Чтобы создать новую белковую молекулу, рибосома должна прочесть генетический код определенного гена и перевести его в 20-буквенный аминокислотный «алфавит» белков. Для этой цели клетке сначала нужно сделать копию этого гена. Копия делается из РНК. Она действует как мессенджер и называется информационной, или матричной, РНК (мРНК), поскольку буквально переносится от генов в ядре к рибосоме, неся с собой копию информации о гене. Рибосома использует мРНК как шаблон для построения белка, соединяя аминокислоты в порядке, указанном в последовательности гена. Создавая отдельную и высокоструктурированную микросреду, рибосомы обеспечивают аккуратное и быстрое осуществление этого многоэтапного и многоферментного процесса: на то, чтобы каждая рибосома создала белок, насчитывающий в среднем 300 аминокислот, уходит всего около минуты.
Органеллы клетки гораздо крупнее рибосом, хотя в обычном человеческом масштабе они все еще крошечные. Каждая органелла заключена в собственную липидную мембранную оболочку. Это следующий важный уровень деления эукариотической клетки на участки. В центре каждой из этих клеток находится органелла, которую мы знаем как ядро. Под микроскопом ядро обычно различимо лучше, чем прочие органеллы. Но если большинство клеток малы – 2–3 лейкоцита вашего тела по ширине не больше упомянутых выше тонких волосков на ваших руках, – то ядра еще меньше. Каждое занимает лишь примерно 10 % объема лейкоцита. Но не забудем, что в это невероятно крохотное пространство упакована полная копия всей вашей ДНК, включающей 22 000 генов, – если растянуть ее в длину, то она займет 2 метра.
Вся эта разнообразная химическая деятельность, поддерживающая жизнь клеток, требует энергии – и немало. Сегодня подавляющее большинство жизненных форм вокруг нас в основном получают свою энергию от солнца. Это осуществляется благодаря хлоропласту – еще одной критически важной для жизни органеллы. В отличие от ядра хлоропласты не встречаются в клетках животных; они встречаются только у растений и водорослей. В хлоропластах как раз и происходит фотосинтез: ряд химических реакций, при которых энергия солнечного света используется для преобразования воды и углекислого газа в сахара и кислород.
Необходимые для фотосинтеза ферменты располагаются в двух слоях мембраны, окружающих каждый хлоропласт. В каждой клетке травинок в парке неподалеку от вас размещается сотня или около того таких сферических органелл, каждая из которых содержит высокие концентрации белков, называющихся хлорофиллами. Трава имеет зеленый цвет благодаря хлорофиллам: они поглощают энергию из синей и красной частей светового спектра, с ее помощью запускают фотосинтез и в результате отражают свет на длине волны в зеленой области спектра.
Способные к фотосинтезу растения, водоросли и некоторые бактерии используют простые сахара, которые производят как непосредственный источник энергии и как сырье для создания нужных им для выживания молекул. Кроме того, они производят сахара и углеводы, потребляемые множеством других организмов: грибами, которые питаются разлагающейся древесиной, овцами, щиплющими траву, китами, поглощающими в морях тонны фотосинтезирующего планктона, и всеми продовольственными культурами, благодаря которым поддерживается жизнь людей на всех континентах нашего мира. По сути, углерод, насущно важный для постройки всех частей наших тел, в конечном счете поступает к нам в результате именно фотосинтеза. Процесс стартует с углекислого газа, извлекаемого из воздуха химическими реакциями фотосинтеза. Химия фотосинтеза не только к настоящему времени обеспечила энергией и сырьем большинство форм жизни на Земле, но и решающим образом повлияла на историю нашей планеты. Считается, что жизнь впервые возникла около 3,5 миллиарда лет назад. Таков возраст самых древних ископаемых, найденных до сих пор. Это были одноклеточные микробы, по-видимому использовавшие энергию геотермальных источников. В самый ранний период жизни на Земле отсутствовал фотосинтез, поэтому не было крупного источника кислорода. В результате в атмосфере кислород практически отсутствовал, и когда ранние земные формы жизни попадали в среду, содержащую кислород, у них, должно быть, возникали проблемы. Хотя мы воспринимаем кислород как жизненно необходимое вещество – и это действительно так и есть, – он также представляет собой газ с высокой реакционной способностью и может оказывать негативное влияние на прочие химические вещества, включая такие необходимые для жизни полимеры, как ДНК. После того как у микробов развилась способность к фотосинтезу, их число за тысячи лет возросло до такой степени, что произошел резкий рост уровня содержания кислорода в атмосфере. То, что за этим последовало в промежуток времени между 2 и 2,4 миллиарда лет назад, называется Великой кислородной катастрофой. Все существовавшие тогда организмы были микробами – бактериями или археями, – но некоторые ученые считают, что бóльшая их часть погибла из-за появления такого количества кислорода. По иронии судьбы жизнь создала условия, которые чуть не покончили с ней самой. Небольшой части выживших форм жизни пришлось либо ретироваться в места, где они меньше подвергались воздействию кислорода, на дно океана или, например, глубоко под землю, либо приспосабливаться и разрабатывать новые химические реакции, чтобы преуспеть в мире, обогащенном кислородом.
Сегодня подобные людям организмы все еще должны обращаться с кислородом осторожно, но мы всецело от него зависим, поскольку он необходим для выделения энергии из углеводов, жиров и белков, которыми наши организмы питаются, которые вырабатывают или поглощают. Это осуществляется с помощью химического процесса, называющегося клеточным дыханием. Последние этапы этой группы реакций происходят в митохондрии – еще одной органелле, критически значимой для всех эукариотических клеток.
Главная роль митохондрии состоит в выработке энергии, нужной клеткам для приведения в действие химических реакций жизни. Поэтому клетки, нуждающиеся в энергии, содержат много митохондрий: чтобы билось ваше сердце, каждая из клеток в сердечных мышцах должна использовать несколько тысяч митохондрий. Вместе они занимают порядка 40 % имеющегося в этих клетках пространства. В чисто химическом смысле клеточное дыхание поворачивает центральную для фотосинтеза реакцию в противоположном направлении. Сахар реагирует с кислородом, производя воду и углекислый газ и высвобождая при этом много энергии, забираемой для последующего применения. Митохондрии ответственны за то, чтобы эта многоэтапная химическая реакция четко контролировалась и осуществлялась аккуратно и методично, без слишком большой затраты энергии, чтобы не произошло утечки реактивного кислорода и электронов, способных повредить остальную часть клетки.
Ключевой энергосберегающий момент в клеточном дыхании основан на движении протонов – отдельных атомов водорода, которые лишены электрона, – для получения электрического заряда. Эти протоны выталкиваются из центра митохондрии в щель между двумя мембранами, окружающими каждую митохондрию. В результате снаружи внутренней митохондриальной мембраны накапливается намного больше заряженных протонов, чем внутри. Хотя этот процесс основан на химии, в целом он физический. Можно сравнить его с перекачкой воды вертикально вверх для заполнения плотины. На гидростанции вода из плотины низвергается через турбины, превращающие кинетическую энергию воды в электрическую. В случае митохондрии протоны, перекачиваемые за мембранную «плотину», мчатся назад в центр органеллы через каналы из белка, которые захватывают энергию, порождаемую каскадом заряженных частиц, и сохраняют ее в виде высокоэнергетических химических связей.
Первым человеком, допустившим, что клетки могут производить энергию столь неожиданным способом, был британский биохимик и нобелевский лауреат Питер Митчелл. Он ранее был сотрудником отдела зоологии Эдинбургского университета, но к тому времени, как я стал заниматься там клеточным циклом дрожжей, уже ушел оттуда и основал свою частную лабораторию в болотистой местности на юго-западе Англии. Решение было весьма необычным, и некоторые находили в этом стопроцентный британский заскок. Я встретился с ним, когда ему было хорошо за семьдесят, и на меня произвело впечатление, что он не растерял любознательности и страсти к знаниям. Мы говорили обо всем на свете. Меня поражало его творческое мышление и то, как он игнорировал скептиков и продолжал доказывать, что его необычная идея была по сути верной.
Крохотные белковые структуры, ведущие себя в митохондрии как «турбины», даже отчасти похожи на турбины гидростанций, хоть и уменьшенные в несколько миллиардов раз! Когда протоны проносятся сквозь молекулярную «турбину» с каналом шириной всего в 10 тысячных миллиметра, они вращают ротор столь же миниатюрного масштаба. Вращающийся ротор запускает формирование исключительно важной химической связи, создавая молекулу из субстанции под названием аденозинтрифосфат, или сокращенно АТФ. Это происходит со скоростью 150 реакций в секунду.
АТФ – универсальный источник энергии для жизни. Каждая молекула АТФ хранит энергию, действуя как миниатюрный аккумулятор. Когда для химической реакции в клетке требуется энергия, клетка разрывает высокоэнергетическую связь АТФ, превращая АТФ в аденозиндифосфат, АДФ. В этом процессе высвобождается энергия, которую клетка может использовать для запуска химической реакции или физического процесса типа этапов работы молекулярного «мотора».
Большая часть пищи, которую вы едите, заканчивает свой путь, будучи переработанной митохондриями ваших клеток, которые используют содержащуюся в них химическую энергию для создания колоссального количества АТФ. Для активации всех химических реакций, необходимых для поддержки триллионов клеток вашего тела, митохондрии каждый день все вместе производят – и это поразительно – АТФ в количестве, равном весу вашего тела! Биение пульса в запястье, теплота вашей кожи, подъем и опускание грудной клетки при дыхании – источником всего этого служит АТФ. Жизнь функционирует на АТФ.