Наука и удивительное
(Как человек понимает природу) - Вайскопф Виктор - Страница 34

Но эта сложность еще не составляет основного различия между живым и неживым. Поместим оба объекта — пластмассовый мешочек с жиром или желатином и настоящую бактерию — в так называемый питательный раствор, т. е. в раствор сахара, фосфата и аммиака. Пластмассовый мешочек изменится очень незначительно. Немного содержимого мешочка может просочиться сквозь оболочку наружу, а немного раствора может попасть внутрь. Бактериальная же клетка изменится весьма сильно: она будет расти, внутри оболочки образуется больше макромолекул. Молекулы раствора просочатся в клетку сквозь ее оболочку, там они разложатся, и составляющие их атомы перестроятся в новые макромолекулы. Если этот процесс продолжится еще некоторое время, произойдут еще более странные вещи. Клетка разделится на две части, и каждая часть начнет расти сама по себе. В конце концов, когда израсходуется весь питательный материал, все сравнительно простые его молекулы — сахар, фосфат, аммиак — превратятся в сложные макромолекулы клеток. Это и есть процесс жизни.

В основном в клетке содержатся макромолекулы двух сортов — белки и нуклеиновые кислоты. Большая часть клетки состоит из белков; нуклеиновых кислот в ней значительно меньше, но они играют чрезвычайно важную роль.

Начнем с описания белков. Это большие единицы, макромолекулы, построенные из молекул аминокислот того же типа, что и описанные в гл. VI. Аминокислоты нанизаны, как бусины на струну, одна за другой; они как бы выстроились по прямой в ряд; число таких бусинок часто достигает 1000. Здесь мы встречаемся с типичным свойством жизни макромолекул. Они представляют собой цепи из более мелких единиц, расположенных во вполне определенном порядке, — длинные цепи, в которых одна молекула следует за другой.

Порядок чередования этих единиц очень важен. В белках мы находим 20 видов аминокислот. Они имеют свои названия, например глицин, аланин и т. д., но мы будем называть их просто буквами алфавита: а, 6, с и т. д.; всего нам понадобится 20 букв. Теперь мы можем описать белок, перечислив его аминокислоты в том порядке, в каком они расположены (рис. 52).

Рис. 52. Строение белка. а — упрощенная схема различных аминокислот; крючки с одной стороны символизируют карбоксильную группу, крючки с другой — аминогруппу; крючки зацепляются друг за друга и связывают аминокислоты; б — цепь аминокислот; в и г — эти цепи изображены линиями; в — волокнистый, или фибриллярный, белок; его цепи свиваются наподобие волокон веревки; г — глобулярный белок, его цепи свернуты в клубок.

Любое расположение букв, например с, f, m,u, a, d и т. д., определит некий белок. Для описания очень больших молекул белка понадобятся тысячи букв. Имеется бесчисленное множество способов расположения 20 различных видов аминокислот в ряд из 1000 членов. Каждому расположению соответствует один определенный белок. Мы можем получить представление о том, насколько велико число возможных белков, если напомним, что 1000 букв занимает около двух третей книжной страницы. Каждый способ заполнения этих страниц буквами, независимо от того, образуют ли они осмысленные и бессмысленные слова, отвечает другому белку.

Белки, находимые в живой материи, — это лишь малая часть всех возможных белков. Они содержат только «осмысленные» комбинации аминокислот, используемые в структуре и химии клетки. Они отвечают тексту, состоящему из содержательных фраз. Но все же число возможных белков огромно. Например, белки, входящие в состав кожи человека, различны у каждого индивидуума. Поэтому нельзя пересаживать кожу от одного человека другому, кроме тех случаев, когда они однояйцевые близнецы.

Бактериальная клетка — одна из простейших живых единиц, и поэтому она содержит значительно меньшее число белков. В ней «только» 5000 различных видов белков. Они во многих отношениях различны. Одни из них негибки и похожи на волокна; они служат материалом для клеточной стенки, для внутренних мембран и перегородок (эти белки похожи по своему строению на белки кожи человека). Другие белки гибки настолько, что длинные аминокислотные цепи спутаны в клубки. Они называются глобулярными белками и способны перемещаться; из них состоит почти все студнеобразное содержимое клетки.

Глобулярные белки химически активны; как мы увидим далее, они могут участвовать в химических реакциях, нужных для процесса роста. Для таких специальных целей нужны сложнейшие механизмы, вот почему некоторые белки являются такими сложными комбинациями молекул.

Перейдем теперь к макромолекулам второго типа — к нуклеиновым кислотам. Они представляют только малую, но, как мы увидим, наиболее существенную часть клетки. Важнейшая нуклеиновая кислота — это дезоксирибонуклеиновая, сокращенно ДНК (фото VII).

ДНК также представляет собой линейную последовательность отдельных единиц, расположенных одна за другой. Но эти единицы уже не аминокислоты, а молекулы, называемые нуклеотидами. Существует только четыре сорта таких молекул: цитозин, гуанин, тимин и аденин. Здесь нас не интересуют детали их строения; они содержат атомы углерода, азота, кислорода и фосфора. Назовем их просто Ц, Г, Т и А. Элементы, или единицы, цепи, образующие макромолекулу ДНК, на самом деле несколько сложнее. Это пары нуклеотидов. Звеньями такой цепи служат пары Ц с Г и А с Г.

Из-за расположения пар нуклеотидов лучше, быть может, описывать нуклеиновые кислоты как лестницы, а не как цепи (рис. 53).

Рис. 53. Схематическое изображение молекулы ДНК. а — четыре звена ее цепи; б — лестница без скручивания; е — истинная форма скрученной винтовой лестницы.

Каждая ступенька лестницы — это одна из пар. Небезразлично, какой из нуклеотидов пары находится с правой и какой с левой стороны ступеньки. Поэтому существует четыре сорта ступенек: ЦГ, ГЦ, ТА и АТ; они следуют друг за другом во вполне определенном порядке, характеризующем дезоксирибонуклеиновую лестницу. Кроме того, эта лестница закручена в спираль, так что вся молекула выглядит, как винтовая лестница, в которой каждой ступенькой является пара нуклеотидов. В живых клетках эти молекулы имеют огромную длину — они содержат от десяти до ста миллионов пар нуклеотидов в ряд. В клетке спирали все свиты в плотный клубок. Размотав клубок, мы увидим, что в бактериальной клетке полная длина винтовой лестницы достигает сантиметра, а в клетках человеческого тела — нескольких метров (фото VIII).

Здесь надо остановиться и подумать. Мы встретились с молекулярной структурой длиной в несколько сантиметров или метров, т. е. с объектом макроскопического размера, столь же большим, как и предметы на нашем письменном столе. А ведь это одна-единственная молекула. Конечно, она столь длинна, так как состоит из огромного числа нуклеотидов; каждая пара нуклеотидов очень мала, так же мала, как и обычная неживая молекула, длину которой мы считаем примерно равной 10^-7 Но если выстроить в ряд 10 или 100 миллионов таких пар, то мы получим уже макроскопические размеры.

Есть известный смысл в том, что поддержание жизни требует столь длинных молекул. Мы покажем это в дальнейшем более подробно. Пока же удовлетворимся тем, что подчеркнем колоссальное число различных возможных вариантов расположения молекул в ДНК. Мы уже видели, каким огромным числом способов можно построить белковую цепь из 1000 бусинок (аминокислот), если имеется 20 типов бусинок.

В случае ДНК мы имеем только 4 типа звеньев, но всего их может быть 10—100 миллионов! Важно понять, что ограничение числа типов до 4 (вместо 20 у белков) уменьшает число возможных расположений, но не очень сильно. Это уменьшение с избытком перекрывается значительно большим числом звеньев. Вместо 20 букв мы теперь имеем только 4. Но можно записать текст, пользуясь только двумя буквами, как, например, в азбуке Морзе, где применяются только тире и точки. Конечно, для этого требуется в среднем по три или четыре знака на букву, и, следовательно 1000 сигналов будет отвечать только одной пятой части страницы. Однако в молекуле ДНК (помимо того, что имеются четыре, а не два символа) содержится от 10⁷ до 10⁸ ступенек, в несколько тысяч раз больше, чем в белке, что соответствует книге в 1000 или в 10 000 страниц. Поэтому число возможных способов построения молекулы ДНК так же велико, как и число возможных расположений букв (в осмысленном и бессмысленном порядке) в книге, состоящей не менее чем из 10 000 страниц!