Молекулярно-биологические структуры

1. Материальная основа жизни

Понятие «жизнь» трудно поддается определению, поскольку проявления жизни весьма многообразны и сложны. Живые существа самопроизвольно двигаются, размножаются, отвечают на раздражение и способны к проявлению целого ряда функций, отличающих их от объектов неживой природы. Вместе с тем не всякий организм проявляет все свойства жизни.

Определяя жизнь, Энгельс отметил самое главное, а именно то, что «жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования состоит по своему существу в постоянном самообновлении химических составных частей этих тел»^[1].

Таким образом, уже около 100 лет тому назад Энгельс подчеркнул, что жизнь является формой существования особо организованной материи, причем эта материя обладает особенностями, отличающими ее от неживой природы и определяющими основные свойства живого.

Энгельс говорит о том, что биологию можно рассматривать как химию белков, однако он отмечает, что «когда химия порождает белок, химический процесс выходит за свои собственные рамки…»^[2]. Иными словами, здесь химия становится уже биологией.

Очень трудно определить грань между живым и неживым. Так, семена, зародыши, споры микроорганизмов, частицы вирусов, попадая в соответствующую среду, проявляют признаки жизни, а, с другой стороны, могут долгое время храниться, не обнаруживая их. Наиболее существенно, однако, то, что эти зародыши или споры содержат именно тот вид материи, который способен к проявлению жизни.

Когда Энгельс говорил о белке, химия, в особенности химия биологически важных веществ, находилась в самом зачаточном состоянии. В настоящее время мы знаем несравненно больше о белке и о целом ряде других важнейших веществ, входящих в состав живых организмов. Тем не менее сущность определения Энгельса сохраняет свое значение. Если современные достижения науки позволяют внести более детальный и более глубокий смысл в понятие живой материи, то основная мысль Энгельса о том, что жизнь представляет собой способ существования белковых тел, заключала в себе понятие особо организованной материи, и его определение, включающее в состав этой материи белок, — остается в силе.

Действительно, начиная от самых мельчайших до самых крупных и дифференцированных организмов в их составе мы всегда находим характерные для живого соединения — белки и нуклеиновые кислоты. Наряду с ними встречается много других высоко- и низкомолекулярных веществ.

Подобно тому как сложная структура организмов или клеток определяет функцию их, структура молекул находится в непосредственной связи с их химической активностью.

В живом организме мы встречаемся как с очень маленькими молекулами, распространенными в неживой природе, так и с очень крупными и весьма своеобразными соединениями, относящимися к биологическим полимерам и имеющими очень высокий молекулярный вес. Высокомолекулярные биологические полимеры образуют ультраструктуры клетки и мельчайшие тела вирусов, вироспор и микробов. Именно эти макромолекулы в значительной мере определяют сложную форму, структуру и функцию всего организма в целом. Мало того, с их тонким химическим строением связаны видовые и даже индивидуальные особенности организмов, передающиеся по наследству.

На молекулярном уровне, так же как и на уровне организмов, мы видим сложные взаимоотношения структуры и функции, представляющих собой форму и содержание живого.

Из многочисленных и разнообразных веществ, входящих в состав живых организмов, можно выделить определенный тип высокомолекулярных соединений, от которых в основном зависят проявления жизни и которые можно рассматривать как живую материю.

2. Химический состав живых организмов

Химический состав различных организмов колеблется в широких пределах. Большинство организмов состоит более чем наполовину из воды и содержит многочисленные растворенные соли и низкомолекулярные органические вещества, иногда очень сложного и своеобразного состава. Однако сухое вещество организмов в основном представлено, как правило, высокомолекулярными соединениями, относящимися к классам белков, жиров и углеводов.

Наряду с ними важнейшей составной частью живой клетки являются нуклеиновые кислоты. Содержание нуклеиновых кислот может быть очень малым в некоторых организмах или в некоторых тканях, но может достигать и довольно высокой величины. Так, например, мельчайшие организмы —вирусы растений, животных и бактерий на определенных стадиях-развития могут быть получены в виде частиц, по своему строению близких к кристаллам, и некоторые из них —самые мельчайшие вирусы— состоят из почти равных количеств белка и нуклеиновой кислоты.

С другой стороны, состав высших организмов весьма разнообразен. Наряду с белками, жирами, углеводами, нуклеиновыми кислотами и многочисленными продуктами их распада мы встречаем в организмах множество специфических соединений, играющих роль в биохимических процессах, и обнаруживаем большинство имеющихся в природе элементов, в том числе редкие элементы, а также ряд соединений, характерных для живых организмов и не встречаемых в неживой природе.

Все эти вещества не являются случайными примесями, они, как правило, играют важную биологическую роль; иногда стоит лишить организм какого-либо одного из элементов или одного из необходимых для жизни органических веществ, например витамина, как организм погибает.

Средний состав организма человека представлен в табл. 1.

Таблица 1

Приблизительный состав тела человека (взрослый мужчина весом около 70 кг)

Зависимость жизнедеятельности организма от этих элементов или веществ связана с его существованием в определенной среде. Находясь в постоянном обмене веществ с внешней средой, организм получает необходимые для жизни продукты извне и выделяет в среду конечные продукты своего обмена веществ. Постоянное самообновление является наиболее характерным признаком жизни; прекращение обмена веществ, самообновления ведет к прекращению жизненных функций.

Однако целый ряд веществ организм синтезирует внутри себя. Нередко, приспосабливаясь к определенной среде, он получает их за счет других организмов, потребляемых с пищей.

Соединениями, специфичными для живых организмов, являются многие биологические катализаторы, в числе которых для животных очень характерны геминовые производные, входящие в состав пигментов крови, цитохромов, окислительных ферментов. В растениях вещество, химически близкое к гемину, — хлорофилл выполняет важнейшую функцию в образовании органической материи из воды и углекислоты за счет энергии света в процессе фотосинтеза.

Постоянно встречаются в живых организмах аминокислоты. Аминокислоты претерпевают ряд превращений в организме и служат материалом для образования многих биологически активных веществ.

Однако наиболее важно то, что из них образованы белки — основной материал животных организмов и важнейшая составная часть всего живого.

Белки представляют собой полимеры, построенные из различных аминокислот. Углеводы и жиры являются менее специфическими веществами, однако как растворимые простейшие углеводы — моносахариды: виноградный сахар (глюкоза), фруктоза и ряд других, так и полимеры этих моносахаридов: крахмал, гликоген, клетчатка, а также различные кислые полисахариды, мукополисахариды, весьма характерны для живых организмов. Все живые организмы содержат также жиры, представляющие собой сложные эфиры жирных кислот и глицерина, и жироподобные вещества, липоиды, близкие по составу и свойствам к жирам.

Наконец, характерными для живых организмов являются нуклеотиды, представляющие собой соединения пуриновых или пиримидиновых оснований с редко встречающимся в свободном виде сахаром — рибозой или дезоксирибозой и с фосфорной кислотой. Нуклеотиды играют важнейшую роль в промежуточном обмене веществ, являясь катализаторами многих биохимических реакций и коферментами — составными частями ряда ферментов. Полимеры нуклеотидов — нуклеиновые кислоты, или полинуклеотиды, играют совершенно особую, жизненно важную роль и наряду с белками являются важнейшими компонентами живого вещества.

3. Биологические полимеры

Биологические полимеры являются наиболее характерными составными частями живой материи. Именно они играют определяющую роль в строении клеток, органов и тканей и в их функции. Древесина, клеточные стенки растений и микроорганизмов, покровы животных, активные ткани мышц, нервов, печени и т. п. построены в основном из биологических полимеров. Они выполняют важнейшую структурную роль в организме. Они же являются катализаторами биологических процессов, ферментами, обусловливающими основную функцию живого — обмен веществ. Благодаря их молекулярным изменениям организм отвечает двигательной реакцией, различными формами возбуждения на раздражение извне.

Полимеры обладают целым рядом новых свойств, существенно отличающих их от простых мономерных молекул. Простые полимеры, например полисахариды, состоят, как правило, из одного и того же мономера. Однако способ соединения этих простых молекул между собой и размер этих молекул в значительной мере определяют свойства высокомолекулярного вещества. Один и тот же виноградный сахар — глюкоза — может образовать такие различные полимеры, как крахмал, гликоген и клетчатка (целлюлоза). Макромолекулы этих полимеров очень велики и достигают молекулярного веса порядка сотен тысяч. Их поведение в растворе и взаимодействие с другими веществами определяются не только входящими в их состав химическими группами, но и строением их макромолекул. Так, целлюлоза нерастворима в воде и представляет собой механически прочную структуру, из которой построены клеточные стенки растений. Крахмал и гликоген служат в основном запасными питательными веществами. Эти вещества сравнительно легко заменимы в организме и выполняют, главным образом, энергетическую и структурную роль.

Специфика живого связана не с углеводами, и лишь некоторые очень специфические полисахариды могут быть характерными для тех или иных организмов. Эту специфику определяют гораздо более сложные полимеры аминокислот — белки и полимеры нуклеотидов — нуклеиновые кислоты.

4. Белки

Если в состав крахмала или целлюлозы входит только один мономер — глюкоза, то в состав белков входит 20 различных аминокислот. Каждая из этих аминокислот, имея одинаковую кислотную (карбоксильную) группу и аминную группу, находящуюся рядом с карбоксильной, отличается от другой по строению и составу остальной части молекулы. В белках аминокислоты, соединенные между собой, образуют так называемую пептидную связь СО—NH — за счет остатков карбоксильной группы одной аминокислоты и аминной группы другой аминокислоты. Образуя такую связь, аминокислоты теряют элементы воды, поэтому точнее говорить, что белки построены из остатков (радикалов) аминокислот. При гидролизе белков, т. е. расщеплении их с присоединением элементов воды, происходящем под действием кислот, щелочей или специфических ферментов, они распадаются сначала на более мелкие пептиды и наконец на свободные аминокислоты.

В природе существует практически бесконечное множество разнообразных белков. В их состав может входить от нескольких десятков и сотен до нескольких тысяч аминокислотных остатков. Молекулярный вес большинства белков обычно составляет десятки тысяч. Наряду с этим существуют белковые вещества с молекулярным весом лишь в несколько тысяч и с молекулярным весом, доходящим до миллионов. Так, например, молекула белкового гормона поджелудочной железы — инсулина состоит из соединенных между собой двух полипептидных цепочек, в одной из которых имеется 21, а в другой 30 аминокислот. В молекуле фермента рибонуклеазы содержится 124 аминокислоты, находящихся в сложной изогнутой полипептидной цепочке.

Благодаря тому, что в состав белков входят различные аминокислоты, несущие многочисленные и разнообразные химические функциональные группировки, реакции, к которым способны белки, весьма многообразны. У разных белков они могут очень сильно отличаться друг от друга. Благодаря наличию в своем составе кислотных и основных групп, благодаря сложной молекуле белки обладают амфотерными (одновременно кислотными и основными) свойствами и чрезвычайно чувствительны к изменениям внешней среды. Небольшое изменение кислотности среды, присутствие или отсутствие в ней сравнительно низких концентраций ионов тех или иных минеральных солей существенно изменяет их свойства и конфигурацию их молекул. Такая реактивность и чувствительность белков резко выделяет их среди обычных химических веществ и является одним из свойств, обусловливающих их жизненно важные функции.

Белки выполняют много важных функций в организме. Прежде всего все ферменты —биологические катализаторы, необходимые для протекания многочисленных, хорошо изученных теперь реакций обмена веществ, относятся к белковым веществам. Белковые же структуры образуют мышечные волокна, способные сокращаться и выполнять механическую работу, а также реснички, жгутики и всевозможные сократимые структуры разнообразных организмов и клеток.

Однако функции белков не ограничиваются каталитическими и сократительными функциями. Из белков построены многие опорные и защитные ткани, например коллагены соединительной ткани, кератины кожи, перьев, ногтей, волос, фиброины коконов шелкопряда и других насекомых, паутины и т. п.

Белки выполняют также ряд специфических функций, близких к вышеуказанным. Так, например, белки крови разносят по организму питательные вещества, обратимо соединяясь с ними и отщепляя их. Белками являются антитела, обезвреживающие и нейтрализующие попадающие в организм чужеродные тела и антигены. Белковые структуры образуют многие жизненно важные гормоны, регулирующие обмен веществ. К ним же относятся и ядовитые продукты бактерий — токсины.

Таким образом, белки действительно определяют главнейшие жизненные функции организмов и являются главной составной частью живого вещества.

В состав каждой клетки входит много разнообразных белковых веществ, и, хотя белки построены по одному общему плану, разнообразие их практически бесконечно, каждый белок обладает специфическими свойствами и строением. Действительно, такие внешне непохожие друг на друга вещества, как гормон инсулин, рога животных, нити шелка, многие специфические ферменты с разнообразными функциями, при гидролизе расщепляются на одни и те же аминокислоты. Правда, соотношение этих аминокислот в составе молекул разных белков неодинаково. В некоторых белках та или иная аминокислота может отсутствовать или некоторые аминокислоты находятся в относительно больших количествах.

Аминокислотный состав белков является важнейшей их характеристикой. Он может в значительной мере определять их питательную ценность и некоторые их химические свойства. Однако гораздо важнее расположение аминокислотных остатков в полипептидных цепочках белка. Если молекула белка состоит лишь из 11 различных аминокислот, входящих в состав цепочки по одному разу, то может быть около 40 миллионов различных распределений этих аминокислот по последовательности. Поскольку в белках обычно содержатся сотни аминокислотных остатков, то возможность образования различных белковых молекул даже из одних и тех же аминокислот, входящих в одних и тех же соотношениях, практически бесконечна.

В настоящее время разработаны методы определения последовательности аминокислот в белковых молекулах. Эти методы основаны на особых реакциях аминокислот, находящихся в концах полипептидной цепочки, на специфическом расщеплении определенными ферментами пептидной цепочки в данных местах.

Пока известна последовательность аминокислот лишь в сравнительно небольшом числе белков, причем выяснение этой последовательности потребовало огромного труда.

Наиболее изученной белковой молекулой является молекула инсулина. Оказалось, что свойства инсулина зависят от строго определенного набора аминокислот, расставленных в двух полипептидных цепочках в определенной последовательности (табл. 2). Выяснилось, что инсулины, получаемые из поджелудочной железы различных животных, могут отличаться друг от друга. Однако различие это всегда касается лишь трех аминокислот, занимающих восьмое —десятое места в полипептидной цепочке а. Так, у быка этот небольшой участок полипептидной цепочки, который, по-видимому, отражает видовую специфичность инсулинов, представлен последовательностью: аланин — серин — валин, у свиньи и кашалота: треонин — серин — изолейцин, у овцы: аланин — глицин — валин, у лошади: треонин — глицин — изолейцин.

Определенную последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепочке называют первичной структурой. Связи, образованные между полипептидными цепочками, как, например, связи через серу молекул цистина в инсулине, представляют собой вторичную структуру белков. Более сложная конфигурация (или конформация) полипептидных цепочек — образование спиралей и взаимодействие их между собой и с другими молекулами — образует соответственно третичную и четвертичную структуру. Определяющей для функции белков, как правило, является первичная структура. Однако нарушение вторичной и третичной структур белков в некоторых случаях необратимо и может инактивировать белки.

Таблица 2

Строение молекулы инсулина быка: I — большой полипептид (цепь б); II — малый полипептид (цепь а); цифры 1—30 — положение аминокислоты в полипептиде (—S—S—дисульфидные мостики)

Весьма характерным для белков и некоторых других биополимеров является то, что очень небольшие химические изменения, часто поддающиеся определению лишь при помощи специальных, очень чувствительных методов, способны вызывать глубокие нарушения функции. Так, например, замена лить одной аминокислоты в молекуле пигмента крови — гемоглобина настолько нарушает функцию гемоглобина, что человек заболевает так называемой серповидно-клеточной анемией, приводящей к смерти. Часто замена одного аминокислотного остатка в молекуле способна нарушить каталитические свойства некоторых ферментов.

Однако в других случаях изменение или отщепление даже нескольких аминокислот в менее ответственных участках полипептидной цепи практически не отражается на каталитической активности. В белковых молекулах имеются участки, очень важные для их функции, — так называемые активные группы, и могут быть целые области, не играющие сравнительно большой роли.

Белки, таким образом, являются совершенно своеобразными соединениями. Сложная макромолекулярная структура их определяет очень высокую чувствительность к среде и способность реагировать на малейшие изменения в ней; наличие многочисленных химических функциональных групп в аминокислотных остатках способно придавать белку самые разнообразные химические свойства. Специфичность белковой молекулы для биологического вида, организма или для данной его функции, в конечном счете, определяется последовательностью аминокислот, т. е. первичной структурой белка. Конформация молекул, связанная с вторичной и третичной структурой, также играет важнейшую роль в биологической функции белков.

Таким образом, при однородности общего плана строения белки обладают более многообразными функциями, чем все химические соединения неорганической природы. Их химические свойства выходят за пределы тех свойств, которые изучает химия, и позволяют белкам быть основным субстратом жизни. Свойства белков поэтому нельзя изучать одними химическими методами и рассматривать как предмет только лишь химии. Наряду с химией, физикой и физической химией, свойства белков могут быть поняты только в связи с их биологической функцией.

5. Нуклеиновые кислоты

Другими биологическими полимерами, играющими не менее важную роль для жизненных функций, являются нуклеиновые кислоты. Если белки построены из остатков двадцати различных аминокислот, то каждая нуклеиновая кислота состоит по существу из радикалов лишь 4 различных нуклеотидов. Каждый мононуклеотид состоит из остатков пуринового или пиримидинового основания, пятиуглеродного моносахарида — рибозы или дезоксирибозы и остатка фосфорной кислоты.

Имеются два главных типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые кислоты и дезоксирибонуклеиновые кислоты. Как говорит само название, в составе рибонуклеиновой кислоты мы встречаем рибозу. Из пуриновых оснований она содержит аденин и гуанин, из пиримидиновых — урацил и цитозин. В дезоксирибонуклеиновой кислоте рибоза заменена дезоксирибозой, а урацил — тимином. В мононуклеотидах первый атом сахара соединен с девятым атомом азота пуринового или третьим атомом азота пиримидинового основания. Фосфорная кислота присоединена эфирной связью к пятому или третьему атому сахара. В молекуле нуклеиновой кислоты или полинуклеотида мононуклеотиды соединены между собой посредством остатка фосфорной кислоты, присоединенной к пятому атому сахара одного мононуклеотида и к третьему атому сахара соседнего нуклеотида.

Сравнительно недавно, 15—20 лет тому назад, когда белки были изучены уже довольно подробно, наши представления о нуклеиновых кислотах были весьма примитивны. Предполагалось, что нуклеиновые кислоты очень однородны и неспецифичны. Однако постепенно выяснилось, что они играют важнейшую роль в биосинтезе белков и в передаче наследственных свойств организмов. Оказалось, что их строение не менее специфично, чем строение белков.

В молекуле каждой нуклеиновой кислоты нуклеотиды находятся в определенной, уникальной последовательности. Эта уникальная последовательность нуклеотидов обусловливает специфическую первичную структуру данной нуклеиновой кислоты. Поскольку в молекуле нуклеиновой кислоты остатки сахара и фосфорной кислоты повторяются монотонно, специфичность структуры в конечном счете определяется последовательностью остатков нуклеиновых (пуриновых и пиримидиновых) оснований.

Помимо аденина, гуанина, цитозина, урацила и тимина, в составе нуклеиновых кислот обнаружены в небольших количествах некоторые другие основания, являющиеся производными названных. Эти основания, однако, входят в состав лишь некоторых нуклеиновых кислот (например, дезоксирибонуклеиновая кислота так называемых Т-четных бактериофагов кищечной палочки содержит 5-оксиметилцитозин вместо цитозина) или встречаются в различных нуклеиновых кислотах в сравнительно небольших количествах и, по-видимому, не определяют каких-либо принципиально важных новых свойств.

Подобно белкам, нуклеиновые кислоты являются высокомолекулярными соединениями, представляющими собой макромолекулы биополимеров. В настоящее время показано, что как рибонуклеиновые, так и дезоксирибонуклеиновые кислоты могут быть разных типов. Молекулярный вес рибонуклеиновых кислот достигает 1 000 000— 2 000 000. Для дезоксирибонуклеиновых кислот он составляет 6 000 000—10 000 000, а в некоторых случаях даже величины порядка 100 000 000. Хотя в состав каждой нуклеиновой кислоты входят лишь 4 различных основания, теоретически возможность различных уникальных последовательностей этих оснований в молекуле не меньше, чем в белках, благодаря высокому молекулярному весу нуклеиновых кислот. Таким образом, разнообразие первичной структуры молекул нуклеиновых кислот практически бесконечно.

Уникальное строение молекулы нуклеиновой кислоты, передающееся по наследству, определяет структуру белков данного организма и в конечном счете особенности его строения, состава и биологических функций. Так, в самых простейших организмах —вирусах специфичность свойств определяется входящей в их состав нуклеиновой кислотой.

Хорошо изученный вирус табачной мозаики (ВТМ) состоит приблизительно на 95% из белка и на 5% из рибонуклеиновой кислоты. В настоящее время удается расщепить ВТМ на его составные части —одну молекулу рибонуклеиновой кислоты с молекулярным весом около 2 000 000 и около 2200 одинаковых молекул структурного белка вируса. Белковые молекулы, ассоциированные между собой, образуют трубку (оболочку), внутри которой находится молекула нуклеиновой кислоты. Если сочетать нуклеиновую кислоту ВТМ одного типа с белком ВТМ другого типа и заразить таким гибридным вирусом табачное растение, то в нем размножается тип вируса, соответствующий тому, от которого была взята нуклеиновая кислота. Мало того, даже при помощи нуклеиновой кислоты, освобожденной от белка, удается вызвать вирусное заболевание.

Таким образом, главнейшие свойства и специфичность вируса табачной мозаики определяются тонким строением находящейся в нем рибонуклеиновой кислоты.

На бактериальных клетках можно передать определенному штамму бактерий те или иные свойства, добавляя к культуре дезоксирибонуклеиновую кислоту иного штамма. Это явление, получившее название трансформации, также указывает, что определяющие свойства заложены в строении ДНК.

Таким образом, нуклеиновые кислоты, в особенности дезоксирибонуклеиновая кислота, передаваясь потомству, несут в себе уникальные наследственные свойства данного организма, которые проявляются в образовании многочисленных характерных и специфических белков.

Следовательно, важнейшим свойством нуклеиновых кислот, определяющим жизнь, является уникальная, строгая специфичность их, сохраняющая и передающая по наследству определенную биологическую информацию. Эта биологическая информация далее передается белкам и определяет важнейшие свойства живого.

Таким образом, если определение Энгельсом понятия живой материи ограничивалось белком, а важнейшим изученным свойством этой материи был обмен веществ, то теперь можно говорить о том, что живая материя представляет собой сложные биологические полимеры, нуклеиновые кислоты и белки, обладающие свойствами обмена веществ и биологической информации. Если белки являются главным выразителем обмена веществ, то сохранение и передачу биологической информации берут на себя в основном нуклеиновые кислоты.

6. Биологическая информация как свойство макромолекул нуклеиновых кислот

Различная последовательность нуклеотидных остатков в макромолекуле нуклеиновой кислоты определяет ее уникальную первичную структуру. Благодаря полимерному строению и высокому молекулярному весу этих соединений число индивидуальных, специфических и своеобразных молекул нуклеиновых кислот может быть практически бесконечным. Если запись биологической информации в белках — полимерах, построенных из остатков 20 аминокислот, можно образно сравнить с языком, в основе которого имеется азбука из 20 букв, то строение нуклеиновых кислот написано четырехбуквенным алфавитом. Однако этих 4 букв при многократном повторении их достаточно, чтобы выразить самое сложное понятие, передать и сохранить самую сложную информацию.

Малейшие химические изменения в молекуле нуклеиновой кислоты нарушают этот уникальный порядок и могут исказить смысл записанной информации. Однако в некоторых случаях даже довольно значительные изменения в молекуле нуклеиновой кислоты, подобно тому как и в строении белков, мало отражаются на биологической функции. Можно представить себе, что если написана длинная телеграмма, то выпадение даже нескольких слов или искажение их иногда может не нарушить основного смысла, который был вложен в это послание. Но бывает и так, что замена одной буквы или даже запятой коренным образом изменяет смысл информации, она становится полностью искаженной. Подобно этому те или иные химические изменения или повреждения молекулярной структуры биологического полимера могут в большей или меньшей мере отразиться на его биологической функции.

Биологическая информация, содержащаяся в нуклеиновых кислотах, может передаваться от одних молекул нуклеиновых кислот к другим при помощи своеобразного способа, как бы переписывания («транскрипции») этой информации. В этом случае местам тех или иных нуклеотидов соответствуют комплементарные им нуклеотиды, переписывающие четырехбуквенным алфавитом смысл, записанный на данной макромолекуле нуклеиновой кислоты, на другую, вновь строящуюся молекулу нуклеинового полимера.

При передаче этой информации на белок в процессе формирования из аминокислот полипептидной цепочки происходит уже более сложный процесс перевода с четырехбуквенного алфавита на 20-буквенный алфавит («трансляция»), благодаря которому белки получают определенную структуру с уникальной последовательностью аминокислот, соответствующей информации, записанной на молекуле нуклеиновой кислоты, служившей как бы матрицей для образования данной белковой структуры.

Молекулы нуклеиновых кислот, переходя к потомству, сохраняют наследственную информацию, воплощаемую далее в новых организмах. Внутри данного организма они управляют процессом обмена веществ, передавая эту информацию при помощи транскрипции и трансляции, осуществляющейся в сложном механизме биосинтеза белков. Уникальные белковые молекулы, синтезирующиеся в определенной последовательности, проявляя свою функцию, и выражают тот шифр, который записан на макромолекулах нуклеиновых кислот.

Открытие информационных макромолекул и прежде неизвестного способа передачи наследственной информации, регуляции обмена и т. п. явилось важнейшим достижением современной биологической науки. Как во всяком новом достижении, в нем много неясного и таинственного, что послужило поводом для ряда идеалистических построений. Однако информация, записанная и передаваемая материальными молекулами биологических полимеров, лежащих в основе жизни, является столь же важным основным свойством живого, как и обмен веществ. Это свойство выработалось и усовершенствовалось в процессе эволюции и принадлежит особо организованной биологической материи.

Эти новые открытия в биологии выросли теперь в новую, особенно быстро развивающуюся область науки, получившую название молекулярной биологии. Предметом молекулярной биологии являются внутренние механизмы биологических процессов, связанные с реакциями и свойствами биологически важных высокомолекулярных соединений, прежде всего белков и нуклеиновых кислот и их комплексов, образующих ультраструктуры клеток. Поэтому, решая биологические проблемы, молекулярная биология широко применяет экспериментальные методы и теоретические выкладки молекулярной физики, а также физической и органической химии.

В вопросах изучения структуры и функций белков, нуклеиновых кислот и других биополимеров, механизмов регуляции обмена веществ, механизмов ферментативного катализа и т. п. молекулярная биология развивает соответствующие разделы биологической химии и биофизики. В исследовании тонких механизмов наследственности и развития, организации и взаимодействия клеточных структур, жизнедеятельности микроорганизмов и вирусов область молекулярной биологии охватывает многие направления таких биологических наук, как генетика, микробиология, вирусология, цитология и эмбриология.

Молекулярная биология изучает биологические процессы, протекающие на уровне молекул, и свойства живых структур, начиная от структур молекулярных до структур организмов, и сопоставляет их с тонким строением, химическими или физико-химическими свойствами специфических молекул, лежащих в основе живого. Молекулярная биология, таким образом, устанавливает связь между сложной структурой биополимеров и их функцией, соединяя в одно целое физическую, химическую и биологическую формы движения этой особо организованной живой материи.

Свойства макромолекул биополимеров, а именно их чрезвычайная чувствительность к составу окружающей среды и способность реагировать на малейшие ее изменения, хранение и передача сложнейшей биологической информации обусловливают жизненные функции биологических структур и поэтому не могут быть поняты в отрыве от них. Эти свойства совершенно уникальны и в своих главных чертах не находят аналогии среди веществ, представляющих предмет классической органической или физической химии. Функции этих биополимеров, таким образом, перерастают пределы химии и физики и могут изучаться только в комплексе с биологией. Вместе с тем именно благодаря широкому применению физических и химических методов молекулярная биология проникла в глубокую сущность и скрытые механизмы биологических процессов, позволила подойти к самым основам того, что определяет биологическую форму движения материи. Именно благодаря развитию этой области мы можем теперь на точных научных основах говорить о молекулярно-биологических структурах, их функциях, способах передачи информации, основах регуляции обмена веществ.

Область эта стремительно развивается, и самые существенные открытия еще впереди. Однако огромный прогресс, достигнутый за последние годы, уже дает возможность, пользуясь точными данными, рассматривать строение, функции и превращение биологических макромолекул, образующих живую материю. Этот новый материал служит также прочной основой для философско-теоретических обобщений.

7. Дезоксирибонуклеиновые кислоты

Наиболее сложные формы информации передаются по наследству и сохраняются внутри организма, будучи записанными на макромолекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Как мы отмечали выше, молекулярный вес этого полимера особенно велик и достигает многих миллионов. С ДНК. прежде всего связана передача наследственных свойств. Это уникальное вещество поэтому привлекает пристальное внимание исследователей и в известной мере окружено некоторой таинственностью с примесью мистики.

Действительно, биологическая роль ДНК, ее сложное молекулярное строение, связанное с этой ролью, уникальны и неповторимы. Тем не менее они поддаются точному научному исследованию, позволяющему глубоко проникнуть в тайны жизни.

Рентгеноструктурный анализ показывает, что нуклеотидные остатки, связанные между собой через остатки фосфорной кислоты, присоединенной к третьему атому дезоксирибозы одного нуклеотидного остатка и к пятому атому дезоксирибозы другого нуклеотидного остатка, образуют двойную спираль, находящуюся в определенной структурной организации (рис. 1). Плоскости молекул пуриновых и пиримидиновых оснований расположены перпендикулярно к продольной оси молекулы ДНК и соединены между собой гак называемыми водородными связями^[3]. Эти связи менее прочны, чем ковалентные, образованы аминными группами одних оснований и гидроксильными группами других, причем благодаря определенному сродству две такие связи возникают между аденином и тимином и три связи — между гуанином и цитозином (рис. 2).

Вторая спираль, таким образом, является комплементарной к первой. В ней, как в зеркальном отражении, остатки тимина заменены аденинами, а остатки гуанина —цитозинами, и наоборот. Благодаря этому она содержит столько же тиминовых остатков, сколько в первой адениновых, столько гуаниновых, сколько в первой цитозиновых и т. п. Будучи обусловлен определенной молекулярной структурой, состав ДНК подчиняется так зазываемым «правилам Чаргаффа», а именно, число пуриновых остатков равно числу пиримидиновых, число адениновых равно числу тиминовых и число гуаниновых равно числу цитозиновых остатков. Наконец сумма оснований со свободной аминной группой в 6-м положении (аденин и цитозин) равна сумме оснований со свободной гидроксильной группой в том же положении (гуанин и тимин). Лишь один коэффициент изменчив в разных молекулах ДНК — это отношение суммы молекул гуанина и цитозина к сумме молекул аденина и тимина (коэффициент специфичности (Г + Ц)/(А + Т)

Две спирали ДНК (см. рис. 1) являются антипараллелыными, т. е. направленными в разные стороны. Если в одной спирали фосфорная кислота присоединена от 5-го атома углерода остатка дезоксирибозы одного нуклеотида к 3-му углеродному атому остатка соседнего нуклеотида, то во второй, спаренной с нею «антипараллельной» спирали направление будет противоположным, от 3-го углеродного атома дезоксирибозы к 5-му.

В двойной спирали ДНК плоскости соседних оснований расположены на расстоянии 3,4 Å друг от друга. Полный виток спирали образуется 10 нуклеотидными остатками на расстоянии 34 Å по продольной оси молекулы. Спирали молекулы ДНК способны развертываться. Такое развертывание происходит в процессе редупликации (удвоения) ДНК, когда на каждой спирали строится комплементарная к ней спираль. Опыты показывают, что редупликация ДНК происходит именно таким «полуконсервативным» способом. В каждой новой молекуле ДНК остается одна спираль от старой, а комплементарная, антипараллельная спираль строится заново в процессе ферментативного синтеза. В некоторых бактериях, вирусах, мельчайших бактериофагах, например в фаге ФХ174, имеется односпиральная ДНК, замкнутая в виде кольца. В бактериях циркулярная, замкнутая в цикл, двуспиральная ДНК играет роль бактериальной хромосомы.

Участки огромной молекулы ДНК несут в себе информацию для синтеза разных белков, представляя собой гены.

Генетический анализ, приносящий огромную пользу для выяснения молекулярных структур, позволяет расположить эти гены в определенном порядке, в виде так называемой генетической карты. Интересно, что гены, обусловливающие синтез ферментов одной последовательности реакций, например ферментов биосинтеза данной аминокислоты, часто бывают расположены в молекуле ДНК —хромосоме в непосредственной близости друг от друга, причем в той же последовательности, в которой протекают осуществляемые этими ферментами реакции.

Функция этих генов, выражение их активности происходит при помощи транскрипции записанной в них информации, сначала на особые молекулы так называемой информационной рибонуклеиновой кислоты, а затем перевода этой информации — трансляции ее на молекулы белков, обладающих уже ферментативной функцией в обмене веществ.

У более сложных организмов, в том числе у высших животных и растений, молекулы ДНК в хромосомах организованы гораздо сложнее. Они образуют более сложные фибриллы, спирали которых переплетены друг с другом и содержат значительное количество белков. Главным белковым компонентом таких дезоксирибонуклеопротеидов являются гистоны —белки основного характера, располагающиеся в пазах, образуемых двуспиральной молекулой ДНК.

Два основных типа гистонов — гистон, богатый аргинином, и гистон, богатый лизином, расположены соответственно в большом и малом пазу двойной спирали ДНК (см. рис. 1). Это существенное отличие организации молекул ДНК в хромосомах у низших и высших организмов не случайно. У высших организмов в данной клетке активна лишь небольшая часть генов. Другие прочно блокированы и несут лишь скрытую активность. По-видимому, гистоны осуществляют функцию блокирования активных генов и обусловливают функционирование определенных участков ДНК в хромосоме данной дифференцированной клетки.

8. Рибонуклеиновые кислоты и биосинтез белков

При общем одинаковом плане первичной структуры, с той лишь разницей, что вместо тимина в молекуле РНК содержится урацил, а вместо дезоксирибозы — рибоза, макромолекулярная структура РНК отличается от структуры ДНК.

Молекула РНК обычно построена из одной полинуклеотидной цепочки. Однако благодаря водородным связям, возникающим между гуанином и цитозином, с одной стороны, и между аденином и урацилом, с другой, эта цепочка способна образовывать петли, дающие складки в молекуле РНК.

В зависимости от концентрации солей в растворе цепь полирибонуклеотида может принимать разные конфигурации или конформации. Ее вторичная и третичная структуры в высокой степени зависят от условий среды. Так, например, в разведенных растворах соли водородные связи ослабевают и молекулы находятся в виде вытянутых цепочек. При повышении концентрации солей они образуют ряд петель и общая длина молекулы укорачивается. При дальнейшем повышении концентрации до высокой ионной силы (1—2 М раствор хлористого натрия) молекула свертывается в клубок и выпадает в осадок (рис. 3).

В настоящее время можно различать по крайней мере три функционально различных типа РНК. 80—85% РНК в клетке находится в составе рибонуклеопротеидных гранул — рибосом, состоящих приблизительно из равных количеств белков и РНК. Рибосомная РНК представлена двумя компонентами с молекулярными весами около 1 200 000 и около 600 000. Такие молекулы рибосомной РНК входят в состав, соответственно, большой и малой субъединиц рибосомы. В составе рибосомы РНК находится в строго упорядоченной упаковке в соединении со структурными белками этих гранул. Однако функция рибосомной РНК, ее биологическая активность остаются до сих пор неясными и еще ждут своего разрешения.

Другой тип РНК имеет значительно более низкий молекулярный вес. Эта так называемая растворимая или транспортная РНК (S-РНК или Т-РНК) имеет молекулярный вес около 30000 и содержит в молекуле 80—100 нуклеотидных остатков. В настоящее время полностью выяснена первичная структура некоторых S-РНК. На одном конце молекулы всех S-РНК находятся два цитидиловых остатка, заканчивающихся остатком аденозина со свободной третьей гидроксильной группой рибозы, способной присоединять аминокислоту. С другого конца стоит остаток гуанозина. Молекулы S-РНК присоединяют к себе аминокислоты, образуя с ними комплексы, и в процессе биосинтеза белка переносят их к рибосомам.

Для каждой аминокислоты имеются свои специфические молекулы S-РНК, иногда даже по две и более разных S-РНК для одной аминокислоты.

В процессе биосинтеза белка аминокислоты сначала активируются, образуя богатые энергией соединения — аминоациладенилаты, и затем переносятся при помощи специального фермента на соответствующие молекулы транспортной РНК, доставляющей эту аминокислоту к местам биосинтеза белков. Эти сравнительно небольшие молекулы РНК как бы выполняют роль переносчиков или вагонеток, подвозящих материал для построения молекулы специфического белка. Каждая такая вагонетка везет разные кирпичики к сложному аппарату, состоящему главным образом из рибосом, где происходит их сборка.

Самое трудное — расположить эти кирпичики в определенном порядке и придать им законченный вид, соответствующий первоначальному плану.

Эту функцию выполняет третий тип рибонуклеиновой кислоты — РНК-посредник, или информационная РНК (m-РНК). Это те самые молекулы рибонуклеиновых кислот, которые переписали на себя информационную запись с ДНК и далее передают ее белкам. Рибосома присоединяется к молекуле информационной РНК и, передвигаясь вдоль нее, как бы считывает записанную на ней информацию, образовывая по мере присоединения все более длинную полипептидную цепочку из аминокислот, доставляемых нагруженными молекулами транспортных РНК. Когда одна рибосома заканчивает это «списывание» с программирующей молекулы информационной РНК, за ней следуют другие, пользующиеся той же программой или «чертежом». Показано, что обычно сразу несколько или даже много рибосом соединено с одной молекулой m-РНК, образуя более сложные структуры — полирибосомы или полисомы.

Сложный, многоступенчатый процесс биосинтеза белков можно упрощенно изобразить в виде схемы, приведенной на рис. 4.

9. Нуклеотидный код

Каков же тот код, который переписывается с молекулы ДНК на молекулу РНК и далее переводится с четырехбуквенного алфавита оснований, входящих в состав нуклеиновых кислот, на 20-буквенный алфавит аминокислот, образующих первичную структуру белков? В настоящее время уже подошли к выяснению природы этого кода.

Очень изящными опытами, поставленными на бактериофаге кишечной палочки, имеющем ряд мутантов, удалось путем скрещивания этих мутантных штаммов и получения двойных и тройных, искусственных и естественных гибридов этих мутантов подойти к общей природе записи этого кода. Оказалось, что запись кода осуществляется при помощи триплетов нуклеотидов. Такой триплет определяет одну аминокислоту. Три буквы четырехбуквенного алфавита переводятся в одну букву 20-значной азбуки. Запись этих триплетов считывается с определенной точки. Стоит нарушить последовательность этой записи в пределах одного так называемого цистрона (структурного гена, определяющего строение одного белка или одной полипептидной цепочки), как запись нарушается и образуется уже измененный белок. Каждый триплет кодирует включение в состав белка только одной аминокислоты. Нуклеотидные остатки данного триплета не участвуют в соседних триплетах. Иными словами, код является неперекрывающимся.

Одна и та же аминокислота может иногда определяться двумя триплетами и более. Это свойство называют «вырожденностью» (множественностью) кода.

Эти общие свойства, однако, еще не говорят о том, какие именно триплеты определяют ту или иную аминокислоту. Решающий прогресс в этом направлении был сделан америкаиским ученым Ниренбергом, который впервые доложил на V Международном биохимическом конгрессе (Москва, 1961 г.), что, добавив искусственный полирибонуклеотид, состоящий из остатков одной только уридиловой кислоты, к бесклеточной системе из рибосом и других компонентов бактерий, синтезирующей белок, он нашел, что образованный белок (полипептид) состоял из остатков только одной аминокислоты — фенилаланина, избирательно включившейся в этот полимер.. Это открытие, показавшее, что триплет из трех остатков уридина —У—У—У— кодирует включение в белок аминокислоты — фенилаланина, и послужило началом раскрытия всего аминокислотного кода. Путем добавления различных синтетических полимеров нуклеотидов известного состава к такой системе и учета активности включения разных аминокислот удалось, принимая в расчет статистическую вероятность различных сочетаний, раскрыть триплеты, кодирующие все 20 аминокислот, входящих в состав белковой молекулы.

По этому методу о последовательности нуклеотидов в каждом триплете высказывались, однако, лишь предположения на основании косвенных данных. В последнее время путем биосинтеза комплементарных полирибонуклеотидов на матрице синтетически полученных дезоксирибонуклеотидов определенного строения и путем обработки синтетических полирибонуклеотидов специфическими рибонуклеазами получены небольшие полирибонуклеотиды с определенной последовательностью нуклеотидов, на которых воспроизведено связывание специфических S-РНК и включение в белок определенных аминокислот. Благодаря этому теперь известна и последовательность нуклеотидов в кодонах (триплетах нуклеотидов m-РНК) (табл. 3).

При транскрипции с молекулы ДНК на молекулу РНК происходит переписывание кода ДНК, т. е. каждое основание переписывается как дополнительное (комплементарное) к нему, а именно: тимин на аденин, аденин на урацил, цитозин на гуанин и гуанин на цитозин. Этот комплементарный к ДНК код РНК, передающийся при помощи информационной РНК и изображенный на таблице, переводится далее в 20-значную азбуку аминокислот, составляющих белковую молекулу.

Таблица 3

Аминокислотный код РНК (по Ниренбергу и Хорана)

* А — аденин; Г — гуанин; У — урацил; Ц — цитозин.

10. Регуляция обмена веществ

Трансляция нуклеотидного кода в структуру белков, выполняющих сложные биологические функции, главным образом ферментативные, обеспечивает выражение или воплощение в обмене веществ наследственной информации. Однако процесс обмена веществ упорядочен как в сложном организме, так и в отдельной клетке; реакции этого сложного процесса протекают в определенной последовательности и в определенное время, адекватно реагируют на изменения внешней среды.

Управление обменом веществ, сложная регуляция его является пока наиболее невыясненной стороной этого процесса. Тем не менее многие механизмы регуляции постепенно проясняются. Определенные участки молекул ДНК каким-то образом функционируют не все сразу, а друг за другом, и именно в таком порядке, который необходим для выполнения той или иной функции. Такая регуляция происходит на уровне молекул ДНК и может быть названа генетической регуляцией.

Есть и другие механизмы. Те или иные вещества подавляют функцию уже готовых ферментов и таким образом останавливают данную реакцию или, наоборот, усиливают действие того или иного фермента, стимулируя реакцию. Наконец, в сложном организме регуляция осуществляется в значительной мере механизмами, выходящими за пределы клетки или даже органа, при помощи нервной системы, передающей из центра импульсы к определенным органам, тканям и клеткам, при помощи гормонов, разносимых кровью по всему организму.

Эти известные нам способы регуляции обмена веществ, вероятно, не исчерпывают всех возможных механизмов, которые гораздо сложнее и в значительной мере не изучены.

Когда мы рассматриваем молекулярно-биологические структуры, особый интерес для нас представляет регуляция обмена веществ на молекулярном уровне. Эта регуляция происходит внутри одной клетки, и поэтому она в особенности выражена и поддается изучению на одноклеточных организмах, микроорганизмах и в особенности на бактериях.

Бактерии, способные синтезировать разные аминокислоты, находясь в среде, лишенной данной аминокислоты, например аргинина или гистидина, синтезируют эту аминокислоту из более простых веществ. Однако если к среде добавить данную аминокислоту, бактериальная клетка почти немедленно прекращает ее синтез и использует готовый продукт. Бактериальный организм, таким образом, очень быстро вырабатывает наиболее выгодный экономически режим. Оказывается, что добавленная аминокислота подавляет ферменты синтеза подобных ей молекул, причем это происходит в наиболее выгодной экономически форме. Подавляется первый фермент синтетической цепи, например аминокислота аргинин подавляет у бактерий Mircococcus glutamicus реакцию превращения N-ацетилглутамата в N-ацетил-γ-глутамилфосфат, лежащую в начале цепи реакций биосинтеза аргинина. Хотя этот механизм так называемого «аллостерического подавления» и действует очень быстро, он несколько расточителен, поскольку он подавляет активность уже готового фермента, на построение которого ушли строительные материалы и энергия.

Более экономична регуляция обмена, происходящая на генетическом уровне. Добавление данного вещества подавляет синтез определенного фермента. Так, например, если к бактериям кишечной палочки добавить молочный сахар — лактозу или построенный аналогично ей β-галактозид, то бактерия начинает синтезировать фермент β-галактозидазу, расщепляющую это соединение. Стоит удалить галактозид, как синтез фермента прекращается.

Этот механизм, изученный на примере ферментов, получил название индуцированного синтеза ферментов. Среди генетически различных штаммов бактерий можно выделить бактерии, способные к такому индуцированному синтезу, неспособные к нему и синтезирующие фермент независимо от присутствия или отсутствия индуктора.

Генетический анализ показывает, что для синтеза этого фермента необходим структурный ген — цистрон, обусловливающий синтез β-галактозидазы. Однако возможность индуцированного синтеза определяется другим участком хромосомы, передающим потомству только способность к индукции. Сложный анализ этого явления при помощи скрещивания разных штаммов привел французских ученых Жакоба и Моно к следующей схеме (рис. 5).

Согласно этой схеме, активность цистрона или нескольких цистронов, осуществляющих синтез ферментов одной цепи реакции, может быть включена при помощи особого участка генетического материала — «оператора». Пока оператор блокирован, вся эта система, состоящая из, оператора и группы цистронов, которую авторы предложили называть «опероном», неактивна. Однако как только оператор,активируется, система вступает в строй.

Исследование показало, что обычно эта индукция является отрицательной, т. е. когда не происходит синтеза фермента, оператор каким-то образом блокирован. Когда блокада снимается, синтез фермента имеет место. Согласно схеме Жакоба и Моно, репрессор вырабатывается особым геном-регулятором. Соединяясь с соответствующим оператором, он блокирует данный оперон. Индуктор взаимодействует с репрессором, инактивирует его и, прекращая его действие на оператор, индуцирует образование фермента благодаря тому, что оперон становится активным.

Схема Жакоба и Моно хорошо объясняет многие процессы индукции и репрессии ферментов у бактерий. По-видимому, она в значительной мере может быть применена и к более сложным системам, для чего был предложен ряд схем, однако она еще не является полностью доказанной и вряд ли может быть универсальной. Быстрая регуляция обмена веществ у бактерий, существующих в меняющихся условиях среды, в значительной мере вытесняется более сложной организацией регуляции обмена на уровне организма у высших животных и растений.

11. Эволюция молекулярных структур

В сложном процессе филогенетического развития — эволюции, как и в процессе индивидуального развития— онтогенезе, происходит эволюция молекулярных структур.

Если в настоящее время мы встречаемся с ДНК, как с главным, наиболее совершенным хранителем и передатчиком наследственной информации, то у ряда вирусов, содержащих в качестве нуклеинового компонента только РНК, эта функция обеспечивается рибонуклеиновой кислотой. Так, например, обстоит дело с наиболее изученным вирусом табачной мозаики (ВТМ).

По-видимому, было бы правильно предполагать, что в процессе эволюции рибонуклеиновая кислота прежде, чем ДНК, стала выполнять такие функции, и только с усложнением молекулярной организации появилась дезоксирибонуклеиновая кислота, взявшая на себя более стабильное сохранение информации и оставившая на долю РНК функции передачи этой информации и участия в биосинтезе белков.

Трудно предположить, что при возникновении жизни на Земле сразу образовались сложные молекулы полинуклеотидов, имеющие уникальную и специфическую структуру. Весьма вероятно, что в элементарных жизненных процессах зачатки информации передавались при помощи других молекул, как, например, белков или даже простых метаболитов, служивших первичным генетическим материалом. Вместе с тем эти первичные свойства биологических молекул в зачаточном, «снятом» виде встречаются и в неорганической природе. Так, характеризующиеся узкой специфичностью и высокой активностью биологические катализаторы — ферменты могли развиться путем усложнения неорганических катализаторов, причем для активных центров каждой группы ферментов можно найти соответствующие им неорганические катализаторы, как, например, ионы металлов для ряда окислительных ферментов, гидроксильные и водородные ионы — для ферментов гидролиза и т. п.

Зачатки более сложных форм информации можно видеть в строении кристаллов и особенно в пластичной и иногда весьма специфической структуре, которую могут иметь неорганические полимеры соединений кремния. Некоторые формы глины или кварца могли обладать свойством первичных носителей информации и взаимодействовать с самыми примитивными живыми образованиями. Вероятно, постепенно развиваясь в процессе эволюции, элементарные биологические структуры дали затем более совершенные макромолекулы белков и нуклеиновых кислот, лежащие в основе известных ныне форм жизнедеятельности.

Говоря о происхождении жизни и эволюции макромолекулярных структур, мы в значительной мере вступаем в область предположений. Однако сложные скачкообразные пути развития в живой природе подчиняются общим основным диалектическим законам. В процессе развития более совершенные формы возникли из менее совершенных и первые проявления новых функций, зародившиеся в старой системе, постепенно вышли на первый план, воплощаясь в новых макромолекулярных структурах.

Элементы обмена веществ, элементы записи информации имелись и имеются в неорганической природе. Биологические структуры отличаются совершенством этих функций, высокой приспособленностью к ним и тем, что эти функции стали у них основной формой движения, обусловившей их существование.

Молекулярную структуру, находящуюся за пределами видимости обычных микроскопов, удается различать в электронном микроскопе. Макромолекулы биологически важных полимеров переходят в надмолекулярные структуры, примером которых могут служить дезоксирибонуклеопротеиды, образующие спирализованные нити, хромосомы, элементарные мышечные волокна, оболочки клеток и внутриклеточных структур, мельчайшие рибонуклеопротеидные гранулы — рибосомы, на которых завершается образование белковой молекулы.

Эти надмолекулярные структуры, усложняясь, дают такие ультраструктуры клетки, как, например, митохондрии — большие гранулы, в которых осуществляются окислительные процессы и образование богатых энергией соединений, сложная эндоплазматическая сеть, состоящая из оболочек и рибосом, или еще более сложные структуры, как клеточные ядра и, наконец, сама клетка.

Сложная клеточная структура, ткани, органы и имеющие определенную форму, весьма совершенные тела крупных животных и растений поражают своей удивительной, подчиняющейся общему строению и в то же время уникальной индивидуальной организацией. Над молекулярным уровнем постепенно надстраиваются новые, высшие уровни жизнедеятельности. Так, с появлением оболочки возникают новые системы регуляции проницаемости, с развитием клеточных структур и внутренних мембран — ядерно-цитоплазматические отношения и регуляция обмена при помощи взаимодействия митохондрий и других органелл клетки. Далее появляются межклеточные и межтканевые взаимодействия, взаимоотношения между клетками, органами и тканями и, наконец, сначала гуморальная, а затем и нервная регуляция всего организма в целом. В многоклеточных организмах важнейшими условиями жизни становятся все большее постоянство внутренней среды и управление функциями всего живого тела при помощи нервных импульсов, идущих из центральной нервной системы, и гуморальных агентов, поступающих во внутреннюю среду. Между организмом в целом и молекулярным уровнем устанавливается многоступенчатая связь, но немаловажную роль продолжают играть и прямые связи молекулярного уровня с высшими уровнями жизнедеятельности. Благодаря этому строение организма, включая тонкие особенности индивидуума, находится в непосредственной и опосредованной связи и взаимозависимости с тонкой организацией лежащих в основе макромолекул биополимеров. Тонкие черты строения, передаваемые по наследству, записаны в макромолекулах ДНК и находят свое выражение благодаря сложному процессу белкового синтеза. От макромолекул к целостному организму идет непрерывная цепь прямых и обратных связей и взаимодействий, соединяющих в одно целое молекулярный уровень, уровень клетки, органа и организма.

Во взаимоотношения организма со средой и с другими организмами также вовлечены молекулярные механизмы. Эти молекулярные взаимодействия участвуют не только в реакциях нервной системы и других систем организма, но иногда и в непосредственном влиянии среды на макромолекулы, находящиеся в клетках органов и тканей. Взаимоотношения между этими системами, выяснение их деталей и особенностей в каждом организме и в различных условиях представляет важнейшую задачу всей современной биологии.

Чем организм сложнее, тем эти взаимоотношения становятся более опосредованными и молекулярные структуры клетки более изолированными от внешней среды, находясь в относительно постоянной и упорядоченной внутренней среде. Процессы регуляции при этом в основном постепенно переходят на более высокие уровни, главным образом с клеточно-молекулярного уровня на уровень организма в целом, а те взаимодействия, которые в бактериях, непосредственно встречающихся с внешней средой, играют основную роль, в сложных организмах отходят па задний план.

В процессе эволюции по мере совершенствования организмов мы встречаемся с несколько парадоксальным явлением. Клетки сложных организмов обладают менее разнообразными химическими функциями, чем бактериальные клетки. По мере развития происходит своего рода химическое упрощение. Так, бактерии и одноклеточные организмы аутотрофны или растут на простейшей среде. Высшие животные все гетеротрофны и зависят от многих факторов среды, производимых другими организмами.

Высшие животные теряют способность синтезировать значительную часть аминокислот, которые становятся для них незаменимыми в питании. Приспособившись к жизни в определенной среде, клетки высших организмов утрачивают многие биохимические функции; происходит как бы обратное развитие. Этот процесс еще более выражен, если рассматривать отдельные клетки и ткани, которые в процессе дифференцировки сохраняют лишь определенные функции и утрачивают ряд биохимических реакций, свойственных клеткам других тканей.

Однако это упрощение только кажущееся. Морфологически организм усложняется, в нем возникают новые системы и взаимоотношения, новая система регуляции обмена веществ. Можно показать, что сокращение общего числа ферментативных реакций в этом процессе экономично и целесообразно для организма в целом, приобретающего более совершенную организацию за счет высокой дифференцировки клеток и тканей, находящихся в регулируемой и практически постоянной внутренней среде. Отдельные же клетки выполняют строго специализированные функции.

Регуляция этих функций не требует столь быстрых изменений, поддается управлению организма в целом и наиболее рационально используется для дифференцированных проявлений жизнедеятельности данной ткани. Интеграция организма в своей основе также связана с молекулярными механизмами. Так, гуморальная регуляция заключается в выделении во внутреннюю среду определенных веществ (например, молекул данного гормона определенной группой клеток железы внутренней секреции). Эти молекулы далее поступают в чувствительные к ним клетки, стимулируя там определенные биохимические реакции (биосинтез РНК и белков, активация или подавление тех или иных ферментов). Нервный импульс тоже передается другим нервным клеткам и клеткам иннервируемой ткани при помощи молекул-медиаторов, вступающих далее в (реакцию с белками-рецепторами и т. п.

Таким образом, в ходе эволюции и индивидуального развития происходят очень сложные взаимодействия молекулярного уровня с высшими уровнями жизнедеятельности, и в этом процессе мы видим противоречивое единство упрощения и специализации в молекулярных взаимодействиях при усложнении всего организма в целом.

Прослеживая тонкие механизмы любого биологического процесса, в конечном счете мы встречаемся с молекулярными уровнями, с которыми связаны интимные механизмы всех биологических реакций. Поэтому тот прогресс, который достигнут теперь в отношении изучения молекулярно-биологических структур и который обещает развиться еще больше в ближайшее время, представляет собой важнейшее направление развития современной науки.

1. К. Маркс и Ф. Энгельс. Сочинения, т. 20, стр. 82. ↑
2. Там же, стр. 571. ↑
3. В последнее время полагают, что электростатические и гидрофобные взаимодействия между основаниями могут иметь еще большее значение. Однако для дальнейших рассуждений физико-химическая природа связей несущественна. ↑