Случайность и необходимость - Жак Моно
Итак – и это ключевой момент:
а) энергия активации ковалентных реакций, как правило, достаточно высока, в результате чего при низкой температуре и в отсутствие катализаторов скорость их протекания невелика или равна нулю;
б) энергия активации нековалентных реакций обычно крайне мала, если не равна нулю, а потому они протекают самопроизвольно и очень быстро даже при низкой температуре и в отсутствие катализаторов.
В результате структуры с нековалентными связями могут достичь определенной устойчивости только в том случае, если подразумевают множественные взаимодействия. Более того, нековалентные взаимодействия приобретают заметное количество энергии только тогда, когда атомы находятся на очень небольшом расстоянии друг от друга, т. е. расположены практически «вплотную». С другой стороны, две молекулы (или части молекул) могут образовать нековалентную связь только при условии, что поверхности обеих молекул содержат комплементарные участки, позволяющие нескольким атомам одной из них вступать в контакт с несколькими атомами другой.
Понятие нековалентного стереоспецифичного комплекса
Если учесть, что все комплексы, образующиеся между ферментом и субстратом, имеют нековалентную природу, станет понятно, почему эти комплексы обязательно стереоспецифичны: они могут образовываться только в том случае, если молекула фермента имеет участок, «комплементарный» по форме молекуле субстрата. Также очевидно, что молекула субстрата занимает в комплексе строго определенное положение в силу множественных взаимодействий, связывающих ее с рецепторным участком молекулы фермента.
Наконец, совершенно ясно, что в зависимости от числа нековалентных взаимодействий устойчивость нековалентного комплекса будет варьировать в широких пределах. Именно в этом и заключается ценное свойство нековалентных комплексов: их стабильность может меняться в зависимости от выполняемой функции. Высокая каталитическая активность требует, чтобы комплексы «фермент – субстрат» образовывались и распадались очень быстро. Так и есть: они действительно легко и очень быстро диссоциируют. Другие комплексы, функция которых постоянна, приобретают устойчивость того же порядка, что и ковалентные ассоциации.
До сих пор мы обсуждали только первую стадию ферментативной реакции: формирование стереоспецифичного комплекса. О следующей за ней каталитической стадии достаточно сказать всего несколько слов, ибо с биологической точки зрения она не представляет таких значимых проблем, как предыдущая. Сегодня считается, что ферментативный катализ является результатом индуцирующего и поляризующего действия определенных химических групп, присутствующих в «специфичном рецепторе» белка. Помимо специфичности (обусловленной особой ориентацией молекулы субстрата по отношению к группам индуктора) каталитический эффект обеспечивается механизмами, объясняющими действие небиологических катализаторов (таких как, например, ионы H+ и OH—).
Таким образом, можно считать, что образование стереоспецифичного комплекса как прелюдия к каталитическому акту одновременно выполняет две функции:
1) исключающий выбор субстрата, диктуемый его стерической структурой;
и
2) представление субстрата в строго определенной ориентации, ограничивающей и обуславливающей каталитический эффект групп индуктора.
Идея нековалентного стереоспецифичного комплекса применима не только к ферментам и белкам. Она имеет решающее значение для интерпретации всех феноменов выбора, избирательного различения, характеризующих живые существа и позволяющих им избегать участи, предписанной вторым законом термодинамики. В связи с этим стоит еще раз взглянуть на пример фумаразы.
Аминирование фумаровой кислоты средствами органической химии дает смесь двух оптических изомеров аспарагиновой кислоты. Фермент, напротив, катализирует исключительно образование L‐аспарагиновой кислоты. Тем самым он привносит информацию, в точности соответствующую бинарному выбору (поскольку существует два изомера). Здесь мы видим на самом элементарном уровне, как создается и распространяется в живых существах структурная информация. В структуре своего специфичного рецептора фермент, безусловно, содержит информацию, соответствующую этому выбору. Однако энергия, необходимая для амплификации этой информации, исходит не от фермента: чтобы направить реакцию исключительно по одному из двух возможных путей, фермент использует химический потенциал раствора фумаровой кислоты. Вся синтезирующая активность клеток, какой бы сложной она ни была, в конечном счете может быть истолкована в одном ключе.
* * *
Демон Максвелла
Эти явления, поразительные по своей сложности и эффективности исполнения заранее заданной программы, наводят на мысль, что ими управляет реализация неких «когнитивных» функций. Физик девятнадцатого века Джеймс Максвелл приписывал такую функцию своему микроскопическому демону. Как мы помним, этот гипотетический персонаж, поставленный у отверстия в перегородке между двумя замкнутыми сосудами с газом, должен был без всяких энергетических затрат открывать и закрывать идеальный люк, дабы воспрепятствовать прохождению определенных молекул из одного сосуда в другой. Таким образом, привратник мог «выборочно» пропускать быстрые (высокоэнергетические) молекулы в одном направлении, а медленные (низкоэнергетические) – в другом. Со временем из двух замкнутых сосудов, первоначально имевших одинаковую температуру, один становился горячее, а другой холоднее – и все это без видимого потребления энергии. Сей воображаемый эксперимент вызвал у физиков бесконечное недоумение: посредством осуществления своей когнитивной функции демон явно нарушал второй закон термодинамики. А поскольку эту когнитивную функцию нельзя было ни измерить, ни даже определить с физической точки зрения, «парадокс» Максвелла, казалось, не поддавался операционному анализу.
Ключ к разгадке нашел Леон Бриллюэн, опираясь на более ранние работы Сциларда: он показал, что осуществление демоном своей когнитивной функции должно неизбежно влечь за собой потребление некоего количества энергии, которое полностью компенсирует уменьшение энтропии внутри системы в целом. Чтобы люк работал «разумно», демон должен сначала измерить скорость каждой молекулы газа. Любые расчеты – то есть получение информации – предполагают взаимодействие, а любое взаимодействие предполагает энергозатраты.
Эта знаменитая теорема стала одним из источников современных представлений об эквивалентности информации и отрицательной энтропии. Здесь она интересует нас потому, что на микроскопическом уровне ферменты выполняют функцию упорядочивания. Но это упорядочивание, как мы уже убедились, имеет свою цену; оно происходит за счет потребления химического потенциала. Вкратце, ферменты действует точно так же, как демоны Максвелла в видении Сциларда и Бриллюэна: они истощают химический потенциал в процессах, выбираемых исполняемой ими программой.
Запомним основную мысль, изложенную в этой главе: именно благодаря способности образовывать стереоспецифичные и нековалентные комплексы с другими молекулами белки осуществляют свои «демонические» функции. В последующих главах мы не раз убедимся в решающем значении этого ключевого понятия как конечной интерпретации наиболее характерных свойств живых организмов.
IV
Микроскопическая кибернетика
Благодаря своей чрезвычайной специфичности «обычный» фермент (как и те, что были рассмотрены в качестве примеров в предыдущей главе) представляет собой абсолютно независимую функциональную единицу. «Когнитивная» функция «демонов» сводится к распознаванию специфического субстрата, к исключению как всех других соединений, так и всего, что может происходить внутри химического аппарата клетки.
Функциональная согласованность клеточных механизмов
Взглянув на схему, отражающую наши нынешние познания о клеточном метаболизме, мы можем предположить, что даже если бы на каждом
