«Великий квест»

Вопрос о возникновении жизни пока что относится к разряду вечных. Однако как следует к поиску ответа люди приступили только в начале XX века, а уже в XXI веке поставили себе задачу создать живые клетки искусственным путем. В книге «Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле» (издательство «Corpus»), переведенной на русский язык Михаилом Орловым, научный журналист Майкл Маршалл рассказывает об ученых и сформулированных ими гипотезах о происхождении жизни. Предлагаем вам ознакомиться с фрагментом, посвященным открытию белков и их значении для жизни на нашей планете.

Еще одна длинная молекула

В 1789 году во Франции произошли два важнейших события. Первое из них — Французская революция, в ходе которой была свергнута монархия, а король казнен на гильотине. Все это в итоге привело к диктатуре Наполеона Бонапарта и десятилетиям войны. Второе событие, возможно, оказалось даже более эпохальным, хотя его обычно упускают из виду.  

В тот год химик Антуан Франсуа (граф де Фуркруа) изучал химический состав живых организмов. Годом ранее ему удалось выделить три различных типа соединений в тканях животных. Это были «желатин» из кожи, «альбумин» из молока и яиц и «фибрин» из мышц. В 1789 году Фуркруа опубликовал похожее исследование химического состава растений пшеницы. На сей раз химик сумел выделить тот же альбумин и еще одно, четвертое, соединение — «глютен». Стало понятно, что все эти загадочные субстанции имеют какое‑то очень большое значение для живых организмов.  

Фуркруа первым из ученых идентифицировал белки — один из четырех типов молекул в основе живого. Это было поистине фундаментальное открытие, однако вскоре оно оказалось отодвинуто на второй план.  

Во Франции бушевали революция и неотъемлемая от нее параноидальная подозрительность. Людей отправляли на гильотину без должного судебного разбирательства, а то и вовсе бессудно. Среди жертв оказался и коллега Фуркруа — Антуан Лавуазье, которого не без оснований считают родоначальником химии как самостоятельной науки. К несчастью для него, он одновременно был и аристократом, и сборщиком податей, а потому в 1794 году лишился головы. Один из первых биографов Лавуазье обвиняет Фуркруа в том, что он не вступился за своего товарища. Однако позднее это обвинение вызвало определенные сомнения, так как у нас нет серьезных оснований считать, что двое этих ученых работали вместе. Тогда ситуация совершенно вышла из‑под контроля, и любой протест мог восприниматься как контрреволюционное выступление и грозить казнью. К тому же задачу по спасению Лавуазье очень затрудняло само его происхождение.  

Вероятно, из‑за всего этого революционного хаоса работы Фуркруа на протяжении нескольких десятилетий оставались в тени. Лишь в 1838 году важный шаг в изучении белков сделал Геррит Ян Мульдер. Он взял фибрин, альбумин и желатин и смог расщепить эти соединения на отдельные химические элементы. Оказалось, что все эти пробы содержат углерод, водород, кислород, азот, калий и серу. Но особенно важным оказался тот факт, что соотношение числа атомов во всех молекулах было чрезвычайно близким: «В альбумине яиц всегда на один атом серы приходится один атом фосфора». Мульдер счел, что это означает принадлежность всех данных субстанций к одному типу молекул. Термин же «протеин» для обозначения таких веществ первым предложил коллега Мульдера Йенс Якоб Берцелиус.  

Оказалось, что по меркам молекул белки являются настоящими гигантами. По оценкам Мульдера, каждая из молекул состояла более чем из 1200 атомов. Тогда многие химики считали, что такие крупные молекулы попросту не могут существовать, а должны рассыпаться на части — как карточный домик при первом прикосновении. Следовательно, это открытие подготовило почву для признания учеными в качестве основы жизни крупных, так называемых «макромолекул» вроде ДНК.

До конца XIX века химики смогли установить состав белков. Ключевым моментом стало открытие в их составе более простых молекул — аминокислот. Первая из них была выделена из аспарагуса (спаржи) еще в 1806 году — эта аминокислота получила название «аспарагин». Остальные аминокислоты открывали на протяжении XIX и в начале XX века.  

Все аминокислоты имеют общую структуру и отличаются только одной своей частью. Они имеют центральный атом углерода, к которому присоединены четыре других остатка. Первый из них — остаток амина: атом азота с парой болтающихся водородов. Второй — карбоксильный остаток: еще один углерод, соединенный с двумя кислородами и водородом. Третьим является очередной водород, и, наконец, имеется также нечто четвертое — и это нечто может изменяться и зависит от конкретной аминокислоты.  

Все живое на Земле построено из двадцати аминокислот. Самая простая — это глицин, где пресловутое нечто являет собой единственный атом водорода. В то же время у аспарагина это самое нечто содержит целых восемь атомов — данный остаток сравним по размерам с целым глицином. Другие аминокислоты сложны примерно настолько же.  

В ряде случаев при распаде белков высвобождаются отдельные аминокислоты. Это указывает на то, что белки и аминокислоты неким образом связаны. И вот в 1902 году настал драматический момент: Франц Хоффмайстер и Эмиль Фишер выступили с докладами на одной и той же научной конференции и выдвинули одну и ту же теорию. Хоффмайстер был нелюдимом, отказавшимся от ряда престижных университетских должностей, а Фишер — неутомимым экспериментатором, даже пережившим отравление ртутью.  

Хоффмайстер сделал свой доклад утром, а Фишер — во второй половине дня. Оба предположили, что белки представляют собой длинные цепи из соединенных вместе аминокислот. Это объясняет, почему белки могут быть так похожи и при этом так различаться (хотя входящие в их состав атомы почти совпадают, сами белки имеют совершенно несхожие свойства): разные аминокислоты могут быть соединены в цепочку с различным порядком. Вот почему построенные из ограниченного набора молекулы очень сильно различаются. Любой, кому доводилось собирать и динозавра, и ракету из одного и того же комплекта «Лего», в состоянии представить, насколько разнообразными могут оказаться эти молекулы.

Почти полвека спустя британский биохимик Фредерик Сэнгер установил точный состав первого белка. Он определил последовательность аминокислот в инсулине, синтез которого нарушается при диабете. Ряд опубликованных между 1949 и 1952 годами статей Сэнгера принес ученому первую из двух его Нобелевских премий. В своих работах Сэнгер продемонстрировал, что инсулин состоит из 51 аминокислоты, которые образуют две цепочки с двумя перемычками между ними. С тех пор стали известны аминокислотные последовательности различных белков.

А еще химикам удалось узнать, что белки имеют трехмерную структуру. Когда‑то считалось, что форма молекул белков округлая или продолговатая, однако сейчас нам известны примеры чрезвычайно сложных белковых структур. В 1958 году была установлена структура первого белка — содержащегося в мышцах миоглобина. Разрешение рентгеновских снимков того времени было недостаточным для выяснения положения отдельных атомов, однако общую форму аминокислотной цепочки разглядеть удалось. Полученное изображение напоминает кусок пластилина, который скрутили и завязали узлом. Спустя три года удалось получить картинку лучшего качества и рассмотреть на ней отдельные атомы. В наши дни подобные изображения получены для тысяч белков.  

Сейчас известно, что в живых организмах белки выполняют огромное множество различных функций. Из них образован внутренний каркас клетки (так называемый «цитоскелет»). Некоторые белки работают как насосы: они пронизывают собой внешнюю мембрану клетки и пропускают небольшие молекулы внутрь или наружу, обеспечивая клетку необходимыми питательными веществами и предотвращая «отравление» ее ненужными. Некоторые являются рецепторами — как, например, родопсин в нашей сетчатке, способный чувствовать свет и делающий нас зрячими. 

Но, пожалуй, самое большое впечатление производят белки-ферменты. Это молекулярные машины, выполняющие химические реакции в живой клетке. Ферменты являются катализаторами, то есть они не изменяются в ходе той реакции, которой управляют. Поэтому одна молекула фермента может быть использована много раз подряд и .

Исходно белковая природа ферментов не была известна. Ее установил американский химик Джеймс Самнер в 1926 году. Девять лет этот ученый изучал кристаллы фермента, называемого уреаза, и в итоге смог доказать, что это белок. Самнер по большей части работал один и был стеснен в средствах. Но особенно тяжко приходилось ему потому, что он, будучи левшой, из‑за несчастного случая с огнестрельным оружием еще в юности лишился левой руки.  

Структуры ферментов способны удивить своим устройством любого инженера. Нередко несколько аминокислотных цепочек оказываются закручены друг вокруг друга в замысловатые спирали или образуют изгибы, что делает возможной идеально подобранную форму «активного центра». Именно этой частью фермент захватывает свою специфическую «молекулу-мишень». Эмиль Фишер, изучавший химический состав белков, в 1894 году предложил для объяснения работы ферментов механизм «замка и ключа». Живая клетка — это непрестанная работа множества конвейеров, где сотни ферментов расторопно и без устали производят разные полезные соединения.  

В 1908 году канадский биохимик Арчибальд Макаллум ничего этого не знал. Ему было известно, что белки — это цепочки из аминокислот, но полный спектр разнообразия их структур и возможностей еще только предстояло выяснить, а доказательство белковой природы ферментов Самнер приведет лишь через двадцать лет. Тем не менее ключевое значение белков для жизни сомнений не вызывало, и потому Макаллум предположил, что именно белки являются исходной формой жизни. По-видимому, он первым опубликовал это предположение — хотя Дарвин и высказал его раньше в частном письме.  

Макаллум, очевидно, вдохновлялся открытием, сделанным шестью годами ранее Хоффмайстером и Фишером. Подчеркивая, что белки образованы аминокислотами, Макаллум утверждал, что этот факт может объяснить возникновение жизни на Земле: «Если мы сумеем объяснить, как белки могли сформироваться без участия живой материи, мы будем в состоянии объяснить и образование самой живой материи».  

Макаллум рассуждал о наиболее просто устроенных белках — точнее пептидах, представляющих собой две соединенные вместе аминокислоты. Эти так называемые дипептиды широко распространены в живых организмах, причем — при всей своей простоте — довольно разнообразны. Так, к дипептидам относятся и подсластитель аспартам, и обнаруженный в мясе карнозин. Макаллум считал, что такие простые молекулы образуются легче, чем белки вроде инсулина, но это не мешает им выполнять различные жизненно важные функции. И далее ученый делает потрясающее предположение: «Не исключено, что состоящие всего лишь из нескольких молекул белка ультрамикроскопические частицы могут быть способны к независимой жизни и размножению путем деления после достижения ими определенного размера». Однако это предположение не вызвало большого энтузиазма и идея о белках как о первой жизненной форме пребывала в забвении до 1950‑х годов, когда у нее наконец появился ярый защитник.

Подробнее читайте:
Маршалл, Майкл. Великий квест. Гении и безумцы в поиске истоков жизни на Земле / Майкл Маршалл : Пер. с англ. Михаила Орлова — Москва: Издательство АСТ: Corpus, 2023. — 352 с.