И наконец, самое важное: на этом частном примере мы столкнулись с главной особенностью структуры биологии как науки — циклической взаимообусловленностью понятий. В физике, к примеру, почти все можно выстроить по цепочке: на основании знания свойств элементарных частиц объясняется структура атомных ядер, с помощью законов, определяющих взаимодействие ядер и электронов, описываются свойства атомов и молекул, которые, в свою очередь, могут послужить основой для объяснения процессов, происходящих в твердых телах, жидкостях и газах. Начало этой цепочки теряется в туманном мире элементарных частиц, конец — в тех областях астрофизики, где простейшим объектом служит галактика. Поэтому при изложении основных физических проблем можно быть строго последовательным, вводя необходимые понятия по мере усложнения объекта повествования, а не привлекать (с просьбой временно принять на веру) понятия, определение и полное истолкование которых станет возможным лишь в ходе дальнейшего изложения. Это не значит, что в книгах по физике такого не встречается, но в принципе этого всегда можно избежать.
Очевидно, однако, что на практике при таком последовательном изложении приходится начинать с какого-то уровня знаний свойств физических объектов, который предполагается уже известным. В самом деле, не начинать же, скажем, рассказ о гидродинамике со свойств элементарных частиц! Образно говоря, чтение книг по физике требует предварительного внесения иногда очень значительного вступительного взноса, но после этого автору можно быть строго последовательным.
И совершенно иная картина в биологии: чтобы объяснить строение, возникновение и функции нуклеиновых кислот, совершенно необходимо хотя бы что-нибудь знать о свойствах ферментов; наоборот, структура, а следовательно, и свойства ферментов могут быть объяснены лишь после того, как будет хоть что-нибудь известно о нуклеиновых кислотах. В таком виде эта проблема возникла перед авторами; конечно, можно выбрать в качестве узловых точек совершенно иные понятия, но мы беремся утверждать, что всякая попытка изложить замкнутую биологическую концепцию непременно столкнется с этой проблемой. (Это, разумеется, не относится к изложению избранных участков такого «цикла».)
Таким образом, знакомство с истинно биологическим сочинением невозвращаемого вступительного взноса не требует. Требуется лишь внести задаток, который честно будет возвращен в конце, причем в большинстве случаев — с процентами.
Но так или иначе, а до проблем, связанных с ферментами, мы бы все равно добрались — неважно, с какого именно процесса, происходящего в клетке, началось бы наше изложение. Хотя, разумеется, избранный нами путь не случаен, и то, что мы прошли (вернее, пронеслись) по пути ДНК―РНК―белок, поможет нам в дальнейшем. Отныне мы будем почти всегда говорить о белковых молекулах: об их свойствах, структуре, функции. А их значение для жизненных процессов, по-видимому, уже понятно; во всяком случае, должно быть ясно, что переоценить это значение почти невозможно.
В самом деле, мы попытались проследить за процессом «чтения» закодированной в молекулах ДНК наследственной информации — инструкции, необходимой организму для самовоспроизведения. Познакомились с четырехбуквенным алфавитом языка, на котором написаны сотни томов этой инструкции. Узнали, как снимается копия инструкции и как она с помощью РНК переводится на более понятный организму язык аминокислот. Нам известен важнейший элемент механизма такого перевода — генетический код, словарик, ставящий в соответствие триплеты нуклеотидов и аминокислоты. Знаем теперь, что наследственная информация находит свое воплощение в молекулах белка. А раз так…
А раз так, резонно заметит скептический читатель, так ли уж много оснований для горячих восторгов по поводу блестящих достижений молекулярной биологии? Ибо в результате всех этих грандиозных свершений мы узнали всего лишь следующее: по неизвестным нам пока причинам текст инструкции организму переписывается с помощью особого хитроумного механизма с незнакомого нам языка, в котором есть всего четыре буквы, на язык, в котором есть двадцать букв. Короче говоря, мы оказались в положении Леграна, героя рассказа Э. По «Золотой жук», который с большим трудом расшифровал инструкцию поиска клада, составленную пиратами, и получил… бессвязный набор слов. Спасибо, хоть слова эти были на родном, английском, языке.
Как вы, несомненно, помните, Легран преодолел все трудности, прочел инструкцию и нашел клад. Сумеет ли современная молекулярная биология «прочесть» информацию, записанную на языке белковых молекул, ответит будущее. В любом случае поиски разгадки этой тайны (пусть и менее романтичной, чем тайны пиратов Карибского моря) уже начаты, и кое-что стало проясняться.
Глава 2. Молекулярная архитектура белков
Не будем скрывать: покончив с первой главой, авторы (а возможно, и читатель) испытали некоторое облегчение. В конце концов цель ее заключалась лишь в том, чтобы дать читателю сведения, необходимые для понимания последующих глав, хотя, откровенно говоря, мы не сомневались, что большая часть этих фактов и без того уже ему известна. В нашем изложении, однако, первая глава имеет и иное назначение: выделить круг проблем молекулярной биологии, которые связаны только с передачей и преобразованием наследственной информации, полностью отвлекаясь от физических механизмов ее передачи. Разумеется, такой описательный подход к делу (вообще говоря, типичный для биологической литературы) не может удовлетворить истинно любознательного читателя, которому может показаться, что авторы ущемляют его интеллектуальные права, замалчивая самое интересное — колесики и винтики этих самых физических механизмов.
Спешим, однако, заверить: это не так; наоборот, в первой главе мы изо всех сил старались дать понять, что такой порядок изложения в известной степени вынужденный: центральной фигурой любого биохимического механизма являются белки. Но согласитесь, для того чтобы поговорить о них подробнее, необходимо было хотя бы вкратце рассмотреть схему их возникновения. Что же касается охраны интеллектуальных прав, то на этот счет существуют, как известно, различные мнения: несколько лет назад известный молодежный поэт кокетливо заявил на страницах прессы, что незнание устройства, например, телефона, не мешает ему, поэту, ощущать себя глубоко интеллектуальным человеком, в полной мере приобщенным к сокровищнице мировой культурной мысли…
Как понимать слово «Структура»
Итак, мы предусмотрительно позаботились о том, чтобы читателю было известно, что молекула белка представляет собой длинную цепочку, образованную звеньями двадцати типов, причем последовательность их чередования для каждого белка строго определена генетически. В принципе для наглядного представления структуры белковой молекулы теперь недостает еще только одного пояснения, относящегося уже к области стереохимии. Предметом интереса этой науки является взаимное пространственное расположение атомов в молекулах различной валентной структуры, а в том, что он отнюдь не праздный, мы будем еще неоднократно иметь возможность убедиться.
Приводимые на страницах школьных учебников химии структурные формулы различных соединений, например,
являются «двумерными»: они передают способ размещения валентных связей между отдельными атомами, но ничего (по крайней мере, прямо) не говорят об их взаимном пространственном расположении. Вот, например, молекула метана CH4. По общему виду ее структурной формулы можно подумать, что это плоская молекула в форме квадрата, по вершинам которого расположены атомы водорода, а в центре — атом углерода. Однако на самом деле ее структура совершенно иная; ее лучше всего представить себе, вспомнив общеизвестные молочные пакеты. Такой пакет представляет собой пространственную фигуру, образованную четырьмя равносторонними треугольниками. Разместив на его вершинах атомы водорода и в центре — углерод, мы получим точную пространственную модель молекулы метана. А поскольку фигура, форму которой имеет молочный пакет, называется тетраэдром, говорят, что в молекуле метана заместители (атомы водорода) вокруг четырехвалентного углерода расположены тетраэдрически.
