чим, в свободное время увлекался грузинскими танцами, что мне открылось, когда как-то вечером я узрел его отчебучивающим пляску на лабораторной скамье!). Он великодушно предложил мне выполнить исследовательский проект по заражению куриных яиц сальмонеллой. Я, восемнадцатилетний парень, был на седьмом небе, проводя каждый день эксперименты и строя из себя ученого.
В какой-то день этого моего года на пивоваренном заводе один симпатичный преподаватель из Бирмингемского университета пригласил меня на собеседование и в итоге убедил университет закрыть глаза на мои слабости в иностранных языках, поэтому в 1967 г. я смог приступить к изучению биологии. Некогда я не дружил с французским, однако спустя тридцать пять лет именно французский президент наградил меня Légion d’honneur (орденом Почетного легиона) за мои исследования дрожжей – вот же ирония судьбы! Мне даже пришлось произнести благодарственную речь на французском языке! Однако, несмотря на то что занимался дрожжами почти всю жизнь, я ни разу в жизни не сделал ни капли вина или пива собственноручно.
Научное изучение ферментации началось в XVIII в. с французского аристократа и ученого Антуана Лавуазье, одного из основателей современной химии. К несчастью для него и для науки в целом, его работа по совместительству сборщиком налогов привела к тому, что Лавуазье сложил голову на гильотине в мае 1794 г. во время Французской революции. Судья на вынесшем его приговор политическом процессе, который больше напоминал фарс, заявил: «Республика не нуждается в ученых и химиках». Нам, ученым, явно следует относиться к политикам с осторожностью! У политиков, особенно популистского толка, имеется тенденция пренебрегать мнением экспертов, в частности когда оно противоречит плохо обоснованным взглядам политиков.
До своей несвоевременной встречи с гильотиной Лавуазье был зачарован процессом ферментации. Он пришел к выводу, что «ферментация – это химическая реакция, в которой сахар исходного виноградного сока превращается в спирт готового вина». До того никто так не думал. Затем Лавуазье пошел еще дальше, предположив наличие некоего «фермента», вроде как исходящего из самого винограда и играющего ключевую роль в химической реакции. Впрочем, он не мог сказать, что представляет собой этот «фермент».
Положение дел прояснилось почти полвека спустя, когда виноделы, производившие этиловый спирт, обратились за помощью к французскому биологу и химику Луи Пастеру для решения загадки порчи своей продукции. Они хотели знать, почему брожение жома сахарной свеклы иногда дает вместо этанола едкую, неприятную кислоту. Пастер приступил к поиску решения, как детектив приступает к расследованию. И с помощью микроскопа он нашел разгадку. Осадки в бродильных чанах, в которых получали спирт, содержали дрожжевые клетки. Дрожжи были явно живыми организмами, так как некоторые из них почковались, указывая на активное размножение. Когда же он посмотрел на чаны со скисшим продуктом, никаких дрожжей там не оказалось. На основе этих простых наблюдений Пастер предположил, что трудноуловимым ферментом были микробные живые формы дрожжей: фактор, ответственный за производство этанола. Какой-то другой микроб, возможно бактерия меньшего размера, производил кислоту, разрушавшую партии продукта. Суть в том, что рост живых клеток напрямую отвечает за химическую реакцию. В данном случае дрожжевые клетки преобразовывали глюкозу в этанол. Самое главное, что удалось Пастеру, это шаг от частного к общему, приведший к новому важному выводу. Он указал, что химические реакции не просто интересная черта жизни клеток – это один из определяющих жизнь факторов. Пастер блестяще обобщил это словами «химические реакции являются выражением жизни клетки».
Теперь мы знаем, что в клетках всех живых организмов одновременно происходят многие сотни, даже тысячи химических реакций. Эти реакции создают молекулы жизни, образующие компоненты и структуры клеток. Они также разрушают молекулы, повторно используя клеточные компоненты и высвобождая энергию. Взятое в совокупности огромное количество химических реакций, происходящих в живых организмах, называется метаболизмом. Это основа всего, что делают живые существа: поддержание жизни, рост, организация и воспроизводство и источник всей энергии для реализации этих процессов. Метаболизм – химия жизни.
Но как происходят все эти многочисленные и разнообразные химические реакции, формирующие метаболизм? Что за вещество в дрожжах Пастера производило химическую реакцию брожения? Следующий шаг в разгадке тайны сделал углубившийся в проблему другой французский химик, Марселен Бертло. Он растер дрожжевые клетки и из клеточных остатков выделил химическое вещество с интригующим действием. Оно запускало особую химическую реакцию: преобразование столового сахара, сахарозы, в два меньших компонента сахара – глюкозу и фруктозу, но само в реакции не расходовалось. Данное вещество было неодушевленной, но составной частью жизненного процесса и, что примечательно, продолжало действовать после выведения из клетки. Бертло назвал новое вещество инвертазой.
Инвертаза – фермент. Ферменты служат катализаторами: это означает, что они способствуют протеканию химических реакций и ускоряют их, порой драматическим образом. Для жизни они насущно необходимы. Без них многих важнейших для жизни процессов просто не произойдет, особенно при сравнительно низких температурах и в мягких условиях, характерных для большинства клеток. Открытие ферментов заложило основы общепринятого сегодня мнения, разделяемого всеми биологами, что большинство жизненных явлений лучше всего объясняются химическими реакциями, катализаторами которых служат ферменты. Чтобы разобраться, каким образом у ферментов это выходит, нам нужно понять, что они собой представляют и из чего состоят.
Большинство ферментов состоят из белков, которые синтезируются клеткой в виде длинных, цепочкообразных молекул, называемых полимерами. Полимерные структуры имеют основополагающее значение для каждого аспекта химии жизни. Большинство ферментов, все остальные белки, все липидные молекулы, составляющие клеточные мембраны, все жиры и углеводы, хранящие энергию, и нуклеиновые кислоты, отвечающие за наследственность, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и тесно связанная с ней рибонуклеиновая кислота (РНК) – полимеры.
Эти полимеры содержат в своей структуре преимущественно атомы всего пяти химических элементов: углерода, водорода, кислорода, азота и фосфора. Из этой пятерки особая роль принадлежит углероду в силу его большей универсальности. Если атомы водорода вступают только в одно соединение, то есть химическую связь с другими атомами, каждый атом углерода может соединяться с четырьмя другими атомами. В этом ключ к возможностям создания полимеров из углерода: две из четырех потенциальных связей углерода могут образовывать связь с двумя другими атомами, часто другими атомами углерода, создавая цепочку связанных атомов – ядро каждого полимера. Это оставляет две другие связи углерода доступными для соединения с другими атомами. После чего две дополнительные связи могут использоваться для присоединения других молекул по бокам от главной полимерной цепи.
Многие из встречающихся в клетках полимеров представляют собой очень большие молекулы, на практике столь большие, что им дается специальное название: «макромолекулы». Чтобы получить представление о том, сколь велики могут быть такие молекулы, вспомним, что макромолекулы ДНК в каждой вашей хромосоме могут достигать в длину нескольких сантиметров. Это означает, что они соединяют миллионы атомов углерода в одну невероятно длинную и невероятно тонкую молекулярную нить.
Белковые полимеры не столь длинны, обычно они состоят из атомов углерода числом от нескольких сотен до нескольких тысяч. Но они химически более разнообразны, чем ДНК, и по этой причине могут действовать как ферменты и, соответственно, играть главенствующую роль в метаболизме. Каждый белок – основанный на углероде полимер, построенный путем последовательного соединения меньших молекул аминокислот в длинную цепочку. Инвертаза, например, – это белковая молекула, состоящая из 512 аминокислот, выстроенных в особой упорядоченной последовательности.
Белки живой природы образуются из двадцати различных аминокислот. Каждая из них имеет боковые молекулы, ответвляющиеся от главной полимерной цепи, что наделяет их специфичными химическими свойствами. Например, некоторые аминокислоты имеют положительный или отрицательный заряд, другие притягиваются или отталкиваются водой, а некоторые могут легко образовывать связи с другими молекулами. Составляя разные комбинации аминокислот, каждая из которых имеет разные боковые молекулы, клетки могут создавать широкое разнообразие белковых полимерных молекул.
Затем, после того как такие линейные белковые полимерные цепи собраны, они сворачиваются, скручиваются и объединяются друг с другом, создавая сложные трехмерные структуры. Это немножко напоминает сматывание клейкой ленты в шар, хотя сворачивание белков как процесс гораздо более повторяемый с высокой точностью производимой структуры. В клетке цепочка аминокислот всегда старается принять одну и ту же определенную форму. Скачок от одномерности к трехмерности можно назвать переломным, так как он означает, что у каждого белка есть своя характерная форма и уникальный набор химических свойств. В результате клетки могут синтезировать ферменты так, чтобы они очень точно подходили к химическим веществам, на которые воздействуют, – прекрасным примером тому служат молекулы инвертазы и сахарозы. В свою очередь, это дает ферментам возможность обеспечения точных химических условий для осуществления тех или иных химических реакций.
Ферменты участвуют почти во всех химических реакциях, лежащих в основе клеточного метаболизма. Но, помимо построения и разрушения других молекул, у них еще много функций. Они контролируют качество, обеспечивают перемещение компонентов и сообщений между разными участками клетки и переносят другие молекулы в клетку и из нее. Другие ферменты ведут наблюдение за захватчиками, активируя белки, которые защищают клетки и, следовательно, наши тела от болезни. При этом ферменты – не единственный вид белка. Почти каждая часть нашего тела (от волос на голове, кислоты в желудке и до хрусталиков глаз) либо состоит из белков, либо сконструирована белками. Все эти различные белки совершенствовались тысячелетиями эволюции для выполнения специальных функций в клетке. Даже сравнительно простая клетка содержит гигантское количество белковых молекул. В общей сложности в крохотной дрожжевой клетке находится свыше 40 миллионов таких молекул – в малюсенькой клетке белков вдвое больше, чем людей в громадном мегаполисе вроде Пекина!