Результатом такого белкового многообразия становится водоворот химических реакций, непрерывно происходящих в каждой клетке. Если вообразить, что вы получили шанс проникнуть в живую клетку и увидеть, что творится в мире молекул, ваш рассудок может помрачиться из-за всей этой бурлящей каши химических процессов. Некоторые из участвующих молекул имеют электрический заряд и поэтому могут притягиваться или отталкиваться, другие же пассивно нейтральны. Некоторые представляют собой кислоты или щелочи типа отбеливателей. Все эти разнообразные вещества находятся в постоянном взаимодействии, их столкновения случайны или запланированы. Иногда молекулы встречаются на краткое время для осуществления химической реакции, быстро обменявшись электронами или протонами. В других случаях между молекулами образуются сильные и прочные химические связи. В целом в клетке происходят многие тысячи разных химических реакций, которые постоянно усердно трудятся над поддержанием жизни. В сравнении с этим число химических реакций даже на крупнейших промышленных химкомбинатах выглядит крайне бледно. Например, на заводе по производству пластмасс задействовано несколько десятков химических реакций.
Вся эта кипучая и быстрая деятельность происходит на конце временнóго диапазона, противоположном глубокому времени, потребовавшемуся для развития данных систем. Но головокружительный временной масштаб клеточного мира столь же трудно постигаем нашим рассудком, как и эволюционное время. Некоторые управляющие этими реакциями клеточные ферменты действуют с поразительной скоростью, проводя тысячи, даже миллионы химических реакций в секунду. Они не только фантастически быстры, но и способны быть чрезвычайно точными. Ферменты могут манипулировать отдельными атомами с такой точностью и надежностью, о которых химики-технологи могут только мечтать. Но эволюция совершенствовала эти процессы миллиарды лет – чуть подольше нас с вами!
Совместное выполнение всей этой работы – величайшее достижение. Хотя может казаться, что гигантское число одновременных химических реакций в клетках происходит хаотически, но на деле оно очень упорядоченно. Для правильного срабатывания каждой реакции требуются свои особые химические условия. Некоторым нужна более кислая или более щелочная среда; другим требуются специальные химические ионы типа кальция, магния, железа или натрия; еще одним – наличие воды или же вода, напротив, их замедляет. И все же все эти процессы должны происходить одновременно и в тесной близости, в узких пределах клетки. Это становится возможным лишь благодаря тому, что не каждому из различных ферментов требуются свои экстремальные значения температуры, давления либо кислые или щелочные условия, присущие промышленным химкомбинатам. В противном случае они не могли бы сосуществовать в такой тесноте. Тем не менее многие из этих метаболических реакций должны проводиться раздельно. Они не должны мешать друг другу, а их конкретные химические требования должны соблюдаться. Ответом на этот запрос становится деление на зоны.
Деление на зоны – способ функционирования любых сложных систем. Возьмем города. Они эффективно функционируют, только если состоят из различных зон с особыми функциями: вокзалы, школы, больницы, заводы, полицейские участки, электростанции, очистные сооружения и т. д. Все эти и многие иные участки необходимы для того, чтобы город оставался единым целым; все бы тут же разладилось, если бы они смешались. Они должны быть отделены друг от друга, чтобы действовать эффективно, но при этом быть относительно близкими и взаимосвязанными. То же самое относится к клеткам, которым нужно создать свою индивидуальную группу микросред, отделенных друг от друга в физическом или временном отношении, но при этом взаимодействующих. У живых существ это достигается путем создания систем контактирующих между собой зон, имеющих разные размеры: от очень больших до чрезвычайно маленьких. Самые большие, возможно, будут самыми известными: различные ткани и органы многоклеточных организмов типа растений и животных – как вы и я. Это определенные зоны, каждая из которых приспособлена для конкретных химических и физических процессов. Ваш желудок и кишечник усваивают химические вещества из пищи; печень устраняет токсическое действие химических веществ и лекарств; сердце пользуется химической энергией для перекачки крови и т. п. Все функции этих органов обусловлены специализированными клетками и тканями, из которых они сделаны: клетки в слизистой оболочке желудка выделяют кислоту, а в сердечных мышцах сокращаются. В свою очередь, все эти клетки так же представляют собой самостоятельные зоны.
По сути, клетка служит основополагающим примером пространственного разделения жизни. Главная роль наружной мембраны клетки заключается в сохранении обособленности содержимого клетки от остального мира. Благодаря изолирующему эффекту этой мембраны клетки могут способствовать поддержанию физического и химического порядка. Разумеется, клетки сохраняют такое состояние только на время. Когда они прекращают трудиться, то погибают, и воцаряется хаос.
Сама клетка содержит последовательные уровни деления на зоны. Самую большую зону представляют собой заключенные в мембраны органеллы, такие как ядро и митохондрия. Но, прежде чем мы рассмотрим, как они функционируют, следует уменьшить масштаб до простейшего уровня углеродных полимеров, поскольку все более крупные зоны построены на основе свойств этих элементарных компонентов.
Самые маленькие химические зоны в клетке – поверхности самих ферментных молекул. Чтобы получить представление о том, насколько малы эти молекулы, взглянем на очень тонкие волоски на тыльной поверхности руки. Они относятся к самым тонким структурам, видимым невооруженным взглядом, но по сравнению с белками-ферментами они огромны. По диаметру такого волоска могут бок о бок выстроиться около двух тысяч молекул инвертазы.
Каждая молекула белка-фермента предоставляет замкнутые пространства и места стыковки, обладающие строго определенной формой, подходящей для индивидуальных атомов тех молекул, с которыми работает фермент. Эти утонченные структуры слишком малы, чтобы их можно было разглядеть даже самыми мощными микроскопами с фокусировкой света. Исследователям приходится делать заключения об их формах и свойствах, пользуясь такими методами, как рентгеновская кристаллография и криоэлектронная микроскопия, чрезвычайно обостряющими наше восприятие и позволяющими определять положение и свойства сотен и даже тысяч объединенных, формирующих структуры атомов. Тогда лишь исследователи могут наблюдать то, как ферменты взаимодействуют с химическими веществами, которые они используют в ходе реакции. Эти вещества называются субстратами. Ферменты и их субстраты совмещаются, как фрагменты крохотного трехмерного пазла. Когда пазл сходится, химические реакции оказываются отделены от остальной клетки и происходят под правильным углом в правильных химических условиях, для того чтобы ферменты совершили исключительно точные атомарные хирургические операции, управляя отдельными атомами, создавая или разрушая конкретные молекулярные связи. Инвертаза, например, действует, разрушая одну определенную связь между атомом кислорода и атомом углерода посредине молекулы сахарозы.
Ферменты способны работать вместе, обеспечивая такой результат, когда продукт одной реакции становится субстратом для следующей. Таким путем можно координировать целый ряд химических реакций, нужных для сложных процессов, например построения липидных мембран или других химических компонентов из более простых составляющих. Биологи называют эти запутанные последовательности взаимосвязанных химических процессов путями метаболизма, часть которых включает многие индивидуальные реакции. Они действуют совместно наподобие заводских конвейеров; каждый этап обязан завершиться, прежде чем начнется следующий.
Ферменты также могут действовать совместно, осуществляя еще более сложные синтетические процессы типа копирования ДНК с исключительной точностью. Удобнее представить себе такие ферменты в виде невероятно мелких молекулярных машин, отличающихся высокой аккуратностью работы и надежностью. Некоторые из этих машин используют химическую энергию для выполнения физического действия в клетке. Они запускают работу белков, своего рода молекулярных «моторов», ответственных за большинство движений самой клетки, а также разные грузы и структуры внутри клетки. Некоторые действуют как экспедиторы, доставляя клеточные компоненты и химические вещества в ту часть клетки, где они требуются, по сложным путям, также состоящим из белков, перекрещивающимся внутри клетки наподобие обширной, разветвленной железнодорожной сети. Исследователи проводили съемку этих крохотных молекулярных «моторов» и наблюдали, как те «ходят» по клетке, словно миниатюрные роботы. Эти «моторы» обладают храповыми механизмами, которые заставляют их двигаться вперед и помогают избегать схождения с пути из-за случайных столкновений с другими молекулами.
Разновидности этих молекулярных «моторов» также ответственны за силу, необходимую для отделения хромосом и расщепления делящихся клеток пополам. И хотя каждый из них бесконечно мал, совместные усилия миллиардов таких «моторов» во многих миллионах мышечных клеток и приводит в действие крылья желтых бабочек, порхающих у нас в садах, позволяет глазам следить за словами на этой странице, а гепардам – развивать сумасшедшую скорость. Сочетание почти неуловимых действий отдельных белков во множестве клеток имеет те следствия в реальном мире, которые мы видим вокруг себя.
Уровнем выше, чем отдельные ферменты и молекулярные машины, стоят группы белков, которые могут физически стыковаться друг с другом, образуя ряд клеточных устройств, ответственных за более сложные химические процессы. Важная роль среди них принадлежит рибосомам, в которых синтезируются белки. Каждая рибосома состоит из нескольких десятков белков наряду с несколькими большими молекулами РНК, близкого по химическому составу родственника ДНК. Рибосомы больше обычного фермента. Вдоль диаметра человеческого волоса поместилось бы несколько сотен, а не тысяч рибосом, но все же они слишком малы, чтобы увидеть их без помощи электронного микроскопа. Растущие и воспроизводящиеся клетки очень нуждаются в новых белках, поэтому каждая из них может содержать несколько миллионов рибосом.