Существует множество разных ферментов, и у каждого из них своя особая структура, назначение которой — ускорять свою особую реакцию. Но из всех возможных ферментов в большинстве клеток присутствует только один или несколько. Ферменты — главное (хотя и не единственное) решение загадки, почему химические процессы в клетках не протекают все одновременно и не мешают друг другу.
Итак, молекулы ферментов — штука просто фантастическая. Подобно тому как лапы гепарда великолепно сформированы для быстрого бега, ферменты великолепно сформированы, чтобы ускорять определенные химические реакции. Каждый фермент — только какую-то одну. Как же они сумели приобрести свою восхитительную форму? Быть может, их высек какой-нибудь божественный молекулярный скульптор? Нет. Они образовались тем же способом, что и растущие кристаллы, только немного усложненным. Перед нами еще один пример самосборки.
Каждая белковая молекула — не что иное, как цепочка из более мелких молекул, называемых аминокислотами. Существует множество различных аминокислот, но в живых организмах встречаются только 20. У каждой аминокислоты есть название, и я мог бы перечислить здесь все 20, но не будем забивать себе голову. Их 20 — и это все, что нам сейчас нужно знать. Любая молекула белка напоминает ожерелье с бусинами из аминокислот (только ожерелье расстегнутое, а не замкнутое в кольцо). Различия между белками коренятся в точной последовательности бусин, каждая из которых взята из набора, содержащего 20 их разновидностей — 20 различных аминокислот.
Как вы помните, кристаллы соли растут благодаря тому, что плавающие в воде «кусочки пазла» распознают своих «соседей» на наружной стороне кристалла и встраиваются на свое место. Ну а теперь представьте себе, будто «бусины» белкового «ожерелья» — это пазл с двадцатью типами деталей. И некоторые детали соединяются с другими, расположенными где-то в той же самой цепочке. В результате такого самозащелкивания, происходящего между различными участками одной цепи, она сворачивается, приобретая свою специфическую форму. Как шнурок, завязывающий сам себя в причудливый узел.
Но ведь прежде я охарактеризовал молекулу фермента как замысловатый ком с выступами и углублениями. Не слишком похоже на цепочку, верно? И тем не менее это она. Дело в том, что любая аминокислотная цепь склонна, изгибаясь, складывать сама себя в определенную трехмерную структуру. Подобно, как я уже сказал, самостоятельно завязывающемуся в узел шнурку. Наш «комок с шишками и впадинами» — не что иное, как запутанный клубок, в который цепочка сама себя упаковала. Ее звенья притягиваются к другим, строго определенным, звеньям и присоединяются к ним на манер кусочков пазла. Наличие таких «застежек» гарантирует, что каждая цепь любой конкретной разновидности будет, сворачиваясь, принимать неизменную форму — с одними и теми же выростами и ямками.
В действительности дело не всегда обстоит именно так — бывают исключения из правила, и они представляют большой интерес. Некоторые цепочки могут завязываться в один из двух альтернативных узлов. Иногда это имеет огромное значение, но здесь нам придется отбросить такие подробности — глава и без того получилась довольно сложной. Для наших с вами целей мы вполне можем считать каждую белковую молекулу цепочкой, составленной из деталей пазла (аминокислот) и сворачивающейся в крайне специфическую структуру. Получающаяся форма очень важна, а определяется она точной последовательностью аминокислот и их склонностью пристраиваться, подобно фигуркам пазла, к другим аминокислотам из той же цепи.
Тут я не удержусь от небольшого отступления, которое может показаться не совсем к месту, но позволит взглянуть с любопытной стороны на нашу аналогию со встраивающимися кусочками пазла. Речь пойдет о восприятии запахов. Представьте себе запах розы. Или меда. Или лука. Яблок. Земляники. Рыбы. Сигары. Стоячего болота. Каждый запах — прекрасный или отвратительный, «с дымком» или с фруктовыми нотками, утонченный или гнилостный — уникален и безошибочно узнаваем. Каким образом молекулы, приносимые воздухом к нашему носу, вызывают в нас ощущение того или иного запаха? Ответ: благодаря еще одному пазлу. Выстилка вашей носовой полости усеяна тысячами молекулярных углублений различной формы, каждое из которых просто ждет, когда его займет точно соответствующая ему молекула. Скажем, молекула ацетона (растворителя лака для ногтей) идеально входит в ямку, имеющую форму этой молекулы, — прямо как в пазле. И ямка посылает мозгу сигнал следующего содержания: «Молекула моего типа только что заняла свое место». Мозг «знает», что сигнал поступил от углубления в форме молекулы ацетона, и «думает»: «Ага, жидкость для снятия лака». Запах розы или хорошего выдержанного вина создается сложной смесью таких молекулярных кусочков пазла, а не одним, как в примере с ацетоном. Но сути это не меняет: принцип молекулярного пазла снова в действии.
Вернемся к основному повествованию. Как мы видели, последовательность аминокислот, составляющих «ожерелье», отвечает — посредством «самосборки пазла» — за изобилующую буграми и впадинами форму белкового «клубка». Еще нам известно, что впадины эти, в свою очередь, отвечают за специфическую функцию белка как фермента, ускоряя — обычно настолько сильно, что можно сказать «запуская», — некую конкретную химическую реакцию. В клетке в любой отдельно взятый момент времени могло бы протекать много таких реакций. Все реагенты в наличии и готовы взаимодействовать. Однако для каждой реакции требуется свой фермент. И в клетке могло бы находиться множество различных ферментов, но присутствует только один. Или всего несколько. Поэтому чрезвычайно важно, какие ферменты окажутся в клетке. От этого зависит, что именно делает клетка. Чем она вообще является.
Ну, теперь вы, должно быть, задаетесь вопросом: а что же определяет саму последовательность бусин-аминокислот в цепочке каждого конкретного фермента, определяющую, в свою очередь, его бугорчатую форму, в которую данная цепочка сворачивается? Очевидно, что вопрос этот — громадной важности, ведь от ответа на него зависит столь многое.
И ответ таков: молекула наследственности, ДНК. Преувеличить его значимость невозможно. Вот почему я вынес этот ответ в отдельный абзац.
Как и белковая молекула, ДНК представляет собой цепь — ожерелье, состоящее из кусочков пазла. Но «бусинки» тут не аминокислоты, а другие химические единицы: азотистые основания нуклеотидов. Разновидностей в данном случае не двадцать, а всего четыре. Их названия принято сокращать до одной буквы: A, T, C и G. Деталь T этого «пазла» подходит только к детали A (а A — только к T). C — только к G (а G — только к C). Цепь молекулы ДНК чрезвычайно длинна — намного длиннее белковых молекул. В отличие от цепочки из аминокислот, ДНК не завязывает сама себя в «узел». Она так и остается длинной нитью — точнее, двумя нитями, пристегнутыми друг к другу в виде изящной спиральной лестницы. Каждая «ступенька» этой лестницы состоит из пары азотистых оснований, скрепленных наподобие кусочков пазла. Такие ступеньки бывают только четырех разновидностей:
A — T
T — A
C — G
G — C
Последовательность оснований ДНК хранит в себе информацию — примерно таким же образом (а на самом деле почти абсолютно таким же образом), как и компьютерный диск. И информация эта используется двумя совершенно разными способами: генетическим и эмбриологическим.
