ЧЯД. Глава 7. 1

          ГЛАВА 7. УБИЙСТВО НА ДОРОГЕ

                СМОТРИТЕ В ОБЕ СТОРОНЫ

Я и моя семья живем примерно в пяти милях от университетского городка на одной из многих красивых гор, украшающих Пенсильванию. Местность, хотя и близкая к городу, сельская, с густым лесом везде, где еще не расчищено место для построек.  К нашему дому ведет узкая проселочная дорога, извивающаяся то в одну, то в другую сторону по мере подъема в гору. Когда я еду на работу утром или домой вечером, я всегда вижу несколько маленьких животных, притаившихся на обочине дороги и готовых перебежать через нее. Не знаю, бросают ли они вызов, пытаются ли произвести впечатление на противоположный пол или просто хотят поскорее вернуться домой. Но это опасная игра, в которую они играют, и некоторые расплачиваются за это.

Хуже всего белки. В отличие от более разумных животных, белки не просто перебегают дорогу. Издалека вы можете заметить их сидящими на одной стороне дороги. Когда вы приближаетесь, они перебегают на другую сторону, останавливаются, разворачиваются и бегут обратно к центру. Вы приближаетесь все ближе и ближе, а они все еще на дороге. Наконец, когда вы проезжаете мимо, они решают, что ваша сторона находится там, где они действительно хотят быть. Белки могут поместиться под машиной, поэтому всегда есть надежда, что, когда они исчезают под передней частью, вы увидите их в зеркале заднего вида, спешащими в безопасное место. Иногда им это удается, иногда нет.

Сурки обычно переходят дорогу по прямой, что позволяет легко предугадать их местоположение, но уверенности у вас нет. Обычно вы едете по дороге, думая об ужине, когда внезапно из темноты на вашу полосу вылетает маленькая круглая фигурка. В этот момент все, что вы можете сделать, это стиснуть зубы и ждать удара – в отличие от белок, сурки не помещаются под машиной. На следующее утро все, что осталось, это небольшое пятно на дороге, другие машины уничтожили тушку. Зубы, когти и багряный асфальт.

Хотя в последнее время движение на дороге увеличилось, оно все еще довольно редкое – одна машина каждые несколько минут днем и каждые полчаса ночью. Поэтому большинство животных, пересекающих дорогу, легко достигают другой стороны. Это не везде так. Скоростная автомагистраль Шайлкилл (Schuylkill Expressway), главная магистраль в Филадельфию с северо-запада, имеет ширину восемь или десять полос на некоторых участках. Объем движения может быть в тысячи раз больше, чем на дороге возле моего дома. Было бы неразумно делать ставку на сурка, стартующего с одной стороны Шайлкилл в час пик, чтобы добраться до другой стороны.

Предположим, вы сурок, сидящий на обочине дороги, в несколько сотен раз шире, чем скоростная автомагистраль Шайлкилл. Есть тысяча полос на востоке и тысяча полос на западе, каждая из которых заполнена грузовиками, спортивными автомобилями и минивэнами, соблюдающими ограничение скорости. Ваша возлюбленная находится на другой стороне, приглашая вас прийти. Вы замечаете, что останки ваших влюбленных соперников в основном находятся на первой полосе, некоторые – на второй, а некоторые – на третьей и четвертой. И больше нет никого. Более того, романтическое правило заключается в том, что вы должны держать глаза закрытыми во время путешествия, доверяя судьбе, что она благополучно доставит вас на другую сторону. Вы видите, как улыбается пухлое смуглое лицо вашей милой, её маленькие усы шевелятся, мягкие глаза манят. Вы слышите, как гудят восемнадцатиколесные фуры. И все, что вы можете сделать, это закрыть глаза и молиться.

Пример сурков, переходящих дорогу, иллюстрирует проблему постепенной эволюции. До этого момента в книге я подчеркивал неснижаемую сложность систем, которые требуют нескольких компонентов для функционирования, и поэтому являются гигантскими барьерами на пути постепенной эволюции. Я рассмотрел ряд примеров. Еще больше можно увидеть, просто пролистав учебник по биохимии.  Но некоторые биохимические системы не являются неупрощаемо сложными. Они не обязательно требуют нескольких частей для работы, и, кажется, есть (по крайней мере, на первый взгляд) способы собрать их шаг за шагом. Тем не менее, при ближайшем рассмотрении всплывают неприятные проблемы. Предположительно плавные переходы оказываются эфемерными, если проверять их при свете дня. Таким образом, даже если некоторые системы не являются неупрощаемо сложными, это не обязательно означает, что они были собраны вместе в дарвинистской манере. Как для сурка, пытающегося пересечь тысячеполосное шоссе, нет абсолютного барьера для постепенного объединения некоторых биохимических систем. Но возможности ошибиться огромны.


                СТРОИТЕЛЬНЫЕ БЛОКИ

Большие молекулы, которые выполняют работу в клетке – белки и нуклеиновые кислоты – являются полимерами (то есть они состоят из дискретных единиц, связанных друг с другом в ряд). Строительные блоки белков – аминокислоты, а строительные блоки нуклеиновых кислот – нуклеотиды. Подобно детским бусинам с защелками, аминокислоты или нуклеотиды можно нанизывать, чтобы получить почти бесконечное разнообразие различных молекул. Но откуда берутся бусины? Бусины с защелкой изготавливаются на фабрике. Их нельзя найти валяющимися в лесу. Фабрика изготавливает бусины определенной формы, чтобы маленькое отверстие на одном конце было подходящего размера для ручки, торчащей из другого конца. Если ручка будет слишком большой, бусины не могут быть соединены. Если отверстия будут слишком большими, цепочка бусин разваливалится. Производитель бусин с защелкой уделяет большое внимание тому, чтобы придать им правильную форму и использовать правильный вид пластика. Клетка также уделяет большое внимание производству своих строительных блоков.

ДНК, самая известная из нуклеиновых кислот, состоит из четырех видов нуклеотидов: A, C, G и T. В этой главе я буду говорить в основном о строительном блоке А. Когда строительный блок не соединен с полимером, он может быть в нескольких формах, обозначенных как AMФ, AДФ или ATФ (1). Форма, которая первой синтезируется в клетке, это АМФ. Как и бусина с защелкой, AMФ должна быть сделана тщательно. Большинство молекул в биологических организмах состоят всего из нескольких различных видов атомов, и AMФ не является исключением. Она состоит из пяти различных видов: десяти атомов углерода, одиннадцати атомов водорода, семи кислорода, четырех азота и одного атома фосфора. Я использовал аналогию с бусинами с защелкой, чтобы показать, как аминокислоты и нуклеотиды соединяются в длинные цепочки. Чтобы понять, как синтезируется AMФ, давайте представим себе что-то вроде Tinkertoys (2). Для тех читателей, которые не знакомы с ним, Tinkertoys имеет два вида деталей – деревянное колесо с отверстиями, просверленными в ободе и центре, и деревянные палочки, которые имеют тот же диаметр, что и отверстия. Проталкивая палочки в отверстия, можно соединить несколько колес. Используя больше палок и колес, вы можете построить целую сеть. Конструкции, которые вы можете сделать только из этих двух типов деталей, от зАмков и автомобилей до кукольных домиков и мостов, ограничены только вашим воображением. Атомы похожи на части набора Tinkertoys: атомы – это деревянные колеса, а химические связи, образующиеся между атомами, – это палочки. Как и Tinkertoys, атомы могут быть собраны вместе, чтобы сформировать множество различных форм. Однако большая разница заключается в том, что клетка – это машина, поэтому механизм сборки молекул жизни должен быть автоматизирован. Представьте себе сложность машины, которая могла бы автоматически собирать Tinkertoys, скажем, в форму зАмка! Механизм, который клетка использует для производства АМФ, автоматизирован, и, как и ожидалось, он далеко не прост.

Атомы почти всегда находятся в молекулах. Они не лежат на свободе, как игрушечные детали. Поэтому, чтобы создать новую молекулу, вам приходится брать старые молекулы, соединяя их вместе. Это все равно, что снять башню с замка Tinkertoys, чтобы использовать его в качестве корпуса  автомобиля, использовать пропеллер от самолета Tinkertoys в качестве автомобильного колеса и т. д. Точно так же новые молекулы строятся из кусочков старых молекул. Все молекулы, которые используются для создания AMФ, имеют довольно длинные и утомительные химические названия. Я не буду использовать их в описании, если в этом не будет необходимости. Вместо этого я просто опишу молекулы словами и дам им безобидные названия, такие как «Промежуточное соединение III» или «Фермент VII».

На рисунке показаны молекулы, которые участвуют в поэтапном синтезе. Большинству читателей, вероятно, будет легче следить за моим описанием на следующих нескольких страницах, обращаясь к рисунку. Однако не волнуйтесь – я не собираюсь говорить о каких-либо эзотерических концепциях: только кто с кем связан. Суть в том, чтобы оценить сложность системы, увидеть количество задействованных шагов, заметить специфику реагирующих компонентов. Образование биологических молекул не происходит каким-то нечетким способом Кальвина и Гоббса; для выполнения работы требуются специальные, очень сложные молекулярные роботы. Я призываю вас бегло пробежаться по следующим двум разделам и удивиться.

W Чтобы построить дом, вам нужна энергия. Иногда энергия находится только в мышцах рабочих, но иногда она находится в бензине, который приводит в действие бульдозеры, или в электричестве, которое вращает дрели. Клетке нужна энергия для производства АМФ. Энергия в клетку поступает в дискретных пакетах. Я назову их «энергетическими гранулами». Думайте о них как о молекулярных шоколадных батончиках, обеспечивающих энергией мышцы, или канистрах с бензином, чтобы приводить в действие машины. Существует несколько различных типов энергетических гранул, включая АТФ и ГТФ (3). Не беспокойтесь о том, как они выглядят или как работают. Я просто отмечу, на каких этапах они нам нужны.

Так же, как строительство дома начинается с фундамента, так и синтез AMФ. Основа – сложная молекула (рибоза-5-фосфат на рис.), синтез которой я обсуждать не буду. Она состоит из четырех атомов углерода и одного атома кислорода, замкнутых в кольцо. К трем кольцевым углеродам присоединены атомы кислорода. К четвертому углероду в кольце присоединен еще один углерод, к которому присоединен кислород и далее фосфор с тремя молекулами кислорода. На первом этапе синтеза AMФ группа, состоящая из двух атомов фосфора и шести атомов кислорода, переносится ферментом I на один из атомов кислорода фундамента для создания промежуточного соединения II (ФРПФ на рис). Для этого требуется энергетическая гранула АТФ. Промежуточное соединение II используется организмом в качестве отправной точки для создания нескольких различных молекул, включая AMФ.

На следующем этапе фермент II берет атом азота из аминокислоты глутамина и помещает его на кольцевой углерод, чтобы получить промежуточный продукт III (5-фосфорибозиламин на рис.). На этом же этапе запускается фосфорно-кислородная группа, которая была присоединена на предыдущем этапе.

Под руководством фермента III аминокислота под названием глицин (состоящая из атома азота, который присоединен к углероду, который присоединен к другому углероду, соединенному с двумя кислородами) скользит и цепляется за азот промежуточного продукта III через один из атомов углерода. При этом используется энергетическая гранула АТФ. В процессе один из двух кислородов, первоначально прикрепленных к углероду, удаляется. В этот момент молекула выглядит так, как будто у нее есть хвост, развевающийся на ветру (глицинамидрибонуклеотид на рис). Готовый продукт, AMФ, будет выглядеть совсем по-другому: пара жестких, сплавленных колец, прикрепленных к фундаменту. Чтобы добраться туда, где мы сейчас находимся, молекула должна быть химически подготовлена в правильном порядке.

На следующем этапе молекула муравьиной кислоты (на самом деле родственный ион, формиат), состоящая из двух атомов кислорода, присоединенных к атому углерода, приклеивается к азоту промежуточного продукта IV, чтобы получить промежуточный продукт V(см.рис.). При этом один из кислородов формиата удаляется. Обычно формиат нереакционноспособен, поэтому для того, чтобы заставить его подключиться к другим молекулам, требуется некоторая подготовка. Учебник по биохимии подчеркивает проблему:

Формиат... совершенно нереактивен в физиологических условиях и должен быть активирован, чтобы служить эффективным формилирующим агентом... Фундаментальное значение [ТГФ] заключается в поддержании формальдегида и формиата в химически уравновешенном состоянии, не настолько реакционноспособном, чтобы представлять токсическую угрозу для клетки, но доступном для важных процессов за счет специфического ферментативного действия.

К счастью, как указывает цитата, формиат не просто плавает в растворе. Сначала он присоединяется к витамину под названием ТГФ (4), двоюродному брату витамина В9 (5) – фолиевой кислоты (даже не спрашивайте, как синтезируется витамин). Когда он присоединяется ферментом к витамину (в реакции, требующей энергетической гранулы АТФ), формиат активизируется и становится готовым к действию. Однако комплекс ТГФ-формиат не присоединится к промежуточному продукту IV, чтобы дать промежуточный продукт V, если только фермент IV не даст на это указание. Он будет плавать в клетке, пока не прореагирует с чем-то еще или не распадется, и это нарушит синтез АМФ. Но этого не происходит, потому что фермент направляет реакцию по правильному пути.

Следующий шаг – заменить атом кислорода, который присоединен к углероду  промежуточного продукта V, на атом азота. Это можно сделать химически, подвергнув молекулу воздействию аммиака, но вы не можете просто бросить аммиак в клетку, потому что он будет реагировать по своему усмотрению со многими вещами, с которыми он не должен реагировать. Поэтому часть аминокислоты используется для того, чтобы пожертвовать необходимый атом азота. Аминокислота глутамин под бдительным оком фермента V подбирается к промежуточному продукту V так, чтобы азот аминокислоты оказался близко к первому кислороду промежуточного продукта V. Благодаря каталитическому волшебству, которым славятся ферменты, азот отскакивает от аминокислоты, кислород выбрасывается из промежуточного продукта V, а азот занимает его место, чтобы создать промежуточный продукт VI. Этот шаг использует энергетическую гранулу АТФ. W



(1) АМФ, АДФ,АТФ (AMP, ADP, ATP).  Один из строительных кирпичиков ДНК нуклеотид Аденозин (А) состоит из аденина (6-аминопурин), соединенного с молекулой моносахарида рибозой. Если к аденозину присоединить одну молекулу фосфорной кислоты образуется аденозинмонофосфат (АМФ, АМР), если друг за другом две молекулы фосфорной кислоты образуется аденозиндифосфат (АДФ,  ADP), если три – аденозинтрифосфат (АТФ, АТР). АТФ – главный источник энергии в клетке.

(2) Tinkertoys – конструктор для детей. Содержит массу деталей: колесиков, муфточек, палочек и т.п. Заинтересовавшиеся могут легко приобрести в  интернет магазине Wildberries по цене 1000-2000 рублей.

(3) ГТФ – гуанозинтрифосфат. Является источником энергии при синтезе белка совместно с АТФ.

(4)Тетрагидрофолат (ТГФ, ТНР) – это кофермент, участвующий во многих реакциях, особенно при метаболизме аминокислот и нуклеиновых кислот. Является донором одноуглеродной группы. Получает атом углерода путём образования комплекса с формальдегидом, который образуется в других реакциях. ТГФ играет очень важную роль в преобразовании вредной аминокислоты под названием гомоцистеин в безопасную и полезную аминокислоту под названием метионин. Недостаток тетрагидрофолата вызывает анемию.

(5) Витамин В9 (фолиевая кислота) должен быть преобразован в ТГФ, чтобы эффективно использоваться организмом. Превращение фолиевой кислоты в ТГФ осуществляется ферментом под названием ТГФ-редуктаза.

Продолжение http://proza.ru/2024/08/23/39