Мы скоро увидим, что это разнообразие связано с разнообразием жизни, что расположение четырех типов пар в молекуле ДНК и есть та книга, которая говорит клетке, что ей делать и как развиваться. Остается только узнать, как прочесть эту книгу.
Химический процесс жизни
Вернемся теперь к тому, что мы назвали процессом жизни, — к росту бактериальной клетки и ее делению на две новые при погружении в питательный раствор сахара, фосфата и аммиака: Этот процесс наиболее интересен и загадочен.
Молекулы сахара и аммиака очень просты. Поэтому в бактериальной клетке должен существовать механизм, способный выполнять два процесса: во-первых, строить 20 видов аминокислот и 4 нуклеотида из сахара и аммиака и, во-вторых (этот второй этап значительно труднее), соединять аминокислоты в правильном порядке, обеспечивающем образование тысяч различных белков и точное повторение нуклеиновых кислот в процессе деления.
Первое задание — производство «бусинок» — выполняют, как мы уже упоминали, некоторые белки клетки. Эти белки обладают способностью разлагать молекулы питательного раствора после того, как они просочились сквозь оболочку, и переставлять образовавшиеся атомы так, чтобы они превратились в аминокислоты или нуклеотиды.
Второе задание — расположение бусинок в правильном порядке, обеспечивающем получение новых белков или новых нуклеиновых кислот, — выполняется при участии длинных цепей из нуклеиновых кислот.
Детали этого механизма известны не особенно хорошо. Он очень сложен и поэтому требует так много чрезвычайно сложных белков и нуклеиновых кислот. Основные принципы этого механизма были открыты только в последние два десятилетия. Мы попытаемся представить их в несколько упрощенном виде.
Для этого процесса необходимо одно — энергия. Когда образуются аминокислоты и когда они присоединяются друг к другу, нужна энергия, чтобы поставить их части на правильные места и связать их должным образом.
Рассмотрим процесс получения энергии. Молекулы сахара, находящиеся в питательном растворе, в который погружена бактерия, содержат энергию. Мы знаем, что при сжигании сахара может освободиться много энергии в виде тепла, если он превращается в углекислоту и воду. Но в данном случае тепловую энергию никак нельзя использовать, потому что она сводится к беспорядочному тепловому движению, которое нельзя применить для целеустремленного создания молекул. В гл. VI мы говорили, что специальным способом можно превратить энергию горения из тепла в энергетические квантовые состояния некоторых молекул. В клетке это осуществляют определенные специфические белки. Они способны притягивать молекулы сахара к своей поверхности. Здесь молекулу сахара вынуждают распасться на группы атомов, которые белки перестраивают так, чтобы получилась углекислота и вода. Этот процесс эквивалентен «горению». Что же происходит с энергией, освобождаемой при таком процессе? Белок притягивает к себе молекулы другого рода, которые держатся близ распадающегося сахара. Эти молекулы (всегда присутствующие в клетке) называются аденозинтрифосфатами или сокращенно АТФ. Они могут находиться в двух квантовых состояниях: одном с большей и другом с меньшей энергией — и поэтому служат хранилищами энергии, извлеченной из сахара. Как только сахар «сжигается» белком, молекулы АТФ переходят в высшее квантовое состояние. Если для молекулярного синтеза в клетке где-либо потребуется энергия, молекула АТФ направится туда и отдаст свою энергию, переходя обратно в состояние с более низкой энергией[51].
Носители энергии АТФ имеют еще одно преимущество. Они несут очень малые количества энергии. Энергия, освобождаемая при сгорании одной молекулы сахара, распределяется примерно между 40 молекулами АТФ. Энергия разменивается, так сказать, на мелкие монеты и легче распределяется между всеми нуждающимися в ней.
Теперь мы переходим к следующему вопросу: как молекулы и макромолекулы присоединяются друг к другу в клетке? Начнем с бусинок, образующих белковые цепи, т. е. с аминокислот. Все атомы, содержащиеся в аминокислотах, можно найти в питательном растворе; все они есть в молекулах солей, сахара и аммиака. Эти молекулы проникают в клетку через поры ее оболочки. Поэтому требуется только разложить простые молекулы питательного раствора и сложить их части так, чтобы образовались аминокислоты. Этот существенный шаг также осуществляют белки. Определенная группа специфических белков производит определенный тип аминокислоты, в результате чего получается весь набор требуемых аминокислот. Белки этой группы обладают свойством притягивать нужные молекулы питательных веществ и с помощью энергии, поставляемой АТФ, перетасовывать атомы до тех пор, пока из них не полупится должная аминокислота. Это получается следующим образом: когда белок встречает сахар и аммиак, атомы последних присоединяются к белку под известными углами. Эти углы таковы, что атомы, однажды присоединившись, вынуждены попадать в соответствующие места образующейся аминокислоты.
Есть и другие белки, которые таким же способом производят нуклеотиды из молекул питательной среды.
Все эти процессы иллюстрируют удивительные свойства белков. Последние могут осуществлять и направлять такие химические реакции, как перенос энергии от сгорающего сахара к АТФ или образование аминокислот и нуклеотидов. Белки, обладающие такой способностью, обычно называют ферментами. Они гораздо сложнее простых белков, которые не являются ферментами и служат только для создания определенной клеточной структуры и для регулировки потока веществ. Белки могут сами воспроизводить все свои компоненты, но они не способны соединять их. Белки делают буквы, но не могут складывать их в слова. Буквы есть, но где же автор, который составляет из них слова и предложения?
Генеральный план, управляющий жизнью
Теперь мы должны ответить на самый важный вопрос: как аминокислоты соединяются в белки? В этом этапе сосредоточены все секреты жизни бактерии, ибо, как мы уже видели, именно различные типы белков выполняют все важнейшие процессы в химической жизни клеток. Где же в клетке спрятан генеральный план построения каждого из многих тысяч белков, план, определяющий порядок чередования аминокислот вдоль ряда? Напомним, что каждый белок — это цепь примерно из 1000 аминокислот (иногда их больше, иногда меньше) и если мы приписываем каждой аминокислоте одну букву алфавита, то ряд аминокислот будет отвечать ряду из 1000 букв, занимающему около полустраницы нашей книги. Для того чтобы задать порядок аминокислот в 5000 белках потребуется несколько тысяч таких страниц. Где же находится эта информация в клетке? Надо только вспомнить, что макромолекулы нуклеиновых кислот несут в себе возможность передать содержание многих тысяч страниц книги. Такую информацию нам может дать порядок расположения четырех типов пар нуклеотидов вдоль витков спирали. Существует достаточно возможностей расположения ступеней в нуклеиновой кислоте длиной в несколько сантиметров для задания всех 5000 белков, входящих в состав бактерии.
Здесь сам собой возникает большой вопрос: каким же образом порядок нуклеотидов в нуклеиновой кислоте задает порядок аминокислот в белках? Как информация, заключенная в ступенях спирали, передается вновь образующимся белкам? Как может клетка «читать» эту книгу, насчитывающую много тысяч страниц, и следовать ее указаниям в процессах роста и деления?
Об этом немногое пока известно. Мы знаем только, что такая передача информации происходит. Очень упрощенно мы можем изобразить воспроизведение белков следующим образом. Определенная группа ступенек спиральной лестницы притягивает один сорт аминокислот, следующая группа — другой сорт и так далее[52]. Ступеньки расположены так, что аминокислоты сами выстраиваются в том порядке, в котором, как предполагается, они должны находиться в белке. Белки образуются вдоль лестницы нуклеиновых кислот, которая достаточно длинна, чтобы на ней поместились все 5000 белков, необходимых бактерии. Это описание воспроизведения белков чрезвычайно упрощено. Мы знаем, что истинные процессы гораздо сложнее и что большинство их деталей еще неизвестно. Тем не менее нарисованная нами картина поможет читателю уяснить сущность того, что, по нашему мнению, является основными процессами в бактериальной клетке[53].
