Н Хоровиц - Поиски жизни в Солнечной системе

Жизнь и генетический механизм

Живые системы отличаются от неживых двумя важными особенностями. Прежде всего, даже самый простой организм по своему составу и строению гораздо сложнее любого

сравнимого с ним по размеру объекта неживой природы. Мы до сих пор еще не знаем полностью, какова структурная организация живой клетки, ибо обнаруживаются все новые ее компоненты-и конца этому не видно. Следует помнить, что при этом не принимается во внимание сложность ор ганизации многоклеточных организмов, где огромные по пуляции клеток, специализированных на выполнении опре деленных функций, должны взаимодействовать по согла сованной и взаимовыгодной программе. Данное обстоя тельство влечет за собой вторую отличительную особен ность живых организмов: оказывается, структура и орга низация клетки, по-видимому, обусловлены ее предназна чением, конечной целью которого является выживание ор ганизма. В прошлом эти уникальные свойства живых ор ганизмов привели к убеждению, что они обладают некой "жизненной силой"-таинственным, нефизическим началом, которым обусловлены особенности, отделяющие живой мир от неживого непроходимой пропастью. Сейчас подобные рассуждения кажутся нелепыми. Мы знаем, что живая ма терия по своему химическому составу принципиально не отличается от неживой: живые существа состоят из тех же атомов и молекул и ничего более в себе не заключают. Что отличает их от всего остального мира, так это способ. которым их атомы и молекулы соединены друг с другом. Таким образом, жизнь есть проявление определенных ком бинаций молекул.

На нашей планете, как известно, основные жизненные процессы обеспечиваются молекулами только двух типов: белками и нуклеиновыми кислотами. Белки образуют фер менты-высокоэффективные катализаторы*, способствую щие протеканию в живых системах самых разнообразных химических реакций. Те или иные химические изменения и характеризуют всю жизнедеятельность живых существ; усво ение пищи, образование новых клеток и клеточных компо нентов, сокращение мышц и передача нервных импульсов вот лишь несколько функций, при осуществлении которых происходит химическое превращение молекул одного типа в другой. Эти и множество других специфических реакций, происходящих в организме, "отбираются" и возбуждаются при непосредственном участии ферментов; последние, таким образом, определяют направление и выход конечного про

* Смысл используемых в книге специальных понятий разъясня ется в "Словаре терминов".

дукта всего сложного комплекса процессов, называемого обменом веществ, или метаболизмом, который характерен только для живого организма.

Живые клетки синтезируют белки, которые обладают и другими функциями. К неферментативным белкам относятся гемоглобин, инсулин, различные антитела. Наиболее распро страненным белком, синтезируемым в организме млекопи тающих, является коллаген-своего рода строительный ма териал для костей, кожи или зубов.

Нуклеиновые кислоты выполняют совершенно иную функцию. Они образуют гены - носители всех видов гене гической (наследственной) информации. Имеются два типа нуклеиновых кислот: дезоксирибонуклеиновая (ДНК) и ри бонуклеиновая (РНК), и обе они обнаружены во всех клет ках. Несмотря на большое сходство в их химическом строе нии, во всех известных нам организмах (за исключением некоторых вирусов) генетическую функцию несет ДНК. Ге нетическая информация, по-видимому, целиком связана с синтезом белковых молекул: их химическим строением, вре менем и скоростью синтеза.

Как нуклеиновые кислоты, так и белки образованы очень большими молекулами, состоящими из линейно располо женных маленьких субъединиц-"строительных блоков". У нуклеиновых кислот эти строительные блоки называются нуклеотидами. Четыре различных типа нуклеотидов состав ляют молекулы ДНК и РНК (их строение показано на рис. 1). Генетическая информация кодируется последова тельностью нуклеотидов, так же, как информация, содер жащаяся в напечатанной странице, кодируется последова тельностью букв. Строительными блоками белков являются аминокислоты. В природе их существует великое множество, но только 20 одни и те же 20 аминокислот во всех известных видах-используются при образовании белков (строение аминокислот показано на рис. 2).

Важной характеристикой аминокислот является оптиче ская изомерия. Все они (за исключением самой простой глицина) могут существовать в двух формах, которые от личаются одна от другой так же, как левая рука отличается от правой, т. е. являются зеркальным отражением друг друга (рис. 3). Два оптических изомера идентичны по своим хи мическим свойствам, но поскольку их невозможно совмес тить (перчатку с правой руки нельзя надеть на левую), они не могут заменять друг друга при построении белковых мо лекул или каких-либо иных трехмерных родственных струк

тур. Интересно, что аминокислоты всех известных белков относятся к левовращающим, L(/ev()), изомерам. В принципе в каком-то ином живом мире все аминокислоты могли бы быть и правовращающими. или D {dextro), изомерами, и этот мир (функционировал бы так же, как и земной. Тот факт, что в нашем мире L-аминокислоты оказались предпочтительнее. чем D, вероятно, следует рассматривать как историческую случайность. На какой-то другой планете, где аминокислоты 1акже играли бы определенную роль в биохимии орга низмов. с равной вероятностью возможны как L-. так и D-формы.

Типичная молекула белка образована одной или несколь кими непочками, называемыми полипептидами, каждая из которых в свою очередь состоит из нескольких сотен сое диненных друг с другом аминокислот. Обычно все их 20 типов представлены в каждой такой цепочке (рис. 4). Це почки свернуты в сложные трехмерные структуры, или кон формации. нередко напоминающие спутанный клубок ниток. Особые свойства белковых молекул-как ферментов, так и неферментов -завися) от их конформации. Когда конфор мация нарушена (в результате процесса, называемого де натурацией). белок перестает функционировать, даже если его аминокислотные цепочки остаются неповрежденными. При соответствующих условиях денатурированные белки могут самопроизвольно ренатурировать-при этом их функ ции восстанавливаются. Подобное восстагговление свиде тельствует о том. что трехмерная конфигурация молекулы определяется только последовательностью аминокислот, ко торая, как известно, кодируется генами.

Правила, которые определяют последовательность ами нокислот. просты, но доказательство их существования по нраву считается одггим из величайших достижеггий биологии XX в. Говоря кратко, последовательность аминокислот, ха рактеризующая ту или иную полипептидггую цепь, опре деляется отдельным геном, и этот ген нс выполняет более никаких других функций. Белок, состоящий из одной цепи (или нескольких, но идентичных по последовательности), кодируется единственным геном: белок, состоящий из двух цепей, отличающихся по структуре, кодируется двумя раз личными генами и т.д. Кодирование осуществляется сле дующим образом: каждой амиггокислоте соответствует ком бинация грех нуклеотидов из четырех типов, составляющих ДНК. Из четырех различных нуклеотидов можно составить 64 комбинации по три нуклеотида: ААА, ААГ, АГА и т.д..