Мартин Гарднер - Этот правый, левый мир

Молекулы белка состоят из атомов углерода, водорода, кислорода, азота и (часто, но не всегда) серы. Это самые большие, самые сложные молекулы. Даже относительно простые белковые соединения содержат по тысяче атомов или около того, а молекулы-гиганты насчитывают и по сотне тысяч атомов, а есть и сверхгиганты, «миллионеры»! Каждая молекула состоит из четко выделенных звеньев, называемых аминокислотами , которые соединяются в цепь. Эти гигантские молекулы, состоящие из большого числа частей, каждую из которых можно саму считать отдельной молекулой, называются полимерами. Известно около двадцати видов аминокислот. Все они асимметричны и могут появляться в правой и левой формах. Если аминокислота синтезируется в лаборатории, она получается в виде рацемической смеси левого и правого типов, но аминокислоты, входящие в состав белков живых существ, всегда, за редким исключением, левые. Но это еще не означает, что они обязательно вращают плоскость поляризации света против часовой стрелки. На оптическую активность аминокислот влияют и их боковые цепи. Все «живые» аминокислоты — левые в смысле расположения атомов, окружающих углерод, но некоторые из них вращают плоскость поляризации по часовой стрелке благодаря строению своих боковых цепей (цепочек атомов, прикрепленных к углероду).

Аминокислоты всех природных белков являются левыми. Кроме этих составных частей, у каждой белковой молекулы есть еще спиральный «хребет», называемый иногда полипептидной цепочкой. Он представляет собой просто цепь аминокислот. У каждой молекулы аминокислоты на одном конце располагается аминогруппа, на другом — карбоксильная. Когда «стыкуются» два разноименных конца, то удаляется одна молекула воды — атом водорода с аминогруппы и по атому кислорода и водорода с карбоксильной группы. Возникающие после этого электрические силы «сваривают» стыки , образуя так называемое пептидное соединение. Каждая молекула левой аминокислоты изгибает в ту же левую сторону весь каркас белковой молекулы, подобно тому как асимметричные ступени, надстраиваемые одна за другой, образуют спиральную лестницу. В результате каркас закручивается в спираль, изображенную на рис. 39. Она называется альфа-спиралью. Лайнус Полинг и Роберт Кори из Калифорнийского технологического института первыми открыли существование этой геликоидальной структуры и дали ей название. Со времени появления их работы в начале 50-х годов альфа-спираль обнаружили в стольких белках, что биохимики теперь считают ее характерным признаком всех гигантских белковых молекул.

Но как все-таки правильнее называть альфа-спираль — правой или левой? Если смотреть на нее с любого конца, то видно, что спиральная нить приближается к смотрящему, закручиваясь влево, то есть против часовой стрелки. Поэтому ее можно называть левой спиралью, что многие биохимики и делают по аналогии с названиями, которые даются вьющимся растениям. (В гл. 7 мы уже обсуждали терминологическую путаницу, существующую в этом вопросе.) С другой стороны, именно такую спираль мы видим в обычном штопоре или шурупе, но там она называется правой резьбой. Кроме того, в кристаллических структурах типа кварца и киновари существование спиральности именно этого типа приводит к вращению плоскости поляризации вправо, по часовой стрелке. По этой причине биохимики называют альфа-спираль правой. Слова о том, что левая аминокислота заставляет белковую молекулу свиваться в правую спираль, сбивают, естественно, с толку. Но тут дело, конечно, только в словах, и причину путаницы легко понять. Важно то, что почти все белки животного происхождения имеют спиральный каркас одного типа.

Во многих частях организма под воздействием альфа-спирали волокна тканей свиваются в ту же правую сторону, образуя так называемые витые пружины. Так, например, волокна сухожилий состоят из молекул, образованных тремя альфа-спиралями, свитыми в одну тройную пружину. Десять таких пружинок, скручиваясь, образуют спираль еще большего диаметра. Эти большие спирали снова скручиваются между собой. Процесс повторяется на все более и более «высоком уровне», пока не образуются крупные спиральные волокна, различимые уже в обычный микроскоп. Другие виды правых витых пружин можно обнаружить в волокнах волос, шерсти, в роговом веществе, в «жгутике» у бактерий (тонкий отросток, с помощью которого бактерия передвигается в жидкости). В следующей главе мы увидим, что правая спираль является также составной частью нуклеиновых кислот — углеродных соединений, которые в жизненных процессах играют, пожалуй, еще более важную роль, чем белки.

Число различных нуклеиновых кислот практически бесконечно, так же как бесконечно множество слов, которые можно написать с помощью двадцати шести букв английского алфавита. При этом предполагается, что никаких ограничений не будет налагаться на число букв в слове [31] В английском языке рекорд по количеству букв в одном слове равен, по-видимому, 43: «Pnoumoultramicroscopic-silicovolcanokoniosis» — легочное заболевание, вызываемое постоянным вдыханием кварцевой пыли; название приводится в разделе «Новые слова» во втором издании «Международного словаря» Уэбстера. [Когда-то, когда город Горький назывался еще Нижним Новгородом, на его улице висела вывеска Нижкрайкартофель-плодоовощсоюз. — Прим. ред. ] . Если учесть, что каркас белковой молекулы может состоять более чем из тысячи кирпичиков аминокислот и каждый кирпичик можно выбрать двадцатью различными способами, то станет ясно, что общее число возможных различных соединений такого типа превосходит всякое воображение. Конечно, именно такое безграничное разнообразие делает белок тем незаменимым материалом, из которого эволюция сконструировала такие сложные «машины», как организмы животных, где тысячи тканей приспособлены для выполнения тысяч различных функций.

Как и следует ожидать, правая и левая модификации любого органического соединения обладают абсолютно одинаковыми химическими свойствами во всех случаях, когда разница между правым и левым не играет большой роли. Они имеют одинаковый удельный вес, плавятся и замерзают при одинаковых температурах. А ожидать этого следует потому, что, во-первых, это действительно одни и те же вещества, а во-вторых, силы, воздействующие на них (теплота, гравитация и т. д.), не отличают правое от левого. Конечно, асимметрия химических соединений проявляет себя по-разному. Она приводит к вращению плоскости поляризации проходящего света, вызывает образование кристаллов, отличающихся по знаку асимметрии, может оказывать специфическое воздействие на живые организмы, когда асимметричное вещество поглощено или введено им в кровь. Поскольку любой живой организм состоит главным образом из асимметричных соединений, то понятно, что стереоизомеры противоположных типов по-разному влияют на организм. Белый рыцарь у Льюиса Кэрролла в его книжке «Алиса в Зазеркалье» поет песенку, в которой есть такие строчки: