, они легко синтезируются, но так же легко и распадаются. Ядро железа (Z=26), наоборот, исключительно устойчиво. Многие ядерные реакции, идущие в недрах звезд, на нем заканчиваются, поэтому железо дает на графике высокий пик. Но самые распространенные после водорода и гелия элементы в Млечном Пути, несомненно, кислород, углерод и азот, именно те, которые стали химическими “кирпичиками” жизни. Вряд ли это случайность.

Кроме того, нельзя не заметить, что график обилия химических элементов в Галактике — отчетливо “зубчатый”. Элементы с четными атомными номерами в среднем встречаются во Вселенной намного чаще, чем элементы “примерно того же достоинства” с нечетными. Еще сто лет назад на это независимо друг от друга обратили внимание два химика — итальянец Джузеппе Оддо и американец Уильям Харкинс. Их статьи вышли, соответственно, в 1914 и 1917 годах. А правило, согласно которому элементы с четными номерами при прочих равных условиях преобладают над элементами с нечетными номерами, до сих пор называется в их честь правилом Оддо — Харкинса. Это правило обязательно приходится принимать во внимание, например при анализе химического состава земной коры.

Разгадка правила Оддо — Харкинса была предложена уже его первооткрывателями. Дело в том, что атомные ядра тяжелых элементов образуются в основном за счет слияния более легких ядер. Между тем ясно, что при слиянии двух одинаковых атомных ядер в любом случае получится ядро элемента с четным числом протонов, то есть с четным атомным номером. А затем образовавшиеся ядра сливаются друг с другом, давая опять же в первую очередь элементы с четными номерами. Например, “горение” гелия (Z=2), при котором его ядра объединяются друг с другом с большим выходом энергии, дает сначала неустойчивые короткоживущие ядра бериллия (Z=4), потом ядра углерода (Z=6), а потом и кислорода (Z=8).

До начала звездообразования во Вселенной были только водород, гелий и следовые количества лития. Насколько мы сейчас знаем, все элементы тяжелее лития синтезируются только в звездах и распространяются в результате взрывов сверхновых. Это означает, что живым организмам было просто не из чего образоваться, пока не закончился жизненный цикл хотя бы первого поколения звезд и эти звезды не взорвались.

Авторами самой знаменитой статьи, описавшей механизм синтеза химических элементов в звездах, были четверо ученых: Маргарет Бербидж, Джеффри Бербидж, Уильям Фаулер и Фред Хойл. Эту статью часто называют по инициалам авторов “B2FH” (“бэ-квадрат-эф-аш”). Инициатором исследования был астрофизик Хойл: именно он первым догадался, что в звездах может синтезироваться не только гелий, но и углерод. Благодаря Хойлу в работу включились сперва профессиональный физик-ядерщик Фаулер (поначалу он был настроен скептически, но Хойл его переубедил), а потом астрономы Бербиджи. В сети легко найти замечательную фотографию, на которой все четверо отмечают 60-й день рождения старшего из них — Фаулера, а последний радуется действующей модели паровоза, которую ему подарили коллеги.

Статья B2FH опровергла более раннюю гипотезу Георгия Гамова, который считал, что ядра всех элементов синтезировались прямо во время Большого взрыва и с тех пор их концентрации остаются примерно постоянными. На самом деле гораздо вероятнее, что в первые миллиарды лет после Большого взрыва Вселенная была чисто водородно-гелиевой. И только потом она стала обогащаться тяжелыми элементами с помощью сверхновых звезд (“тяжелыми элементами” мы сейчас называем все, что тяжелее гелия или, в крайнем случае, лития).

 

Космическая эволюция

Итак, тяжелые элементы синтезируются внутри звезд и рассеиваются в пространстве, когда эти звезды взрываются в качестве сверхновых. Влияние сверхновых звезд на элементный состав Вселенной, таким образом, огромно. Рассеянные их взрывами тяжелые элементы входят в состав космической пыли, а она конденсируется в звезды следующего поколения — уже с полноценными системами, включающими землеподобные планеты. Этой темы мы еще коснемся позже, в главе 13.

Превращение водорода и гелия в более тяжелые элементы было одним из промежуточных этапов космической эволюции, которая привела к возникновению Солнечной системы, жизни и человека. Теория B2FH (если она верна) сама по себе показывает, что этой эволюции не могло не быть. В древней водородно-гелиевой Вселенной никогда бы не возникли ни Земля, ни жизнь. Сама возможность их появления стала результатом длинной цепочки событий космического масштаба, в ходе которых весь мир не раз качественно менялся (например, возникали ранее не существовавшие химические элементы, а вместе с ними — новые типы звезд). Вот такое качественное изменение мы и называем эволюцией. Это единый процесс, охватывающий физические, химические и биологические явления.

Тут стоит притормозить, чтобы уточнить значение слова “эволюция”. Традиционно существует два понимания этого термина — “узкое” и “широкое”. Эволюция в “узком” смысле определяется разными авторами несколько по-разному, но в любом случае она ограничивается чисто биологическими процессами и факторами (такими, например, как изменение частот генов в популяциях или перестройка жизненных циклов). Эволюция в “широком” смысле включает в себя не только исторические процессы, изучаемые биологией, но и исторические процессы, изучаемые другими науками — физикой, химией, астрономией, геологией, социальной историей. “Широкое” понимание эволюции можно встретить у Феодосия Григорьевича Добржанского, знаменитого генетика, одного из крупнейших биологов XX века.

“Общепринятого определения эволюции не существует, — писал Добржанский. — Эволюция — это изменение, но не любое изменение есть эволюция. Самое узкое определение признает только биологическую эволюцию, элементарные события которой — изменения частот генов в популяциях живых организмов. Накопление и объединение таких генетических событий на протяжении долгих периодов времени приводит к крупным биологическим изменениям: амеба или примитивный вирус могут превратиться в человека или могучий дуб. Когда примерно три миллиарда лет назад на планете Земля возникла жизнь, это было результатом сложной серии процессов, протекавших в неорганической природе. А примерно два миллиона лет назад биологическая эволюция породила человека — существо, способное к абстрактному мышлению, коммуникации на языке символов, обладающее самосознанием и осознанием своей смертности. Ясно, что между Большим взрывом, запустившим образование химических элементов, и появлением условий, подходящих для возникновения жизни, во Вселенной произошло множество событий. Эти события складываются в космическую (неорганическую) эволюцию. С другой стороны, человек — главный герой исторического процесса, в ходе которого биологические изменения его организма перекрываются культурной наследственностью, действующей через обучение. История человечества связана в первую очередь с эволюцией культуры. Три эволюции — космическая, биологическая и культурная — составляют единый грандиозный процесс универсальной эволюции” [11] .

По определению палеонтолога Валентина Абрамовича Красилова, эволюция — это серия последовательных изменений с исторически значимым результатом. Это определение не противоречит “широкому” пониманию эволюции по Добржанскому, и именно оно будет по умолчанию принято в данной книге. Синтез тяжелых элементов в звездах — это часть процесса космической эволюции, о котором мы будем время от времени говорить и дальше (в главах 3, 4, 7, 13, 16). Потом мы перейдем к биологической эволюции, разговору о которой будет посвящена почти вся вторая половина книги (главы 12–17). И только культурная эволюция в этой книге почти не рассматривается, за исключением краткого упоминания в конце главы 17.

 

Самый главный атом

Химия известных нам живых систем основана на одном главном элементе — углероде.

Проясним кое-какие термины. Любая совокупность атомов и молекул в химии (и в биологии) называется веществом. Вещества могут быть простыми (состоящими из одного элемента) или сложными (состоящими из разных элементов). Сложное вещество, в котором атомы разных элементов соединены между собой химическими связями, называется соединением. Любое соединение, как правило, имеет постоянный состав, который можно описать простой формулой, указывающей число атомов каждого элемента в его молекуле. Например, молекула воды состоит из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Соответственно, формула воды — H2O.

Однако сейчас нас интересуют соединения углерода (C). Они настолько разнообразны, что их изучением занимается целая область химии — органическая химия. Поначалу, в XIX веке, органической химией назвали химию веществ, образующихся в растительных и животных организмах и получаемых из них. Постепенно стало понятно, что в состав почти всех этих веществ входит углерод. В итоге органической химией стали называть химию любых более-менее сложных соединений углерода, безотносительно к тому, есть они в живых телах или нет. Сокращенно такие соединения принято называть просто “органическими веществами”. Многие из них действительно имеют какое-то отношение к живым (или мертвым) организмам, но далеко не все. Химический состав организмов — предмет отдельной науки, которая называется биохимией.

Углерод — шестой по счету элемент таблицы Менделеева. Это означает, что его атом содержит шесть протонов (Z=6). Чистый углерод известен нам в виде алмаза, графита или угля. А валентность углерода в органических соединениях всегда равна 4. Это — важнейший факт, без знания которого понять устройство живых организмов просто невозможно.

Кроме того, углерод имеет три химические особенности, отчасти объясняющие, почему органических соединений так много. Во-первых, атом углерода способен образовывать устойчивую ковалентную связь почти с любым другим элементом менделеевской таблицы; далеко не про каждый атом можно такое сказать. Во-вторых, атомы углерода отлично образуют ковалентные связи друг с другом, создавая в результате длинные цепочки (в том числе ветвящиеся), кольца и другие сложные структуры. И в-третьих, ковалентная связь “углерод — углерод” легко может стать кратной, то есть двойной или тройной. К связям углерода с некоторыми другими элементами это тоже относится. Склонность углерода к образованию кратных связей очень важна и в органической химии, и в биохимии.

 

Углеводороды

Самое простое на свете органическое соединение называется метаном. Молекула метана состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода, соединенных с углеродом ковалентными связями. На языке химических символов это выглядит так: один углерод (C) и четыре водорода (H) образуют молекулу CH4 (формула метана). В более подробной формуле — графической — каждую ковалентную связь обозначают чертой, проводимой в данном случае между символами C и H.

Химические соединения, состоящие только из углерода и водорода, вполне логично называются углеводородами (см. рис. 1.4). Метан — это самый простой возможный углеводород. Примеры углеводородов, следующих за ним по сложности: этан (C2H6), пропан (C3H8), бутан (C4H10), пентан (C5H12), гексан (C6H14). Основу любой из этих молекул образует цепочка атомов углерода, соединенных между собой ковалентными связями. А все валентности, свободные от углерод-углеродных связей, там занимают атомы водорода. Зная эти принципы, нарисовать структуру углеводорода с любым заданным числом углеродных атомов можно очень легко. На графических формулах видно, что несколько знакомых нам теперь углеводородов — этан, пропан, бутан, пентан и гексан — отличаются друг от друга только числом совершенно одинаковых групп –CH2–.

Цепочки атомов углерода, соединенных ковалентными связями, образуют основу не только углеводородов, но и многих других органических веществ. Длина этих цепочек ничем не ограничена, в них вполне могут входить десятки, сотни, а иногда и тысячи атомов. Кроме того, углеродные цепочки не обязательно линейны. Они могут ветвиться, а могут и замыкаться в кольца.

Но и это еще не все. Бывают такие углеводороды, где некоторые углерод-углеродные связи в цепочке — двойные или тройные, то есть образованы двумя или тремя парами электронов. Напомним, что валентность углерода в органических молекулах всегда равна четырем. Поэтому атом углерода, участвующий в образовании двойной связи, может присоединить на один атом водорода меньше, а при тройной связи — на два атома водорода меньше по сравнению с атомом углерода, все связи которого одинарные. Разумеется, это отражается в формулах веществ. Простейший углеводород с двойной связью — этилен (C2H4), один из относительно немногих углеводородов, всерьез интересующих физиологов: он служит гормоном у растений. Простейший углеводород с тройной связью — ацетилен (C2H2). На современной Земле биохимическое значение ацетилена не слишком велико, зато он распространен в космосе и считается одним из самых вероятных участников добиологического синтеза, приведшего когда-то к возникновению жизни. Это довольно активное вещество, которое прекрасно горит и может поэтому использоваться для освещения. В старину ацетиленовые фары умудрялись ставить даже на велосипеды. Взрыв такой велосипедной фары стал ярким воспоминанием героев повести Джерома Джерома “Трое на велосипедах” (продолжения знаменитой “Трое в одной лодке”): “…мы тихо-мирно ехали по Уитби-роуд, беседовали о Тридцатилетней войне, и вдруг твоя фара взорвалась, как будто из ружья пальнули. От неожиданности я свалился в канаву. Никогда не забуду лица миссис Гаррис, когда я говорил ей, что ничего страшного не произошло, волноваться не следует — тебя уже несут на носилках, а врач с сестрой будут с минуты на минуту...” Сейчас ацетиленовые светильники используются редко. Дольше всего они продержались на отдаленных маяках, куда было трудно провести электричество.

Двинемся дальше. В некоторых углеводородах замыкание углеродной цепочки в кольцо сочетается с присутствием двойных связей, причем сразу нескольких. Самый известный из таких углеводородов — бензол (C6H6). Молекула бензола — это кольцо из шести атомов углерода с тремя одинарными и тремя двойными связями между ними (см. рис. 1.5А). Одинарные и двойные связи в кольце строго чередуются. В результате у каждого атома углерода остается по одной свободной валентности, и эти валентности заполняет, как всегда, водород.

Структуру бензола выяснил тот же знаменитый химик, который открыл четырехвалентность углерода, — немец Фридрих Август Кекуле. В свое время это было занимательной химической “интригой”: состав молекулы бензола — шесть атомов углерода и шесть атомов водорода — уже был точно известен, а вот порядок связей в этой молекуле долго оставался загадкой. Кекуле далеко не сразу удалось ее разгадать. Однажды он задремал днем у камина и увидел сон, в котором несколько переплетающихся змей образовали кольцо. Сон и подсказал ему правильную графическую формулу бензола. Эту историю часто рассказывают школьные учителя химии, почему-то заменяя змей на цепляющихся друг за друга обезьян, которых Кекуле якобы видел в зоопарке. Про обезьян, судя по всему, чистейшая выдумка; но сон, навеянный размышлениями о бензоле, действительно был, и структуру бензола Кекуле установил в результате верно.

Правда, тут есть одна важная поправка. Проведенные в XX веке физические исследования показали, что все шесть углерод-углеродных связей в молекуле бензола на самом деле одинаковы: одинарные связи там невозможно отличить от двойных. Объясняется это тем, что электроны, образующие двойные связи, делокализованы (“размазаны”) по всему кольцу. И в результате все углерод-углеродные связи в бензоле не строго одинарные и не строго двойные, а как бы “полуторные” (см. рис. 1.5Б). На схемах органических молекул шестичленное углеродное кольцо с такой системой связей часто обозначают простым шестиугольником с кругом внутри (см. рис. 1.5В, Г). Эта структура — так называемое ароматическое ядро — есть во многих органических молекулах, в том числе и биологически активных. Ароматическое ядро, не входящее в состав никакой другой молекулы, — это просто бензол.

Жаль только, что Фридриха Августа Кекуле обычно упоминают в книгах в связи с формулой бензола и ни с чем другим. Тем самым его невольно недооценивают. Ведь Кекуле открыл не что-нибудь, а четырехвалентность углерода! Это одно из важнейших химических открытий XIX века, сильно повлиявшее на развитие не только химии, но и биологии.

Углеводороды, как правило, биохимически неактивны. Подавляющее большинство органических соединений, участвующих у живых организмов в обмене веществ, содержит как минимум еще и кислород, то есть к углеводородам никак не относится.

 

Спирты

Теперь давайте вспомним, что валентность кислорода равна двум. На языке химических символов это означает, что кислород может входить в органические соединения в виде группы –O–. Если же одну из валентностей кислорода займет водород, то получится группа –O–H, сокращенно просто –OH (черточку, обозначающую связь, в формулах часто опускают, это никак не влияет на их смысл). Группа –OH называется гидроксильной, а органические соединения, в состав которых она входит, — спиртами (см. рис. 1.6).

Самый простой из всех возможных спиртов — метиловый, или метанол. Он включает всего один атом углерода, к которому присоединены три атома водорода и гидроксильная группа. Формулу метилового спирта можно записать так: CH3OH. Добавим, что группа –CH3 называется метильной. Итак, молекула метилового спирта состоит только из метильнойи гидроксильной групп.

Если атомов углерода в молекуле больше одного, то получаются более сложные спирты — этиловый (C2H5OH), пропиловый (C3H7OH), бутиловый (C4H9OH) и так далее. В общем, любой спирт можно описать как соединение, состоящее из гидроксильной группы и углеводородного радикала (радикал — это изменяемая часть молекулы, все равно что x в арифметическом уравнении).

В спирте может быть и несколько гидроксильных групп, если присоединить их к разным атомам углерода (к одному и тому же нельзя: такая молекула будет слишком неустойчивой). Например, можно создать спирт с двумя атомами углерода, двумя гидроксильными группами и формулой C2H4(OH)2. Это будет этиленгликоль. Возможен и спирт в виде цепочки из трех атомов углерода, каждый из которых несет свою гидроксильную группу. Это будет глицерин. Все свободные валентности и в этиленгликоле, и в глицерине заняты атомами водорода (далее мы будем опускать это уточнение, с органическими веществами оно подразумевается само собой). Краткая формула глицерина — C3H5(OH)3. Биохимикам он интересен, потому что с его участием образуются жиры и некоторые другие важные для клеток вещества — мы поговорим о них в главе 5.

Переведем дух. Очевидно, что обилие химических формул (а дальше их будет еще больше!) при поверхностном взгляде вполне может отпугнуть человека, который раньше никогда в своей жизни ни с чем подобным не сталкивался. Очередная хорошая новость заключается в том, что в этой области практически невозможно ошибиться. Ведь, по сути, единственное, что надо знать для составления формул органических веществ, — это валентности элементов (напомним: водород — 1, кислород — 2, азот — 3, углерод — 4, фосфор — 5). Любая графическая формула, нарисованная с соблюдением этих валентностей, уже тем самым будет правильной. Конечно, вещество может оказаться редким, или неустойчивым, или никем еще не полученным, или относящимся к неизвестному вам классу, но его формула от этого верной быть не перестанет. Полная творческая свобода: знай себе комбинируй готовые блоки в новые структуры.

Формулы органических веществ в чем-то напоминают китайские и японские иероглифы. Они примерно так же составляются из набора готовых радикалов (известный филолог-японист Кирилл Черевко так и пишет: “Иероглифы образуются из различных сочетаний ограниченного числа простых элементов — подобно тому как из атомов образуются молекулы”). Причем в случае с иероглифами количество радикалов намного (в десятки раз) больше, а правила их сочетания куда прихотливей.

Любая графическая формула — это своего рода уникальный “портрет” данного соединения. Из запечатленного в ней порядка связей сразу же следуют многие свойства вещества, как физические, так и химические. Например, гексан (C6H14) и бензол (C6H6) существенно различаются по свойствам, хотя оба они — углеводороды, включающие по шесть атомов углерода. Свойства соединений, в состав которых дополнительно входит кислород или азот, скорее всего, будут различаться еще сильнее. И что самое главное, эти различия будут закономерными: химик, мало-мальски разбирающийся в строении молекул, легко их предскажет.

В общем, мир органических соединений разнообразен, увлекателен и, главное, внутренне логичен. Знакомство с ним, даже на самом начальном уровне, менее всего похоже на примитивную зубрежку. Воспримем это знакомство как легкую прогулку по “зоологическому саду молекул” — наподобие “зоологического сада планет”, о котором писал Гумилев в стихотворении “Заблудившийся трамвай”. В этой области чем больше формул — тем понятнее.

 

От эфиров до углеводов

Сделаем еще один шаг. Кислород (–O–) может входить в органические молекулы не только в составе гидроксильной группы. С тем же успехом он способен образовать мостик между двумя атомами углерода, как, например, в диметиловом эфире: CH3–O–CH3. Вещества с общей формулой R1–O–R2, где R1 и R2 — любые углеводородные радикалы, называются простыми эфирами. Диметиловый эфир — их простейший представитель.

Остановимся в этом месте. Нам уже знакомо вещество под названием “этиловый спирт” (он же просто этанол). Так вот, краткая формула этилового спирта полностью совпадает с записанной таким же способом краткой формулой диметилового эфира: C2H6O! Хотя это совершенно разные вещества, они относятся к разным классам и обладают разными химическими свойствами. Вещества, имеющие одинаковый атомный состав, но разную структуру, называются изомерами. Изомерия, то есть существование изомеров, — это очень частое явление в органической химии, в том числе и в биохимии.

Легко заметить, что этиловый спирт (CH3–CH2OH) и диметиловый эфир (CH3–O–CH3) на самом деле отличаются только положением атома кислорода: в одном случае он находится между углеродом и водородом, а в другом — между двумя углеродами. Такого изменения часто бывает достаточно, чтобы “перенести” вещество в другой класс или, во всяком случае, серьезно изменить его свойства. Разные органические молекулы строятся из одних и тех же блоков по принципам, очень напоминающим знаменитый конструктор лего. А число изомеров у сложных молекул может быть любым — вплоть до десятков, сотен, тысяч, миллионов и так далее. У белков и нуклеиновых кислот оно вообще достигает астрономических величин (см. главы 3, 8).

Разнообразие кислородсодержащих органических веществ вовсе не исчерпывается спиртами и простыми эфирами. Дело в том, что кислород может образовать с углеродом не только одинарную связь, но и двойную. К самому кислороду тогда больше ничего не присоединяется (двойная связь поглощает обе его валентности), и возникает легко узнаваемая группа –СO–. Если по обеим сторонам этой группы находятся углеводородные радикалы, такое соединение называется кетоном. Общая формула кетона: R1–CO–R2. Самый простой кетон имеет формулу CH3–CO–CH3 и называется ацетоном; он широко известен как бытовой растворитель. Если же по одну сторону от группы –CO– находится углеводородный радикал, а по другую просто атом водорода, то такое соединение называется альдегидом. Общая формула альдегида: R–CO–H.

Интересно, что и вещество с формулой H–CO–H, где оба радикала сводятся к атомам водорода, тоже принято считать альдегидом. Название этого вещества — муравьиный альдегид, или формальдегид. Это одно из самых простых органических веществ в природе. Водный раствор формальдегида, часто используемый биологами для консервации объектов, — жидкость с отвратительным едким запахом, которая называется формалином. За формальдегидом по сложности следует уксусный альдегид (CH3–CO–H), ну и так далее.

Бывает и так, что в одну и ту же молекулу входит несколько разных кислородсодержащих групп. Например, спирт, который одновременно является альдегидом или кетоном, по-научному называется углеводом. Самый простой из всех возможных углеводов — гликольальдегид, формула которого CH2OH–CO–H. Как видим, гликольальдегид включает в себя всего два атома углерода. Один из этих атомов углерода несет гидроксильную группу (как в любом спирте), а второй входит в состав альдегидной группы.

Относительно простые углеводы часто называют сахарами. Таким образом, гликольальдегид — это двухуглеродный сахар. Вот тут мы уже в полной мере заходим в область биологии: гликольальдегид — важный участник обмена веществ во всех живых клетках.

Еще более широко известны сахара, основу которых образуют цепочки из пяти или шести атомов углерода. Такие сахара называют, соответственно, пяти- или шестиуглеродными. Познакомимся для начала с тремя их представителями:

* рибоза — пятиуглеродный сахар с четырьмя гидроксильными группами и альдегидной группой;

* глюкоза — шестиуглеродный сахар с пятью гидроксильными группами и альдегидной группой;

* фруктоза — шестиуглеродный сахар с пятью гидроксильными группами и кетогруппой.

Краткую формулу рибозы можно записать так: C5H10O5. А глюкоза и фруктоза — изомеры с общей формулой C6H12O6. Сравнив их графические формулы, легко увидеть, что глюкоза отличается от фруктозы только положением группы –CO– (в глюкозе на конце углеродной цепочки, а во фруктозе внутри нее). Этого достаточно, чтобы дать веществу совсем другие химические свойства. И действительно, фруктоза несколько иначе, чем глюкоза, участвует в нашем обмене веществ. Именно поэтому ее часто используют в качестве заменителя обычного сахара (в состав которого глюкоза как раз входит). Сладкие продукты “на фруктозе” можно сейчас найти в любом супермаркете.

 

Мир кислот

Следующий интересный класс веществ — карбоновые кислоты (см. рис. 1.7). Это соединения, в состав которых входит группа –CO–OH (она называется карбоксильной). Любая карбоновая кислота по общему виду формулы похожа на альдегид, но отличается от него “лишним” атомом кислорода, который и превращает альдегидную группу (–CO–H) в карбоксильную (–CO–O–H). Общая формула карбоновой кислоты: R–COOH, где R — любая углеводородная цепочка или просто атом водорода.

Простейшая карбоновая кислота — муравьиная (HCOOH). Следующая по сложности — уксусная (CH3COOH), затем — пропионовая (C2H5COOH), масляная (C3H7COOH) и т.д. Бывают и гораздо более экзотично выглядящие карбоновые кислоты: например, щавелевая, молекула которой представляет собой две карбоксильные группы, соединенные встык (HOOC–COOH). Она действительно есть в щавеле, а также в ревене и некоторых других растениях. Или бензойная кислота, имеющая в качестве радикала ароматическое ядро (C6H5COOH). Она тоже содержится во многих растениях, например в бруснике и клюкве, а еще служит широко распространенным консервантом (пищевая добавка E210).

Более того, молекула карбоновой кислоты вполне может включать в себя и другие группы, кроме карбоксильной. Например, в некоторых кислотах помимо карбоксильных групп есть гидроксильные (см. рис. 1.8). Такие соединения, по определению, являются одновременно кислотами и спиртами. Их называют спиртокислотами или (чаще) оксикислотами. Именно к этому классу относится важный промежуточный продукт нашего обмена веществ — молочная кислота, молекула которой включает три атома углерода, одну карбоксильную группу и одну гидроксильную (CH3–CHOH–COOH). Винная кислота, химию которой в свое время изучал великий Луи Пастер, устроена чуть сложнее: четыре атома углерода, две карбоксильные группы и две гидроксильные (HOOC–CHOH–CHOH–COOH). Она действительно есть в вине, а иногда добавляется и в еду, например в кондитерские изделия (пищевая добавка Е334). Заметим, что пугаться таких добавок не стоит: очень часто они, как в данном случае, представляют собой безобидные вещества, с тем же успехом изобилующие в самых что ни на есть натуральных продуктах. Винной кислоты, например, много в винограде и яблоках.

Бывают и такие кислоты, которые одновременно являются альдегидами или кетонами. Тут достаточно одного примера: пировиноградная кислота — простейшая кетокислота с формулой CH3–CO–COOH. Эта молекула тоже играет огромную роль в нашем обмене веществ (см. главу 11).

И еще несколько слов о спиртах. Карбоновая кислота и спирт могут вступить между собой в реакцию, при которой от карбоксильной группы отщепляется –OH, а от спиртовой –H. Эти отщепленные фрагменты тут же образуют воду (формула которой H–O–H или H2O). А остатки кислоты и спирта соединяются в сложный эфир — молекулу с общей формулой R1–CO–O–R2. Надо учитывать, что сложные эфиры и уже знакомые нам простые эфиры — это совершенно разные классы соединений, которые ни в коем случае нельзя путать. По-английски, например, они обозначаются разными корнями, соответственно ester (сложный эфир) и ether (простой эфир). Среди биологически активных веществ есть и те и другие, но сложных эфиров там в целом больше. Без знания того, что это такое, невозможно разобраться, например, в устройстве клеточной мембраны.

 

Кислоты

versus

основания

А теперь нам самое время задаться вопросом, что такое кислота. И заодно — что такое основание.

Начнем с кислоты. Как правило, кислотой называют молекулу, которая в водном растворе диссоциирует (это высоконаучный термин, означающий “распадается”) на катион водорода, то есть протон (H+), и некий анион. Например, уксусная кислота (CH3COOH) распадается в водном растворе на протон и ацетат-ион, имеющий формулу CH3COO–. Так же ведут себя и все остальные карбоновые кислоты. И не только карбоновые, но и любые другие. Например, соляная кислота (HСl) потому и называется кислотой, что распадается в воде на протон (H+) и ион хлора (Cl–). Правда, на самом-то деле протон не способен самостоятельно существовать в водном растворе — он всегда мгновенно захватывается водой, образуя так называемый ион гидроксония (H3O+). Концентрацию именно этих ионов реально измеряют при определении кислотности раствора.

Шведский химик Сванте Аррениус определял кислоту как соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием протона (H+), а основание — как соединение, диссоциирующее в водном растворе с образованием гидроксил-иона (OH–). Это определение — исторически первое и до сих пор самое известное, именно его обычно учат на уроках химии в школе. Хороший пример основания по Аррениусу — едкий натр NaOH, он же гидроксид натрия или просто натриевая щелочь. Это типичное ионное соединение. Даже в твердом состоянии натриевая щелочь состоит из ионов [Na+] и [OH–], а в воде она на эти ионы тут же распадается.

Теперь — плохая новость. В биохимии определение кислот и оснований по Аррениусу совершенно неприменимо. Вместо него мы будем пользоваться определением датского химика Йоханнеса Николауса Брёнстеда: кислота — молекула, отдающая протон, основание — молекула, принимающая протон.

Что это значит? Пусть, например, у нас взаимодействуют уксусная кислота и вода. В процессе взаимодействия от уксусной кислоты (CH3COOH) оторвется протон (H+), который перейдет к воде (H2O). В результате получатся анион CH3COO– и катион H3O+. В этой реакции уксусная кислота “работает” кислотой (она отдала протон), а вода — основанием (она присоединила протон). Это и есть определение Брёнстеда. Запись этой реакции будет такой:

CH 3 COOH + H 2 O ⇌ CH 3 COO – + H 3 O +

А если для простоты проигнорировать участие воды, то такой:

CH 3 COOH ⇌ CH 3 COO – + H +

По Брёнстеду, “кислота” или “основание” — это не постоянное свойство соединения, а только и исключительно его роль в данной химической реакции. В принципе даже уксусная кислота может оказаться в “непривычной” для себя роли основания, если смешать ее с какой-нибудь более сильной кислотой — например, серной (H2SO4). В этом случае серная кислота отдаст протон и превратится в анион HSO4–, а уксусная кислота присоединит протон и превратится в довольно редкий, однако вполне реально существующий катион CH3COOH2+:

CH 3 COOH + H 2 SO 4 ⇌ HSO 4 – + CH 3 COOH 2 +

И, по нашему определению, уксусная кислота в этой реакции будет основанием.

К счастью, условия, с которыми приходится иметь дело в биологии, настолько однотипны, что для подавляющего большинства веществ смена ролей кислот и оснований там редкость. Так что мы можем смело считать кислотой любую молекулу, которая в условиях живой клетки обычно отдает протон, а основанием — любую молекулу, которая в условиях живой клетки обычно его присоединяет. Единственное важное исключение — вода. Она примерно с одинаковым успехом может и отдавать протон, и присоединять его. Для всех остальных веществ “роли” кислот и оснований тут более-менее постоянны.

Одно из самых распространенных в природе оснований — гидроксил-ион OH–, тот самый, который образуется при диссоциации щелочи. Он очень легко присоединяет к себе протон и превращается в воду. Но с тем же успехом в составе основания может и не быть атомов кислорода. Например, аммиак (NH3) — образцовое основание, никакого кислорода не содержащее. В растворе молекула аммиака присоединяет к себе протон и превращается в катион аммония (NH4+). Кстати, этот ион очень похож по структуре на молекулу метана (CH4). Различаются они только зарядом ядра центрального атома.

А теперь вернемся к органической химии. Соединения углерода, в которых есть группа –NH2, называются аминами. Общая формула аминов: R–NH2. Сама группа –NH2 называется аминогруппой. При желании вполне можно сказать, что амин — это аммиак, у которого вместо одного из атомов водорода углеводородная цепочка. Аминогруппа в составе амина сохраняет основные свойства (такие же, как у аммиака), поэтому амины остаются полноценными основаниями. Самый простой из всех возможных аминов — метиламин (CH3–NH2), где атом углерода всего один. Как и следует из названия, он состоит из двух групп: метильной и аминогруппы. Между прочим, это то самое вещество, с кражами которого был связан ряд приключений героев захватывающего сериала “Во все тяжкие” (Breaking Bad).

Что ж, двинемся еще на шаг вперед. Любое вещество, включающее одновременно аминогруппу (–NH2) и карбоксильную группу (–COOH), то есть являющееся одновременно амином и карбоновой кислотой, называется аминокислотой. Вот мы и добрались до насущного хлеба биохимиков. Роль аминокислот в живых организмах огромна: они служат и питательными веществами, и промежуточными продуктами обмена веществ, и — это, пожалуй, самое главное — “кирпичиками”, из которых строятся важнейшие для земной жизни молекулы, а именно белки. Как именно это происходит, мы узнаем в главе 3.

Любая аминокислота проявляет одновременно кислотные свойства (как карбоновая кислота) и основные (как амин). Когда аминокислота попадает в водный раствор, ее карбоксильная группа обычно теряет протон, зато аминогруппа в тот же самый момент протон приобретает. В результате получается цвиттер-ион — нейтральная молекула, разные части которой несут компенсирующие друг друга разноименные заряды. Карбоксильная группа, отдав протон, становится анионом, аминогруппа, присоединив протон, становится катионом, а суммарный электрический заряд молекулы аминокислоты в результате остается равным нулю.

Самая простая из всех возможных аминокислот — глицин. Формула глицина: NH2–CH2–COOH. Интересно, что в нашем организме, как и в организмах многих животных, глицин служит нейтротрансмиттером, то есть веществом, передающим сигналы в нервной системе. Причем его действие на нервные клетки — тормозящее, то есть затрудняющее возбуждение. Именно поэтому глицин часто принимают в качестве успокоительного. Так вот, по химической формуле это типичная аминокислота. В цвиттер-ионной форме она будет выглядеть так: NH3+–CH2–COO–.

 

Углеродный шовинизм

Сейчас мы знаем уже довольно много о химических “слагаемых” жизни. Мы знаем, что такое спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, простые и сложные эфиры, углеводы, амины и аминокислоты. Все это — соединения углерода. Но вот вопрос: обязательно ли любая жизнь должна быть основана на углероде?

Мнение, что жизнь может быть только углеродной, еще в 1970-х годах стали называть “углеродным шовинизмом”. Люди, употреблявшие этот термин — например, известный философ Пауль Фейерабенд, — считали “углеродный шовинизм” признаком ограниченности воображения ученых, не способных допустить существование чего-то высокоорганизованного, но при этом принципиально отличающегося от привычных нам земных животных и растений. Этот подход отлично спародировал Станислав Лем в “Звездных дневниках Ийона Тихого”. Есть там эпизод, где один ученый-негуманоид, житель огненной планеты с аммиачной атмосферой, поучает своего студента следующим образом:

“Как выглядят разумные существа иных миров? Прямо не скажу, подумай сам, научись мыслить. Прежде всего они должны иметь органы для усвоения аммиака, не правда ли? Какое устройство сделает это лучше, чем скрипла? Разве они не должны перемещаться в среде в меру упругой, в меру теплой, как наша? Должны, а? Вот видишь! А как это делать, если не хожнями? Аналогично будут формироваться и органы чувств — зрявни, клуствицы и скрябы...”

Что ж, не будем уподобляться косному мудрецу с огненной планеты. Включим воображение. В мысленных экспериментах на роль химической основы жизни не раз предлагались вместо углерода другие элементы, способные создавать цепочки атомов, — кремний (Si), бор (B) или азот (N). Однако бор и азот имеют валентность 3, а не 4, и это уже ограничивает разнообразие соединений, которые из них можно получить. При этом бора во Вселенной чрезвычайно мало, а длинные цепочки атомов азота образуются только при огромных давлениях, какие могут существовать разве что в глубинах планет-гигантов. В условиях, более-менее напоминающих земные, самым вероятным кандидатом на роль заменителя углерода остается кремний. Он имеет подходящую валентность 4, образует соединения, подобные углеводородам, и может реагировать с кислородом. Но есть несколько причин, по которым углерод при прочих равных условиях все же больше подходит на роль химической основы жизни.

Во-первых, углерод легко образует двойные связи (важнейшее для земной биохимии свойство!), а кремний из-за большего размера атома к этому неспособен.

Во-вторых, двуокись углерода (CO2) — это при нормальных условиях углекислый газ, прекрасно растворяющийся в воде. А двуокись кремния (SiO2) при тех же условиях — тугоплавкое твердое вещество с кристаллической решеткой, прошитой множеством ковалентных связей. Чистый SiO2 — это попросту кварц. Очевидно, что включить его в обмен веществ было бы гораздо труднее, чем углекислоту CO2.

В-третьих, кремний-кремниевая связь менее прочна, чем углерод-углеродная, поэтому кремневодороды по сравнению с углеводородами гораздо легче разлагаются.

В итоге надо признать: вероятность, что жизнь на других планетах окажется углеродной, достаточно высока. И тот факт, что наша собственная жизнь оказалась углеродной, определенно неслучаен. Но это вовсе не значит, что живые существа, возникшие в любой точке Галактики, будут копиями земных! Любители поспорить о возможности кремниевой жизни зачастую упускают из виду, что альтернативная биохимия, очень сильно отличающаяся от земной, в принципе может быть получена и без всякого нарушения “углеродного шовинизма”.

Давайте-ка еще раз присмотримся к химическим компонентам живых клеток. Из тех веществ, которые нам уже знакомы, в состав клеток входят, прежде всего, спирты, углеводы, сложные эфиры, карбоновые кислоты, оксикислоты и аминокислоты. Что у них общего? Ответ однозначен: все эти соединения — кислородсодержащие. Мы уже видели, что группы, за счет которых они отличаются друг от друга, почти всегда включают кислород (аминогруппа тут — единственное исключение, но и в аминокислотах кислород по определению всегда есть). Итак, земная жизнь построена из кислородсодержащей органики.

Однако ниоткуда не следует, что эта возможность — единственная. В состав органических молекул вполне могут входить и многие другие элементы помимо кислорода — например, азот и сера. С азотом мы уже знакомы, а о сере (S) сейчас достаточно сказать, что ее валентность в органических веществах чаще всего равна двум — как у кислорода. А теперь назовем навскидку несколько классов органических соединений, в которых есть азот или сера, зато никакого кислорода нет (см. рис. 1.9):

* имины — соединения с двойной связью между углеродом и азотом (C=N);

* нитрилы — соединения с тройной связью между углеродом и азотом (C≡N);

* азосоединения, включающие двойную связь между атомами азота (N=N);

* тиолы, тионы, тиоэфиры, тиоальдегиды и тиокарбоновые кислоты — аналоги, соответственно, спиртов, кетонов, простых эфиров, альдегидов и карбоновых кислот, в состав которых вместо кислорода входит сера.

Зная валентности элементов, мы можем легко представить себе набор простых представителей иминов (CH3–CNH–CH3), нитрилов (CH3–C≡N), азосоединений (CH3–N=N–CH3), тиолов (CH3–SH), тионов (CH3–CS–CH3), тиоэфиров (CH3–S–CH3), тиоальдегидов (CH3–CS–H) и тиокарбоновых кислот (CH3–CS–SH). В химическом “зоопарке” Земли это довольно редкие экспонаты — настолько, что не во всяком учебнике химии найдется упоминание о них. Но везде ли во Вселенной дело обстоит именно так? Мы этого не знаем. Если какая-нибудь планета будет по своему элементному составу обеднена кислородом, то вполне возможно, что основой жизни на этой планете послужит не кислородсодержащая органика, а азотсодержащая или серосодержащая. Такая жизнь будет вполне “углеродной” и тем не менее химически совсем иной, чем земная.

Есть, например, предположения, что молекулярная основа инопланетной жизни может иметь смешанный углеродно-азотный скелет. Аналог углеводорода, построенный на таком скелете, мог бы выглядеть так: CH2=N–CH2–CH=N–CH2–CH=N–... — и т.д. А где возможны углеводороды (или хотя бы что-то на них похожее), там наверняка возможны и более сложные вещества.

Можно добавить, что в современных списках наиболее вероятных химических предшественников жизни кислородсодержащей органики на самом-то деле не так уж и много. Зато там фигурируют такие интересные молекулы, как ацетилен (H–C≡C–H), сероводород (H2S), аммиак (NH3), синильная кислота (H–C≡N) и цианамид (NH2–C≡N). Глядя на эти формулы, уже нетрудно допустить, что химические “кирпичики” инопланетных живых существ, отличающиеся от привычных нам сахаров и аминокислот, но имеющие похожие функции, в принципе могли бы оказаться и бескислородными. Во всяком случае, набор возможностей здесь точно гораздо шире того, что удалось реализовать на Земле.

 

Вода — одно из самых распространенных веществ на планете Земля. Она покрывает две трети земной поверхности, и ее очень много в живых организмах — гораздо больше, чем любого другого вещества. Подавляющее большинство биохимических реакций, то есть превращений жизненно важных молекул друг в друга, идет в растворах, где вода является растворителем. Воды много и в космосе — например, в кометах, в недрах Урана и Нептуна или в межзвездных туманностях. В целом можно сказать, что вода — это одно из самых распространенных веществ не только на Земле, но и вообще во Вселенной. Иное дело, что далеко не на всех планетах она встречается в жидком виде (Земля — единственная планета Солнечной системы, на поверхности которой есть постоянно существующие водоемы). Так или иначе, неудивительно, что именно вода послужила средой для всем нам знакомой жизни.

Что же такое вода с точки зрения химии? Это весьма простая молекула, состоящая всего лишь из двух атомов водорода (H) и одного атома кислорода (O). Соответственно, химическая формула воды — H2O. Каждый атом водорода соединен с атомом кислорода одной ковалентной связью, в полном соответствии с валентностью кислорода, которая (как мы помним) равна двум. Формулу воды можно записать и так: H–O–H. Это эквивалентно формуле H2O, которую обычно приводят в книгах.

Многие свойства воды объясняются тем, что ее молекулы исключительно хорошо “слипаются” друг с другом. Например, на поверхности водоема они образуют пленку, по которой клопы-водомерки, отнюдь не микроскопические существа, бегают как посуху. Другие особенности воды как вещества — прекрасная теплопроводность и высокая температура кипения (на испарение литра воды надо потратить больше энергии, чем на испарение того же объема чуть ли не любой другой жидкости). Чтобы понять, почему вода именно такова, надо присмотреться к ее молекулам повнимательнее.

 

Водородная связь

Начнем вот с чего. В общей химии часто встречается понятие “электроотрицательность”, введенное когда-то Лайнусом Полингом. Электроотрицательность — это сила, с которой атом в составе молекулы оттягивает на себя общие с другим атомом электроны, образующие ковалентную связь. Самый электроотрицательный элемент — фтор (F), а сразу за ним на шкале электроотрицательности следует кислород (O). Иначе говоря, кислород превосходит по электроотрицательности все другие атомы, за исключением фтора, который в живой природе встречается очень редко. Запомним этот факт, он нам пригодится.

Электроотрицательность одинаковых атомов по определению равна. Если между двумя одинаковыми атомами есть ковалентная связь, то образующая ее пара электронов никуда не смещается. Грубо говоря, эти электроны располагаются между атомами точно посредине. Такая ковалентная связь называется неполярной. Само собой разумеется, что любая ковалентная связь между одинаковыми атомами будет неполярна (например, связь в молекуле водорода H–H или углерод-углеродная связь C–C).

Если же ковалентную связь образуют два разных атома, то общие электроны смещаются к тому из них, у которого электроотрицательность выше. Такая связь называется полярной (см. рис. 2.1, 2.2А). При очень большой разнице в электроотрицательности связь может даже превратиться в ионную — это случится, если один атом полностью “отберет” общую пару электронов у другого. В молекулах, из которых состоят живые существа, ионные связи встречаются относительно редко, зато ковалентные полярные — очень часто. Например, это широко распространенные в органических веществах связи C–O и H–O (см. главу 1).

Связь между водородом и кислородом в молекуле воды — это типичная ковалентная полярная связь. Электроотрицательность кислорода намного выше, поэтому общие электроны смещены к нему. В результате на атоме кислорода образуется маленький отрицательный заряд, а на атомах водорода — маленькие положительные заряды. На графических формулах эти маленькие заряды, величина которых значительно меньше единицы, принято обозначать буквой δ (“дельта”) с добавлением соответствующего знака. Как мы теперь знаем, связи кислорода с водородом или углеродом вообще всегда полярные. Молекулы, в которых много таких связей, несут многочисленные частичные заряды, отрицательные на кислороде и положительные на водороде или углероде (см. рис. 2.1, 2.2Б).

А вот связь между углеродом и водородом (C–H) считается неполярной, хоть атомы и разные. И это тоже очень важно. Между атомами углерода и водорода разница в электроотрицательности настолько мала, что смещение электронов там незаметно. Например, молекулы углеводородов, состоящие только из атомов C и H, в силу этого полностью неполярны, никаких частичных зарядов, которые хоть на что-то влияли бы, в них нет.

Теперь вспомним, что положительные и отрицательные электрические заряды согласно закону Кулона притягиваются друг к другу. Например, частично отрицательный атом кислорода одной молекулы воды притягивается частично положительными атомами водорода других молекул воды. В результате между водородом и кислородом возникают нековалентные связи, основанные на электростатическом притяжении, — они называются водородными (см. рис. 2.2В). Это очень слабые связи, в жидкой воде они легко образуются и так же легко рвутся при движениях молекул. Но, несмотря на то что водородные связи гораздо слабее ковалентных, они дают сильный эффект, если их много. А в воде их очень много. Например, именно из-за колоссального количества водородных связей у воды исключительно высокая теплоемкость — ее трудно нагреть и трудно остудить. Большинство особенностей воды так или иначе связано с тем, что ее молекулы очень хорошо образуют водородные связи.

“Водородная связь чем-то напоминает любовь втроем”, — писал в своем известном университетском учебнике американский биохимик Люберт Страйер. Он имел в виду, что в водородной связи атом водорода связан сразу с двумя атомами кислорода: с одним ковалентно (и прочно), а с другим электростатически (и слабо). Чтобы образовать водородную связь, атом водорода обязательно должен уже состоять в ковалентной связи с другим атомом, причем значительно отличающимся от него по электроотрицательности.

Водородные связи важны не только с точки зрения свойств воды. Они много где встречаются. Например, в главе 9 мы увидим, что без водородных связей невозможно представить себе структуру молекулы ДНК, от которой зависит хранение наследственной информации.

 

Любовь и ненависть воды

Любое вещество, растворенное в воде, так или иначе взаимодействует с ней, и способ этого взаимодействия зависит, прежде всего, от электрических свойств молекул. Например, если растворить в воде поваренную соль (NaCl), она распадется на положительно заряженные ионы натрия (Na+) и отрицательно заряженные ионы хлора (Cl–). При этом к ионам натрия молекулы воды “прилипнут” своими атомами кислорода (несущими маленький отрицательный заряд δ–), а к ионам хлора — атомами водорода (несущими маленький положительный заряд δ+). В результате и те и другие ионы получат оболочку, состоящую из молекул воды (см. рис. 2.3). Образование таких оболочек называется гидратацией. Ионы натрия и хлора находятся в воде в гидратированном состоянии. Гидратация — процесс, сопутствующий растворению в воде любого вещества (если оно вообще в ней растворимо, конечно).

Молекулы, в которых много ковалентных полярных связей, тоже прекрасно взаимодействуют с водой — в первую очередь потому, что образуют с ней водородные связи, “цепляясь” за молекулы воды своими частичными зарядами. Такие вещества хорошо растворяются в воде и называются гидрофильными (“любящими воду”). К гидрофильным веществам относятся, например, спирты и углеводы (см. главу 1). Каждый знает, что столовый сахар (а это типичный углевод) растворяется в воде очень хорошо. То же самое можно сказать и о спиртах, например об этиловом спирте — основе алкогольных напитков. Именно растворам спирта в воде была посвящена знаменитая диссертация Дмитрия Ивановича Менделеева. Правда, рецепта водки Менделеев, вопреки распространенной легенде, не разрабатывал. Его интересовало происходящее при растворении взаимодействие молекул спирта и воды — тот самый процесс, который мы только что назвали гидратацией. Менделеев убедительно показал, что растворение — это не физическое явление (простое смешивание), а химическое (включающее образование новых межмолекулярных связей). Тогда получается, что раствор — это, по сути, новое вещество.

Как правило, любое наугад взятое органическое соединение будет растворяться в воде тем лучше, чем больше в нем атомов кислорода. Это понятно: именно вокруг атомов кислорода обычно образуются водородные связи. Например, молекула глюкозы (C6H12O6, шесть атомов кислорода!) в этом отношении просто идеальна. Как раз поэтому сахара, и глюкозу в том числе, очень удобно использовать в роли быстро усваивающихся питательных веществ.

Молекулы, в которых все связи неполярные, взаимодействуют с водой гораздо слабее, чем друг с другом. Вещества, состоящие из таких молекул, плохо растворяются в воде и называются гидрофобными (“боящимися воды”). Типичные гидрофобные соединения — углеводороды. Как мы знаем, они по определению состоят только из углерода и водорода, связи между которыми неполярны. Если бросить в воду парафин (смесь твердых углеводородов, из которой делают свечи), он и не подумает там растворяться — ни при каких условиях. А если налить в воду бензин (смесь жидких углеводородов, которая служит моторным топливом), то он, скорее всего, отслоится от нее, образовав четкую поверхность раздела. Вода как бы “выталкивает” эти вещества.

Если в формуле органического соединения есть кислород, то оно, скорее всего, гидрофильное, разве что там присутствует какая-нибудь совсем уж огромная углеводородная цепочка. Гидрофильными бывают и некоторые бескислородные органические вещества — например, амины.

В биохимии значение различий между гидрофильными и гидрофобными веществами без преувеличения грандиозно (см. главы 3, 5, 6). Многие детали устройства клеток без учета этих различий просто невозможно понять. А все потому, что земная жизнь — водная.

 

Талассогены

А могут ли подойти для жизни какие-нибудь другие растворители, кроме воды? Ответ — да. Например, углекислота (ее формула O=C=O, или просто CO2) знакома людям, прежде всего, в виде углекислого газа, который мы выдыхаем. Но она может и замерзать, образуя так называемый сухой лед. Проблема в том, что при нагревании в условиях, характерных для Земли, сухой лед сразу испаряется в газ, минуя жидкую фазу. Потому мы и не видим в быту жидкой углекислоты. Однако при более высоких давлениях, чем наше атмосферное, углекислота может становиться жидкостью. И тогда она представляет собой хороший гидрофильный растворитель, аналогичный по свойствам воде (и легко смешивающийся с ней), в котором успешно идут многие биохимические реакции. В этом растворителе могут жить даже земные микробы: например, на дне Окинавского желоба в Восточно-Китайском море исследователи-океанологи нашли целое озеро жидкой углекислоты, в котором постоянно живут довольно разнообразные бактерии.

Некоторые исследователи считают, что океаны жидкой углекислоты могут существовать на так называемых “суперземлях” — планетах с массой, в несколько раз превосходящей массу Земли. Суперземли — довольно многочисленная категория экзопланет, и возможность жизни на них сейчас активно обсуждается.

Другой перспективный кандидат на роль вмещающей среды для жизни — аммиак (NH3). Это гидрофильный растворитель, образующий много водородных связей, в данном случае между водородом и азотом (их разница в электроотрицательности для этого вполне достаточна, см. рис. 2.2Г). Неудивительно, что по своим физико-химическим свойствам аммиак напоминает воду. На более холодных планетах, чем Земля, он находится в жидком состоянии и вполне может быть основой жизни. Теоретически возможно существование холодных землеподобных планет с аммиачными океанами. Есть ли там жизнь, никто не знает. Но почему бы и нет? Если насчет альтернатив углеродной жизни есть серьезные сомнения (см. главу 1), то углеродную жизнь, использующую не воду, а какой-нибудь другой растворитель, представить себе гораздо легче. Никакие фундаментальные законы не запрещают ей существовать. Просто так уж сложилось, что на нашей планете из всех растворителей преобладает вода — ну а от добра добра не ищут, и земной жизни осталось лишь развиваться в этих относительно благоприятных условиях.

Еще один гидрофильный растворитель, в котором теоретически допускают возможность жизни, — метиловый спирт, или метанол (CH3OH). Для человека это страшный яд, но тут все зависит от настройки биохимических систем: вообще-то никакие законы природы не мешают “сконструировать” живой организм, для которого метанол будет совершенно безобиден, а то и полезен. Метанол — одно из самых простых органических веществ, и неудивительно, что образуется он очень легко. Его много в космосе, причем не только на планетах, но и в межзвездных газопылевых облаках. Некоторые ученые осмеливаются предполагать, что именно синтез метанола был ключевым химическим звеном на пути к возникновению земной жизни. Метанол очень гидрофилен и прекрасно образует водородные связи, примерно такие же, как в воде. Собственно, это и делает его хорошим гидрофильным растворителем. Как и аммиак, метанол замерзает при гораздо более низкой температуре, чем вода, и в принципе может быть средой для жизни на более холодных планетах, чем Земля. В Солнечной системе метанола хватает, например на Тритоне, крупнейшем спутнике Нептуна.

Наконец, еще один кандидат на роль подходящего для жизни гидрофильного растворителя — сероводород, соединение водорода и серы с формулой H2S (она же H–S–H). Молекула сероводорода очень похожа на молекулу воды. Правда, водородные связи она образует несколько хуже. В Солнечной системе сероводорода много на Ио — спутнике Юпитера, который отличается невероятной геологической активностью. Поверхность Ио покрыта вулканами, выбрасывающими фонтаны лавы, а состоит эта лава в основном из разнообразных соединений серы, которые текут и застывают, ибо в системе Юпитера очень холодно. Ио — это настоящий “мир льда и пламени”. Если бы на Ио была жизнь, она вполне могла бы быть основана на сероводороде, точно так же, как земная жизнь — на воде.

А может ли среда для жизни оказаться не гидрофильной, а гидрофобной? Исключить такое в принципе нельзя. Например, на крупнейшем спутнике Сатурна — Титане — есть углеводородные озера и даже моря, состоящие из метана (CH4), этана (C2H6) и пропана (C3H8). Это настоящий гидрофобный растворитель, в котором некоторые ученые допускают существование жизни, хотя прямых подтверждений этому пока что нет. Жидкой воды на поверхности Титана не бывает, там слишком холодно.

В целом, однако, сейчас кажется более вероятным, что главный растворитель для внеземной жизни окажется гидрофильным (но не обязательно водой). Во-первых, гидрофильных растворителей в природе просто больше. А во-вторых, все известные биохимические механизмы слишком уж сильно “заточены” под гидрофильную среду. Биохимию на гидрофобной основе вообразить гораздо труднее.

Из совсем уж экзотических альтернатив воде можно назвать, к примеру, фтороводород (HF, “аш-фтор”). Водный раствор фтороводорода — очень агрессивное вещество, которое называется плавиковой кислотой (в сериале “Во все тяжкие”, главный герой которого — химик, ставший преступником, этой кислотой растворяют трупы). Однако многие органические молекулы, например углеводороды, в ней совершенно стабильны. К тому же фтороводород прекрасно образует водородные связи, а это, как мы уже знаем, очень важное для растворителя свойство. Возможность фтороводородной жизни допускали некоторые ученые, например астроном Карл Саган. А в фантастической повести Ивана Ефремова “Сердце Змеи” описана планета с фтороводородным океаном и дышащими фтором разумными жителями, с которыми земляне вступают в контакт. “Люди Земли увидели лиловые волны океана из фтористого водорода, омывавшие берега черных песков, красных утесов и склонов иззубренных гор, светящихся голубым лунным сиянием…”

Великий популяризатор науки Айзек Азимов — кстати говоря, биохимик по научной специальности — не раз задумывался над тем, из каких веществ могли бы образоваться океаны на других планетах. Он назвал такие вещества термином “талассогены”, что буквально значит “производящие море”. По определению Азимова, талассоген — это вещество, способное сформировать планетарный океан. В замечательной книге “Асимметрия жизни” Азимов подробно разбирает проблему океанов, приходя к выводу, что самые вероятные талассогены — это вода, аммиак и метан. При этом для планет, расположенных примерно на таком расстоянии от звезд, как Земля, вода имеет преимущество, потому что она остается жидкой при более высокой температуре. “Вы можете представить метановые океаны на такой планете, как Нептун, или аммиачные океаны на планете типа Юпитера, однако вода, и только вода может создать океан на внутренней планете вроде Земли”. Это выглядит логичным, но тут есть по меньшей мере один важный нюанс. Азимов писал эту книгу больше 40 лет назад, когда о планетах других звездных систем не было известно совершенно ничего. Не было даже уверенности, что они вообще существуют. А сейчас астрономам известны тысячи экзопланет, и уже ясно, что, мягко говоря, далеко не все звездные системы похожи на Солнечную. Сочетания условий там могут быть совершенно другими. Поэтому от расширения списка возможных вариантов вреда, скорее всего, не будет.

Возвращаясь к земной (а вернее, водной) биохимии, будем иметь в виду, что она — не единственная теоретически возможная. Изучая природу, всегда полезно помнить любимую мысль Станислава Лема: “Среди звезд нас ждет Неизвестное”.

 

В разговорах о современной биологии слово “белок” звучит очень часто. Все знают, что белки — важнейшие питательные вещества. Но одновременно это еще и сложные биохимические машины, выполняющие в организме множество самых разных функций: дыхание, пищеварение, считывание наследственной информации, сокращение мышц, защита, восприятие света, передача сигналов... проще сказать, чего белки не делают. Что же это, в конце концов, такое?

Начнем с того, что белки, или протеины, — это огромные молекулы, входящие в состав абсолютно всех современных живых организмов. История их названия, честно говоря, довольно запутанна. Сам термин “белок” (albumin) вошел в употребление еще в XVIII веке, и относился он тогда к веществам, подобным всем известному белку куриного яйца. Что касается термина “протеин” (protein), то его придумал знаменитый шведский химик Йёнс Якоб Берцелиус. Кроме этого, Берцелиус открыл несколько новых химических элементов, установил формулы ряда органических кислот, разобрался в явлении электролиза и сделал еще много другого. В частности, именно Берцелиус открыл явление изомерии и ввел само понятие “изомеры”, уже нам знакомое (см. главу 1). Да и термин “органическая химия” тоже принадлежит ему.

Так вот, в 1838 году Берцелиус предложил назвать некоторые органические вещества “протеинами”. Слово это произведено от греческого πρώτειος, “первичный”. Придумывая свой термин, Берцелиус предполагал, что “протеины” — это некие первичные строительные блоки живых организмов, и был, как мы сейчас знаем, совершенно прав.

В русском языке “белок” и “протеин” — строгие синонимы. По буквальному смыслу “протеин”, конечно, точнее, чем “белок”. Но как-то уж так сложилось, что в нашей научной литературе слово “белок” употребляется гораздо чаще, и мы будем этому следовать. Скорее всего, дело тут просто в том, что слово “белок” проще для восприятия и привычнее на слух.

 

Полимеры

В состав белков входят углерод, водород, кислород, азот и, как правило, еще сера. Ничего особенного в таком химическом составе нет. Гораздо удивительнее другое. Еще в XIX веке химики обнаружили, что молекулы белков буквально гигантские. По размеру, то есть по количеству атомов, они в сотни раз превосходят молекулы большинства других органических веществ. Дело в том, что белки относятся к полимерам — молекулам, состоящим из множества однотипных (но не обязательно совершенно одинаковых) повторяющихся звеньев, ковалентными связями соединенных друг с другом (см. рис. 3.1А). Такие звенья называются мономерами. Полимеры могут распадаться на отдельные мономеры, а могут и собираться из них вновь. Эти процессы играют огромную роль в биологическом обмене веществ, в ходе которого то и дело одни полимеры расщепляются, а другие строятся из мономеров заново. Иногда полимеры называют макромолекулами, то есть попросту “большими молекулами”.

Очень простой пример полимера — полиэтилен, тот самый, из которого делают упаковочную пленку, пакеты, изоленту и тому подобные вещи. Это обычный углеводород, имеющий, однако, очень длинные молекулы (гораздо более длинные, чем все, что мы видели до сих пор). Формула полиэтилена следующая: CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–... За многоточием тут может скрываться цепочка из нескольких тысяч атомов углерода (разумеется, с присоединенными к ним атомами водорода, которые всегда заполняют все валентности, не заполненные другими атомами). Повторяющимся звеном в полиэтилене является группа –CH2–CH2– (с двумя атомами углерода, а не с одним, потому что при получении полиэтилена он “сшивается” именно из двухуглеродных молекул). Это и есть его мономер.

И в живой, и в неживой природе есть много всевозможных полимеров, состоящих из самых разных типов мономерных звеньев. И как правило, эти звенья гораздо сложнее, чем в полиэтилене. Например, во многих биологических полимерах мономерами являются сахара (см. главу 6). В белках же мономеры особые, свойственные только им. Это — аминокислоты.

 

Альфа, бета, гамма...

Аминокислота, как мы знаем, — это вещество, в молекуле которого одновременно есть карбоксильная группа и аминогруппа (см. главу 1). Особенность аминокислот, входящих в состав белков, в том, что эти две группы обязательно присоединены к одному и тому же атому углерода. Такие аминокислоты называются альфа-аминокислотами (см. рис. 3.1Б). Если в какой-нибудь аминокислоте карбоксильная группа и аминогруппа связаны с разными атомами углерода, то это не альфа-аминокислота и в состав белков она входить не может.

Почему альфа-аминокислоты называются “альфа” и при чем тут вообще греческие буквы? Дело вот в чем. Атомы углерода, образующие аминокислоту, принято обозначать греческими буквами по порядку, считая от карбоксильной группы (сама она в счет не идет). Таким образом, первый атом углерода после карбоксила — это альфа-атом, второй — бета-атом, третий — гамма-атом и т.д. И в зависимости от того, к какому атому углерода у них присоединена аминогруппа, аминокислоты делятся на альфа-аминокислоты, бета-аминокислоты и прочие.

Например, представим себе аминокислоту с формулой NH2–CH2–CH2–CH2–COOH (см. далее рис. 3.8). Аминогруппа тут присоединена к третьему атому углерода, считая от карбоксильной группы, то есть к гамма-атому. Значит, это гамма-аминокислота. В данном случае она называется гамма-аминомасляной кислотой (ГАМК). Эта аминокислота есть в организмах большинства животных. Во-первых, она является промежуточным продуктом обмена веществ, а во-вторых, служит нейротрансмиттером, то есть веществом, передающим сигнал между нервными клетками. Именно с нарушением ГАМК-эргической (то есть обусловленной ГАМК) передачи нервных импульсов связано действие одного из самых сильных растительных ядов — яда цикуты, которым в свое время отравили Сократа. Но вот в состав белков ГАМК, в отличие от альфа-аминокислот, никогда не входит.

 

Пептидная связь

Как альфа-аминокислоты объединяются в белок? Очень просто: карбоксильная группа одной аминокислоты связывается с аминогруппой другой (см. рис. 3.2А). От карбоксильной группы отщепляется гидроксил (–OH), а от аминогруппы — водород (–H). Эти отщепленные фрагменты тут же соединяются и дают воду (H–O–H), а остатки карбоксильной группы и аминогруппы замыкаются по освободившимся валентностям друг на друга, образуя новую группу –CO–NH–. Вот через нее-то две аминокислоты и соединяются между собой.

Группа –CO–NH– называется пептидной группой, а связь между углеродом и азотом в ней — пептидной связью. Цепочка аминокислот, соединенных пептидными связями, называется пептидом (см. рис. 3.2Б). Это более широкое понятие, чем белок. Все белки — пептиды, но не все пептиды — белки.

Реакция образования пептида в принципе обратима: он может как синтезироваться, так и распадаться обратно на отдельные аминокислоты. На одном конце пептида находится свободная аминогруппа, на другом — свободная карбоксильная группа. Для краткости конец пептида со свободной аминогруппой принято называть N-концом, а конец со свободной карбоксильной группой — C-концом.

Короткие пептиды называют или по числу аминокислотных остатков (два остатка — дипептид, три — трипептид, четыре — тетрапептид...), или собирательно — олигопептидами. Длинные пептиды с многими десятками аминокислотных остатков называют полипептидами. Все белки — полипептиды. Аминокислотных остатков в них обычно даже не десятки, а сотни. “Средний” белок, типичный для живой природы, включает примерно 300–350 аминокислот. Белок из 200 аминокислот считается небольшим. Неудивительно, что белковые молекулы поразили когда-то химиков своими размерами.

 

Разнообразие и единство

В состав белков входит 20 стандартных аминокислот, одних и тех же у всех живых организмов. Как мы уже знаем, все они — альфа-аминокислоты, а это значит, что их общую формулу можно записать вот как: R–CH(NH2)–COOH. Буква R тут, как всегда, обозначает радикал, то есть изменяемую часть молекулы.

Аминокислоты, образующие белки, называют протеиногенными, от уже знакомого нам слова “протеин”. Две самые простые протеиногенные аминокислоты — глицин (где радикал — атом водорода) и аланин (где радикалом служит метильная группа –CH3). У других аминокислот радикалы сложнее. Для читателей-эрудитов добавим, что все нестандартные аминокислоты (селеноцистеин, пирролизин, гидроксилизин, гидроксипролин) так или иначе являются производными стандартных и нас пока не интересуют. А стандартных — ровно 20.

Свойства любого пептида зависят не только от того, какие аминокислоты в него входят, но и от того, в каком порядке они там расположены. Например, представим себе дипептид, состоящий из глицина и аланина. Как он будет выглядеть? Если в создании пептидной связи примут участие карбоксильная группа глицина и аминогруппа аланина, дипептид будет таким: NH2–CH2–CO–NH–CH(CH3)–COOH. Но возможен и другой случай, когда пептидную связь образуют, наоборот, карбоксильная группа аланина и аминогруппа глицина. Тогда пептид получится вот таким: NH2–CH(CH3)–CO–NH–CH2–COOH. Как видим, это два разных соединения. В белках, состоящих из сотен аминокислот, порядок расположения этих аминокислот не менее важен — только вот возможных вариантов там намного больше.

Глядя на формулы, легко убедиться, что два наших дипептида — не что иное, как изомеры (см. главу 1). То же относится к любым пептидам, отличающимся друг от друга порядком расположения одних и тех же аминокислотных остатков. И число таких изомеров в случае с длинными пептидами может быть огромным. Например, можно вычислить, что для декапептида, состоящего из 10 разных аминокислот, число возможных изомеров равно 3 628 800. А ведь декапептид — это даже не белок. Для любого крупного белка число изомеров будет в буквальном смысле астрономическим. Вот почему разных белков так много.

Порядок расположения аминокислот крайне важен для того, чтобы белок правильно выполнял свою функцию. Он должен быть таким же точным, как порядок букв в напечатанной фразе. Единственная замена или перестановка вполне может сделать белок совершенно “бессмысленным”, то есть бесполезным для организма. Между тем никакими чисто химическими средствами такую точность синтеза белка обеспечить невозможно. Первым, кто над этим всерьез задумался, был выдающийся русский биолог Николай Константинович Кольцов. “Молекула октокайдекапептида, состоящая из 18 аминокислот, может иметь около триллиона изомеров, а изомеры сложных белковых молекул должны исчисляться центильонами (число из 600 цифр). Представляется совершенно невероятным, чтобы синтез определенного изомера белков определялся исключительно внешними условиями реакции”, — писал Кольцов еще в 1927 году. Из этого следовал важнейший вывод: информация, задающая порядок аминокислот в белке, непременно должна храниться где-то в организме. Она должна копироваться, передаваясь из поколения в поколение, и считываться по первому запросу, когда тот или иной белок понадобится создать. Все это, как мы сейчас понимаем, совершенно верно. О том, как в действительности работают эти механизмы, мы узнаем из главы 9.

В отличие от некоторых других полимеров, белки никогда не ветвятся. Любой белок — это строго линейная цепочка аминокислот. Сами аминокислоты, входящие в состав белка, принято обозначать буквами: например, глицин обозначается буквой G, аланин — буквой A и т.д. Поэтому формулу любого белка можно записать в виде простой последовательности букв, соответствующих аминокислотам. На самом деле так обычно и делают.

 

“Кирпичики”, из которых состоит жизнь

Итак, мы видим, что аминокислоты, входящие в состав белков, построены по одной схеме. В любой из этих аминокислот есть карбоксильная группа и аминогруппа, присоединенные к центральному атому углерода (тому, который мы назвали альфа-атомом). Кроме того, к центральному атому углерода всегда присоединен атом водорода. Таким образом, из четырех валентностей альфа-углеродного атома три всегда заняты одними и теми же группами — карбоксильной, аминогруппой и атомом водорода. В этих частях молекул никакого разнообразия нет.

А вот четвертая валентность альфа-атома углерода занята изменчивой группой, которую мы для удобства назвали радикалом (–R). По ней-то аминокислоты и различаются (см. рис. 3.3).

Есть несколько аминокислот, у которых радикалы чисто углеводородные: аланин, валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин. Две из них — лейцин и изолейцин — являются изомерами друг друга, потому так и названы. Они отличаются всего лишь положением одной метильной группы (–CH3). Чисто углеводородные радикалы плохо взаимодействуют с водой, но хорошо друг с другом. Иначе говоря, эти радикалы — гидрофобные.

Есть аминокислоты, у которых в состав радикала входит гидроксильная группа –OH (серин, тирозин) или аналогичная ей, но содержащая вместо атома кислорода атом серы тиольная группа –SH (цистеин). В таких радикалах есть полярные связи, а потому они взаимодействуют с водой гораздо лучше. Эти радикалы — гидрофильные.

Все аминокислоты, перечисленные нами до сих пор, называются нейтральными. Это означает, что в водном растворе их молекулы электрически не заряжены. Мы уже видели, что в любой аминокислоте есть карбоксильная группа, свойства которой кислотные, и аминогруппа, свойства которой, наоборот, основные (см. главу 1). Попадая в воду, карбоксильная группа отдает протон и становится заряжена отрицательно (–COO–), а аминогруппа присоединяет протон и становится заряжена положительно (–NH3+). Суммарный заряд молекулы аминокислоты в результате остается равным нулю. Это — нейтральная молекула.

А что, если карбоксильных групп две? Тогда эта аминокислота будет в растворе заряжена отрицательно. И действительно, в состав белков входит пара таких аминокислот — это аспарагиновая и глутаминовая кислоты. У них обеих есть карбоксильная группа не только при альфа-атоме, но еще и в радикале. И, соответственно, этот радикал несет дополнительный отрицательный заряд.

Для краткости аспарагиновую и глутаминовую кислоты часто называют, соответственно, аспартатом и глутаматом. Тут надо пояснить одну тонкость, связанную с названиями веществ. Аспартат и глутамат — на самом деле названия не кислот, а их анионов или (что то же самое) их солей. Например, глутамат — это соль глутаминовой кислоты. В биохимии этим сплошь и рядом пренебрегают, используя названия кислот и солей как синонимы. Ведь что такое соль? Это кислота, у которой на месте протона оказался любой другой катион. Если же она диссоциирована и не имеет никаких катионов вообще (а это бывает в растворах очень часто), то за ней обычно ради удобства оставляют название соответствующей соли. Именно это мы на примере аспартата с глутаматом и видим. Название соли — это название аниона, в виде которого молекула реально существует в воде.

Глутамат (будем отныне называть его так) интересен не только тем, что участвует в образовании белков. В организмах подавляющего большинства животных он служит еще и нейротрансмиттером, причем одним из важнейших. В нервной системе человека глутамат используют для передачи возбуждения примерно 40% нейронов — это очень много! Почти все основные информационные потоки в нашем мозге идут посредством выделения глутамата, служащего для нервных клеток возбуждающим сигналом. Выше мы упоминали, что нейротрансмиттером является и еще одна протеиногенная аминокислота, а именно глицин (см. главу 1). Но действие глицина тормозящее (то есть успокаивающее), а глутамата — именно возбуждающее. Поскольку глутамат входит в состав каких угодно белков, то его очень много в пище, но пищевой глутамат в мозг почти не попадает — нервные клетки синтезируют его сами.

Кроме того, к глутамату очень чувствительна наша вкусовая система. Обычно считается, что есть пять основных вкусов, для которых на языке существуют отдельные типы рецепторов: соленый, кислый, сладкий, горький и выделенный в начале XX века вкус умами. Соленый — это вкус поваренной соли, кислый — протонов (H+), сладкий — сахаров. Горький вкус — самый сложный, он не привязан к какому-то одному классу молекул и возникает как реакция на любое вещество из большой и разнообразной группы зачисленных мозгом в “ядовитые”, это эволюционно выработанный механизм защиты от токсичной пищи. Ну а умами — это не что иное, как вкус глутамата. Судя по всему, в ходе эволюции органов чувств позвоночных животных именно глутамат был выделен как индикатор вкуса белков (важнейших питательных веществ как-никак). Вот почему на языке для него есть особые рецепторы. Ощущение вкуса глутамата — это эволюционно выработанный сигнал о том, что в рот попало нечто белковое.

Глутамат часто добавляют в пищу, причем как в виде кислоты (пищевая добавка E620), так и в виде натриевой соли (пищевая добавка Е621). И раз уж мы заговорили об этом веществе, воспользуемся случаем, чтобы развеять несколько связанных с ним заблуждений. Может быть, кому-то пригодится.

Итак, во-первых, утверждение, что глутамат — усилитель вкуса, неточно. Выражение “усилитель вкуса” могло бы относиться к некоему (вымышленному) веществу без собственного вкуса и запаха, обладающему свойством обострять вкус любой еды. Глутамат этого не делает: у него просто есть свой вкус, точно так же, как у сахара или у соли. Механизмы восприятия вкуса глутамата и вкуса, допустим, того же сахара принципиально не отличаются друг от друга. Просто сахар воспринимается одними рецепторами, а глутамат — другими.

Во-вторых, неверно часто встречающееся мнение, будто “натуральный” глутамат (предположительно безобидный) — это совсем не то, что глутамат “искусственный” (предположительно вредный и опасный). Люди, которые так думают, просто не знают, о каком веществе идет речь. А мы с вами теперь знаем. Глутамат — это не какая-нибудь загадочная сложная смесь (состав которой действительно мог бы варьироваться), а одно-единственное химическое соединение, описываемое незатейливой формулой. Вот она, эта формула: HOOC–CH2–CH2–CH(NH2)–COOH. Только и всего. Глутамат, полученный искусственно, не отличается от полученного готовым из природных продуктов, потому что отличаться там нечему.

В-третьих, глутамат, получаемый с пищей, едва ли опасен для нервной системы прежде всего потому, что он в нее почти не проникает — это обеспечивается специальным физиологическим барьером. Нервные клетки синтезируют глутамат самостоятельно. К тому же в белковых продуктах (таких, как творог, мясо или соя) глутамата наверняка больше, чем попадает его в еду в качестве пищевой добавки, — просто потому, что это составная часть любых белков.

В-четвертых, на глутамат нет аллергии. Аллергию вызывают чужеродные вещества, а не такие, которые жизненно необходимы и всегда присутствуют в организме в высоких концентрациях, — а глутамат как раз относится к последним.

Так что опасность глутамата — это, судя по всему, типичный современный миф.

Однако вернемся к другим аминокислотам. Если есть отрицательно заряженные аминокислоты, логично ожидать, что существуют и положительно заряженные. Это действительно так. Пример положительно заряженной аминокислоты — лизин, имеющий формулу NH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH(NH2)–COOH. Как видим, у лизина в радикале есть дополнительная аминогруппа, которая ведет себя так, как аминогруппе и положено: приобретает протон. Еще одна положительно заряженная аминокислота — аргинин, радикал которого включает довольно редкую (больше она нам нигде не встретится) гуанидиновую группу –NH–C(NH)–NH2, тоже охотно присоединяющую протон.

Таким образом, аминокислоты, из которых состоят белки, можно поделить на четыре категории: гидрофобные, гидрофильные нейтральные, положительно заряженные и отрицательно заряженные. Разумеется, все эти различия касаются только той части молекулы аминокислоты, которую мы назвали радикалом (R). “Базовая” часть (включающая атом углерода, атом водорода, карбоксильную группу и аминогруппу) во всех рассмотренных нами протеиногенных аминокислотах одна и та же. Особое положение занимает разве что самая простая из всех возможных аминокислот — глицин, у которого вместо радикала атом водорода.

 

Аминокислоты и связи

Итак, любой белок — это полипептид, то есть цепочка аминокислот, соединенных пептидными связями. На самом деле теоретически можно придумать полипептид, не являющийся белком, но мы сейчас поступим проще и будем считать, что эти слова — синонимы. В подавляющем большинстве тех случаев, которые нам могут встретиться, так оно и есть.

Для начала представим, что молекулу полипептида бросили в воду. Очевидно, что она не останется там вытянутой в прямую линию, а будет как-то сворачиваться. Это сворачивание будет зависеть от взаимодействия аминокислотных остатков как с молекулами воды, так и между собой. В целом пептидная цепь устроена довольно просто: ее “скелет” образуют пептидные группы, соединяющие между собой альфа-атомы углерода, а радикалы торчат в стороны. Все эти части огромной молекулы как-то размещаются в пространстве относительно друг друга, и в результате белок приобретает свою трехмерную форму — как обычно говорят, конформацию. Белок с нарушенной конформацией, как правило, совершенно бесполезен для организма. Поэтому соблюдение конформации — это очень важно.

Как же она складывается? Есть четыре типа взаимодействий между аминокислотами, определяющих объемную структуру белка, в который они входят.

Во-первых, это водородные связи (см. главу 2). В белке их обычно много, они возникают и между пептидными группами, и между боковыми цепями аминокислот (“боковая цепь” и “радикал” — в данном случае синонимы). Особенно это относится к тем аминокислотам, радикалы которых нейтральны и гидрофильны — вроде, например, серина или тирозина.

Во-вторых, это гидрофобное притяжение между углеводородными радикалами, принадлежащими таким аминокислотам, как валин, лейцин или фенилаланин. Вода выталкивает эти радикалы точно так же, как вытолкнула бы обычные молекулы углеводородов, и они отлично слипаются вместе, если оказываются при сворачивании белковой молекулы близко друг к другу. А тем самым они это сворачивание и закрепляют.

В-третьих, существует электростатическое притяжение между положительно и отрицательно заряженными боковыми цепями. Если, например, глутамат (радикал которого заряжен отрицательно) окажется при сворачивании белка рядом с лизином (радикал которого заряжен положительно), между ними тут же возникнет самая настоящая ионная связь.

Есть и четвертый тип взаимодействий. Он зависит от единственной аминокислоты, радикалы которой могут образовать между собой аж ковалентные связи (не имеющие никакого отношения к пептидным). Эта аминокислота — цистеин. В радикале цистеина есть сульфгидрильная группа –SH, аналогичная спиртовой группе (–OH), но с атомом серы вместо атома кислорода. Целиком радикал цистеина имеет вид –CH2–SH. Так вот, уже в готовом белке может произойти реакция, при которой у двух таких радикалов будет отобран водород (его унесут специальные молекулы-переносчики), а свободные валентности атомов серы замкнутся друг на друга и образуют между остатками цистеина связь –S–S–. Это называется дисульфидным мостиком (см. рис. 3.4А). Белок вполне может быть в нескольких местах “сшит” такими мостиками (см. рис. 3.4Б). Причем реакция их образования обратима: дисульфидные мостики могут возникать и рваться, и это бывает важно для регуляции некоторых физиологических процессов.

 

Связи и уровни

Для удобства принято выделять четыре уровня структуры белка. Они так и называются: первичная структура, вторичная, третичная и четвертичная.

Первичная структура — это просто последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями (см. рис. 3.4Б). Она всегда линейна, ибо белки не ветвятся. Перечислять аминокислоты в белке принято от N-конца (свободная аминогруппа) к C-концу (свободная карбоксильная группа). Множество таких перечислений, то есть записей первичной структуры белков, есть в современных электронных базах данных, доступных в сети. Можно сказать, что первичная структура белка одномерна, в то время как все остальные уровни — трехмерны. К первичной структуре относятся только пептидные связи, а к остальным уровням — любые другие взаимодействия между аминокислотами, входящими в один и тот же белок.

Вторичная структура — это система взаимодействий между аминокислотами в составе одной и той же полипептидной цепочки, расположенными близко (через считаные остатки друг от друга). Вторичная структура держится в основном на водородных связях (см. рис. 3.5). Причем в данном случае это связи между пептидными группами, а не боковыми цепями. А поскольку все пептидные группы одинаковы, то вторичная структура обладает высокой регулярностью, в ней часто повторяется один и тот же “узор”.

Два самых распространенных типа вторичной структуры белка — альфа-спираль и бета-слой. В альфа-спирали водородные связи постоянно образуются между аминокислотными остатками с номерами n и (n+4), то есть каждая аминокислота образует водородную связь с аминокислотой, четвертой по счету от нее. В результате получается компактная спираль, внутри которой находятся пептидные группы, а радикалы торчат в стороны. Альфа-спираль очень устойчива, в том числе и потому, что внутри нее в образовании водородных связей принимают участие все пептидные группы без исключения. В бета-слое полипептидная цепочка несколько раз перегибается, и водородные связи образуются между ее противоположно направленными отрезками.

Третичная структура белка — это система взаимодействий между сколь угодно далекими (но принадлежащими к одной и той же полипептидной цепи) остатками аминокислот (см. рис. 3.6, 3.7А). Она определяет, какую форму будет иметь молекула белка целиком. Если вторичная структура — это ближний порядок, то третичная — дальний порядок. В образовании третичной структуры участвуют водородные связи между боковыми цепями, гидрофобные взаимодействия (очень частый случай) и ионные связи между заряженными боковыми цепями. И дисульфидные мостики тоже вносят в третичную структуру свой вклад.

Наконец, четвертичная структура возникает в том случае, если функциональный белок собирается из нескольких отдельных полипептидных цепей (см. рис. 3.7Б). Если белок состоит из одной полипептидной цепи, значит, четвертичной структуры у него нет. Взаимодействия, создающие четвертичную структуру, те же самые, что и в третичной структуре, только не внутри одной полипептидной цепи, а между разными цепями.

Типичный белок с четвертичной структурой — гемоглобин, переносящий кислород в нашей крови. Его молекула состоит из четырех полипептидных цепочек, которые синтезируются отдельно, но свою функцию выполняют только вместе. Объединяются они в основном за счет гидрофобных взаимодействий. Всего молекула нормального гемоглобина взрослого человека включает 574 аминокислоты.

Потеря белком своей пространственной структуры без разрушения пептидных связей (то есть первичной структуры) называется денатурацией, что буквально значит “потеря природы” (см. рис. 3.7В). Самый простой способ денатурировать белок — как следует нагреть его. Именно частичная денатурация белков является основной целью любой тепловой обработки пищи. Причем иногда этот процесс до некоторой степени обратим (при кипячении молока, например). Восстановление пространственной структуры денатурированного белка называется ренатурацией. Но бывает и необратимая денатурация. Например, белок крутого яйца после полной необратимой денатурации растворенных там молекул белков становится твердым, потому что раскрученные полипептидные цепочки перепутываются между собой. Денатурация большинства белков (но не всех!) происходит при температуре 40–50 °С. Это определяет верхний температурный предел для жизни большинства земных живых существ.

Чтобы белок выполнял свою биологическую функцию, нужна, как правило, тончайшая и очень точная “настройка” его пространственной структуры. Нарушения аминокислотной последовательности тем и опасны, что они эту структуру разрушают. Например, существует генетическое нарушение, при котором в строго определенной точке одной из цепей гемоглобина глутамат заменяется на валин. Казалось бы, всего лишь одна аминокислота заменяется на другую. Но здесь это имеет неожиданно серьезные последствия. Глутамат — аминокислота, боковая цепь которой несет отрицательный заряд, валин же нейтрален и гидрофобен. Если рядом окажутся два остатки глутамата, они будут отталкиваться. А если два остатка валина, то, наоборот, слипаться. В данном случае замена глутамата на валин приводит к тому, что слипаться начинают целые молекулы гемоглобина. А это деформирует красные кровяные клетки, в которых он содержится, и вызывает тяжелую болезнь — серповидноклеточную анемию. Именно таков ее молекулярный механизм.

Очевидно, что взаимодействия между аминокислотами в белке неслучайны. Сворачивание белковой молекулы зависит от ее первичной структуры, то есть от того, в каком порядке аминокислоты расположены в цепочке. Иногда говорят, что если бы можно было взять полипептидную цепь за концы, растянуть ее и потом отпустить, то она каждый раз свертывалась бы совершенно одинаково. На самом деле в живой клетке все происходит несколько иначе: там белок синтезируется последовательно, аминокислота за аминокислотой (от N-конца к C-концу), и части молекулы белка, синтезированные раньше, успевают свернуться в трехмерную структуру до того, как будут синтезированы остальные части. Но в итоге все молекулы данного белка сворачиваются строго одинаково. Зная аминокислотную последовательность белка, теоретически можно рассчитать его пространственную структуру всех уровней. Часто это успешно делают и на практике, используя методы таких наук, как биофизика и биоинформатика. В идеале последовательность аминокислот (которую можно записать в строчку, обозначив аминокислоты буквами) должна однозначно определять собой все свойства белка. И более того, изучаемая биологами реальность к этому идеалу очень близка.

 

На заре жизни... и раньше

Биохимическая эволюция началась еще до образования Земли как планеты. Современные ученые уверены, что синтез веществ, ставших потом биологически активными, шел уже на частицах протопланетного газопылевого облака. Об этом свидетельствует многое — например, химический состав углистых метеоритов, которые потому так и называются, что богаты углеродом (в научной литературе их часто называют углистыми хондритами). Метеориты этого типа никогда не входили в состав планет, поэтому их химический состав не искажен действием высоких температур и давлений, господствующих в планетных недрах. Это своего рода химический “заповедник” очень древней эпохи Солнечной системы — эпохи, когда синтез органических веществ только начинался. Химический анализ углистых метеоритов дал ученым поразительную возможность заглянуть во времена, непосредственно предшествовавшие зарождению жизни.

И ученые не разочаровались. Углистые метеориты оказались удивительно богаты органикой. Например, в них найдены углеводороды, спирты, альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты, оксикислоты, амины и углеводы (см. главу 1). Есть там и аминокислоты. Причем очень разные.

В знаменитом Мурчисонском метеорите, упавшем в 1969 году в Австралии, химический анализ обнаружил в общей сложности 52 аминокислоты(см. рис. 3.8). И они необыкновенно разнообразны. Например, среди этих аминокислот есть бета-аланин — изомер аланина, являющийся не альфа-, а бета-аминокислотой (NH2–CH2–CH2–COOH). Есть там гамма- и даже дельта-аминокислоты, например дельта-аминовалериановая кислота (NH2–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH). Есть изовалин и метилнорвалин — аминокислоты, где к альфа-углеродному атому присоединены сразу два углеводородных радикала (как мы помним, в “белковых” аминокислотах на месте одного из них всегда атом водорода). Есть циклолейцин, где карбоксильная группа и аминогруппа присоединены к замкнутому пятичленному углеводородному кольцу. Перечислять странные аминокислоты, многие из которых встречаются исключительно в метеоритах, можно еще долго. Есть там, впрочем, и аминокислоты, входящие на Земле в двадцатку “белковых”, — глицин, аланин, валин, лейцин, изолейцин, аспартат, глутамат и пролин.

И вот тут возникает закономерный вопрос: почему одни аминокислоты вошли в состав белков, а другие нет? Кое о чем вполне можно догадаться. Скорее всего, “выбор” аминокислот на роль протеиногенных сильно зависел от формы их молекул. Например, аминокислота с двумя крупными радикалами при альфа-атоме должна ограничивать число возможных конформаций полипептидной цепочки, делая ее менее гибкой, — просто потому, что радикалы будут торчать в разные стороны, мешая изгибам и поворотам. У всех без исключения протеиногенных аминокислот одна из валентностей альфа-атома занята простым водородом. И это, конечно, не случайность.

Примерно так же, скорее всего, объясняется и тот факт, что все белки состоят исключительно из альфа-аминокислот. В результате этого остов полипептидной цепи получается легким, гибким и однородным. Все “тяжелые” группы переводятся в боковые цепи, а все промежутки между пептидными связями имеют строго одинаковую длину. Если бы, например, в состав белка входили вперемешку альфа- и бета-аминокислоты, последнее условие не соблюдалось бы и это сделало бы невозможными регулярные конформации — такие как широко распространенная в реально существующих белках альфа-спираль.

А теперь отвлечемся от белков и подумаем про общие принципы развития Вселенной. Благо повод для этого сейчас есть. Не раз упоминавшийся тут Станислав Лем писал, что творческий потенциал неживой природы больше, чем у живой, по одной простой причине: она не ограничена требованиями естественного отбора. “Лишь там, где царит смерть, вечная, спокойная, где не действуют ни сита, ни жернова естественного отбора, формирующие любое создание по законам бытия, открывается простор для удивительных произведений материи, которая, ничему не подражая, никому не подчиняясь, выходит за границы человеческого воображения”, — пишет Лем в замечательном романе “Фиаско”. И добавляет: на планетах, освоенных жизнью, химические соединения попали “в рабство к биологической эволюции”. Они усложнились, но потеряли свое огромное исходное разнообразие.

То, что мы знаем об аминокислотах Солнечной системы, превосходно иллюстрирует эту мысль. Пока никакой жизни не существовало, самые разные аминокислоты синтезировались более-менее одинаково легко. Их было много десятков. После возникновения жизни ситуация резко изменилась: аминокислоты, вошедшие в состав белков, стали активно синтезироваться живыми организмами, и на Земле (о жизни в других местах мы пока ничего не знаем) их концентрации колоссально выросли. Аминокислоты, не прошедшие отбора на протеиногенность, наоборот, стали редкими. Некоторые из них, например изовалин, не встречаются на Земле вообще никогда. Между прочим, именно открытие в Мурчисонском метеорите изовалина стало самым сильным доводом в пользу того, что аминокислоты не были занесены в этот метеорит земными микробами после его падения на Землю, а присутствовали там изначально. Изовалина на Земле просто нет, так что никакие микробы занести его не могли. Он синтезировался в космосе совершенно самостоятельно. Но поскольку у изовалина два углеводородных радикала, то на роль составной части белков он не подошел. Со многими другими аминокислотами произошло то же самое. И это, конечно, не случайность. Уже знакомая нам общая формула протеиногенной аминокислоты — это не изолированный факт, который можно только зазубрить, а вполне осмысленный продукт эволюции.

 

Функции белков

Любой отдельный белок — тоже продукт биологической эволюции. Его аминокислотная последовательность, как и вся структура, всегда приспособлена под какую-нибудь строго определенную функцию. Известный биофизик Лев Александрович Блюменфельд писал: “Если бы для описания клетки нам пришлось выбирать между двумя крайними моделями — часовым механизмом и гомогенной химической реакцией в газовой фазе, — выбор был бы однозначен: клетка несравненно ближе к часовому механизму, чем к чисто статистической системе”. Можно добавить, что это относится не только к целой клетке, но и к отдельным макромолекулам, то есть в первую очередь к белкам. Блюменфельд как раз и начинает вышеприведенными словами главу своей книги, посвященную биофизике молекул белка.

Функционирующий белок можно в самом что ни на есть буквальном смысле рассматривать как молекулярную машину, то есть как машину размером с молекулу. По определению Блюменфельда, машина — это конструкция с выделенными внутренними степенями свободы (то есть, попросту говоря, с подвижными частями), использующая собственное механическое движение для передачи силы от одной части системы к другой. Белковая молекула этому определению, безусловно, соответствует. В ней хватает внутренних степеней свободы (множество ковалентных связей, вокруг которых возможны повороты), и она вполне может передавать силу с помощью своих подвижных частей. И многие белки — например, мышечные — постоянно используют это, совершая настоящую механическую работу. Но это далеко не единственное, что белки могут делать.

А что же, собственно, они делают? Самый близкий к истине ответ — да все! Или, во всяком случае, почти все. Функции белков настолько многообразны, что никакое их перечисление, скорее всего, не будет абсолютно полным. Но мы все-таки попробуем назвать главные функции белков, помня про эту оговорку.

* Структурная функция относится к белкам, из которых сделаны те или иные части живых тел. Например, коллаген — белок, образующий механическую основу костей, хрящей и соединительнотканного слоя кожи. Кератин — белок, из которого состоят волосы, ногти и наружный роговой слой кожи. Кристаллины — белки, из которых в основном состоит хрусталик глаза. И так далее.

* Каталитическая функция, связанная с ускорением химических реакций. О ней — чуть ниже.

* Сигнальная функция: белки, предназначенные для передачи информации. Эта функция на редкость многолика. Бывают белки-нейротрансмиттеры, передающие сигналы между нервными клетками. Бывают белки-гормоны, передающие сигналы примерно тем же способом, но через кровь, по всему организму сразу. Бывают белки-рецепторы, которые, наоборот, принимают сигналы, сидя на поверхности клетки. Бывают белки-посредники, обеспечивающие проведение сигнала уже внутри клетки. И это далеко не все возможности, но вникать в детали мы сейчас не будем.

* Транспортная функция . Например, известный всем гемоглобин — это белок, переносящий молекулы кислорода из одной части организма в другую.

* Двигательная функция свойственна белкам, от которых зависит сокращение мышечных клеток животных, но не только им. Например, двигательные структуры одноклеточных организмов — жгутики, реснички, ложноножки — тоже обязательно содержат специальные моторные белки.

* Защитная функция . Это всевозможные яды, а также антитела, то есть белки, выделяемые клетками иммунной системы и убивающие опасных “гостей” организма (например, попавших туда бактерий).

Эти функции, пожалуй, главные. Ясно, что живым существам нужны они все. И тем не менее среди них можно выделить одну совершенно особую функцию, настолько распространенную и важную, что без нее белки как природное явление вообще невозможно представить. Эта функция — каталитическая. Вот о ней стоит поговорить подробнее.

 

Ферменты

Начнем с простых определений. Вещество, ускоряющее химическую реакцию, но само не претерпевающее в ней стойких изменений, называется катализатором. А катализатор, являющийся белком, называется ферментом. Ускорять он может все что угодно. Все биохимические реакции идут не сами по себе, а с помощью ферментов. Например, даже такой предельно простой процесс, как слияние углекислоты (CO2) и воды (H2O) в молекулу угольной кислоты (H2CO3), все равно катализируется специальным ферментом — карбоангидразой, которая ускоряет его примерно в миллион раз. А для более сложных реакций ферменты тем более необходимы. Можно без особого преувеличения сказать, что ферменты контролируют в живом организме вообще все.

Вещество, являющееся исходным для той реакции, которую катализирует данный фермент, называется его субстратом. Молекула фермента должна войти в контакт с молекулой субстрата и подвергнуть ее некоему действию — например, расщепить надвое, или поменять в ней местами функциональные группы, или сшить что-нибудь ковалентной связью, или разорвать эту связь, — вариантов тут множество. Но в любом случае молекула фермента должна сначала захватить молекулу субстрата, а потом преобразовать ее и высвободить. Часть молекулы фермента, непосредственно контактирующая с молекулой субстрата, называется активным центром. Ферменты — это обычно довольно крупные белки, а в активном центре может быть всего-навсего несколько аминокислот. Поэтому, как правило, активный центр занимает только небольшую часть молекулы фермента (см. рис. 3.9А).

Если говорить совсем примитивно, активный центр — это такое гнездо в молекуле фермента, куда молекула субстрата должна войти, как ключ в замок. Как только она туда попадет, молекула фермента ее захватит и преобразует. Очевидно, что для этого конформация активного центра должна очень точно совпадать с очертаниями молекулы субстрата — в самом деле как замочная скважина с ключом. Это прямо так и называют “моделью ключа и замка”. Правда, на самом деле активный центр фермента, в отличие от механизма замочной скважины, является скорее гибким, чем жестким. При взаимодействии с субстратом его конформация всегда меняется — примерно так, как меняется форма перчатки, когда ее надевают на руку. Модель работы ферментов, учитывающая это, называется “моделью индуцированного соответствия”. Когда реакция завершается, конформация фермента возвращается к прежней.

Биофизики уверены, что во всех этих процессах молекула фермента действует как сложная механическая машина, имеющая множество шарниров, сочленений, поворачивающихся частей и т.п. И это, конечно, впечатляет. “Самонадеянно скажет иной: “Сколочу-ка телегу!” // Но ведь в телеге-то сотня частей! Иль не знает он, дурень?” — писал в поэме “Труды и дни” великий древнегреческий поэт Гесиод. А ведь молекула любого фермента (пусть даже и небольшого) устроена намного сложнее гесиодовой телеги. Причем это будет верно, даже если мы станем рассматривать ее исключительно как механическую машину, игнорируя всю тонкую структуру атомного уровня.

Номенклатура ферментов довольно сложна, потому что их очень много. Но в большинстве случаев название фермента включает, во-первых, название его субстрата и, во-вторых, характерное окончание “-аза”. Если мы видим где-то слово с таким окончанием, это наверняка название какого-нибудь фермента.

У термина “фермент” есть синоним. Это слово “энзим”. Например, в английском языке ферменты называют почти исключительно энзимами (enzyme), и в русские переводы с английского это тоже иногда проникает. Но все-таки по-русски гораздо чаще говорят именно “фермент”. На всякий случай запомним, что “фермент” и “энзим” — синонимы, и употребление одного из этих слов вместо другого большой ошибкой не будет.

Очень важное свойство ферментов — специфичность. Это значит, что каждый фермент приспособлен к одной строго определенной химической реакции. Субстрат должен точно подойти к его активному центру, иначе реакция не пойдет.

Например, фермент сукцинатдегидрогеназа захватывает молекулу янтарной кислоты (HOOC–CH2–CH2–COOH) и превращает ее в молекулу фумаровой кислоты (HOOC–CH=CH–COOH). Янтарная кислота при этом, как видим, теряет два атома водорода. Водород по-латыни “гидроген”, а “дегидрогеназа” — фермент, его отнимающий. Субстратом же этого фермента является янтарная кислота. В растворе она диссоциирует, и от нее остается анион, который называется сукцинатом. Таким образом, сукцинатдегидрогеназа — это фермент, отнимающий водород у сукцината (см. рис. 3.9Б).

Однако возможна ситуация, когда на месте сукцината окажется малонат — анион малоновой кислоты, отличающейся от янтарной на один атом углерода (HOOC–CH2–COOH). Молекула малоната приблизительно подходит по форме к активному центру сукцинатдегидрогеназы и может его занять. Но поскольку соответствие все-таки неточное, никакой реакции в этом случае не произойдет (см. рис. 3.9В). Активный центр сукцинатдегидрогеназы будет просто заблокирован. Это называется конкурентным ингибированием. Конкурентное ингибирование — очень эффективный механизм “выключения” ферментов, на нем основано действие многих лекарств и ядов.

В активных центрах ферментов бывает очень полезным уже знакомое нам разнообразие аминокислот. Чтобы молекула субстрата встала на свое место и повела себя как надо, очертания активного центра должны быть под этот субстрат идеально подогнаны. Для этого где-то можно разместить гидрофобные карманы, образованные боковыми цепями аланина или валина, где-то — отрицательные заряды аспартата или глутамата, где-то — нейтральные гидрофильные аминокислоты, которые образуют с субстратом водородные связи, и так далее. Если, например, в субстрате есть положительный заряд, то в этом-то месте как раз и можно выставить отрицательно заряженный радикал какого-нибудь аспартата, чтобы электростатическим притяжением удержать молекулу субстрата в нужном положении. Таких примеров можно привести множество.

Интересно, что аминокислоты, оказывающиеся рядом в активном центре, запросто могут в первичной последовательности находиться очень далеко — например, за 300 остатков друг от друга. Их “правильное” взаимное расположение достигается за счет очень точного объемного сворачивания полипептидной цепи, то есть за счет третичной структуры. Можно представить, насколько сложной биохимической машиной является такой фермент! А между тем в типичной живой клетке ферментов несколько тысяч.

Любой фермент работает только в достаточно строго определенном диапазоне внешних условий — например, таких, как температура и кислотность. Если температура слишком высока, фермент может просто денатурировать, то есть потерять вторичную и третичную структуру. Понятное дело, что его активный центр при этом развалится. Если же слишком высока кислотность, это может повлиять на поведение радикалов некоторых аминокислот. Мы знаем, что кислотность — это концентрация протонов (H+). Если в растворе будет слишком много протонов, боковые цепи отрицательно заряженных аминокислот (аспартата и глутамата) волей-неволей присоединят их. Например, радикал глутамата, обычно имеющий вид –CH2–CH2–COO–, в этом случае перейдет в состояние –CH2–CH2–COOH. Отрицательный заряд в нем исчезнет, и он больше не сможет выполнять свою функцию в активном центре. Поэтому слишком высокая кислотность вредна. Живым организмам очень важно поддерживать постоянство своей внутренней среды не в последнюю очередь потому, что иначе работа ферментов разладится.

 

“Белковая Вселенная”

Представим себе дипептид, в котором всего-навсего две аминокислоты. На первой позиции в этом дипептиде может быть любая из 20 стандартных протеиногенных аминокислот. Проведем ось, на которой каждая аминокислота будет отмечена черточкой. Это — 20 возможных вариантов.

На второй позиции в дипептиде тоже может быть любая из 20 стандартных протеиногенных аминокислот. Проведем вторую ось, перпендикулярную первой, и тоже отметим на ней черточкой каждую аминокислоту. У нас получится плоский график. Между двумя осями образуется пространство, состоящее из 400 точек (202). Каждая точка соответствует одному возможному дипептиду. А всего таких дипептидов может быть ровно 400.

Поздравим себя: мы только что познакомились с важнейшей концепцией, которая называется “белковая Вселенная”. Это воображаемое пространство, в каждой точке которого находится один белок. “Белковая Вселенная” — не поэтическая метафора, а на сегодняшний день уже повседневный инструмент работы биоинформатиков, примерно как геометрическое пространство декартовых координат для обычного инженера.

“Белковая Вселенная”, состоящая всего из 400 точек, — очень маленькая и простая. Но стоит добавить в наш пептид хотя бы третью аминокислоту, как пространство превратится в трехмерное и точек в нем станет уже 8000 (203). Дальше можно добавить и четвертую аминокислоту, и пятую — и так, пока не дойдет до обычных белков, число аминокислот в которых измеряется как минимум десятками, а обычно сотнями. Число измерений пространства “белковой Вселенной” будет в каждый момент равно числу аминокислотных остатков, сколько бы их ни было. Это пространство будет многомерным. Наглядно представить себе многомерное пространство человек не может, но это от него и не требуется, достаточно того, что модель в принципе годится для расчетов.

Важно понимать, что с ростом длины белка объем “белковой Вселенной” растет чрезвычайно быстро. Невообразимо быстро. Для белка из 300 аминокислот (а это типичный размер) “Вселенная” является 300-мерной и включает 20300 возможных аминокислотных последовательностей. Это гораздо больше, чем, например, общее число протонов и нейтронов в наблюдаемой части физической Вселенной (1080). Совершенно очевидно, что до сих пор биологическая эволюция исчерпала лишь ничтожную часть этого объема. Подавляющее большинство белков, последовательности которых существуют где-то в многомерном идеальном пространстве, еще ни разу не были воплощены, то есть физически синтезированы.

Более того, показано, что “белковая Вселенная” (вернее, ее реально освоенная часть) расширяется. С ходом эволюции белки разных организмов отличаются друг от друга все сильнее и сильнее. В этом “белковая Вселенная” подобна нашей обычной Вселенной, которая тоже расширяется, — в свое время это математически показал Александр Фридман и (независимо от Фридмана) вывел из астрономических наблюдений Эдвин Хаббл. Проводя свои наблюдения, Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, причем скорость их разлетания тем выше, чем больше между ними расстояние. Мысленно продолжив эту тенденцию в далекое прошлое, Хаббл пришел к выводу, что движение галактик должно было начаться из одной точки. Это послужило прекрасным подтверждением теории Большого взрыва, которая как раз в те годы начинала создаваться. Ну, а теперь мы понимаем, что примерно так же устроена и “белковая Вселенная”, в которой идет биологическая эволюция. Белки всех живых организмов стремительно (в эволюционном масштабе времени) “разбегаются” в своем многомерном пространстве от исходной точки — ограниченного набора белков единственного общего предка.

Рассматривая карту окружающей нас части физической Вселенной, можно подобрать такой масштаб, в котором не только галактика Млечный Путь, но и весь суперкластер Девы (куда входит Млечный Путь вместе с еще примерно 30 000 галактик) будет выглядеть как ничтожно малые точки. Так вот, соотношение освоенных и неосвоенных областей “белковой Вселенной” должно выглядеть как-то очень похоже. Белки всех живых организмов, вместе взятых, возникшие за несколько миллиардов лет истории Земли, до сих пор занимают в “белковой Вселенной” лишь ничтожно малую область. В этом смысле эволюция только началась! А ведь могут быть еще и другие, небелковые биологические Вселенные.

 

Греческое слово “симметрия” (συμμετρία) буквально означает “соразмерность”. Автором этого термина считается Пифагор Регийский — скульптор, живший в Великой Греции (как называли тогда южную часть Италии) в эпоху расцвета Афин, то есть в V в. до н.э. Его не следует путать с Пифагором Самосским, прославленным философом и математиком, который жил почти на 100 лет раньше.

В естественных науках симметричными принято называть тела или фигуры, состоящие из таких частей, которые можно свободно поменять местами. Такой обмен называется операцией симметрии. Например, чашечка цветка дикой розы состоит из пяти лепестков, в идеале совершенно одинаковых. Любой из них можно (по крайней мере, мысленно) поменять местами с любым другим. То, что фигура при этом не изменится, как раз и значит, что она симметрична — “соразмерна”.

Неудивительно, что у молекул тоже бывает симметрия. Например, представим себе молекулу метана (CH4). В нее входят четыре атома водорода (H), соединенные с центральным атомом углерода (C) совершенно одинаковыми связями (см. рис. 4.1А). Молекулу метана можно в любой момент повернуть так, что на месте одного атома водорода окажется другой. От этого не изменится ровно ничего.

Теперь представим, что один из атомов водорода в метане заменили на атом хлора (Cl). Получившееся вещество будет называться хлорметаном (CH3Cl). Несмотря на замену, молекула останется симметричной: ее, например, можно вращать вокруг единственной связи, соединяющей углерод с хлором, таким образом, что разные атомы водорода будут занимать место друг друга.

Более интересная ситуация возникнет, если заменить хлором два атома водорода из четырех. Вещество, которое получится в этом случае, называется дихлорметан (CH2Cl2). Связей, соединяющих углерод с хлором, теперь будет две. А плоскость, в которой они расположены, станет плоскостью симметрии молекулы. Части молекулы, расположенные справа и слева от этой плоскости (в данном случае — торчащие вбок атомы водорода), будут зеркально отражать друг друга.

Можно заменить два атома водорода в метане не одинаковыми атомами, а разными, например хлором (Cl) и фтором (F). Тогда получится фторхлорметан (CH2FCl). Тут тоже есть плоскость симметрии. Разница в том, что у дихлорметана в этой плоскости находится два атома хлора, которые можно свободно поменять местами, просто перевернув молекулу. Никаких наблюдаемых изменений при этом не произойдет. А у фторхлорметана такой возможности нет.

Теперь сравним все четыре наших соединения. Молекулу метана можно вертеть как угодно, все четыре заместителя при углероде там абсолютно одинаковы. В молекуле хлорметана один из этих заместителей отличается от других (хлор), но молекулу можно вращать вокруг связи, на которой он сидит. В молекуле дихлорметана вращательная симметрия исчезает. Два атома водорода (которые можно поменять местами) торчат там направо и налево от плоскости, задаваемой двумя атомами хлора (которые тоже можно поменять местами, и от этого ничего не изменится). И наконец, в молекуле фторхлорметана атомы, задающие плоскость, тоже разные. Единственный элемент симметрии, остающийся в этой молекуле, — одинаковые атомы водорода, которые все еще можно свободно поменять местами, оставив всю молекулу на месте. Никакие другие операции симметрии для фторхлорметана недоступны.

Итак, мы видим, что в ряду метан — хлорметан — дихлорметан — фторхлорметан мощность симметрии последовательно уменьшается.

И тут возникает вполне естественный вопрос: а можно ли придумать такую органическую молекулу, в которой никаких элементов симметрии не будет совсем? Нарисовав несколько произвольных формул на листе бумаги, любой желающий убедится, что это не так-то просто. Однако все же можно.

Посмотрим на ситуацию заново. Мы знаем, что валентность углерода равна четырем. Это означает, что к атому углерода можно присоединить ковалентными связями четыре радикала, как одинаковых, так и разных. Ведь что мы, по сути, только что видели? Для начала — молекулу, в которой с углеродом соединены четыре одинаковых радикала (AAAA). В другой молекуле было три радикала одного типа и один — другого (AAAB). В третьей — два радикала одного типа и два другого типа (AABB). И наконец, в четвертой молекуле было два одинаковых радикала и два разных (AABC). Можно убедиться, что во всех четырех структурах есть те или иные элементы симметрии. Там есть радикалы, которые можно свободно поменять местами, и молекула останется во всех смыслах той же самой.

Дело меняется, если присоединить к атому углерода четыре разных радикала (ABCD). Реальный пример такого соединения — бромфторхлорметан (CHFClBr). Вот тут получится молекула, лишенная элементов симметрии полностью. В ней нет радикалов, которые можно было бы поменять местами, оставив молекулу той же самой. Иными словами, ни одной операции симметрии для этой молекулы не существует. Такая структура называется диссимметричной (см. рис. 4.1Б).

 

Хиральность

Явление диссимметрии молекул открыл Луи Пастер, великий французский химик и биолог. По Пастеру, диссимметричной называется такая фигура, которая не может быть совмещена со своим зеркальным отображением. Например, никакими поворотами нельзя совместить правую и левую руку. (Чтобы совсем наглядно убедиться в этом, можно покрутить во все стороны правую и левую перчатки и попытаться наложить их друг на друга.) Какую из двух зеркально-симметричных форм называть правой, а какую левой, в общем случае абсолютно безразлично, это можно выбрать хоть случайно.

Само свойство, наличествующее у объекта зеркально-симметричных модификаций, знаменитый английский физик Уильям Томсон, барон Кельвин, назвал хиральностью. Слово это происходит от греческого χειρ — “рука”. Таким образом, “хиральность” буквально значит “рукость”. Смысл термина простой: зеркально-симметричные формы хирального объекта нельзя совместить так же, как правую и левую руку.

Итак, мы фактически только что показали, что любая диссимметричная фигура по определению обладает хиральностью. Причем с точки зрения своей физической природы эта фигура может быть чем угодно, от галактики до молекулы. Прямо сейчас нам интересны именно молекулы, и в первую очередь органические. А тут действует простое общее правило. Органическая молекула обладает хиральностью, если в ней есть хотя бы один атом углерода, с которым связаны четыре разных радикала (любых). Такой атом углерода принято называть асимметрическим атомом.

Если среди четырех радикалов, присоединенных к атому углерода, есть хотя бы два одинаковых, значит, этот атом уж точно не асимметрический. Например, ни в метане, ни в хлорметане, ни в дихлорметане, ни во фторхлорметане атом углерода асимметрическим не является. И соответственно, никакой хиральности там нет. Иное дело — бромфторхлорметан, где углерод имеет четыре разных радикала: атом водорода (H), атом фтора (F), атом хлора (Cl) и атом брома (Br). Поэтому бромфторхлорметан обладает хиральностью. Эта молекула существует в двух зеркально-симметричных формах, которые никакими поворотами не могут быть сведены одна к другой, хотя набор как атомов, так и связей между ними там совершенно одинаков.

Само собой разумеется, что эти формы будут изомерами. Мы знаем (см. главу 1), что изомеры — это молекулы, состоящие из одного и того же числа одних и тех же атомов, но отличающиеся расположением этих атомов. Как правило, это видно на графической формуле. Но бывают особые изомеры, в которых весь набор химических связей удивительным образом совпадает. Различить их можно, только представив молекулу в объеме. Изомерия, основанная исключительно на пространственной ориентации частей молекул, называется стереоизомерией.

Любая молекула, обладающая хиральностью, тем самым обладает и стереоизомерией. Асимметрический атом всегда создает два стереоизомера — “правый” и “левый”. Мы уже знаем, что асимметрическим называется атом углерода, с которым ковалентно соединены четыре любых разных радикала. Сейчас на всякий случай добавим, что понимать это надо сугубо буквально: “любые радикалы” здесь означает действительно абсолютно любые, будь это атом водорода или длинная тяжелая цепь размером с белковую молекулу. Асимметрическому атому “все равно”, с его точки зрения они равноценны.

 

Стереоизомеры и жизнь

Рассмотрим такое соединение, как знакомый нам из главы 1 аланин. Его формула следующая: CH3–CH(NH2)–COOH. Теперь мы можем убедиться, что эта формула относится сразу к двум зеркальным модификациям, которые на самом деле различны, хотя отличить их по простой графической формуле невозможно. Дело в том, что в аланине есть асимметрический атом углерода. Это альфа-атом (см. главу 3), ковалентно связанный с четырьмя разными радикалами — в данном случае с атомом водорода и тремя группами: аминогруппой, карбоксильной и метильной.

Итак, у аланина есть хиральность, а значит, он может существовать в виде двух стереоизомеров. Это относится и ко многим другим биологически активным веществам. Как правило, стереоизомеры не отличаются друг от друга по “обычным” химическим свойствам, но совершенно по-разному взаимодействуют с активными центрами ферментов. Если фермент рассчитан на “правый” стереоизомер, то “левый” стереоизомер не будет взаимодействовать с ним вовсе, и наоборот. Понять это нетрудно, если вспомнить, что самое простое и наглядное представление о работе фермента называется “моделью ключа и замка” (см. главу 3). Ключ, отлитый в зеркально-симметричном исполнении, вряд ли войдет в замок и уж тем более вряд ли поможет его открыть. Вот именно такая ситуация и возникнет, если активный центр фермента соединится не с тем стереоизомером.

Неудивительно, что стереоизомеры одного и того же вещества, как правило, резко различаются по биологической активности. Одна форма аланина (“левая”) входит в состав белков, другая (“правая”) — никогда.

То же самое можно сказать и о других аминокислотах, из которых состоят белки. Как мы знаем, эти аминокислоты для краткости называют протеиногенными (см. главу 3). В любой протеиногенной аминокислоте есть альфа-атом углерода, к которому присоединены аминогруппа, карбоксильная группа, атом водорода и некая боковая цепочка. Этот атом — асимметрический. А значит, такая аминокислота имеет два зеркальных изомера. И в состав белков всегда входит только один из них — “левый”. Единственное исключение — глицин, боковая цепочка которого представляет собой просто атом водорода. У него стереоизомерии нет.

Стереоизомерия, влияющая на биологическую активность, есть не только у аминокислот. Например, если взять тот же аланин и заменить в нем аминогруппу на гидроксильную группу, получится молочная кислота (CH3–CH(OH)–COOH). У молочной кислоты тоже есть “правый” и “левый” стереоизомеры, которые участвуют в биохимических процессах по-разному.

 

Этот правый, левый мир

В биохимии принято приписывать стереоизомерам “правизну” или “левизну” по их отношению к свету. Именно поэтому стереоизомерию часто называют оптической изомерией (это не строгие синонимы, но в тех случаях, которые нас сейчас интересуют, разницы между ними нет). Чтобы понять, в чем тут дело, нам потребуется буквально щепотка знаний из физики.

Что такое свет? В XVII веке великий голландский физик Христиан Гюйгенс первым догадался: свет — это волна. Тут он был совершенно прав. Правда, в современной физике свет рассматривается и как поток частиц, но на описание интересующих нас сейчас процессов это не влияет. Итак, свет — это волна. Волны бывают продольными или поперечными, и Гюйгенс решил, что световые волны относятся к продольным. Грубо говоря, продольная волна — это последовательность сжатий и разрежений, чередующихся вдоль той оси, по которой волна идет. Так устроены, например, звуковые волны. Для Гюйгенса было вполне естественно предположить, что световая волна подобна звуковой.

Однако волновая теория Гюйгенса объясняла далеко не все световые явления. Настоящую революцию в оптике совершил французский физик Огюстен Жан Френель, сделавший одну очень важную поправку к теории Гюйгенса: свет — не продольная волна, а поперечная. В отличие от продольной волны, в поперечной волне колебания идут перпендикулярно линии ее распространения. Такова, например, самая обычная волна на поверхности воды, состоящая из бегущих гребней и впадин. В световой волне колебания устроены так же, с той разницей, что они не механические, а электромагнитные (Френель этого не знал, но созданная им теория световых волн все равно оказалась верной).

Теперь сделаем следующий шаг. В механической волне, на поверхности воды, колебания идут только в одной плоскости: вверх-вниз. Но для поперечных волн в целом это не более чем частный случай. Представим, например, что мы привязали длинную веревку к гвоздю в стене и дергаем ее за свободный кончик, заставляя колебаться. Эти колебания будут типичными поперечными волнами. В зависимости от того, как именно мы в данный момент дергаем, веревка может колебаться и вверх-вниз, и вправо-влево, и наискосок. Плоскостей колебаний будет много. Так вот, обычный свет (например, свет Солнца или свет настольной лампы) устроен в этом отношении точно так же.

Итак, свет — это поперечная волна, где электромагнитные колебания обычно происходят сразу во многих плоскостях. Общего у этих плоскостей только то, что все они “нанизаны” на луч, по которому волна распространяется. Однако бывает и свет с колебаниями только в одной плоскости — он называется поляризованным. Такой свет можно получить, например, если пропустить обычный солнечный луч сквозь особый кристалл-поляризатор (см. рис. 4.2А). Человеческий глаз не отличает поляризованный свет от обычного, но приборы отличают (как и глаза многих животных, от пчел до осьминогов и птиц). Плоскость поляризации данного луча света остается постоянной, если только он не встретится с какими-нибудь оптическими преградами.

Теперь у нас хватает понятий, чтобы высказать ключевое утверждение. Кристаллы и растворы некоторых химических соединений обладают способностью поворачивать плоскость поляризации пропущенного сквозь них света на строго определенный в каждом случае угол (см. рис. 4.2Б). Это свойство называется оптической активностью. Как правило, оптически активными являются те вещества, у которых есть хиральность. Если у хирального соединения два стереоизомера, то их кристаллы или растворы поворачивают плоскость поляризации света на один и тот же угол, но в разные стороны. Изомер, который поворачивает плоскость поляризации по часовой стрелке, принято называть правовращающим, а против часовой — левовращающим, при этом “по часовой” или “против” определяется исходя из того, что луч света направлен воображаемому наблюдателю в лицо.

Для краткости правовращающие изомеры обозначают буквой D (от лат. dexter, “правый”), а левовращающие — буквой L (от лат. laevus, “левый”). Например, два стереоизомера аланина кратко называются D-аланином и L-аланином. Все без исключения белки состоят только из L-изомеров аминокислот. Нарушить это правило невозможно: ферменты, синтезирующие белки, несовместимы с D-аминокислотами и не могут их захватывать. Таким образом, все белки на Земле обладают полной хиральной чистотой. Вот это — по-настоящему важный факт, о котором неплохо бы поговорить подробнее.

 

Загадка левого вращения

Хиральная чистота, она же гомохиральность, — одна из главных особенностей, отличающих живые системы от неживых. Это касается не только аминокислот, но и других биологически активных соединений, у которых есть стереоизомерия (а есть она у многих). В подавляющем большинстве “обычных” химических реакций D- и L-изомеры синтезируются поровну, и разделить их потом трудно. Но в живых телах любая важная группа веществ, как правило, представлена или только L-формами, или только D-формами. Как они там разделяются, в целом понятно — с помощью ферментов, каждый из которых распознает или L-, или D-форму своего субстрата и работает только с ней. В неживых системах механизмов такого разделения или нет вовсе, или они гораздо менее эффективны.

Хиральная чистота живых организмов — широко известное явление. Доходит уже и до того, что она становится темой псевдонаучных спекуляций. Вспомним пример с глутаматом — аминокислотой, которая используется как пищевая добавка и которую часто без серьезных оснований объявляют вредной для здоровья (см. главу 3). Миф об этом вреде частично основан на утверждении, что природный и синтетический глутамат — это разные стереоизомеры, один полезный, а другой опасный. Сейчас у нас вполне достаточно знаний, чтобы понять, почему это глупость.

Глутамат нужен нашему организму для двух целей. Во-первых, он входит в состав белков. Во-вторых, в растворенном виде он действует на определенные белки-рецепторы, расположенные на нервных клетках мозга или на чувствительных клетках языка. Это мы уже знаем. Кроме того, мы теперь знаем, что глутамат, будучи протеиногенной аминокислотой, имеет два изомера: L-глутамат и D-глутамат. Так вот, со всеми нашими ферментами и рецепторами взаимодействует только L-глутамат. Это логично, поскольку и активные центры ферментов, и устроенные по тому же самому принципу активные центры белков-рецепторов всегда приспособлены только к одной из возможных стереоизомерных форм, в данном случае к L-форме. Что касается D-глутамата, то он ни в каких биохимических процессах толком не участвует. Можно хоть залить организм его раствором — он не подействует ни на что. Других же стереоизомеров у глутамата нет.

Разумеется, ни один пищевой химик не будет добавлять в еду бесполезный и безвкусный D-глутамат. Его и синтезировать никто не станет — незачем. Весь глутамат, используемый в пищевой промышленности, — это L-изомер, идентичный “естественному” глутамату, которого в организме и так полно. Химикам, занимавшимся синтезом глутамата, пришлось изобретать сложные процедуры, чтобы получить побольше нужного L-глутамата и поменьше ненужного D-глутамата, а потом выделить первое, отбросив второе (и с этими задачами они отлично справились). Впрочем, сейчас пищевой глутамат получают микробиологическим методом — с помощью бактерий, ферменты которых изначально приспособлены к производству L-глутамата и ничего другого выдать просто не могут.

И наконец, даже если бы D-глутамат попал в еду, он был бы там бесполезен (потому что у него нет вкуса) и почти наверняка безвреден. D-аминокислоты не ядовиты, они просто лишены пищевой ценности. Показано, что довольно много D-аминокислот — разумеется, небелковых — содержится, например, в молоке и сыре, и никакого вреда здоровью человека это не наносит.

Однако вернемся к делу. Сама по себе хиральная чистота белков легко объяснима. Мы уже знаем, насколько сильно функции белка зависят от правильного трехмерного сворачивания его аминокислотной цепочки (см. главу 3). Если синтезировать белок, используя D- и L-аминокислоты вперемешку, его пространственная укладка тут же станет непредсказуемой. Например, фермент, состоящий из случайно чередующихся D- и L-аминокислот, будет совершенно неработоспособным. Тут уж надо выбрать или только D-, или только L-изомеры — тогда объемная структура молекулы с гарантией выстроится однозначно.

Но вот почему эволюция выбрала именно L-аминокислоты?

Есть версия, что это чистая и беспримесная случайность. Первой на свете живой клетке почему-то достались L-аминокислоты, а дальше было проще так и оставить, чем перестраивать реакционные механизмы под другой стереоизомер. В какой-то мере оно наверняка так и было. В современном живом организме с аминокислотами имеют дело сотни ферментов, приспособленных к L-изомерам, и только к ним. Поменять все эти ферменты на приспособленные к D-изомерам было бы очень тяжелой задачей. Но если бы в самом начале пути первая живая клетка (а вернее — доклеточная система) почему-то попала в среду, обогащенную D-аминокислотами, сейчас все могло бы быть наоборот.

На этой идее можно и остановиться, если считать, что преобладание L-аминокислот в том месте, где зарождалась жизнь, было абсолютно случайным колебанием. Флюктуацией, как сказали бы герои Стругацких. Но что, если оно все же имело какую-то более серьезную причину? Тогда поиск объяснений надо продолжать.

Есть предположение, что во время возникновения жизни Солнечная система оказалась в зоне космоса, насыщенной ультрафиолетовым светом, который был поляризован под таким углом, что разрушал “правые” аминокислоты сильнее, чем “левые”. С точки зрения законов физики такое возможно. Но беда в том, что это объяснение на данный момент непроверяемо. В самом деле, как узнать, какова была обстановка в окрестностях Солнца четыре миллиарда лет назад да еще и в таких деталях?

Подойдем к проблеме с другой стороны. Можем ли мы выяснить, какие аминокислоты преобладали в Солнечной системе накануне возникновения жизни: D-аминокислоты, L-аминокислоты или их было строго поровну? Да, в принципе можем. На это есть метеориты. Установлено, что в углистых метеоритах, которые никогда не входили в состав планет и не были прибежищем жизни, содержится несколько больше L-аминокислот, чем D-аминокислот. Преобладание L-изомеров аминокислот в окружающем нас ближайшем космосе хоть и не подавляющее, но вполне достоверное. И жизнь тут ни при чем: там, где синтезировались метеоритные аминокислоты, ее попросту никогда не было. А вот на роль начального условия, подтолкнувшего первые живые клетки к выбору L-аминокислот, обнаруженная в космосе хиральная асимметрия подходит превосходно.

Остается понять, чем же все-таки эта хиральная асимметрия была изначально вызвана. Может быть, действием поляризованного света от межзвездных туманностей, почему бы нет? Но может быть, и чем-то еще.

Есть, например, гипотеза, что в хиральной асимметрии “виновато” бета-излучение — разновидность электромагнитного излучения, представляющая собой, по сути, просто поток электронов. Физика элементарных частиц сообщает нам следующее: любой электрон, замедляясь при взаимодействии со средой, сам испускает электромагнитные волны, причем поляризованные таким образом, что они должны разрушать любые правовращающие хиральные молекулы сильнее, чем левовращающие. Связано это с тем, что у электрона есть некоторая внутренняя асимметрия. А самое главное, что это подтверждено экспериментально. Показано, что если бомбардировать бета-излучением (то есть электронами) раствор аминокислоты, содержащий D- и L-изомеры в равной концентрации, то D-форма будет разрушаться быстрее. А в космосе бета-излучение присутствует постоянно, так что дело может быть и в нем.

Ну а тем, кого не устраивает ни одна версия, можно посоветовать почитать книгу Станислава Лема “Звездные дневники Ийона Тихого”. Ее персонажи заявляют, что гомохиральность — это результат хулиганства инопланетных путешественников:

“Верно ли, что Оспод и Погг, не ограничиваясь обычным загрязнением беззащитной, пустынной планеты, решили, по пьяному делу, учинить на ней самым бесстыдным и возмутительным образом биологическую эволюцию, какой еще свет не видывал? Верно ли, что эти безобразники, лишенные всякого чувства приличия и нравственных тормозов, вылили на скалы безжизненной Земли шесть бочек заплесневелого желатинового клея и два ведра испорченной альбуминовой пасты, подсыпали туда забродившей рыбозы, пентозы и левуллозы и, словно им мало было всех этих гадостей, добавили три больших бидона с раствором прокисших аминокислот, а получившееся месиво взболтали угольной лопатой, скособоченной влево, и кочергой, скрученной в ту же сторону, в результате чего белки всех будущих земных существ стали ЛЕВОвращающими?!” [38]

 

Ползи, ползи, улитка

Весь наш разговор о правизне и левизне держится на одном-единственном ключевом понятии. Это понятие — “диссимметрия”. Из диссимметрии сразу же вытекает хиральность, а из хиральности — во-первых, стереоизомерия и, во-вторых, оптическая активность. Все это — свойства молекул.

Но понятие диссимметрии относится не только к молекулам. Как симметрия, так и диссимметрия бывают у каких угодно объектов. Больше 100 лет назад французский физик-теоретик Пьер Кюри расширил понятие диссимметрии, определив ее как совокупность отсутствующих элементов некоторой наличной симметрии. Между прочим, это должно означать, что “диссимметрия” и “асимметрия” — в общем случае далеко не одно и то же. Асимметрия — это простое отсутствие симметрии (первичное), а диссимметрия — это выпадение части элементов когда-то существовавшей симметрии (вторичное). “Отсутствие некоторых элементов симметрии — та диссимметрия, которая творит явление”, — говорил Кюри.

Пояснить эту мысль можно вот какой аналогией. Если представить себе беспорядочно написанный текст, в котором нет ритма и рифмы, это и будет беспорядочный текст, и ничего больше. Отсутствие рифмы тут никакого смысла не несет. Но вот если мы увидим совершенно правильно рифмованное стихотворение, в котором вдруг попадутся две строчки, написанные верлибром, то есть нерифмованным стихом, сразу станет ясно, что это не случайность, а так называемый “минус-прием”, которым автор хотел нам что-то сказать. Вот и элементы диссимметрии обычно бывают важны (по крайней мере, с нашей точки зрения) для характеристики тех явлений, в которых они проявляются.

История Вселенной знала множество событий диссимметризации, когда в некоторой системе часть элементов симметрии исчезала. И что интересно — эти события чаще вели к усложнению систем, чем к их упрощению.

Первым известным событием диссимметризации был начавшийся в первые же мгновения после Большого взрыва сдвиг соотношения количества вещества и антивещества. Считается, что изначально их было поровну. Если вещество состоит из протонов, электронов и нейтронов, то антивещество — из антипротонов, позитронов и антинейтронов (вместе их называют античастицами). Самое же главное, что при контакте вещества с антивеществом происходит разрушительная аннигиляция: и частицы, и античастицы превращаются в электромагнитные лучи. В наблюдаемой части Вселенной антивещества почти нет. Только поэтому там и успевают возникнуть структуры, состоящие из атомов и молекул. Если бы вещества всегда было ровно столько же, сколько антивещества, Вселенная была бы наполнена светом, но никакие сложные устойчивые объекты в ней существовать не смогли бы.

Возникновение хиральной чистоты живых тел — не что иное, как еще одно яркое событие диссимметризации. Это стало понятно в XIX веке, после открытий Луи Пастера, и порождало иной раз самые удивительные мысли. Например, академик Владимир Иванович Вернадский (безусловно, один из умнейших русских ученых своего времени) считал, что факт хиральной чистоты означает не более и не менее как невозможность происхождения живой природы из неживой. “Левозакрученность” белков он считал признаком того, что с живыми системами связана некоторая совершенно особая разновидность материи, а может быть, даже и физики пространства (что бы это ни значило). Вернадский, например, всерьез допускал, что геометрия неживой природы — евклидова, а живой — риманова. Логическим выводом отсюда было признание вечности жизни: раз живые тела не могут возникнуть из неживых, потому что это два качественно разных типа материи, значит, жизнь была во Вселенной всегда и вопрос о ее происхождении лишен смысла. Сейчас все эти рассуждения, как принято в таких случаях вежливо говорить, “представляют исключительно исторический интерес”. Современные биохимические исследования очень наглядно показывают, что никакой непреодолимой пропасти между живыми и неживыми системами нет. Более того, биохимики достаточно убедительно объясняют, как и почему хиральная чистота жизни скорее всего возникла. Сейчас мы можем быть уверены, что загадку происхождения жизни решит не сомнительная философия, а обыкновенная химия.

События диссимметризации случались и на других эволюционных уровнях. Есть, например, довольно много животных, в строении тела которых симметрия так или иначе сменилась в процессе эволюции на диссимметрию. Диссимметричными (хотя бы по внутренней анатомии) являются все без исключения брюхоногие моллюски, то есть улитки, причем в ходе их эволюции диссимметрия еще и постепенно нарастала. Раковины многих улиток обладают самой настоящей хиральностью, то есть существуют в двух зеркально-симметричных формах — право- и левозакрученной.

У человека почти нет внешней диссимметрии, но есть довольно сильная диссимметрия внутренних органов. Скажем, сердце у него обычно смещено влево, желудок тоже направлен изгибом влево, а вот печень и желчный пузырь находятся справа. Причем существует врожденное нарушение развития под названием situs inversus, когда все эти органы располагаются зеркально-симметричным образом. Если инверсия полная и коснулась действительно всех органов без исключения, то никаких проблем для здоровья она не создает. В этом смысле situs inversus — просто вариант нормы.

Наконец, эволюционно молодой пример события диссимметризации — это появление в головном мозге человека специализированных центров речи. Они называются зоной Брока и зоной Вернике. У подавляющего большинства людей эти центры находятся только в левом полушарии, но у некоторых, наоборот, только в правом (такие люди обычно левши). Первым обладателем этих центров — и, соответственно, нового типа диссимметрии мозга — по всей видимости, был человек умелый (Homo habilis), появившийся в Восточной Африке больше двух миллионов лет назад.

Английский философ XIX века Герберт Спенсер считал, что в ходе прогрессивной эволюции мощность симметрии живых объектов, как правило, понижается. Строго говоря, это ниоткуда не следует. Например, нет ни малейших оснований считать, что садовая улитка, обладатель ярко выраженной анатомической диссимметрии, хоть в каком-нибудь смысле эволюционно прогрессивнее дождевого червя, в теле которого никакой существенной диссимметрии нет (по крайней мере, во взрослом состоянии). С таким же успехом можно было бы сказать, что какой-нибудь фторхлорметан эволюционно прогрессивнее дихлорметана (вспомним начало этой главы). Очевидно, что такое утверждение было бы даже не ошибочным, а просто бессмысленным. Но вот что события диссимметризации часто бывают знаками серьезных эволюционных перемен — это точно.

Впрочем, доводить до абсолюта этот вывод не стоит. (В биологии вообще лучше ничего никогда не доводить до абсолюта.) При желании можно найти сколько угодно случаев, где спенсеровская логика не работает уж вовсе никак. Например, у большинства змей сохранилось только правое легкое, у птиц — только левый яичник, а у нарвала только левый верхний зуб превращается в спиральный бивень, правый же отсутствует. Все это явные примеры диссимметрии, вторично возникшей из симметричного состояния. Но никаких переходов на качественно новый уровень в этих случаях не произошло. Перечисленные существа ни в каком отношении не “выше” и не сложнее своих ближайших родственников: они просто узко специализированы, не более. Это абсолютно нормально для живых существ и нисколько не мешает им украшать собой мир.

 

Липиды — удивительно разнообразная группа молекул. Они бывают и структурными “кирпичиками”, из которых строятся компоненты клеток, и питательными веществами, и гормонами. В общем, без знакомства с липидами невозможно разобраться в устройстве жизни — по крайней мере, жизни на Земле.

Но тут нас подстерегает затруднение. В отличие, например, от белков или углеводов, липиды не имеют никакой общей формулы. Их определяющее свойство — нерастворимость в воде, то есть гидрофобность (см. главу 2). Липиды — это сборное понятие, объединяющее все гидрофобные биологически активные вещества.

Напомним, что “гидрофобные” фактически значит “неполярные”, то есть включающие много углерода и водорода, но мало кислорода. В таких молекулах преобладают ковалентные неполярные связи, не создающие никаких локальных маленьких электрических зарядов. Поэтому они плохо взаимодействуют с водой, в молекулах которой связи как раз полярны и локальные маленькие заряды есть.

С химической точки зрения липиды бывают очень различны. Например, они вполне могут быть спиртами. Существует спирт, у которого единственная гидроксильная группа присоединена к огромному углеводородному радикалу с несколькими замкнутыми циклами (тремя шестичленными и одним пятичленным) и дополнительной длинной ветвящейся цепочкой. Этот спирт называется холестерином (см. рис. 5.1). Иногда холестерин переименовывают в холестерол — это синонимы. Холестерин очень гидрофобен, он не растворяется в воде и поэтому считается липидом.

Как и многие другие липиды, холестерин — важное питательное вещество. Из-за того, что он нерастворим в воде, он не может переноситься кровью в чистом виде (как, например, глюкоза), а переносится только при помощи специальных белков, образующих с ним комплекс.

Основу молекулы холестерина образует уже упоминавшееся ядро из четырех углеродных колец (трех шестиугольников и одного пятиугольника), которое в случае, если убрать из него двойную связь, будет называться великолепным словом “циклопентанпергидрофенантрен”. Производные циклопентанпергидрофенантрена называются стероидами. Это очень важная группа липидов. К стероидам относятся, например, половые гормоны и гормоны коры надпочечников. Довольно часто стероиды используются и как лекарства (каждый, кто смотрел сериал “Доктор Хаус”, это знает). В организме человека все стероиды синтезируются из холестерина — это одна из причин, почему он нужен нам как питательное вещество.

Другая важная группа липидов — жирные кислоты, то есть карбоновые кислоты с длинными (10–20 атомов углерода и больше) углеводородными “хвостами” (см. рис. 5.1). Чем длиннее “хвост”, тем хуже кислота растворяется в воде. Жирные кислоты, у которых в цепочке больше 12 атомов углерода, принято называть высшими.

Жирные кислоты бывают насыщенными (без двойных связей в углеводородной цепочке) или ненасыщенными (с двойными связями). У насыщенных жирных кислот “хвосты” прямые, а у ненасыщенных — изогнутые в местах двойных связей. Из-за этого молекула может приобрести причудливую форму, особенно если двойных связей в ней несколько. Насыщенные высшие жирные кислоты при комнатной температуре — твердые вещества, а ненасыщенные — жидкости. Связано это с тем, что молекулы кислот с насыщенными “хвостами”, в которых нет создаваемых двойными связями изломов и изгибов, способны к более компактной упаковке. Особенно много ненасыщенных жирных кислот (и их производных) во всяких растительных маслах. Именно из-за этого, например, подсолнечное масло при комнатной температуре жидкое, в то время как сливочное — твердое.

Жирные кислоты играют важную физиологическую роль, которая иногда проявляет себя трагически. Например, одна из самых страшных болезней, разрушающих нервную систему, — адренолейкодистрофия — связана именно с нарушением обмена жирных кислот. Дело в том, что жирные кислоты активно используются при синтезе миелина — довольно сложного по составу вещества, образующего оболочку отростков нервных клеток. Строго говоря, миелин — это вообще не единое вещество, а смесь множества разных липидов. А миелиновая оболочка отростков нейронов необходима для нормального проведения по ним нервных импульсов (в физиологические детали этого мы сейчас вдаваться не будем). Так вот, в состав миелина входят жирные кислоты с углеводородными цепями, включающими по 16–20 атомов углерода — это по любым меркам довольно много. Но при адренолейкодистрофии в организме накапливается огромное количество так называемых очень длинноцепочечных жирных кислот (ОДЦЖК), имеющих углеводородную цепь длиной в 24–30 атомов. Вот это уже катастрофа. Очень длинноцепочечные жирные кислоты разрушают миелин, вместо того чтобы нормально в него встраиваться. Результат — расстройство буквально всех функций нервной системы, включая и движения, и чувствительность, и память, и рассудок. Обычно это приводит к смерти в течение нескольких лет. Адренолейкодистрофия — генетическая болезнь. Ее непосредственная причина — выход из строя одного определенного транспортного белка, в норме переносящего ОДЦЖК в те части клеток, где они должны расщепляться. Лечить такое медицина пока что не умеет, хотя можно надеяться, что со временем научится, особенно если о наличии у зачатого младенца гена адренолейкодистрофии будет известно заранее (а это вполне можно обеспечить).

Но вернемся к липидам. Есть липиды, которые являются с точки зрения химии сложными эфирами, то есть продуктами соединения карбоновой кислоты и спирта с общей формулой R1–CO–O–R2 (см. главу 1). Сложный эфир — это уже и не кислота, и не спирт, их свойства в нем взаимно уничтожаются. Сложный эфир, образованный спиртом и кислотой с длинными углеводородными цепями, называется воском. В молекулах восков так много атомов углерода и водорода и так мало атомов кислорода, что в итоге они очень похожи по свойствам на обычные углеводороды. К этой группе веществ относится, например, пчелиный воск, из которого пчелы делают соты.

Кроме того, воск (иной по составу, чем пчелиный) образует основу спермацета — жидкого вещества, находящегося в особом мешке в голове кашалота. Именно из-за спермацетового мешка голова кашалота выглядит прямоугольной, а не вытянутой, как у дельфина, хотя форма черепа у них очень похожая. По современным данным, спермацетовый мешок служит линзой для звуковых волн, с помощью которых кашалот ориентируется в пространстве; особенно это важно на большой глубине, где от зрения толку немного. Каждый, кто читал великий роман “Моби Дик”, знает, что раньше на кашалотов активно охотились ради спермацета, из которого делали ламповое масло, кремы, свечи и некоторые лекарства (например, противоожоговые мази). Сейчас добыча кашалотов, к счастью, запрещена.

Кроме стероидов, жирных кислот и восков есть еще по меньшей мере два типа липидов, без которых в биологии никак не обойтись. Это — жиры и фосфолипиды. С ними мы познакомимся чуть позже.

 

Детергенты

Жирные кислоты, а вернее их соли, с древних времен используются человеком в качестве моющих средств. Посмотрим, почему это так удобно.

Вот, например, стеариновая кислота: вещество с формулой CH3–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–CH2––CH2–CH2–CH2–CH2–CH2–COOH, или попросту C17H35COOH. (Последний вариант, конечно, компактнее, но трудно отказать себе в удовольствии хоть раз написать эту формулу в развернутом виде.) Если заменить в этой кислоте атом водорода на атом натрия, получится соль — стеарат натрия C17H35COONa (см. рис. 5.1). В растворе такая соль легко диссоциирует, распадаясь на катион Na+ и анион C17H35COO–, который называется стеарат-ионом.

Как ведет себя стеарат-ион в воде? Его заряженная “головка” (–COO–) взаимодействует с водой отлично, а вот образующий большую часть молекулы углеводородный “хвост” — совсем никак. Этот “хвост” — воплощение гидрофобности, и он слишком длинный, чтобы заряженная “головка” могла затянуть его за собой в раствор целиком. Поэтому, если поблизости есть поверхность жидкости, то стеарат-ионы выстроятся по ней так, чтобы “головки” были направлены в воду, а “хвосты” — наружу, в сторону поверхностной пленки. Такое поведение молекул называется поверхностной активностью.

Иное дело, если на пути стеарат-ионов окажется капля какого-нибудь гидрофобного вещества — например, масла или жира. В этом случае стеарат-ионы выстроятся точно по поверхности, разделяющей воду и жир. Их “головки” будут обращены в воду, а “хвосты” погружены в жир. В результате капля жира будет разбита этими “хвостами” на мелкие капельки, которые по отдельности легко смоются водой. Вот почему стеарат-ионы и близкие к ним молекулы хороши в качестве моющих средств. Собственно говоря, именно так они и используются людьми последние несколько тысяч лет. Стеарат натрия — это не что иное, как обычное мыло.

Поверхностно-активные вещества, такие как мыло, часто называют детергентами (от латинского глагола detergere, одно из значений которого — “стирать”). Детергент — это вещество, в молекуле которого один конец растворим в воде, а другой — в липидах или углеводородах. Детергенты бывают анионными (с отрицательно заряженной “головкой”), катионными (с положительно заряженной “головкой”) или неионными (у которых “головка” полярна, но не заряжена). Но в любом случае молекула детергента обязательно включает гидрофильную “головку” и гидрофобный “хвост”. Мыло — это, как уже понятно из описания, типичный анионный детергент.

Великий химик Клод Луи Бертолле говорил, что “грязь — это вещество не на своем месте”. Тут можно уточнить: грязь — это, как правило, гидрофобное вещество не на своем месте. Оно и понятно: гидрофильные вещества вроде сахара без проблем смываются водой, так что никакие дополнительные вещества для их удаления не нужны. А вот для удаления гидрофобных веществ людям, собственно, и пришлось придумать моющие средства.

Бывают и природные аналоги моющих средств. Например, желчные кислоты — полярные производные холестерина, которые вырабатываются у человека печенью и выделяются в двенадцатиперстную кишку. Это самые настоящие детергенты, необходимые в данном случае для того, чтобы разбивать поступающие с пищей капельки жира.

Еще одно красивое название, применимое к детергентам, — амфифильные вещества. Слово “амфифильный” можно буквально перевести как “двояколюбивый”. Оно как раз и обозначает молекулу, одна часть которой “любит” воду, а другая — нет. Это более общий термин, чем “детергент”, буквально означающий все-таки именно “моющее средство” (тем более что далеко не все амфифильные вещества подходят на эту роль).

Возвращаясь к началу этой главы, мы теперь можем уточнить, что липиды на самом деле довольно редко бывают полностью гидрофобными. Чаще они амфифильны. Многие их биологические свойства именно с этим и связаны.

 

Жиры

Теперь еще раз вспомним, что любая карбоновая кислота (в том числе и жирная) в принципе может образовать с любым спиртом сложный эфир. При этом от кислоты отщепится –OH, от спирта –H, они образуют воду, а остатки кислоты и спирта замкнутся в единую молекулу со сложноэфирной группой –CO–O– посредине (см. рис. 5.2). Спиртом, участвующим в этой реакции, вполне может оказаться и глицерин, у которого гидроксильных групп целых три (см. главу 1). Сложный эфир глицерина и трех жирных кислот называется жиром. Молекула жира имеет “головку” (остаток глицерина) и сразу три углеводородных “хвоста” (см. рис. 5.2).

На самом деле жиры стали известны людям гораздо раньше, чем их исходные компоненты. Например, желтый костный мозг, который наверняка извлекали древние люди из трубчатых костей крупных млекопитающих, — это в основном жир.

По опыту мы все знаем, что жир — это вещество животного или растительного происхождения, нерастворимое в воде, жирное на ощупь и оставляющее на бумаге характерные жирные пятна. Жиры, остающиеся при комнатной температуре жидкими, принято называть маслами.

Иногда в разговорах о химическом составе пищи понятие “липиды” для простоты заменяют понятием “жиры”. Теперь мы знаем, что это неточность. Жиры — и вправду ценные питательные вещества, но это далеко не единственные липиды, которые важны в этой роли. Например, холестерин — липид, но никакой не жир.

С участием насыщенных жирных кислот образуются насыщенные жиры, а с участием ненасыщенных кислот, соответственно, ненасыщенные. В растительных маслах гораздо больше ненасыщенных жиров, чем в животных. Хотя в целом и там и там есть и те и другие, отличается только их вклад.

Жиры — очень ценные источники энергии. Молекула жира может дать в два раза больше энергии, чем молекула углевода, имеющая такой же размер. Объясняется это вот чем. Процесс, путем которого мы получаем энергию из питательных веществ, — это, в сущности, окисление, то есть присоединение кислорода ко всем атомам водорода и углерода, до которых можно дотянуться. Все другие связи, образуемые этими атомами, при окислении разрываются, а его конечными продуктами становятся вода (H2O) и углекислота (CO2). Проблема в том, что в молекулах углеводов значительная часть атомов уже соединена с кислородом, так что окислять их дальше некуда (ну, или почти некуда). В молекулах жиров, где есть длинные жирнокислотные “хвосты”, таких атомов гораздо меньше. А потому и энергии из окисления жиров можно извлечь больше.

Кроме того, что жиры энергоемки, они еще и удобны для компактного хранения, поэтому животные (включая человека) часто используют их в качестве запасных веществ. Известно, что организм склонен реагировать на длительный стресс усилением отложения жира — это одна из причин так называемого стресс-индуцированного ожирения. Конечно, это эволюционно обусловленная реакция: с точки зрения нашего организма чем тяжелее и неопределеннее условия жизни, тем выше вероятность того, что запасные вещества в обозримом будущем пригодятся.

Мы уже знаем, что одним из конечных продуктов окисления питательных веществ является вода. Поэтому жировые отложения могут фактически служить запасом не только энергии, но и воды, которая все равно неизбежно выделяется при их переработке. Это особенно важно для пустынных животных вроде верблюдов. Горб верблюда содержит только жир, но при полном окислении этот жир (как и любой другой) превращается в углекислоту и воду. Углекислоту верблюд выдыхает, а воду оставляет в своем теле, чтобы добро не пропадало.

Некоторые тушканчики, тоже живущие в пустынях или полупустынях, запасают жир подобно верблюдам и в тех же целях, но не в горбе, а в хвосте. Они так и называются — толстохвостые тушканчики.

 

Фосфолипиды

А теперь познакомимся еще с одним важным для нас веществом — фосфорной кислотой, имеющей формулу H3PO4. Структура у нее довольно простая. Мы уже знаем, что валентность фосфора — 5 (см. главу 1). В фосфорной кислоте к атому фосфора присоединены четыре атома кислорода, один двойной связью, а все остальные одинарными. К этим последним присоединены атомы водорода. Когда фосфорная кислота находится в растворе, атомы водорода (вернее, протоны) могут отрываться, превращая фосфорную кислоту в анион. Здесь, как и раньше, надо иметь в виду, что “фосфорная кислота” и “фосфат” (то есть ее анион либо соль) в биохимии почти синонимы. В подавляющем большинстве случаев эти понятия свободно заменяются друг на друга. Очень часто название “фосфорная кислота” заменяют на “фосфат” просто для краткости.

Фосфорная кислота может участвовать в образовании сложных эфиров точно так же, как и карбоновые кислоты (см. рис. 5.2). Сложный эфир глицерина, двух жирных кислот и фосфорной кислоты называется фосфолипидом. Это — исключительно важный для биологии класс соединений. Можно сказать, что фосфолипид — это жир, у которого вместо одного из остатков жирных кислот тем же способом присоединен фосфат. Такая молекула состоит из гидрофильной “головки” (включающей остатки глицерина и фосфата) и двух гидрофобных “хвостов” (жирных кислот). При фосфате бывают еще добавочные боковые цепи, у разных фосфолипидов разные.

Два особенно широко распространенных фосфолипида — фосфатидилхолин и фосфатидилсерин. В фосфатидилхолине дополнительной боковой цепью при фосфате служит холин, небольшая азотсодержащая органическая молекула (см. рис. 5.2Г). А в фосфатидилсерине к фосфату присоединена аминокислота серин. В другие биохимические детали нам тут вдаваться не стоит, общие свойства фосфолипидов все равно гораздо важнее. А состоят они в том, что любой фосфолипид — это ярко выраженная амфифильная молекула, состоящая, если совсем уж попросту, из одной большой гидрофильной “головки” и двух длинных гидрофобных “хвостов”.

 

Знакомство с мембраной

Мы уже знаем, что никакие липиды не растворяются в воде. Что же будет, если их с водой все-таки принудительно смешать? Правильно: молекулы липидов начнут слипаться друг с другом своими гидрофобными частями, как бы защищая их от контакта с водой, и это называется гидрофобным взаимодействием. А гидрофильные части молекул будут, наоборот, втягиваться в воду, ориентируясь в сторону ее толщи. Это типичное поведение амфифильных веществ.

Будем для определенности называть гидрофильную часть любого липида “головкой”, а гидрофобную — “хвостом”. И мы увидим, что при смешивании с водой молекулы липидов могут группироваться тремя способами (см. рис. 5.3):

* мицелла — шарообразное скопление, где “хвосты” обращены внутрь, минимизируя контакт с водой, а “головки” — наружу. Ничего, кроме самих молекул липидов, мицелла не содержит. Мицеллы особенно легко образуются из молекул, где “головка” по диаметру превосходит “хвост”, то есть молекула имеет форму конуса. Таковы, например, молекулы жирных кислот;

* бислой , в котором два слоя аккуратно выстроенных молекул липидов обращены “хвостами” друг к другу, а “головками” к водной толще. В этом случае гидрофобные области обоих слоев взаимодействуют друг с другом, не касаясь воды. Бислой легче всего образуется, если ширина “головки” и “хвоста” молекулы (или всех ее “хвостов” вместе) одинакова, то есть молекула цилиндрическая. Именно так устроены молекулы фосфолипидов;

* везикула — пузырек, представляющий собой бислой, замкнувшийся в сферу. Такое замыкание происходит довольно легко, потому что края бислоя всегда неустойчивы — ведь гидрофобные “хвосты” там обнажаются. В везикуле же никаких свободных краев больше нет. Внутри везикулы находится полость, заполненная той же водой, что и снаружи.

Итак, жирные кислоты охотнее образуют мицеллы, а фосфолипиды — бислои, замыкающиеся в везикулы. Вот именно таким бислоем и является клеточная мембрана. Она состоит из двух слоев фосфолипидов, обращенных гидрофобными “хвостами” друг к другу. (На самом деле так устроена мембрана не абсолютно всех клеток, а только подавляющего большинства, но про исключения мы поговорим позже.) Как правило, клеточная мембрана не имеет никаких свободных краев, она полностью замкнута. То есть вся клеточная мембрана — это, в некотором смысле, одна сильно разросшаяся везикула.

Повторимся еще раз: типичная клеточная мембрана представляет собой фосфолипидный бислой. Это утверждение, которое могло бы показаться совершенно загадочным несколько страниц назад, сейчас нам уже понятно. И к нему можно добавить еще более очевидную мысль: там, где нет клеточной мембраны, нет вообще никакой клетки. Ведь говорить о клетке можно лишь тогда, когда есть четкая граница, отделяющая внутриклеточное пространство от внешней среды. Таким образом, история возникновения клеточных форм жизни — это в большой степени именно история возникновения липидных мембран.

 

Знакомство с мембраной (продолжение)

На самом деле биологические мембраны никогда не состоят из одних только фосфолипидов (см. рис. 5.4). Настоящая мембрана — это фосфолипидный бислой со встроенными в него многочисленными белками, которые называются интегральными. Многие (но не все) интегральные белки пронизывает клеточную мембрану насквозь, так что концы белка торчат из нее и внутрь, и наружу. Такие белки называются трансмембранными. Часть интегрального белка, погруженная глубоко в мембрану, всегда богата гидрофобными аминокислотами, такими как валин, лейцин, изолейцин и фенилаланин (см. главу 3). Радикалы этих аминокислот хорошо взаимодействуют с гидрофобными “хвостами” фосфолипидов. Именно благодаря этому интегральный белок и держится в мембране, в которую он вставлен. Очень часто интегральный белок бывает свернут таким образом, что его полипептидная цепочка пронизывает мембрану несколько раз подряд. Отрезками такого белка, непосредственно проходящими сквозь мембрану, чаще всего бывают альфа-спирали или бета-слои, почти целиком состоящие из гидрофобных аминокислот (о том, что такое альфа-спираль и бета-слой, см. опять же главу 3).

Интегральных белков очень много. Судя по современным молекулярно-биологическим данным, у большинства живых организмов от 20 до 30% всех белков — это интегральные мембранные белки. Неудивительно, что их функции разнообразны. Но чаще всего интегральные белки бывают или рецепторными (принимают сигналы из внешней среды и передают их внутрь клетки), или транспортными (переносят те или иные молекулы с одной стороны мембраны на другую). В типичной клетке человеческого тела есть, как правило, примерно 100 разных интегральных белков. Каких именно — во многом зависит от того, что это за клетка.

Очень важное свойство биологических мембран — избирательная проницаемость. Только очень немногие вещества могут проходить сквозь клеточную мембрану относительно свободно. Это или вода, молекулы которой совсем маленькие, или гидрофобные соединения вроде стероидных гормонов, которые легко “растворяются” в гидрофобном слое мембраны. Для всех остальных молекул требуются специальные переносчики. Например, молекулы углеводов — крупные и гидрофильные, поэтому самостоятельно пройти через мембрану они не могут. А поскольку клетке углеводы все-таки нужны, то существует целая группа трансмембранных белков, занимающихся их переносом. Особенно разнообразны транспортеры глюкозы — углевода, служащего у нас главным источником энергии (см. главу 6).

Более того, в конце XX века выяснилось, что специальные переносчики через мембрану есть даже для воды. Это интегральные белки, которые называются аквапоринами. Правда, перенос воды сквозь мембрану может идти и сам по себе, но аквапорины, во-первых, значительно облегчают его, а во-вторых, позволяют регулировать. Например, у человека есть не меньше 13 белков-аквапоринов, отличающихся друг от друга деталями функционирования. На такой важной задаче, как транспорт воды, эволюция не экономит.

Кроме интегральных белков есть еще и периферические, которые не пронизывают мембрану насквозь, а “прилипают” к ней только с одной стороны, нековалентно связываясь или с интегральными белками, или с головками фосфолипидов. Обычно периферические белки держатся или на ионных, или на водородных связях. Функции этих белков могут заключаться, например, в передаче сигнала от интегральных белков-рецепторов внутрь клетки. Неудивительно, что разных периферических белков довольно много.

С липидной частью мембран тоже не все так просто. Прежде всего, в нее входят не только фосфолипиды. Например, мембраны клеток животных содержат еще и холестерин, причем в довольно большом количестве. В растениях холестерина нет (поэтому встречающаяся на бутылках растительного масла надпись “без холестерина” — чистая правда), но в состав их мембран входят другие гидрофобные спирты, близкие к нему по структуре. Есть и еще несколько классов мембранных липидов, которые мы тут не обсуждаем, но которые тем не менее часто оказываются важными и для клеточной биологии, и даже для медицины.

Клеточная мембрана интересна тем, что для ее образования не нужно никаких ковалентных связей (которые в обычной химии как-никак главные). Она целиком держится на нековалентных взаимодействиях, в первую очередь, конечно, гидрофобных. Входящие в мембрану молекулы фосфолипидов, как правило, ничем не закреплены — они могут дрейфовать по своему слою, как в жидкости. Модель мембраны, учитывающая эти ее свойства, была в свое время достаточно красноречиво названа жидкостно-мозаичной. В живых системах вообще очень многое держится не на сильных связях (ковалентных), а на слабых (гидрофобных или водородных) — в следующих главах мы еще не раз это увидим.

 

Пенорожденная

Мы теперь знаем, что молекулу, в которой есть гидрофильная и гидрофобная части, для краткости называют амфифильной. При смешивании амфифильного вещества с водой оно может спонтанно собраться в мицеллы, а может и в везикулы (это зависит как от природы самого вещества, так и от физических условий). Если получаются везикулы — значит, молекулы в них выстроились в бислой, очень похожий на липидный бислой клеточных мембран. Можно экспериментально подобрать условия, в которых возникновение таких везикул ускорится. При этом искусственные везикулы могут “расти”, избирательно пропуская сквозь мембрану и удерживая в себе разные вещества, а могут и “делиться” наподобие клеток. Из-за того что липидные мембраны избирательно проницаемы, внутри везикул возникает среда, отличающаяся от окружающего раствора, в которой могут идти собственные химические реакции. В общем, получается, что простая самоорганизация смешанных с водой липидов внезапно дает свойства, привычные для живых систем: рост, размножение, обмен веществ, поддержание внутренней среды.

Из чего состояли первые мембраны? Вполне возможно, что поначалу их молекулярные компоненты были гораздо более простыми, чем фосфолипиды. В экспериментах химикам удавалось получать самые настоящие везикулы из смеси карбоновых кислот и сложных углеводородов, найденных в знаменитом Мурчисонском метеорите (см. о нем в главе 3). Древнейшие мембраны в принципе могли бы состоять, например, из жирных кислот. И действительно, заставить жирные кислоты с “хвостами” длиной примерно в 10 атомов углерода собраться в везикулы в искусственных условиях вполне можно. Тогда почему бы и не в природе? Правда, такие мембраны будут не слишком устойчивыми.

Подводя итог, тут можно сказать две вещи. С одной стороны, можно быть уверенным, что по части мембранной организации между живой и неживой природой нет никакого глубокого разрыва. Биохимическая эволюция вполне могла начаться с простой однослойной мицеллы и прийти к двуслойной везикуле, постепенно обретающей возможность сначала расти, потом делиться, а потом и захватывать крупные молекулы, в том числе способные нести генетическую информацию. Почти все промежуточные шаги на этом пути не только легко вообразить, но и можно уже сейчас воспроизвести экспериментально.

С другой же стороны, здесь, как это очень часто бывает в современной науке, обретенная ясность сразу же порождает новые вопросы. Мы совершенно не знаем, в какой именно момент были “изобретены” первые биологические мембраны и из каких молекул они поначалу состояли. Мембраны из жирных кислот слишком непрочны. Может быть, вначале были другие соединения, не такие сложные, как фосфолипиды, но обладавшие близкими свойствами? И если да — то что это были за соединения? Откуда они брались, в каких были изомерных формах? Как вышло, что фосфолипиды заняли их место? Подобных вопросов можно задать очень много. А когда на них найдутся ответы, перед исследователями наверняка встанут новые вопросы, которых мы сейчас еще даже не можем себе представить. Это — нормальный процесс познания.

Есть по крайней мере одно свойство жизни, совершенно невозможное без мембран (во всяком случае, в современных земных условиях). Это свойство — дискретность.

Мы привыкли к тому, что живое вещество разделено на маленькие самостоятельные порции, которые традиционно, со времен великих ученых XVII–XIX веков, называются клетками. Но обязательно ли любая жизнь должна состоять из клеток? Мы этого не знаем. Станислав Лем в “Солярисе” попытался вообразить иную жизнь — недискретную, охватывающую единым живым океаном целую планету. Конечно, это — фантазия. Но у нас нет никаких серьезных оснований считать, что она абсолютно нереалистична.

Так или иначе в истории жизни на Земле дискретность возникла, и притом очень рано. Сначала появились клетки, а потом и сложенные из них многоклеточные организмы, вплоть до дубов, кашалотов и людей. “Ключевая роль детергентов в формировании дискретных особей (в том числе и прекрасных) вполне соответствует представлению о возникновении Венеры (Афродиты) из пены морской”, — пишет по этому поводу известный биофизик Симон Эльевич Шноль. Слово “детергенты” тут употреблено как синоним “амфифильных веществ” (или “поверхностно-активных веществ”, если кому-нибудь такое название больше нравится). Сама же идея вполне актуальна. Ведь пена возникает там, где есть много амфифильных веществ — таких, как мыло, — которые легко образуют мицеллы, везикулы и вообще любые пузырьки. А принцип деления живой материи на клетки — точно такой же. Клеточная жизнь основана на явлении поверхностной активности. И древний миф здесь неожиданно точно иллюстрирует эволюционную реальность.

 

У корней древа жизни

Вся живая природа Земли делится на две части: организмы, состоящие из клеток, и вирусы. Вирусы мы тут пока не обсуждаем (о них пойдет речь в главе 12). А вот разнообразием клеточных организмов сейчас самое время поинтересоваться: мы как раз дошли до тех признаков, по которым они серьезно отличаются друг от друга.

В конце XX века микробиолог Карл Вёзе показал, что все клеточные организмы распадаются на три главные эволюционные ветви: эукариоты, бактерии и археи. Об этом открытии и его последствиях мы более подробно поговорим в главе 14, где будет обсуждаться система живой природы. Здесь нам достаточно самой простой вводной информации. Эукариоты — это обладатели клеточного ядра, среди которых есть и многоклеточные (животные, растения, грибы), и одноклеточные (амебы, жгутиконосцы, инфузории). Пока не был изобретен микроскоп, натуралисты волей-неволей ограничивались изучением одних лишь эукариот. Бактерии, в отличие от эукариот, не имеют клеточного ядра, и клетка их в целом устроена гораздо проще. Кроме того, они не бывают многоклеточными. Микроскопический мир бесчисленных бактерий, населяющих все природные среды, какие только есть на Земле, знаком ученым с XVIII века. И наконец, археи — это одноклеточные, не имеющие ядра и по устройству клетки сходные с бактериями, но сильно отличающиеся от них молекулярно-биологически. Многие (но далеко не все) археи живут в экстремальных средах — например, в почти кипящей воде или в растворах с высокой кислотностью.

Одна из самых поразительных особенностей архей, отличающая их и от бактерий, и от эукариот, касается устройства клеточной мембраны. До открытия архей считалось, что мембрана, состоящая из двух слоев фосфолипидов, абсолютно универсальна и является всеобщим свойством клеточных организмов. Исследования архей начисто опровергли это представление. Сравнение химических компонентов эукариотных, бактериальных и архейных клеточных мембран показывает следующее (см. рис. 5.5):

* Архейные мембранные липиды представляют собой не сложные эфиры с общей формулой R 1 –CO–O–R 2 , а простые эфиры с общей формулой R 1 –O–R 2 (см. главу 1). Надо заметить, что основу типичного мембранного липида в любом случае образует глицерофосфат, то есть сложный эфир глицерина и фосфорной кислоты. Но вот жирные “хвосты” у архей присоединены к нему совсем не так, как у всех остальных: не сложными эфирными связями, а простыми.

* Углеводородные гидрофобные цепи мембранных липидов у архей ветвятся за счет множества торчащих в стороны метильных групп (–CH 3 ). Ни бактериям, ни эукариотам это не свойственно.

* Самое поразительное: у некоторых родов архей (и только у них) мембрана не двуслойная. Вместо бислоя она представляет собой единственный слой из молекул с двумя гидрофильными головками и длинной гидрофобной цепью между ними. Такие липиды иногда называют биполярными.

Как это объяснить? Биохимики считают, что все перечисленные химические особенности мембран полезны для жизни в экстремальных условиях — например, при высокой температуре или высокой кислотности. А мы уже знаем, что многие современные археи как раз в таких условиях и живут. Значит, налицо просто далеко зашедшее приспособление?

Увы, не все так просто. У архейных мембран есть еще одна важнейшая особенность. Дело в том, что у бактерий с эукариотами и у архей для синтеза мембранных липидов используются разные стереоизомеры глицерофосфата. У большинства живых организмов в мембраны входит L-глицерофосфат, но у архей — почему-то D-глицерофосфат. И вот это уже гораздо труднее объяснить приспособлением к каким бы то ни было внешним условиям. Мы ведь знаем, что на “обычные” физико-химические свойства веществ стереоизомерия практически не влияет. С точки зрения выживания при высокой температуре, кислотности или солености абсолютно неважно, какой стереоизомер глицерофосфата выбран для мембран. К тому же показано, что мембрана, включающая оба изомера одного и того же фосфолипида, будет физически неустойчивой, — то есть переходные состояния тут маловероятны. А ферменты, взаимодействующие с разными стереоизомерами мембранных липидов, отличаются друг от друга настолько сильно, что проще всего предположить их совершенно независимое происхождение.

Как может выглядеть эволюционный сценарий, сводящий воедино все эти факты? Тут допустимы самые смелые предположения. Может быть, общие предки бактерий, эукариот и архей вообще не имели никакой мембраны, то есть еще не были клетками? Или мембрана у них была, но не липидная, а неорганическая, например железо-серная? С другой стороны, современные генетические данные позволяют считать, что у общего предка всех клеточных форм жизни уже было несколько интегральных белков, приспособленных к работе в мембране и бесполезных без нее. Тогда получается, что какая-то мембрана там все же была. В любом случае этот узел еще далеко не распутан.

 

Углеводы по многим своим свойствам противоположны липидам. Если липиды — самые гидрофобные биологически активные вещества, то углеводы, пожалуй, самые гидрофильные. Значение углеводов для жизни так же огромно, как и значение липидов, хотя функции у них другие. Посмотрим же на них повнимательнее.

Мы уже знаем, что углевод — это спирт, одновременно являющийся или альдегидом, или кетоном. Углеводы бывают довольно разные. Основу любого углевода из тех, что могут заинтересовать нас в этой главе, образует цепочка, состоящая или из пяти, или из шести атомов углерода (см. рис. 6.1). Один из этих атомов углерода входит в состав либо альдегидной группы (если он на конце), либо кетогруппы (если он внутри цепочки). А ко всем остальным атомам углерода присоединены гидроксильные группы, как в спирте. Вот, собственно, и все (см. главу 1). Добавим, что в обиходе углеводы, подходящие под это описание, принято называть сахарами.

Например, что такое глюкоза? Это сахар с шестью атомами углерода, пятью гидроксильными группами и альдегидной группой. А фруктоза — сахар с шестью атомами углерода, пятью гидроксильными группами и кетогруппой. Причем и глюкоза, и фруктоза имеют формулу C6H12O6. Иначе говоря, это изомеры.

Бывают и пятиуглеродные сахара. Например, рибоза — сахар с пятью атомами углерода, четырьмя гидроксильными группами и альдегидной группой. В отличие от глюкозы и фруктозы, рибоза используется как пищевая добавка относительно редко, хотя в любых продуктах ее все равно полно, потому что биохимическое значение этого вещества колоссально.

А бывают ли сахара с другой длиной углеродных цепочек — например, трех-, четырех-, семи-, восьми- или девятиуглеродные? С точки зрения химии — конечно же, бывают. Иногда они встречаются и в живых организмах: например, семиуглеродные сахара могут быть промежуточными продуктами в синтезе липидов и в некоторых других биохимических процессах. Но в целом биологическое значение этих сахаров не слишком велико, и нас они пока что могут не волновать.

Молекулы сахаров не слишком сложны. Но есть один фактор, делающий их гораздо более разнообразными, чем можно было бы подумать, глядя на обычные графические формулы. Этот фактор — стереоизомерия.

 

Вновь о правом и левом

Стереоизомерия у углеводов, прямо скажем, такая, что сам черт сломит в ней ногу. Например, если внимательно посмотреть на молекулу глюкозы, легко убедиться, что она содержит целых четыре асимметрических атома углерода (см. главу 4). Четыре, а не один, как в хорошо знакомых нам аминокислотах! А ведь каждый асимметрический атом углерода создает два стереоизомера. Что это означает? Если в молекуле есть второй асимметрический атом, то у каждого из этих стереоизомеров будет еще по два стереоизомера. Если есть третий, то и у каждого из этих двух будет еще по два. И так далее. Следовательно, если молекула содержит четыре асимметрических атома, то стереоизомеров будет 16 (24). Причем по свойствам эти изомеры могут различаться между собой достаточно сильно. Например, галактоза — это шестиуглеродный сахар, совершенно идентичный глюкозе по набору функциональных групп. В галактозе тоже пять гидроксилов и одна альдегидная группа. Ее отличие от глюкозы состоит исключительно в том, что это другой стереоизомер. Между тем галактоза совершенно иначе участвует в обмене веществ, в том числе и у человека. Ферменты, работающие с глюкозой (которая у нас служит важнейшим питательным веществом), для ее усвоения не подходят. Галактоза перерабатывается особым ферментом, служащим только для этой цели. Кстати, его генетически обусловленное отсутствие у некоторых людей бывает причиной серьезного заболевания — галактоземии.

Как и другие вещества со стереоизомерией, сахара делятся на D- и L-формы — соответственно “правовращающие” и “левовращающие”. Здесь эти слова взяты в кавычки, потому что у сахаров связь формы молекулы и направления вращения поляризованного света на самом деле крайне запутанна. В детали нам вникать нет нужды. Достаточно знать, что химики придумали определенную чисто формальную процедуру, требующую считать сахар D- или L-формой в зависимости от положения радикалов у последнего асимметрического атома в углеродной цепочке. Например, у глюкозы это будет пятый атом, если считать от альдегидной группы.

Глюкоза и галактоза отличаются ориентацией групп у четвертого атома углерода. Они уже не считаются изомерами одного и того же сахара, а носят разные названия. Но при этом и глюкоза, и галактоза, участвующие в биологическом обмене веществ, — это D-изомеры.

В живой природе D-сахара вообще преобладают. Это почти такая же хиральная чистота, как и в случае с аминокислотами. Только у аминокислот преобладают “левые” изомеры, а у сахаров, наоборот, “правые”.

Чем вызвана эта разница? В последнее время появилась вполне убедительная гипотеза, что дело тут как раз в аминокислотах. А точнее — в их каталитическом действии. Напомним, что катализатор — это вещество, ускоряющее химическую реакцию, но само не претерпевающее в ней стойких изменений (см. главу 3). Так вот, существуют многоступенчатые процессы синтеза углеводов, которые катализируются аминокислотами (именно отдельными аминокислотами, а не целыми белками). И показано экспериментально, что L-аминокислоты катализируют синтез шестиуглеродных сахаров таким хитрым образом, что на выходе получается больше D-изомеров этих сахаров, чем L-изомеров. Причем часто намного больше: избыток D-изомера сахара в таких реакциях может достигать нескольких десятков процентов. Проще говоря, “левые” аминокислоты диктуют преобладание “правых” сахаров. И дело тут в чисто химическом механизме синтеза сахаров, в котором аминокислоты принимают участие.

Тогда получается, что никаких загадочных космических причин избытка D-сахаров искать не надо. Если такие причины и действовали — то в основном на аминокислоты (см. об этом главу 4). А что касается сахаров, то здесь живые организмы просто приспособили к делу те молекулы, которые предложила им обычная химия.

 

О пятиугольниках и шестиугольниках

До сих пор мы по умолчанию предполагали, что молекула сахара представляет собой линейную цепочку. А как же иначе? Но на самом деле в тех условиях, которые господствуют в живом организме, сахара обычно переходят из линейной формы в более энергетически выгодную циклическую. Как это происходит, можно посмотреть на примере глюкозы. Будем иметь в виду, что атомы углерода в глюкозе принято нумеровать, начиная от альдегидной группы. Атом, образующий эту группу, — первый, атом на противоположном конце цепочки — шестой. (Из формулы, кстати, нетрудно видеть, что асимметрическими тут являются второй, третий, четвертый и пятый атомы.)

Итак, переход глюкозы в циклическую форму начинается с того, что в альдегидной группе разрывается одна из двух связей, соединяющих кислород с углеродом (см. рис. 6.2А, Б). В результате у кислорода освобождается валентность, на которую переходит водород от гидроксильной группы предпоследнего (в данном случае пятого) атома углерода (см. рис. 6.2В). Тем самым при первом атоме образуется гидроксильная группа, которой раньше там не было. Теперь в молекуле остается две свободные валентности: у атома углерода бывшей альдегидной группы и у атома кислорода бывшего гидроксила. Они замыкаются друг на друга (см. рис. 6.2Г). Получается цикл. А точнее, кольцо, в котором первый и пятый атомы углерода соединены друг с другом через атом кислорода (–O–). В случае глюкозы это кольцо шестичленное, в него входят пять углеродов и кислород.

По такому же принципу переходят в циклическую форму и рибоза, и фруктоза, и другие сахара. Правда, и у рибозы, и у фруктозы кольца получаются пятичленными. По этому признаку их легко отличить от глюкозы, особенно если мы видим уже нарисованную кем-нибудь формулу.

Существование в циклических и линейных формах — еще один вид изомерии, на этот раз свойственный только сахарам. После перехода из линейной формы в циклическую гидроксильная группа исчезает при пятом атоме углерода, зато появляется при первом. Но это все равно глюкоза.

Напоследок — еще одна деталь, которая может нам пригодиться. В циклической форме сахара гидроксильные группы могут находиться по разные стороны от плоскости образовавшегося кольца — условно говоря, “над” или “под” кольцом (см. рис. 6.2Д, Е). При этом структура линейной формы глюкозы однозначно определяет ориентацию всех гидроксилов, кроме вновь образующегося при циклизации первого. Подсказка: на изображениях циклической формы глюкозы первый атом углерода, вместе со своим гидроксилом, обычно находится в правом углу. Так вот, если на такой формуле гидроксил оказался под кольцом — значит, это альфа-глюкоза, а если над кольцом — бета-глюкоза. Это еще один особый вид изомерии, уникальный не просто для сахаров, а для их циклических форм. Где и почему он важен в биологии, мы скоро увидим.

 

Краткий обзор сахаров

Глюкоза важна для живых организмов в первую очередь как источник энергии. Попросту говоря, основное предназначение глюкозы — в том, чтобы распадаться на более мелкие молекулы. Освободившаяся при этом энергия собирается и используется в разных полезных целях.

В нашем организме есть два способа такого распада: брожение и дыхание. Брожение — это неполный распад глюкозы, в результате которого она превращается в две молекулы молочной кислоты C3H6O3. А дыхание — это полный распад до самых простых молекул, а именно до углекислоты (CO2) и воды (H2O). В отличие от брожения, дыхание обязательно требует присутствия свободного кислорода (O2). Зато и энергии дыхание дает намного больше.

В крови человека постоянно есть глюкоза. Падение ее уровня ниже определенной пороговой концентрации ведет к голодной смерти. С другой стороны, устойчиво повышенный уровень глюкозы — это признак такого неприятного заболевания, как сахарный диабет. Но в любом случае надо понимать, что вся эта система — в высшей степени динамическая. Вся глюкоза, находящаяся в крови взрослого человека в любой данный момент, может быть полностью израсходована примерно за 15 минут. Ясно, что ее запас должен непрерывно пополняться. И неудивительно, что именно концентрация глюкозы в крови определяет физиологическое ощущение голода или сытости. В области нашего мозга, называемой гипоталамусом, есть специальные клетки-глюкорецепторы, постоянно измеряющие, сколько глюкозы содержится в омывающей их жидкости. Пищевая мотивация запускается или выключается в зависимости от того, какие сигналы идут от этих клеток.

Кроме того, содержание глюкозы в крови контролируется специальными гормонами. Это инсулин, запускающий захват глюкозы клетками, и глюкагон, который, наоборот, стимулирует высвобождение глюкозы из клеток в кровь. Инсулин понижает концентрацию глюкозы в крови, а глюкагон повышает. И инсулин, и глюкагон — белки. Это самый что ни на есть классический пример сигнальной функции белков, о которой мы говорили в главе 3. И инсулин, и глюкагон синтезируются у человека в поджелудочной железе, уходя оттуда в кровь и распространяясь по всему телу. Недостаток инсулина — одна из главных возможных причин сахарного диабета.

Придумавший метод выделения инсулина и раскрывший тем самым механизм диабета сэр Фредерик Бантинг до сих пор остается самым молодым лауреатом Нобелевской премии по физиологии и медицине — он получил ее в 1923 году в возрасте 32 лет. Интересно, что в жизни самого Бантинга это открытие было лишь эпизодом. Врач по основной специальности, он в разные периоды жизни был неплохим художником и полярным путешественником, занимался ради собственного интереса самыми разными медицинскими проблемами вроде болезней легких и адаптации летчиков к высоте, а еще участвовал в обеих мировых войнах и погиб при крушении военного самолета в 1941 году.

Широко известно (и является чистой правдой), что главный потребитель глюкозы в нашем теле — это мозг. Интересно, что сердце, наоборот, один из самых “всеядных” органов, составляющий в этом плане полную противоположность мозгу. Клетки сердца охотно получают энергию и из жирных кислот, и из аминокислот, и даже из такого отхода, как молочная кислота. Мозг же требует глюкозы, причем в большом количестве и бесперебойно. Как ни парадоксально, именно поэтому работа мозга почти не зависит от режима питания. Дело в том, что энергетическое снабжение мозга — это константа. Оно всегда стоит на максимальной отметке и не может быть снижено ни при каких физиологических условиях: на мозге организм не экономит. Если снабжение мозга глюкозой все-таки падает, это приводит к опаснейшей для жизни ситуации, которая называется гипогликемической комой. Чаще всего она возникает из-за неаккуратного введения слишком большой дозы инсулина — тут уж, что называется, “против лома нет приема”. (В истории медицины бывало, что гипогликемическую кому вызывали специально: это называлось инсулиновым шоком, или инсулинотерапией, и использовалось в XX веке как способ лечения шизофрении — впрочем, с сомнительной эффективностью. В знаменитом фильме “Игры разума” показано, что этим варварским методом пытались лечить математика Джона Нэша.) Но никакой переменой питания столь впечатляющего эффекта добиться нельзя. В частности, это означает, что практически никакая диета для мозга не опасна. Но нельзя забывать, что при этом она вполне может быть опасна для других органов — здесь надо соблюдать осторожность.

Фруктоза — питательный углевод, которого много в растениях, например в сладких ягодах и плодах. Это шестиуглеродный сахар, отличающийся от глюкозы тем, что содержит не альдегидную группу, а кетогруппу. В нашем организме фруктоза частично превращается в глюкозу, а частично усваивается самостоятельно (для этого есть специальные ферменты).

Галактоза — стереоизомер глюкозы, углевод, который человек получает, прежде всего, в составе молочных продуктов. При усвоении нашим организмом галактоза первым делом превращается в глюкозу. Сбой работы соответствующего фермента как раз и вызывает болезнь галактоземию. Впрочем, без внешнего источника галактозы взрослый человек в случае чего может обойтись.

Наконец, два важнейших пятиуглеродных сахара — рибоза (уже нам знакомая) и отличающаяся от нее на один атом кислорода 2-дезоксирибоза. У дезоксирибозы отсутствует одна из гидроксильных групп, вместо нее — просто атом водорода; цифра “2” — номер того атома углерода, при котором эта отсутствующая гидроксильная группа могла бы находиться. Полные названия обоих сахаров — D-рибоза и 2-D-дезоксирибоза, но приставки часто опускаются, если и так понятно, о чем идет речь. Заодно отметим, что атомы углерода в циклических формах рибозы и дезоксирибозы по некоторым историческим причинам принято обозначать не просто цифрами, а цифрами со штрихами — вот так: 2'-дезоксирибоза.

Рибоза и дезоксирибоза нужны живым организмам в первую очередь для того, чтобы строить из них более сложные молекулы, которые называются нуклеотидами и нуклеиновыми кислотами. О них мы поговорим в главах 7 и 8.

 

Дисахариды

Молекулы сахаров могут создавать друг с другом ковалентные связи. Для этого нужны две гидроксильные группы, принадлежащие двум сахарам. От одной из них отщепляется водород (–H–), другая отщепляется целиком (–OH), эти фрагменты образуют воду (H–O–H), а оставшиеся свободные валентности замыкаются друг на друга, и в результате между остатками сахаров остается мостик с атомом кислорода посредине (–О–). Такая связь называется гликозидной (см. рис. 6.3).

Сложный сахар, состоящий из двух углеводных остатков, соединенных гликозидной связью, называется дисахаридом. А простой сахар, не состоящий из нескольких углеводных остатков, в той же терминологии называют моносахаридом. На данный момент нам знакомо пять моносахаридов: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза и галактоза (см. рис. 6.3).

Самый известный дисахарид, с которым человек имеет дело буквально каждый день, — сахароза, состоящая из остатков глюкозы и фруктозы (см. рис. 6.3). Сахароза — это обычный столовый сахар. Получают ее из сахарного тростника, а в странах, где тростник не растет, — в основном из свеклы. Поскольку в сахарозе есть глюкоза, она категорически запрещена людям с сахарным диабетом и не рекомендуется людям с риском такового — в отличие от чистой фруктозы, для усвоения которой не нужен инсулин и которая в принципе допустима даже в диете диабетиков. Фруктоза, кстати, гораздо слаще сахарозы, а та, в свою очередь, слаще чистой глюкозы.

Если соединить гликозидной связью два остатка глюкозы, то получится еще один широко распространенный дисахарид, а именно мальтоза (см. рис. 6.3). Это обычнейшая составная часть любой растительной пищи. Иногда мальтозу называют солодовым сахаром, потому что ее много в зернах: солод — это и есть проросшее зерно. Кстати, слово “солод” родственно слову “сладкий”: например, в сербохорватском языке оно так и пишется “слад”, в чешском и словацком — slad, в польском — słód.

Еще один важный для человека дисахарид — лактоза, состоящая из остатков глюкозы и галактозы. Лактозу называют молочным сахаром, потому что ее действительно очень много в молоке. В отличие от большинства других сахаров, она почти не сладкая. Для усвоения лактозы нужен фермент лактаза, который рвет гликозидную связь, расщепляя лактозу на глюкозу и галактозу. Если этого фермента нет или его не хватает, возникает непереносимость лактозы. Ничего особенно опасного в этом состоянии нет, но таким людям приходится или ограничивать себя в молочной пище, или пить предназначенное специально для них безлактозное молоко (такое обычно есть в современных крупных магазинах).

 

Полисахариды

Гликозидные связи могут соединить между собой не только пару остатков моносахаридов, но и какое угодно их количество. Длинные цепочки моносахаридов, соединенных гликозидными связями, называются или олигосахаридами (если остатков в них больше двух, но не больше десяти), или полисахаридами (если они еще длиннее). Полисахариды — это уже самые настоящие полимеры (см. главу 3). Число остатков сахаров в молекуле полисахарида вполне может измеряться многими тысячами.

Один из самых широко известных полисахаридов — крахмал. Он представляет собой длинную цепь соединенных гликозидными связями остатков глюкозы. Это важнейшее запасное вещество у растений. Крахмала много в любой растительной пище. Он очень легко переваривается, расщепляясь до глюкозы, которая сразу же поступает в кровь. Обычная мука больше чем на 60% состоит из крахмала, а вот белков там, наоборот, довольно мало. Когда доктор Хаус в 20-й серии 6-го сезона обзывает пончики “жареными углеводами”, он подразумевает в первую очередь именно крахмал. Ну и заодно — сопутствующие углеводы вроде мальтозы, которых в пончиках, конечно, тоже предостаточно.

Животный аналог крахмала — гликоген. Это тоже важный запасной углевод. У нас он накапливается в первую очередь в печени. В случае надобности молекулу гликогена можно быстро расщепить до молекул глюкозы, которые тут же уйдут в кровь. Гликоген — это энергетический запас, пригодный к срочному использованию. Этим он отличается от жиров, которые содержат больше энергии, но мобилизуются гораздо медленнее. Впрочем, надо сказать, что расщепление гликогена у нас идет не только при каких-то чрезвычайных нагрузках, но и в состоянии покоя, понемногу, в промежутках между приемами пищи. Это важный способ поддержания концентрации глюкозы в крови на постоянном уровне. Само слово “гликоген” буквально означает “рождающий сладость”.

Итак, мы можем видеть, что полисахариды отличаются от моносахаридов в нескольких отношениях. Во-первых, их молекулы огромны. Во-вторых, они не растворяются в воде (именно поэтому их удобно делать запасными веществами). И в-третьих, они не сладкие. Например, чистый крахмал — это безвкусный порошок. По всем этим причинам называть полисахариды “сахарами” уже как-то не принято. Термин “сахар” обычно относят или к моносахаридам, или к дисахаридам.

Вспомним, что в ходе нашего разговора мы уже встречались с полимерами (см. главу 3). Это были белки. Мономеры белков — аминокислоты — соединены друг с другом пептидными связями. А мономеры полисахаридов — моносахариды — соединены друг с другом гликозидными связями. Серьезное различие здесь в том, что белки не ветвятся. А вот полисахариды вполне могут. “По умолчанию” гликозидная связь образуется между гидроксилами первого и четвертого атомов углерода глюкозы (1-4-гликозидная связь). Тогда из остатков глюкозы получается простая линейная цепочка. Но в глюкозе есть и другие гидроксилы, между которыми образование гликозидной связи тоже возможно. Например, на 1-6-гликозидной связи полимерная цепочка обычно разветвляется (см. рис. 6.4). В гликогене такое ветвление выражено сильнее, чем в крахмале, хотя оно есть и там и там.

Еще один полимер глюкозы — целлюлоза, или клетчатка. Это плотное волокнистое вещество, образующее основу древесины. В том или ином количестве целлюлоза есть в любой части любого растения. С химической точки зрения целлюлоза принципиально отличается от крахмала тем, что состоит не из альфа-глюкозы, а из бета-глюкозы. При этом возникают так называемые бета-гликозидные связи, отличающиеся от присутствующих в крахмале и гликогене альфа-гликозидных (последние выглядят на схеме молекулы прямыми, а бета-гликозидные — зигзагообразными). Кроме того, молекулы целлюлозы не ветвятся (см. рис. 6.4).

Бета-гликозидные связи гораздо прочнее альфа-гликозидных. Они расщепляются только очень немногими ферментами. Например, почти никто из животных, питающихся растениями, не может самостоятельно переваривать целлюлозу. Тем, кто берется ее усваивать, приходится заводить для этой цели микроскопических кишечных сожителей, у которых есть нужный фермент — целлюлаза. В теле человека таких микроорганизмов нет, и он не может переваривать целлюлозу вообще. Правда, она все равно приносит некоторую пользу, придавая пище подходящую консистенцию и стимулируя сокращения кишечника. Но никакой питательной ценности целлюлоза для нас не имеет, в этом смысле она — бесполезный балласт.

Долгое время биологи были уверены, что самостоятельно производить целлюлазу неспособны абсолютно никакие животные. И только в 1998 году выяснилось, что у некоторых термитов все-таки есть целлюлаза “собственного производства”, к синтезу которой не имеют отношения никакие микроорганизмы. А в дальнейшем подобные “встроенные” целлюлазы были найдены у нескольких питающихся древесиной тараканов, жуков, круглых червей и улиток. И по всей вероятности, этот список еще не полон. Отличная иллюстрация того, как рискованны в биологии категоричные утверждения! Слишком уж разнообразны объекты этой науки, сюрпризы исследователям они подбрасывают очень часто.

 

Клеточные стенки и судьба Земли

Совершенно особый интерес для биологов представляют те полисахариды, которые входят в состав клеточных стенок. Из предыдущей главы мы уже знакомы с клеточными мембранами. Так вот, клеточная стенка — это совсем не то. Клеточной стенкой называется самостоятельная оболочка, находящаяся снаружи от мембраны и заключающая в себе всю клетку целиком. Такое расположение означает, что это, строго говоря, внеклеточная структура — наподобие домика или раковины. Обычно она жесткая и придает клетке постоянные очертания. Клеточная стенка может состоять из полисахаридов (у растений, грибов), из сложных полимеров, в состав которых входят углеводы и аминокислоты (у бактерий) или из белков (у архей). У некоторых организмов, например у животных, клеточных стенок нет вообще. Это делает клетки менее прочными, зато позволяет им легко менять форму.

Клеточные стенки растений — целлюлозные. Растительная клеточная стенка часто бывает гораздо толще клеточной мембраны. Если растение многоклеточное, то между клетками обычно есть плазмодесмы — проходящие сквозь отверстия в клеточных стенках межклеточные “мостики” (см. рис. 6.5А). Через плазмодесмы растительные клетки общаются между собой и обмениваются разными веществами.

Сухое дерево, так же как пробка и другие подобные материалы, представляет собой не что иное, как массу пустых клеточных стенок. Живых клеток там давно уже нет, но их стенки остаются — целлюлоза для этого достаточно прочна. Ее прочности хватает на то, чтобы древесина сохраняла свою структуру буквально тысячелетиями: самое старое деревянное здание мира — японский буддийский храм Хорю-дзи, построенный в VII веке, в эпоху Асука. Кроме того, из целлюлозы, когда-то входившей в растительные клеточные стенки, делают бумагу.

Между прочим, сам термин “клетка” (cell) когда-то ввел в науку английский физик Роберт Гук, который исследовал под микроскопом пробку и увидел в ней характерные маленькие полости. В данном случае это были не живые клетки, а именно пустые целлюлозные клеточные стенки, повторяющие их форму.

На самом деле растительная клеточная стенка вовсе не состоит исключительно из чистой целлюлозы. В нее еще обязательно входят короткие ветвящиеся полимеры, причем включающие не только глюкозу, но и другие моносахариды. Эти полимеры собирательно называются гемицеллюлозами (см. рис. 6.5Б). Есть там и некоторые структурные белки. Целлюлоза вместе с гемицеллюлозами и белками образует сложную объемную сеть, усиленную к тому же водородными связями (см. главу 2). Благо между длинными молекулами целлюлозы, в которых много гидроксильных групп, водородные связи возникают очень легко. Для клеточных стенок растений, а значит, и для древесины это важный источник прочности.

Ну а с точки зрения истории жизни на Земле самая интересная составляющая клеточной стенки растений — это лигнин. Очень своеобразное вещество, у которого нет никакой единой химической формулы. Строго говоря, его и самостоятельным веществом-то нельзя считать. Лигнин — это не углевод. Это сложный полимер, “сшитый” из нескольких разновидностей спиртов. У всех этих спиртов есть более-менее длинные углеводородные цепочки, включающие ароматические ядра (см. главу 1). И все они синтезируются из аминокислоты фенилаланина, которая превращается сначала в коричную кислоту — замечательное вещество, входящее в состав масла корицы, — а потом уже в разнообразные спирты, обычно имеющие две или три гидроксильные группы (см. рис. 6.5В). В лигнине эти спирты сшиваются между собой ковалентными связями в самых разных направлениях, буквально вдоль и поперек, так что получается запутанная сетка (см. рис. 6.5Г).

Образование лигнина — уникальный признак сосудистых растений, то есть папоротников, плаунов, хвощей, хвойных и цветковых. Это эволюционное “изобретение”, сделанное только после выхода растений на сушу, и то далеко не сразу. Дело в том, что лигнин благодаря своей особой структуре придает клеточным стенкам огромную механическую прочность. Он необходим, чтобы сделать ствол наземного растения высоким, вплоть до многометрового, и создать транспортную систему из микроскопических трубочек, качающую воду на всю эту высоту. А отсюда следует, что именно с “изобретением” биосинтеза лигнина связано одно из величайших событий, поменявших облик Земли, — появление лесов (см. главу 17).

Кроме того, появление лигнина сильно повлияло на глобальный, то есть общепланетный, круговорот углерода. Дело в том, что лигнин с его разнообразными мономерами и перепутанными химическими связями исключительно неподатлив к действию ферментов. Поэтому растительной тканью, в которой много лигнина, почти невозможно питаться. Из всех земных живых организмов эффективно разлагать лигнин “научились” только грибы, причем не все и не сразу. Именно они и стали главными разрушителями стволов мертвых деревьев. До этого вся огромная биомасса лигнифицированной древесины просто захоранивалась как есть, создавая залежи каменного угля. В честь этих залежей получил название целый геологический период — каменноугольный, или карбон.

Карбоновые леса непрерывно вели фотосинтез и выделяли в атмосферу огромное, немыслимое ни в какие более ранние эпохи количество кислорода. Мы знаем, что свободный кислород (O2) нужен для дыхания, то есть для полного окисления питательных веществ. Таким питательным веществом могла бы служить и древесина погибших деревьев. Но в карбоновом периоде эффективные деструкторы еще не возникли, поэтому перерабатывать древесину было некому. Стволы деревьев просто захоранивались, и заключенный в них углерод уходил из экологического круговорота вовсе. А живые деревья тем временем продолжали выделять кислород, который накапливался в атмосфере. В результате атмосферная концентрация кислорода достигла уникальной в истории Земли цифры 35%. Как известно, современная атмосфера Земли содержит “всего” 21% кислорода. На самом деле по космическим меркам и это невероятно много, но в карбоне было в полтора раза больше. А дело тут именно в том, что огромная биомасса стволов деревьев в карбоне не съедалась никакими живыми существами. В отличие от современной ситуации, когда упавшие стволы измельчаются насекомыми, перерабатываются грибами и в итоге их углеродные соединения окисляются дыханием до углекислоты (CO2). При этом расходуется кислород, а углекислота выдыхается и уходит в атмосферу.

До той биомассы, которая успела захорониться в виде каменного угля раньше, чем возникли эффективные деструкторы, живая природа смогла добраться только с появлением человека, который неутомимо откапывает каменный уголь и жжет его, используя в качестве топлива. Будем иметь в виду, что процессы дыхания и горения описываются строго одним и тем же суммарным уравнением:

C 6 H 12 O 6 (глюкоза) + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O

Одна молекула глюкозы взаимодействует с шестью молекулами кислорода, давая в итоге шесть молекул углекислого газа и шесть молекул воды. С точки зрения интересов жизни на Земле главное тут — высвобождение углерода в виде углекислого газа. А уж фотосинтезирующие организмы (то есть растения) могут, захватив этот углекислый газ, синтезировать из него гораздо более сложные углеродные соединения, пригодные для построения тел живых существ. В этом плане влияние человека на общепланетный круговорот углерода скорее положительно. Огромная масса углерода, которая сотни миллионов лет была “заперта” в пластах каменного угля, благодаря нашим шахтам, паровозам и тепловым электростанциям вновь пошла в дело.

Мы уже мимоходом упомянули, что бывают и другие, нецеллюлозные типы клеточных стенок. Еще один чрезвычайно распространенный в природе полисахарид — хитин, входящий в состав клеточных стенок грибов (наряду с полимерами глюкозы, которые там тоже есть). Кроме того, хитина много в наружных покровах некоторых животных, например насекомых, ракообразных и паукообразных. И грибов, и насекомых на Земле очень много. Потому и общая масса хитина на планете получается гигантской. Хитин — полимер, во многом похожий на целлюлозу. Он состоит из остатков бета-глюкозы, но только модифицированных. Дело в том, что хитин — это азотсодержащий полисахарид. Его мономером является, строго говоря, не сама глюкоза, а ацетилглюкозамин — производное глюкозы, где к одному из атомов углерода вместо гидроксила присоединена аминоацетильная группа –NH–CO–CH3.

Наконец, клеточные стенки бактерий состоят из еще более сложных азотсодержащих производных глюкозы, к которым дополнительно ковалентно “пришиты” цепочки аминокислот. Такой многокомпонентный полимер называется пептидогликаном. Самое интересное, что в состав пептидогликанов входят не только L-, но и D-аминокислоты. Это именно тот случай, когда D-аминокислоты в живых организмах все-таки присутствуют. В состав белков они, конечно, не входят и здесь, но в состав других соединений — в конце концов, почему бы и нет.

 

Мир, окрашенный по Граму

В 1884 году датский микробиолог Ганс Христиан Грам опубликовал новый метод окрашивания бактерий. Основой метода было применение сочетания органических красителей, главный из которых родствен по структуре обычным аминам (см. главу 1). Тут надо сказать, что окрашивание — это важно. Без окрашивания под микроскопом, как правило, толком ничего не рассмотреть. К тому же окрашивание должно быть стойким — чтобы не смывалось спиртами и другими растворителями при изготовлении препаратов, и, по возможности, дифференциальным — чтобы не красило все сплошь, ведь тогда в объекте, опять же, будет не разобраться. В общем, окраска объектов для микроскопии — это целая наука. В XIX веке, когда многое делалось наугад, изобретение нового красителя требовало как отличного знания химии, так и незаурядной интуиции.

Азотсодержащий краситель, предложенный Грамом, прекрасно действовал на бактерий. Но не на всех. Одних он исправно окрашивал в стойкий синий цвет, а на других почему-то вообще не держался — при промывке препарата они обесцвечивались. Так появилось разделение бактерий на грамположительных и грамотрицательных.

Умерший в 1938 году Ганс Христиан Грам, возможно, и сам не успел вполне осознать, насколько важную вещь он открыл. Обнаруженное им разделение бактерий по типу окрашивания оказалось признаком фундаментальнейших различий в строении клетки (см. рис. 6.6). У грамположительных бактерий снаружи от мембраны находится толстая пептидогликановая клеточная стенка. В этом плане их клетка более-менее похожа, скажем, на растительную, не считая того, что материал клеточной стенки другой. У грамотрицательных бактерий дело обстоит совершенно иначе. Их наружная оболочка включает две полноценные билипидные мембраны с тонкой пептидогликановой клеточной стенкой, расположенной между ними. Клеточная стенка грамотрицательных бактерий заключена между наружной и внутренней клеточными мембранами, как начинка сэндвича. Так не устроены никакие другие клетки.

Есть гипотеза, что первые на Земле живые организмы были именно грамотрицательными бактериями, и только у их потомков вторая — наружная — мембрана исчезла. К сожалению, эта красивая идея слабо поддерживается молекулярно-биологическими данными, поэтому сейчас она не слишком популярна. Но независимо от того, верна она или нет, эволюционный зигзаг тут получился очень занятный.

 

Вспомним, как устроена молекула бензола. Она состоит из шести атомов углерода, соединенных в кольцо таким образом, что одинарные углерод-углеродные связи чередуются с двойными (см. главу 1). Свободные связи в бензоле, как и всюду, заняты атомами водорода. Его краткая формула — C6H6. Именно эта молекула когда-то напомнила Фридриху Августу Кекуле кольцо из переплетающихся змей. Молекула бензола прекрасна и самодостаточна — казалось бы, что в ней можно поменять?

Кое-что можно. Например, заменить один из атомов углерода на атом азота. Азот трехвалентен, и это вполне позволяет ему встроиться в бензольное кольцо (только без водорода при нем). Тогда получается кольцевая молекула с пятью атомами углерода, одним атомом азота и тремя двойными связями, которая называется пиридин.

Можно заменить атомами азота и два атома углерода (не соседних, а через один). Получится кольцо с тремя двойными связями, четырьмя атомами углерода и двумя атомами азота. Эта молекула называется пиримидин (см. рис. 7.1). И вот она в биологии очень важна.

Присоединив к пиримидиновому ядру две гидроксильные группы (–OH), мы получим соединение, которое называется урацил. Полное химическое название урацила — 2,4-дигидроксипиримидин. Члены пиримидинового кольца принято нумеровать, считая от одного из атомов азота.

Если дополнительно присоединить к урацилу еще и метильную группу (–СH3), получится новое соединение — тимин. А если заменить в урациле одну из гидроксильных групп на аминогруппу (–NH2), то получится цитозин. Полное название тимина — 5-метил-2,4-дигидроксипиримидин. А полное название цитозина — 2-гидрокси-4-аминопиримидин. Запоминать эти названия (как и нумерацию, на которой они основаны) ни в коем случае не надо. Но они полезны тем, что в случае надобности позволяют безошибочно восстановить всю формулу нужного вещества. Честно говоря, сомнительно, что любой биолог помнит формулы урацила, тимина и цитозина наизусть. Но вот о том, что такие вещества существуют, знает абсолютно каждый, кто имеет к биологии хоть какое-то отношение. Знаем теперь и мы.

Возможна и другая, более сложная молекула, где к пиримидиновому шестичленному циклу добавлено еще одно кольцо — пятичленное, с двумя атомами азота. Такое соединение называется пурином (см. рис. 7.2). Молекула пурина включает в общей сложности пять атомов углерода и четыре атома азота.

Есть довольно много соединений, где к пуриновому ядру присоединяются различные боковые цепи. Например, именно к производным пурина относится такое популярнейшее вещество, как кофеин. В молекуле кофеина к пуриновому ядру присоединены две гидроксильные группы и три метильные.

Но для биологов гораздо важнее два других пуриновых соединения. Одно из них — аденин, молекула которого состоит из пуринового ядра с присоединенной к нему аминогруппой. Второе — гуанин, в котором есть аминогруппа (не там, где у аденина) и гидроксильная группа.

Полные названия аденина и гуанина, соответственно, 6-аминопурин и 2-амино-6-гидроксипурин. Повторимся, что эти названия даются тут не для того, чтобы кто-нибудь пытался их запомнить, а просто ради общего представления о том, как этой номенклатурой в принципе можно пользоваться. Дальше нам это еще пригодится.

Пуриновые и пиримидиновые молекулы только что описанного типа называют азотистыми основаниями, потому что входящий в них азот проявляет основные свойства, подобно аммиаку (см. главу 1). Урацил, тимин, цитозин, аденин и гуанин — это азотистые основания. Урацил, тимин и цитозин — пиримидиновые азотистые основания, а аденин и гуанин — пуриновые. Вообще-то химикам известны десятки азотистых оснований, но для понимания основ биологии вполне хватит этих пяти. Другие азотистые основания встречаются в живых организмах реже, и значение их там гораздо меньше.

Завершая знакомство с азотистыми основаниями, совершенно необходимо добавить, что у них — да, и у них тоже! — есть одна особая разновидность изомерии. Состоит она в следующем. Входящая в состав азотистого основания гидроксильная группа (вместе с углеродом, к которому она присоединена, имеющая вид С–OH) может потерять водород и превратиться в кетогруппу (C=O). Система двойных связей в пиримидиновом или пуриновом ядре при этом перестраивается, а потерянный гидроксилом водород переходит на ближайший атом азота. В живых организмах азотистые основания всегда находятся не в спиртовой форме (с гидроксильными группами), а именно в кето-форме. Это распространяется на все важнейшие азотистые основания, кроме аденина, который выглядит всегда одинаково: у него гидроксильной группы просто нет.

 

По ту сторону рассвета

Пять азотистых оснований, с которыми мы познакомились, с биологической точки зрения — самые главные. Не секрет, что они используются земными живыми организмами для хранения и передачи генетической информации. Как именно это происходит, мы пока что “не знаем”, хотя уже довольно скоро узнаем (в главах 8 и 9). Но вот почему главными оказались именно эти пять оснований, а не какие-то другие родственные им? Ведь разных азотистых оснований, и пиримидиновых, и пуриновых, можно придумать очень много.

Ответ на этот вопрос надо, как всегда, искать в прошлом. И в данном случае это будет очень далекое прошлое. Сейчас точно известно, что химическая эволюция азотистых оснований началась задолго до возникновения жизни, а скорее всего, даже и до возникновения планеты Земля. Тут дело обстоит точно так же, как и с аминокислотами (см. главу 3). В большинстве углеродсодержащих (так называемых углистых) метеоритов при тщательном химическом анализе были найдены азотистые основания. В общей сложности их там не меньше десятка, и по структуре молекул они довольно разнообразны. Очевидно, синтез этих веществ шел прямо на частицах протопланетного облака.

Например, если по-разному присоединять к пурину аминогруппы, то можно получить аденин (у него аминогруппа одна), а можно и основания с двумя аминогруппами — например, 2,6-диаминопурин или 6,8-диаминопурин (см. рис. 7.2Б). Главное же здесь вот что. Ни 2,6-диаминопурин, ни 6,8-диаминопурин не встречаются в земных живых организмах, а вот в углистых метеоритах они обнаруживаются легко. Причем их присутствие там никак нельзя объяснить биогенным загрязнением метеорита, уже упавшего на Землю, потому что на Земле этих соединений просто нет. Это — остатки добиологического разнообразия сложных молекул, которые синтезировались на ранних этапах эволюции Солнечной системы. Углистые метеориты, никогда не входившие в состав планет, служат “заповедниками” этого разнообразия — точно так же, как в случае с аминокислотами. Разных азотистых оснований там вполне могли быть десятки.

При возникновении жизни и аминокислоты, и азотистые основания подверглись процессу, подобному естественному отбору. Одни основания оказались удачными и вошли в состав живых систем, а другие — большинство — были отсеяны и в состав живых систем не вошли. В итоге начальное высокое химическое разнообразие исчезло. Остались несколько широко распространенных соединений, с которыми мы сейчас в основном и имеем дело. Причем они были выбраны отнюдь не случайно. Предполагается, например, что одним из критериев стала устойчивость оснований к ультрафиолетовому излучению Солнца, которое на древней Земле было очень серьезным фактором риска. Одна из научных работ, написанных на эту тему, прямо так и озаглавлена — “Выживание наиболее приспособленных до начала жизни”.

 

Нуклеозиды

Молекула, состоящая из остатков азотистого основания и сахара, называется нуклеозидом (см. рис. 7.3). Сахаром, входящим в нуклеозиды, по умолчанию является рибоза, но иногда — дезоксирибоза. Как мы помним, они отличаются друг от друга всего на один атом кислорода. Азотистое основание присоединяется к первому по счету углеродному атому сахара, который здесь принято обозначать единицей со штрихом (1'). От этого атома отщепляется гидроксил (–OH), а от одного из атомов азота, входящих в азотистое основание, одновременно отщепляется водород (–H). В результате выделяется вода, а между азотистым основанием и сахаром замыкается ковалентная связь. Так нуклеозид и получается.

Названия нуклеозидов являются производными от названий входящих в них азотистых оснований. Пять нуклеозидов, с которыми в основном имеют дело биологи, — уридин, тимидин, цитидин, аденозин и гуанозин. Если в качестве сахара в данный нуклеозид входит не рибоза, а дезоксирибоза, то к его названию прибавляется приставка “дезокси-”. Но иногда ее опускают, если по контексту и так понятно, о чем идет речь.

Теперь мы наконец знаем, почему атомы углерода в составе рибозы и дезоксирибозы обозначаются не просто цифрами, а цифрами со штрихами (см. главу 6). Дело как раз в том, что эти два сахара входят в состав нуклеозидов. А в любом нуклеозиде есть еще и азотистое основание, атомы которого имеют свою собственную нумерацию. Штрихи нужны, чтобы никто не спутал номера атомов сахара с номерами атомов азотистого основания.

Нуклеозиды могут делать многое. Например, аденозин интересен тем, что является одним из нейротрансмиттеров, то есть веществ, передающих сигналы между нервными клетками. Именно на передачу этих сигналов действует кофеин — вещество, тоже относящееся к группе пуринов (см. рис. 7.4А). И сейчас у нас уже вполне достаточно знаний, чтобы разобраться, в чем тут дело.

Кофеин является блокатором аденозиновых рецепторов. Что это значит? К любому сигнальному веществу есть специальные рецепторы, то есть воспринимающие элементы. В данном случае это интегральные белки (см. главу 5), которые сидят в наружной мембране нервной клетки и узнают молекулы аденозина по принципу ключа и замка, то есть примерно так же, как ферменты узнают свой субстрат (см. главу 3). Что же касается кофеина, то его молекула похожа на молекулу аденина — ключевой составной части аденозина. Молекула кофеина связывается с тем же участком белка-рецептора, с которым должен связаться адениновый остаток аденозина, и застревает в нем, после чего никакой аденозин уже не может туда войти (см. рис. 7.4Б). По такому принципу действуют очень многие лекарства, яды и психоактивные вещества, в том числе и наркотики — они ведь обычно тоже связываются с рецепторами, предназначенными для нейротрансмиттеров, либо блокируя, либо активируя их.

Сам аденозин как сигнальное вещество обладает преимущественно тормозным действием, то есть, попросту говоря, успокаивающим. Выделение аденозина обычно является сигналом усталости, знаком, что активность пора приостановить. От него, например, уменьшается частота сердечных сокращений и снижается артериальное давление. Блокируя действие аденозина, кофеин снимает все эти эффекты, а вместе с ними и чувство утомления. Но никакой дополнительной энергии он не дает — просто помогает перераспределить имеющиеся силы.

Можно ли считать кофеин наркотиком? Пожалуй, все-таки нельзя. Ведь тут недостаточно общего с типичными наркотиками механизма действия. Для отнесения вещества к категории наркотиков есть четкий набор критериев, большинству из которых кофеин не соответствует. Нет толерантности (это когда для достижения одного и того же эффекта требуется постепенное повышение дозы), нет вызываемой употреблением вещества социальной дезадаптации, нет жесткой “ломки”, то есть болезненного синдрома отмены, ну и так далее.

Справедливости ради надо сказать, что в 2013 году Американская психиатрическая ассоциация после долгих колебаний все-таки отнесла кофеиновую зависимость к психическим расстройствам, но только в том случае, если она явно вызывает утомляемость, сонливость, повышенную возбудимость, мышечные судороги, тахикардию, аритмию и (или) другие подобные последствия (см. Diagnostic and Statistical Manual of Mental Disorders, сокращенно DSM-5). Чтобы добиться таких эффектов, надо пить кофе буквально литрами, да еще и с предрасположенностью должно не повезти. Если же их нет, то волноваться, скорее всего, не о чем.

Так называемый аддиктивный потенциал у кофеина, по всем данным, довольно низкий. Например, у никотина (который действует очень похожим способом на рецепторы к другому нейротрансмиттеру, ацетилхолину) аддиктивность гораздо выше и синдром отмены тяжелее — это знает каждый, кто привыкал и к кофе, и к курению. Мы сейчас не касаемся вопроса о вреде курения для здоровья, потому что это, как ни странно, не имеет прямого отношения к нашей теме. Дело в том, что практически все вредные последствия курения вызываются не никотином (он-то как раз относительно безвреден), а многочисленными сопутствующими веществами, образующимися при сгорании табака. На нервную систему эти вещества почти не действуют, а вот на другие системы — очень даже. В кофе подобного набора вредных сопутствующих веществ и близко нет.

В общем, на данный момент от науки не приходится ждать никаких однозначных рекомендаций по вопросу, пить или не пить кофе. Для здорового человека это дело личного выбора, и только. Так ведь тоже бывает.

 

Знакомство с нуклеотидами

Теперь отвлечемся на время от нуклеозидов и познакомимся поближе с одним важным понятием, которое мы, в общем-то, уже знаем.

Существует химическая реакция под названием фосфорилирование: присоединение фосфата к любому соединению, в котором есть гидроксильная группа, с образованием сложного эфира фосфорной кислоты. Мы уже встречались с этой реакцией, когда говорили о фосфолипидах: там фосфорилированию подвергался глицерин и получался глицерофосфат (см. главу 5). Фосфолипиды, из которых состоит клеточная мембрана, образуются как раз этим путем.

На самом деле объектами фосфорилирования бывают самые разнообразные молекулы, несущие гидроксильные группы. Это могут быть белки (особенно такие, где есть серин, треонин или тирозин — фосфат присоединяется именно к этим аминокислотным остаткам), могут быть спирты (например, тот же глицерин), а могут быть и сахара, благо уж в них-то гидроксильных групп сколько угодно. Фосфорилирование — это универсальный биохимический “оператор”, способный предсказуемо менять свойства разных молекул. Есть специальная большая группа ферментов, занимающихся только фосфорилированием, — они называются киназами.

Напомним еще раз, что “фосфорная кислота” и “фосфат” — в биохимии практически одно и то же. Фосфорная кислота в водном растворе всегда диссоциирует, то есть отдает протоны, превращаясь в анион. Но в формулы ее часто вписывают в недиссоциированном виде — просто для удобства, чтобы не обозначать заряды. Кроме того, при реальном фосфорилировании, происходящем в живой клетке, остаток фосфата чаще всего не приходит в свободном виде из раствора, а передается от специального переносчика. Но в упрощенных записях реакций это может и не отображаться.

Нуклеозид, фосфорилированный по сахару, называется нуклеотидом (см. рис. 7.5). Фосфорилирование нуклеозидов, как правило, идет по пятому углеродному атому сахара, через присоединенную к этому атому гидроксильную группу. Итак, нуклеотид — это молекула, состоящая из азотистого основания, пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы) и фосфата.

Правило образования названий нуклеотидов таково: название нуклеотида = название нуклеозида + числительное + фосфат. Числительное нужно обязательно, потому что к фосфату могут присоединяться еще фосфаты, как бы последовательно фосфорилирующие друг друга, — всего их бывает до трех штук. Если фосфат один, то числительное — “моно”, если два — “ди”, если три — соответственно “три”. Например, если один раз фосфорилировать аденозин, то получится аденозинмонофосфат (АМФ). Кроме того, если входящий в состав нуклеотида сахар не рибоза, а дезоксирибоза, то ко всему названию добавляется приставка “дезокси”.

Один из самых интересных нуклеотидов — аденозинтрифосфат (АТФ, см. рис. 7.6). Иногда его называют аденозинтрифосфорной кислотой, но название “аденозинтрифосфат” используется чаще. В растворе, заполняющем клетку, АТФ находится в виде аниона, так что фактически это не кислота, а соль. Как видно из названия, эта молекула состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфата.

АТФ может распадаться с участием воды на аденозиндифосфат (АДФ) и обычную фосфорную кислоту. При этом высвобождается довольно много энергии, которая может быть использована для любых внутриклеточных процессов — таких, например, как синтез полимеров, транспорт веществ или мышечное сокращение. При превращении АДФ в АТФ энергия, наоборот, поглощается молекулой последнего и запасается в ней. В целом получается обратимая реакция, которую можно записать очень просто:

АТФ + H 2 O (вода) ⇌ АДФ + H 3 PO 4 (фосфат) + энергия

Это и есть простейшая схема оборота АТФ в живой клетке. И это — процесс, от которого напрямую зависит все наше существование.

Фермент, превращающий АДФ в АТФ и тем самым запасающий в молекуле АТФ энергию, называется АТФ-синтазой. Фермент, расщепляющий АТФ до АДФ и использующий высвобожденную энергию для какой-нибудь работы, называется АТФазой. Эти названия ни в коем случае не надо путать — они относятся к строго противоположным процессам. За сутки в организме человека синтезируется, по разным подсчетам, от 40 до 75 килограммов химически чистого АТФ. Но он не накапливается, а почти сразу расщепляется обратно до АДФ, расходуясь в качестве “топлива”. Как запасное вещество АТФ не используется, потому что его слишком неудобно хранить. Среднее время жизни отдельно взятой молекулы АТФ — меньше одной минуты. С другой стороны, запаса АТФ, имеющегося в каждый данный момент, любой живой клетке хватит не больше чем на несколько секунд, так что он должен постоянно синтезироваться заново. Именно синтез АТФ является главным конечным результатом процессов получения энергии — таких, например, как дыхание.

В 1939 году известные биохимики Владимир Александрович Энгельгардт и Милица Николаевна Любимова совершили поразительное открытие. Их интересовала биохимия мышечного сокращения, и они сумели выделить из клеток мышечный белок — миозин, — конденсированный в виде нитей. Дальше оказалось, что если поместить эти нити в раствор АТФ, то происходят одновременно два процесса. Во-первых, АТФ расщепляется до АДФ и фосфата, надо полагать — под действием миозина. А во-вторых, нити миозина при этом... укорачиваются. Во всяком случае, существенно уменьшается максимальная длина, до которой их можно растянуть.

Так была открыта АТФазная активность миозина. И заодно было очень наглядно показано, что энергия, высвобожденная при расщеплении АТФ, может тут же “конвертироваться” в механическую работу. Правда, на самом деле чистого миозина для этого недостаточно, нужен как минимум еще один белок — актин. Но в принципе Энгельгардт и Любимова все поняли абсолютно верно. Их открытие, кстати, было сразу же оценено современниками: в 1943 году авторы получили за него высшую тогда в СССР награду — Сталинскую премию.

Любая АТФаза является белком, который, расщепляя АТФ, за счет высвобожденной при этом энергии одновременно совершает работу (не обязательно механическую: с тем же успехом это может быть перенос веществ через клеточную мембрану или какой-нибудь энергоемкий синтез). Если белки-АТФазы — аналоги маленьких двигателей, то АТФ служит для клетки самым настоящим топливом.

Иногда связи между остатками фосфата в формуле АТФ обозначают не прямой черточкой, как обычные ковалентные связи, а волнистой (~). Это предложенное немецким биохимиком Фрицем Липманом обозначение тех связей, при разрыве которых, собственно, и выделяется достаточно большая по биохимическим меркам энергия. Такие связи называются высокоэнергетическими или макроэргическими. АТФ — не единственное вещество с макроэргическими связями, но, безусловно, самое распространенное. Это энергетическая “разменная монета” живой клетки.

Во избежание недоразумений надо сказать, что количество энергии, высвобождаемое при разрыве макроэргической связи в АТФ, на самом деле вовсе не является каким-то потрясающе огромным. Как раз наоборот, по меркам обычной химии, особенно неорганической, оно скорее невелико. Это объясняется очень просто: слишком большую разовую порцию энергии клетке было бы труднее пустить в дело.

Фермент аденилатциклаза может превратить АТФ в другое интересное соединение — циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Это довольно странно выглядящая молекула, где один и тот же фосфат связан сразу с двумя гидроксилами рибозы (третьим и пятым). Ни для переноса энергии, ни для построения каких-либо более сложных соединений цАМФ не годится. Зато это важное сигнальное вещество, служащее посредником при передаче информации внутри клеток, а иногда и между клетками.

Например, цАМФ может через цепочку посредников запустить процесс распада нерастворимого гликогена до растворимой глюкозы — это существенно ускоряет обмен веществ (см. главу 6). Для того чтобы этот эффект не длился слишком долго, существует фермент фосфодиэстераза, который разрывает в молекуле цАМФ фосфатный мостик и превращает его в безобидный обычный АМФ, лишенный сигнальных функций. Благодаря этому ферменту молекулы цАМФ в клетках быстро расщепляются, и мы избегаем перерасхода энергии. А самым распространенным блокатором фосфодиэстеразы является не что иное, как уже знакомый нам кофеин. Это еще один способ, которым кофеин может действовать на организм. Тут мы имеем дело с типичным случаем конкурентного ингибирования, когда активный центр фермента “запирается” молекулой, близкой по структуре к нормальному субстрату этого фермента, но слегка отличающейся от него (см. главу 3). Именно такой молекулой кофеин и служит. Правда, на фосфодиэстеразу кофеин действует только в огромных концентрациях, которые в организме достигаются редко. Так что развенчивать кофеин, лишая его статуса психоактивного вещества, не стоит: в первую очередь он действует все-таки на аденозиновые рецепторы, которые сидят на нервных клетках.

 

Полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, называется нуклеиновой кислотой.

Что можно сказать о таком полимере? Прежде всего, он в некотором отношении сложнее, чем состоящий из аминокислот белок, потому что любой нуклеотид — это (как мы теперь знаем) куда более сложная молекула, чем любая аминокислота. В нуклеиновой кислоте остатки сахара, принадлежащие разным нуклеотидам, соединены между собой через фосфатные группы. В результате получается длинная цепочка чередующихся остатков сахара и фосфата — так называемый сахаро-фосфатный остов, вбок от которого торчат азотистые основания. Представим эту картину, и можно считать, что общее представление о нуклеиновой кислоте мы уже получили.

Разные нуклеиновые кислоты называются по-разному в зависимости от того, какой у них в нуклеотидах сахар. Если это рибоза, то кислота рибонуклеиновая, а если дезоксирибоза — соответственно, дезоксирибонуклеиновая. Сокращения, обозначающие эти кислоты, — ДНК и РНК — вряд ли будут для кого-то из читателей большой новостью. В нашем перенасыщенном информацией мире про них труднее не услышать, чем услышать.

Объединить нуклеотиды в нуклеиновую кислоту в принципе очень просто. От гидроксильной группы, принадлежащей сахару одного нуклеотида, отщепляется водород (–H). От фосфата, принадлежащего другому нуклеотиду, отщепляется гидроксильная группа целиком (–OH). Эти отщепленные фрагменты образуют воду (H–O–H), а нуклеотиды соединяются по освободившимся связям. В результате между сахаром одного нуклеотида и фосфатом другого остается атом кислорода (–O–). Правда, в реальной живой клетке все происходит несколько сложнее (синтез нуклеиновой кислоты там начинается не с нуклеозидмонофосфатов, а с нуклеозидтрифосфатов). Но нам это сейчас неважно. Важно, что в итоге получается цепочка нуклеотидов, сахара которых соединены фосфатными мостиками.

Теперь — серьезное дополнение (см. рис. 8.1А). Соединяющий нуклеотиды фосфатный мостик всегда расположен между 3'-углеродом одного сахара и 5'-углеродом другого. У возникающей цепочки нуклеотидов два конца, на одном из которых находится свободный фосфат (это 5'-конец), а на другом — свободная гидроксильная группа сахара (это 3'-конец; в устной речи прямо так и говорится — “пять-штрих-конец” и “три-штрих-конец”). Запомним это! Различать направления 5'→3 и 3'→5' очень важно: некоторые биологические функции нуклеиновых кислот без этого просто невозможно понять.

Хорошо еще, что ДНК и РНК — линейные полимеры, то есть неветвящиеся. Правда, чисто химически их ветвление вполне возможно, но современные живые организмы эту возможность почти нигде не реализуют.

 

Две кислоты

Между РНК и ДНК есть три главных отличия (см. рис. 8.1Б):

* ДНК имеет форму двойной спирали и используется для долговременного хранения генетической информации. РНК же почти всегда одноцепочечная и используется для передачи генетической информации, но не для ее постоянного хранения. Исключение можно найти только у такой странной (с нашей точки зрения) формы жизни, как РНК-содержащие вирусы.

* Вместо рибозы в ДНК входит дезоксирибоза — сахар, имеющий на один атом кислорода меньше.

* Из трех пиримидиновых азотистых оснований в РНК входят только урацил и цитозин, а в ДНК — только тимин и цитозин. Фактически в ДНК урацил заменен тимином.

Нет сомнений, что эти отличия должны иметь эволюционное объяснение, и довольно скоро мы попробуем его найти.

Исторически сложилось так, что поначалу в центре внимания биологов оказалась не РНК, а именно ДНК. В клетке ее обычно больше, и выделить ее для химического анализа легче. Кстати говоря, на самом деле природная ДНК — это не столько кислота, сколько соль. Кислотой ее называют из-за фосфатных групп. Но в условиях живого организма эти группы диссоциируют (отдают протоны), и остаются обнаженные отрицательные заряды, которые компенсируются положительно заряженными ионами натрия (Na+), благо натрий в окружающем растворе всегда есть. Так что с чисто химической точки зрения правильнее было бы называть ДНК дезоксирибонуклеатом натрия. И действительно, во многих старых классических работах ее именно так и называют. Но сейчас название “ДНК” настолько прочно вошло в язык, что менять его, видимо, уже не придется.

Главный источник ДНК в природе — ядра клеток эукариот. Как мы помним, эукариотами, собственно, и называются организмы с клеточными ядрами, то есть животные, растения, грибы и многие одноклеточные вроде инфузорий и амеб (см. главу 5). Что такое само клеточное ядро, мы пока “не знаем”, и нам не важны никакие детали его устройства, кроме самых простых фактов. Ядро — это находящаяся внутри клетки полость, окруженная оболочкой из двух мембран, в целом подобных наружной клеточной мембране, и содержащая очень много ДНК. Обычно клеточное ядро прекрасно видно под микроскопом. Само название “нуклеиновые кислоты” происходит именно от латинского слова, обозначающего ядро (nucleus). Вместе с белками, на которые она намотана, ядерная ДНК образует нити, которые тоже бывают хорошо заметны под микроскопом (эти нити принято называть хромосомами). Но и в клетках бактерий и архей, у которых нет никакого ядра, ДНК тоже всегда есть. Собственно, она есть абсолютно в любой современной живой клетке. Исключением могут быть только заведомо обреченные на скорую гибель клетки вроде, например, наших красных кровяных телец — эритроцитов (которые, надо заметить, и клетками-то не все биологи согласны считать).

К тому же молекулы ДНК просто огромны. У эукариот они могут состоять буквально из миллиардов нуклеотидных звеньев. Это самые длинные полимеры, какие только существуют в живой природе.

В общем, не заметить такое вещество было бы трудно. Но вот что и как оно делает — оставалось загадкой в течение нескольких десятков лет. Сейчас мы посмотрим, как эта тайна постепенно раскрывалась.

Тут не обойтись без небольшого авторского вступления. Эта книга ни в коем случае не труд по истории науки. Принятый в ней порядок изложения — логический, а не исторический. Это означает, что рассказ, по возможности, ведется, исходя из логики природных явлений, а не из того, что и в каком порядке открывали разные профессора, жившие сотню лет назад или еще раньше. В конце концов, наша главная цель — узнать что-то о современной биологии. Извилистые пути, пройденные научной мыслью давным-давно, тут могут подождать. И все же ради истории исследований ДНК хочется сделать исключение. Эта тема так важна и в то же время так поучительна, что мы позволим себе на ней остановиться — хотя бы кратко, в виде сжатого обзора, фиксирующего главные вехи.

 

Первый этап: открытие

Само существование ДНК открыл в 1869 году швейцарец Фридрих Мишер. Это открытие ни в коей мере нельзя назвать случайным. Фридрих Мишер, 25-летний на тот момент ученый, буквально чуть ли не с рождения вошел в научную элиту своего времени. Он был сыном профессора-медика, а его родной дядя — Вильгельм Гис — оказался выдающимся эмбриологом и анатомом, имя которого нередко упоминается в учебниках и сейчас, в XXI веке. (Каждый студент-медик знает, например, пучок Гиса, проходящий в продольной перегородке человеческого сердца.) Племянник и дядя дружили. И скорее всего, именно от Вильгельма Гиса еще совсем юный Фридрих Мишер воспринял мечту раскрыть самые фундаментальные тайны живой природы. В 17 лет он поступил на медицинский факультет, но работать практикующим врачом, судя по всему, не собирался ни дня. Ему просто нужна была хорошая естественно-научная база, чтобы приступить к поиску, как он говорил, “теоретических оснований жизни”. Мишер очень рано пришел к общему с Гисом убеждению, что “последние оставшиеся вопросы, касающиеся развития тканей, могут быть решены только на базе химии”. И он решил стать биохимиком. Правда, этого слова тогда еще не существовало, но было понятие “физиологическая химия”, означавшее то же самое. Поработав в великолепных немецких химических лабораториях, Мишер приобрел серьезную квалификацию химика-органика — и занялся изучением химического состава живых клеток.

Свой любимый объект — гной — Мишер обнаружил в хирургической клинике, по соседству с которой в тот момент работал. Из гноя оказалось очень удобно получать целые клетки, в первую очередь, конечно, лейкоциты — клетки иммунной системы, ответственные за воспаление. Именно из лейкоцитов Мишер и выделил вещество, обладавшее следующими четырьмя свойствами:

* оно всегда находится в высокой концентрации в клеточных ядрах, но почти отсутствует во внеядерной части клетки, так называемой цитоплазме ;

* его молекулы — большие, вполне сравнимые по размеру с молекулами белков;

* оно определенно является по химическим свойствам кислотой;

* оно состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и довольно большого количества фосфора, но совершенно не содержит серы.

К тому времени биохимики уже знали, что в белках сера присутствует обязательно (как мы сейчас понимаем, она входит в состав некоторых аминокислот). А вот фосфора в них нет. Это со всей определенностью означало, что открытое Мишером вещество не белок, а нечто совсем другое.

Сам Мишер назвал это вещество “нуклеин”, от латинского слова nucleus — ядро. Через 20 лет Рихард Альтман переименовал “нуклеин” в “нуклеиновую кислоту”. Это название в науке и прижилось.

Мишер прекрасно понимал, что “нуклеин” не белок, и допускал, что это вещество выполняет какую-то особую функцию, свойственную только материалу клеточных ядер. Чтобы изучить химию нуклеина более детально, он использовал сперматозоиды — мужские половые клетки животных, в которых, кроме ядра, почти ничего толком и нет.

Между тем представление, что процессы передачи наследственной информации как-то связаны с клеточным ядром, к тому времени уже вошло в научный оборот. Это называлось ядерной теорией наследственности. Почему бы тогда “нуклеину” и не оказаться материальным носителем наследственных качеств? И действительно, в 1874 году Мишер записал: “Если бы мы предполагали, что какое-то одно вещество является специфической причиной оплодотворения, в первую очередь нам, несомненно, пришлось бы рассмотреть нуклеин”.

 

Второй этап: рутина

Фридриху Мишеру необыкновенно повезло. В своем стремлении раскрыть главную химическую тайну жизни он сразу выбрал абсолютно правильное направление поиска. Полученные им результаты подготовили науку к грандиозному прорыву. Но вот самого прорыва как раз и не произошло. В течение следующих 40 лет, примерно с 1890 по 1930 год, исследования нуклеиновых кислот оставались в общем-то непопулярной областью биохимии. Люди, которым хватало квалификации, чтобы ставить биохимические опыты, в этот период гораздо больше интересовались белками. Тогда уже было ясно, что белки — универсальные химические “слагаемые” жизни. В отношении нуклеиновых кислот такой уверенности не было даже у энтузиастов, при том что исследование этих веществ по чисто химическим причинам было заметно более трудоемким, чем исследование белков. Неудивительно, что желающих ими заниматься находилось относительно немного.

Правда, и в этот период у некоторых людей случались озарения. Вопрос о биологической роли ДНК не обошел стороной, например, известный физиолог Жак Лёб. В вышедшей в 1906 году книге под названием “Динамика живой материи” он совершенно четко сформулировал два предположения:

* наследственная информация при оплодотворении, скорее всего, передается каким-то одним строго определенным химическим веществом;

* нуклеиновые кислоты являются гораздо более вероятными кандидатами на роль этого вещества, чем белки.

Лёб стремился сводить всю живую природу к простым физико-химическим факторам, и это, конечно, вызывало у многих биологов возражения, особенно когда применялось к таким сложным явлениям, как, например, поведение животных. Но именно в отношении передачи наследственной информации Лёб оказался абсолютно прав. Он, что называется, попал в яблочко. К сожалению, в 1924 году, когда ученый умер, оценить этого еще никто не мог. Предложенная им гипотеза о веществе наследственности просто затерялась среди множества других гипотез, казавшихся тогда не менее вероятными.

Американский биолог Леонард Троланд высказал другую смелую гипотезу: нуклеиновые кислоты — это своего рода небелковые ферменты, запускающие процесс копирования генетической информации. Гораздо позже стало понятно, что эта мысль не просто красива, но и (опять же) в немалой степени верна. У некоторых нуклеиновых кислот такая функция действительно есть.

Увы и увы, 100 лет назад все эти идеи разбились о полное равнодушие профессиональных генетиков, интересы которых в тот период были совершенно другими. Впрочем, самих генетиков тут тоже можно понять. Их юная наука, только в 1905 году получившая свое название, развивалась невероятно бурно — и охватить все возможные направления просто-напросто не получалось. А при этом ни концептуальный аппарат генетики, ни создавшие ей славу “фирменные” методы исследований изначально ни с какой химией связаны вовсе не были. И в результате генетики начала XX века практически единодушно решили, что поиск химического носителя наследственной информации — дело далекого будущего, а пока что на это отвлекаться не следует.

Таким образом, биохимики (вернее, те из них, кого это вообще интересовало) были вынуждены изучать ДНК в гордом одиночестве. Причем “сухой остаток” от этой долгой и трудной работы был довольно скромным. Стало понятно, что нуклеиновая кислота — это полимер, состоящий из нуклеозидов, соединенных фосфатными мостиками, то есть, иными словами, из нуклеотидов. И выяснилось, что нуклеотиды в ДНК бывают четырех типов: адениновый, гуаниновый, цитозиновый или тиминовый. Никаких далеко идущих выводов эти факты не породили. Ну, вещество себе и вещество. Ясно, что оно участвует в клеточном ядре в каких-то биохимических процессах, ну так мало ли там всего разного участвует! Где-то так, по-видимому, и думало большинство биологов к началу 1930-х годов.

 

Третий этап: споры

Между тем гигантский маховик под названием “развитие научных представлений” продолжал проворачиваться. В 1926 году американский генетик Герман Мёллер открыл радиационный мутагенез, то есть повышение частоты генетических мутаций под действием электромагнитных лучей, в данном случае — рентгеновских. Если попадание кванта рентгеновского излучения может изменить структуру гена, значит, ген — это молекула? А если молекула, то должна же у нее быть какая-то химическая формула! И таким образом, вопрос о химической природе наследственного вещества вновь встал на повестку дня.

В начале 1930-х практически все биологи, задававшиеся этим вопросом, считали, что гены — это белки. Почему? Во-первых, к тому времени уже все знали, что белки химически гораздо разнообразнее: в них входит 20 разных типов мономеров, а в составе ДНК — всего четыре типа. Во-вторых, биохимики, изучавшие ДНК в первой трети XX века, наряду со множеством полезных открытий допустили одну простительную, но тем не менее очень серьезную неточность. Они решили, что четыре типа нуклеотидов (адениновый, гуаниновый, тиминовый и цитозиновый) входят в состав ДНК в строго равных концентрациях:

[А] = [Т] = [Г] = [Ц]

Самое логичное объяснение этих данных выглядело так: ДНК, какой бы длины она ни была, должна состоять из одинаковых четырехнуклеотидных блоков, в каждом из которых есть по одному “А”, по одному “Т”, по одному “Г” и по одному “Ц”. Представить, что такой однообразный полимер каким-то образом хранит информацию, было невозможно. Приходилось считать, что ДНК — рядовой участник обмена веществ, разве что специфичный почему-то именно для клеточных ядер.

Впрочем, мнения и тогда бывали разные. В 1933 году работавший в США хорватский биолог Милислав Демерец опубликовал буквально витавшую к тому времени в воздухе гипотезу, что любой ген — это молекула. Пусть и большая молекула, но одна-единственная. Тогда генетическая мутация — просто изменение взаимного расположения атомов в этой молекуле. А в качестве примера того, из чего такая молекула могла бы состоять, Демерец привел не что иное, как схему гипотетического четырехнуклеотидного блока ДНК! Биология опять почти нащупала материальный носитель наследственности — и опять отступила (правда, теперь уже ненадолго). На этот раз биологов подвела химия. Структура нуклеиновых кислот была все-таки еще слишком плохо известна. К примеру, на предложенной Демерцом формуле ДНК значилась гликозидная связь между остатками сахара (см. главу 6), чего на самом деле ни в каких нуклеиновых кислотах не бывает.

Тут самое время вспомнить замечательного русского биолога Николая Константиновича Кольцова, занимавшего в интересующие нас годы должность директора Института экспериментальной биологии в Москве, на улице Воронцово Поле, что у Яузского бульвара. Кольцов — фигура ярчайшая, о его роли в нашей биологии написано немало статей и книг. Сейчас достаточно сказать, что он одним из первых задумался не только о химической основе наследственных качеств, но и о молекулярном механизме их передачи и тут сумел во многом, что называется, опередить свое время (см. главу 3). В 1935 году Кольцов опубликовал следующую гипотезу: ген — это участок очень длинной белковой цепочки, возможно состоящей из тысяч или десятков тысяч аминокислот, чередованием которых, собственно, и кодируется генетическая информация. Забегая вперед, сообщим, что если бы Кольцов заменил белок на ДНК, а аминокислоты на нуклеотиды, то он бы оказался попросту абсолютно прав. К сожалению, такого чуда не случилось. В тех же самых статьях Кольцов убежденно возражает Демерцу: ДНК — “сравнительно простое органическое соединение, которому было бы странно приписывать роль носителя наследственных свойств”. То ли дело белки! Приведем сокращенную цитату:

“Некоторые цитологи придают нуклеиновой кислоте особо важное значение. Так, Демерец считает, что все гены являются лишь вариантами или даже просто изомерами нуклеиновой кислоты. Я никак не могу с этим согласиться, так как молекулярная структура нуклеиновой кислоты слишком проста и однородна. Ведь это, прежде всего, не белковая молекула. У всех животных и растений нуклеиновая кислота одинакова или почти одинакова: думать о миллионах изомеров этой молекулы не приходится. Я считаю поэтому, что нуклеиновая кислота никакого отношения к генам не имеет”.

Поясним, что цитология — это область биологии, изучающая строение клетки. А мысль о том, что все гены являются изомерами нуклеиновой кислоты, не только красива, но и, как мы сейчас понимаем, по сути абсолютно верна. В данном случае Кольцов попал пальцем в небо из-за того, что слишком доверился биохимикам. А последние как раз в те годы стали почему-то склоняться к мнению, что ДНК — вообще не полимер, а совсем небольшая молекула, состоящая всего-то из четырех нуклеотидов (те самые “А”, “Т”, “Г” и “Ц”). Просто в ядре таких молекул очень много, вот и получается большая масса. Сам Кольцов не был биохимиком, поэтому не мог оценить, насколько эти данные надежны или ненадежны. Если бы он отважился допустить, что его открытая “на кончике пера” молекула наследственности не состоящий из тысяч аминокислот белок, а состоящая из тысяч нуклеотидов ДНК, это могло бы изменить всю мировую биологию. Но, насколько можно судить, Кольцову такое в голову не пришло. И никому другому в 1930-е годы — тем более.

Полемика Кольцова и Демерца хорошо показывает, сколь непрямыми путями обычно идет научная мысль. Две идеи, каждая из которых в отдельности была совершенно верна, столкнулись и разошлись. Слияния не произошло. Хотя ждать его оставалось уже совсем недолго.

 

Четвертый этап: эксперименты

В 1944 году американский биолог Освальд Эвери экспериментально показал, что ДНК, и только ДНК может вызвать трансформацию одной разновидности бактерий в другую — в данном случае безопасного штамма пневмококка в болезнетворный, вызывающий инфекционное воспаление легких. Вот этот момент и следует считать открытием генетической роли ДНК (см. рис. 8.2).

Освальд Эвери на протяжении всей своей научной карьеры, больше 40 лет, занимался только пневмококками — бактериями, которые вызывают пневмонию. Тут надо сказать, что ему невероятно повезло с объектом. Сам факт, что некая таинственная “растворимая субстанция” может передаваться от одной бактерии к другой и навсегда менять наследственные свойства бактерии-реципиента, был открыт именно на пневмококках еще в 1920-х годах. Но вот ответ на вопрос, что это за субстанция такая, требовал очень тонких, технически сложных биохимических опытов, поставить которые долгое время никто не мог. Эвери стал первым. Он многие годы работал над этой темой, продолжил работу несмотря на то, что уже вышел в официальную отставку по возрасту, и добился-таки успеха (в момент выхода главной статьи ему было 67 лет).

На самом деле поворотная точка была пройдена в марте 1943 года, когда Эвери прочитал перед попечителями Рокфеллеровского фонда небольшой доклад, завершавшийся однозначным выводом: субстанция, способная вызывать стойкую трансформацию бактерий, — это ДНК. Задержка выхода статьи на год объясняется в основном тем, что с ее подачей медлили, обдумывая каждое слово. Эвери и его сотрудники прекрасно понимали, насколько важный результат они получили.

В том же 1944 году австралиец Фрэнк Макфарлейн Бёрнет опубликовал ключевой тезис: ДНК ведет себя так, как будто гены именно из нее и состоят. После работы Эвери этот вывод вроде бы напрашивался, так что выяснение приоритета тут выглядит похожим на знаменитый спор о том, кто первым сказал “э”. Но на самом деле все было не так просто. Очень многие крупные биологи и после 1944 года все еще по инерции держались за убеждение, что гены состоят из белка, а ДНК — в лучшем случае всего лишь мутагенное вещество (правда, вызывающее какие-то уж очень странные предсказуемые мутации). Именно так поначалу решил, например, знаменитый генетик Феодосий Добржанский. Сам Эвери, насколько можно судить, колебался. И вообще, без споров не обошлось. Бёрнет — между прочим, выдающийся вирусолог и иммунолог, впоследствии совсем за другие заслуги получивший Нобелевскую премию, — оказался смелее большинства мэтров.

Так или иначе, теперь все убедились, что во всяком случае какое-то отношение к генетической информации ДНК имеет точно. Цель была определена, и охота началась.

 

Пятый этап: двойная спираль

Результаты Эвери (которые вскоре были подтверждены и в других лабораториях) оживили угасший было интерес биохимиков к нуклеиновым кислотам. Во второй половине 1940-х годов эта тема пережила своего рода возрождение. Эрвин Чаргафф, высококвалифицированный биохимик европейской школы, довольно быстро опроверг сбивавшую всех с толку старую “тетрануклеотидную теорию”, согласно которой ДНК должна состоять из одинаковых блоков по четыре нуклеотида. Как мы помним, эта теория исходила из того, что четыре азотистых основания присутствуют в ДНК в равных количествах. Чаргафф провел точные измерения, показавшие, что это неверно. На самом деле количество аденина строго равно количеству тимина, а количество гуанина строго равно количеству цитозина:

[А] = [Т]

[Г] = [Ц]

Эти соотношения называются правилами Чаргаффа. Отношение [А+Т]/[Г+Ц] константой как раз не является и может отличаться у разных организмов. А вот правила Чаргаффа соблюдаются всегда. Что же это может означать? Никаких четырехнуклеотидных блоков в составе ДНК нет, иначе соотношения совершенно точно были бы иными. Но почему бы там не быть не четверкам, а парам? Правила Чаргаффа легче всего объяснить, предположив, что нуклеотиды входят в ДНК в составе пар: или АТ, или ГЦ.

В этом месте полезно вспомнить, что, собственно говоря, означают буквы А, Т, Г и Ц. Аденин (А) и гуанин (Г) — это пуриновые азотистые основания, а цитозин (Ц) и тимин (Т) — пиримидиновые. И мы тут же получаем вытекающее из правил Чаргаффа важнейшее утверждение: в одной и той же молекуле ДНК общее количество пуриновых оснований (А и Г) всегда строго равно общему количеству пиримидиновых (Т и Ц). В этом плане предполагаемые пары АТ и ГЦ устроены одинаково: в каждой паре одно основание пуриновое, другое — пиримидиновое.

Оставалось сделать последний шаг: установить трехмерную структуру молекулы ДНК, решив задачу из области науки, которая называется стереохимия.

Пытаясь разобраться в устройстве ДНК, американец Джеймс Уотсон и англичанин Фрэнсис Крик увидели, что возникающие между азотистыми основаниями водородные связи делают пары аденин-тимин и гуанин-цитозин фактически идентичными друг другу по общей форме. И там и там возникает одна и та же легко узнаваемая структура из трех колец (см. рис. 8.3А).

У Уотсона и Крика получилось, что между аденином и тимином должны образоваться две водородные связи, а между гуанином и цитозином — три. Поэтому пара ГЦ должна быть прочнее, чем пара АТ (сейчас мы знаем, что это действительно так). Зато в обеих парах — один пурин и один пиримидин, как и ожидалось.

Надо заметить, что решить эту задачу Уотсону и Крику удалось не с первого раза. Помните, мы говорили, что у азотистых оснований бывают две изомерные формы — спиртовая и кетонная (см. главу 7)? Так вот, в учебниках биохимии 1940-х годов чаще всего изображалась только спиртовая форма. Уотсон и Крик исходили именно из нее, и ничего собрать у них не получалось, пока профессиональный химик Джерри Донохью не объяснил им, что это бесполезное занятие: в физиологических условиях азотистые основания всегда находятся не в спиртовой форме, а в кето-форме! Ни Уотсон, ни Крик химиками вообще-то не были, так что эта помощь оказалась драгоценной.

Но теперь у них получилась модель молекулы, идеально соответствовавшая правилам Чаргаффа. С самим Чаргаффом, кстати говоря, у Уотсона и Крика общение не сложилось — тот счел их дилетантами, с которыми и разговаривать-то серьезно не стоит. “Презрение Чаргаффа к нам достигло предела, когда Фрэнсис вынужден был признаться, что не помнит химических различий между четырьмя азотистыми основаниями”, — писал потом Уотсон. Но это было уже неважно.

Осталось сопоставить полученную модель с данными рентгеноструктурного анализа, дававшего размытые и нечеткие, но все-таки снимки молекул ДНК в рентгеновских лучах. К счастью, по соседству с Уотсоном и Криком работали сильные рентгеноструктурщики — Морис Уилкинс и Розалинд Франклин. Забегая вперед, надо сказать, что через несколько лет Уилкинс получил вместе с Уотсоном и Криком Нобелевскую премию, а Франклин, к сожалению, нет, потому что безвременно умерла от рака.

В итоге Уотсон и Крик собрали (в самом буквальном смысле, из проволоки и жести) модель молекулы ДНК, полностью отвечавшую как биохимическим, так и рентгеноструктурным данным (см. рис. 8.3Б). Оказалось, что молекула состоит из двух цепочек. И против любого основания в одной цепочке должно стоять дополнительное к нему (комплементарное) основание в другой: против аденина — тимин, против тимина — аденин, против гуанина — цитозин и против цитозина — гуанин. Причем эти цепочки должны быть антипараллельны, то есть противоположно направлены. Вот здесь нам как раз пригодится усвоенное в начале этой главы представление о 5'-конце и 3'-конце цепочки нуклеиновой кислоты. У двух цепочек, образующих молекулу ДНК, эти концы всегда направлены в противоположные стороны. С параллельными цепочками модель не собиралась, антипараллельность неожиданно оказалась совершенно обязательным условием. Никаких ковалентных связей между двумя цепочками ДНК нет — только водородные. Так что формально это две отдельные молекулы, их просто традиционно принято считать за одну.

В трехмерном пространстве изученная Уотсоном и Криком молекула ДНК имеет форму двойной спирали, напоминающую двойной штопор (такие редко, но встречаются). Если ее раскрутить, то к каждой из двух цепочек можно будет автоматически достроить комплементарную — конечно, при наличии в окружающем растворе нужных мономеров-нуклеотидов. Стереохимия азотистых оснований просто не допустит другого варианта: к аденину может пристроиться только тимин, к гуанину — только цитозин и так далее. А это означает, что Уотсон и Крик открыли не более и не менее как механизм копирования наследственной информации.

В свете этого осознания авторский комментарий, сделанный Уотсоном и Криком в их знаменитой статье 1953 года, воистину выглядит шедевром скромности. Там сказано:

“It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests possible copying mechanism for the genetic material”.

(В переводе: “От нашего внимания не ускользнуло то, что постулированное нами специфическое спаривание немедленно предполагает возможный механизм копирования генетического материала”.)

По существу, задача была решена в тот момент, когда удалось установить одинаковую форму пар АТ и ГЦ. Именно в этот день Фрэнсис Крик принялся рассказывать всем подряд в кембриджском пабе “Орел”, что они с коллегой только что раскрыли секрет жизни (отчего даже Уотсону, никогда не страдавшему избытком скромности, стало не по себе). Но и в самом деле, собрать правильную трехмерную модель ДНК после этого оказалось делом техники.

Вся эта история отлично показывает, насколько коллективным процессом является наука. Уотсон и Крик при всем их огромном таланте были еще и необычайно удачливы: в их распоряжении оказалось готовое полное условие задачи, которую оставалось только решить. Например, их модель двойной спирали была бы невозможна без результатов биохимического анализа Чаргаффа и равным образом — без рентгенограмм Уилкинса и Франклин. Причем получить все это самостоятельно Уотсон и Крик не могли — у них просто не было такой профессиональной подготовки. А Чаргафф, в свою очередь, работал на основе старой “тетрануклеотидной теории”, хоть и опроверг ее. Двигаясь таким образом вспять по цепочке ученых, каждый из которых делал возможной работу следующего, мы получим некий причудливый граф, где Уотсон и Крик будут располагаться в одной из вершин. Впрочем, о чем-то подобном писал еще в XII веке Бернар Шартрский: “Мы подобны карликам, усевшимся на плечах великанов; мы видим больше и дальше, чем они, не потому, что обладаем лучшим зрением, и не потому, что выше их, но потому, что они нас подняли и увеличили наш рост собственным величием”.

Самое главное в двойной спирали ДНК не то, что она спираль, а то, что она двойная. Теоретически двойная цепь ДНК вполне могла бы быть и линейной, как застежка-молния, без всякой спиральности. На ее свойства как носителя информации это нисколько не повлияло бы. Спиральная конформация энергетически выгоднее по чисто химическим причинам, из-за углов между ковалентными связями. Но тут химия неожиданно совпала с эстетикой: двойная спираль просто красива. Неудивительно, что она быстро стала широко известным символом глубинного механизма жизни.

 

И снова две кислоты

Теперь самое время прояснить вопрос: в чем же смысл химических отличий между ДНК и РНК?

Прежде всего напомним, что главное из этих отличий выражено в самом названии: в состав РНК входит рибоза, а в состав ДНК — дезоксирибоза. Добавив к этому факту кое-что еще, мы получим следующую картину:

* РНК гораздо легче синтезируется, потому что реакция синтеза дезоксирибозы требует более сложных ферментных систем, чем реакция синтеза рибозы;

* ликвидация 2'-гидроксильной группы (той самой, которой дезоксирибоза лишена) резко уменьшает химическую активность нуклеиновой кислоты, и в том числе ее подверженность спонтанному распаду с участием воды;

* ДНК редко бывает одноцепочечной (только у некоторых вирусов), а в двуцепочечной форме она очень устойчива из-за огромного количества водородных связей и — дополнительно — из-за гидрофобного взаимодействия между множеством налегающих друг на друга плоских колец азотистых оснований.

Создается явное впечатление, что ДНК была “специально придумана” природой как долговременное надежное хранилище информации.

Есть и еще одно важное отличие. В 1980-х годах было обнаружено, что некоторые РНК способны вести себя как ферменты, катализируя определенные химические реакции (например, разрезание или синтез других РНК). Такие РНКовые аналоги ферментов называются рибозимами. Эта способность вовсе не является редкостью, она не требует большой длины РНК или какой-то уникальной нуклеотидной последовательности. Рибозимы часто бывают длиной в 100–200 нуклеотидов или меньше. Самый маленький известный рибозим имел длину всего 13 нуклеотидов. Это означает, что химическая эволюция могла создать рибозимы очень легко. Даже при совершенно случайном переборе последовательностей РНК какие-нибудь рибозимы обязательно появятся, причем довольно быстро.

У ДНК же каталитическая способность резко ослаблена все той же потерей 2'-гидроксильной группы. Таким образом предотвращается, например, случайное возникновение саморазрезающихся рибозимов — в РНК бывает даже такое. Живым организмам совершенно не нужна каталитическая способность ДНК. Наоборот, чем она инертнее, тем лучше. Для редактирования генетической информации есть другие молекулы. А ДНК должна ее просто хранить.

Открытие рибозимов сразу вызвало к жизни так называемую гипотезу РНК-мира. Сторонники этой гипотезы считают, что первоначально живые системы состояли в основном из разнообразных молекул РНК. Эти молекулы РНК служили и носителями информации, и катализаторами всевозможных химических реакций. И только потом специализированными катализаторами стали белки, а специализированными хранителями информации — молекулы ДНК. За самой же РНК остались функции, связанные с передачей генетической информации и частично с регуляцией работы генов.

В самом деле, мы скоро убедимся, что ДНК, в отличие от РНК, не является в системе передачи генетической информации абсолютно необходимым звеном. Все генетические процессы в принципе можно было бы осуществить с помощью одних только РНК, которые и в современном мире довольно разнообразны. Генетическую систему, включающую только РНК, сконструировать можно, а вот включающую только ДНК — нельзя.

К этому можно добавить, что соединения рибозы и сами по себе, независимо от нуклеиновых кислот, играют важную роль в обмене (например, в энергетическом), чего никак нельзя сказать о соединениях дезоксирибозы: последняя нужна для синтеза ДНК, и больше ни для чего. Все это показывает, что ДНК — продукт гораздо более глубокой специализации, чем РНК, и в целом подкрепляет гипотезу РНК-мира.

Теперь обратимся еще к одному отличию, уже нам известному: в состав ДНК вместо урацила почему-то входит тимин. Напомним, что тимин отличается от урацила всего лишь одной дополнительной метильной группой (–CH3). А дело тут, скорее всего, вот в чем. Есть еще одно азотистое основание, которое входит и в РНК, и в ДНК, и при этом является химически довольно неустойчивым. Это цитозин. Он легко подвергается спонтанному дезаминированию — потере аминогруппы, на место которой приходит гидроксильная группа. А цитозин с гидроксилом вместо аминогруппы — это не что иное, как урацил. Такие уж у этих веществ формулы. Получается, что если хранить генетическую информацию на РНК, то она неминуемо будет постепенно “засоряться” урацилом, образующимся из-за спонтанного дезаминирования цитозина.

А вот из ДНК урацил исключен вообще. Всеобщая замена урацила на тимин дает возможность легко исправлять ошибку дезаминирования, “настроив” соответствующие ферменты на вырезание любых нуклеотидов с урацилом как заведомо ошибочных. Но такая замена имеет смысл только в том случае, если ДНК уже используется как носитель информации! И получается сильный чисто химический довод за то, что ДНК была выбрана живыми системами на роль долговременного хранилища генетической информации “специально”. Никакой другой функции у нее никогда и не было.

Остается понять, какие живые организмы и когда создали это новшество. Это — интереснейший и совершенно нерешенный вопрос. Есть, например, гипотеза, что ДНК как таковая была “изобретена” ДНК-содержащими вирусами, которые потом инфицировали древнейшие клетки, еще содержавшие только РНК, и передали им свою “информационную технологию”. Если это верно — значит, современная клетка, содержащая ДНК, возникла в результате взаимодействия (или даже слияния) древней РНК-содержащей клетки с крупным ДНК-содержащим вирусом. Правда, тут возможна и более сложная последовательность событий — о том, какая именно, мы поговорим в главах 12 и 14.