Лев Мухин - Планеты и жизнь
Вернемся к нашей микоплазме. Ей для нормальной жизни нужно приблизительно сто ферментов. Эти сто ферментов она строит из тех же двадцати аминокислот.
Могла бы строить 20 10°, а строит меньше, чем 202. Все дело в специфичности белков-ферментов. Последовательность аминокислот в белке полностью определяет его функцию и, в частности, каталитические, или ферментативные, свойства. Поэтому, если мы каким-либо образом поменяем порядок аминокислот в белке, он потеряет свои свойства, которые жизненно необходимы для клетки, для организма.
Но ведь получил американский биохимик С. Фокс так называемые протеиноиды? Получил. Их молекулярный вес порядка 30 тысяч, и, значит, они содержат около 300 аминокислотных остатков. Эти протеиноиды похожи на белки, но все-таки это не белки. Да и способ их получения уж слишком экзотичен.
Фокс брал полностью безводную смесь аминокислот, причем обязателен был избыток аспарагиновой и глютаминовой кислот. Затем нагревал смесь до 170 градусов Цельсия. Аминокислоты сплавлялись в белковоподобное вещество, которое, правда, обладало очень маленькой каталитической активностью. Кроме того, им без Вреда могли лакомиться и крысы и бактерии.
Но полностью безводные условия на ранней Земле вряд ли могли существовать. Кроме того, если органика Образовывалась, то синтезировались не только аминокислоты, а и другие молекулы тоже. Так что опыты Фокса не слишком правдоподобны с геологической точки зрения. Таким образом, на сегодняшний день наиболее существенный из компонентов живой материи — белок не удалось получить в экспериментах, связанных с предбиологическими исследованиями.
Другой важный класс макромолекул живых организмов — углеводы. Это соединения, в которых атомы углерода, водорода и кислорода находятся в соотношении 1:2:1. Будучи одним из основных компонентов нашей ежедневной пищи, углеводы поставляют значительную часть энергии, необходимой для живого организма.
Типичные углеводы, с которыми каждый из нас сталкивается ежедневно, — крахмал и сахар. Поскольку это вещества растительного происхождения, а основную массу живого на Земле составляют растения, углеводы имеют «прочное большинство голосов» среди других органических соединений на нашей планете.
Многие углеводы, выделенные из живых организмов, так же как и белки, полимеры. Но структурной единицей углеводов является молекула сахара, например, хорошо известной всем глюкозы. Поэтому полимеры глюкозы называются полисахаридами. Глюкоза, содержащаяся в свободном виде в сладких фруктах, необходима для «энергетического» питания организма. Недаром после болезни, когда человек ослаблен, ему назначают уколы глюкозы.
Молекула глюкозы представляет собой замкнутое кольцо с шестью атомами углерода, химики называют ее шестиуглеродным сахаром. Существуют сахара с большим и меньшим числом атомов углерода. Например, очень важную роль в биохимии играют пятиуглеродные сахара — пентозы. Они являются неотъемлемой частью нуклеиновых кислот.
Если мы будем последовательно присоединять одну молекулу глюкозы к другой, то в зависимости от способа присоединения получим крахмал или целлюлозу.
Кстати говоря, целлюлозы в природе больше, чем какого-либо другого органического соединения. Целлюлоза — основной структурный элемент растительных тканей. Хлопок и лен содержат от 90 до 99 процентов чистой целлюлозы, древесина до 45 процентов. Длинные прямые пучки макромолекул целлюлозы образуют в организмах нити, прочность которых превышает прочность хорошей стальной проволоки такого же диаметра.
Сахара и полисахариды без труда получаются в процессе небиологических синтезов, что впервые показал великий русский химик А. Бутлеров. Поэтому молекулы Сахаров никогда не будут камнем преткновения при попытке создания живого из неживого.
Важная составная часть организмов — макромолекулы, которые называются липидами. Более привычное название, употребляемое в обиходе, — жиры. Они тоже построены главным образом из углерода, водорода и кислорода, хотя иногда в их состав входит фосфор. Типичная молекула липида состоит из хорошо известного каждому глицерина (одной молекулы), который соединен с жирными, кислотами.
Молекулы липидов обладают замечательным свойством. Они представляют собой цепочку, которая имеет «голову» и «хвост». «Голова молекулы» может раствориться в воде, а «хвост» нерастворим, гидрофобен. Поэтому молекулы липидов всегда ориентированы в клетке и являются одной из составных частей клеточных мембран. Совсем недавно удалось небиологическим путем синтезировать молекулы этого типа и получить из них аналоги биологических мембран.
В начале короткого рассказа о молекулах, входящих в состав живого организма, говорилось о том, что белки — наиболее существенный компонент живого. Это так. Белки — главные труженики клетки, исполнители.
Но есть еще один тип макромолекул, без которых жизнь в виде, известном на Земле, была бы невозможна. Это знаменитые нуклеиновые кислоты.
В 1868 году, через три года после того как Г. Мендель заложил основы генетики, швейцарский врач Ф. Мишер выделил из гноя больничных бинтов новое вещество, которое он назвал нуклеином. Мишер установил, что нуклеин состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и фосфорной кислоты.
Нельзя не подчеркнуть, что, как только заходит речь о важнейших макромолекулах, составляющих живую клетку, мы вновь и вновь сталкиваемся с замечательным свойством живого: в основе всего живого лежит химия углерода.
В 1889 году вещество, выделенное Мишером, было предложено называть нуклеиновой кислотой. Следует заметить, что Мишер нашел это соединение, изучая клеточное ядро, и, помимо получения нуклеина, что само по себе является эпохальным открытием, Мишер предположил, что именно нуклеин является генетически активным материалом. К сожалению, это осталось в то время незамеченным.
После открытия Мишера началось интенсивное исследование химии нуклеиновых кислот, но только через восемьдесят лет всем стала очевидна центральная роль, которую нуклеиновые кислоты играют в управлении клеточными процессами. Это, бесспорно, некая ирония судьбы, поскольку Мишер обнаружил нуклеин именно при попытке раскрыть химическую природу клеточного ядра.
В 1910 году было установлено, что нуклеиновые кислоты содержат в своем составе сахар, а вскоре после этого было высказано предположение, что сахар и азотистое основание (например, упоминавшийся выше аденин) объединены в общий комплекс. Этот комплекс, в свою очередь, соединен с фосфорнокислым остатком.
Углевод вместе с азотистым основанием назвали нуклеозидом, а нуклеозид вместе с фосфатной группой — нуклеотидом.
Нуклеиновые кислоты являются полимерами нуклеотидов — полинуклеотидами. В нуклеиновых кислотах используется, как правило, пять оснований — аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил.
К 1930 году стало ясно, что существует два типа нуклеиновых кислот, отличающихся молекулой сахара и составом азотистых оснований. Впоследствии они получили название рибонуклеиновой кислоты (РНК) и дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). В построении молекулы ДНК участвуют четыре азотистых основания — аденин, гуанин, тимин и цитозин. В РНК вместо тимина — урацил. Есть и отличие в пентозах: в состав РНК входит рибоза, а ДНК — дезоксирибоза. Ученым, занимающимся предбиологической химией, сто лет спустя после открытия Мишера удалось синтезировать нуклеозиды, нуклеотиды и их полимеры. Но полученное в лаборатории драматически отличалось от того, что делает живая клетка.
Структура клеточных нуклеиновых кислот идеальна.
Это законченное молекулярное архитектурное сооружение. Нуклеиновые кислоты — полимеры нуклеотидов, и в клетке нуклеотиды соединяются между собой всегда по одному и тому же правилу. Мы помним, что пентозы — пятиуглеродные циклические сахара. Так вот, в нуклеиновых кислотах связь между нуклеотидами осуществляется через фосфатную группу, которая соединяет совершенно определенный атом углерода в пентозе одного нуклеотида с другим всегда одним и тем же (из пяти возможных) атомом углерода в пентозе другого нуклеотида. А в колбе получается хаос. Эта та же ситуация, которая случается с ребенком, когда он впервые открывает игрушку-конструктор. Чтобы построить что-нибудь стоящее, необходимо прикладывать одну деталь к другой определенным образом. Природа умеет это делать, а химики пока нет.
Кроме того, клетка способна создавать информацию.
И это главное.
Глава VII
КЛЕТКИ РАБОТАЮТ
Существует очень простой факт, хорошо известный биологам. Он заключается в следующем. Для создания, а точнее, для биологического синтеза своих компонентов клетка должна получить из окружающей среды не только строительный материал, но и энергию. Когда клетка питается, например, глюкозой, она окисляет ее до углекислого газа и воды. В результате распада глюкозы выделяется энергия, которую клетка использует для всех своих нужд, в частности, для построения самых различных молекул, На примере процесса брожения посмотрим, как происходит распад глюкозы в живом организме. Этот процесс был известен еще во времена неолита, когда древние люди научились превращать виноградный сок в вино, Египтяне приписывали изобретение виноделия богу Озирису, а библейские сказания связывают это великое открытие с именем Ноя. Древние греки также видели здесь руку богов и прославляли Дионисия. Римляне — Вакха. Но природу брожения, так же как и природу многих физических явлений, удалось объяснить лишь в XIX веке. Сделал это французский физик Гей-Люссак.
