Схемы строения молекул различных органических веществ а) спиртъ б) витамин С, в) жиропобобное вещество (холестерин>, г) нуклеиновая кислота
Путем объединения уже нескольких молекул сахара возникают и еще более сложные соединения этого класса — разнообразные углеводы, играющие очень важную роль в жизни организмов.
Аналогичным образом в лабораторных условиях удалось доказать полную возможность абиогенного синтеза на поверхности еще безжизненной Земли и других разнообразных и весьма сложных органических соединений, включающих в себя не только углерод, кислород и водород, но также азот, серу, а иной раз фосфор, железо, магний, медь и другие металлы. Правда, этот синтез совершался в водах первичного океана очень сложными и извилистыми путями, несравненно менее организованно, менее прямолинейно, чем это происходит сейчас в живых организмах. Поэтому каждый шаг вперед на пути абиогенного образования все более и более сложных соединений требовал очень больших промежутков времени, совершался очень медленно. Но все же не подлежит сомнению, что, осуществляясь в течение сотен миллионов или даже миллиардов лет, он обязательно должен был привести к возникновению в водах первичных морей и океанов очень многочисленных и разнообразных, иной раз весьма сложных органических веществ, подобных тем, которые мы сейчас можем выделить из тел современных животных и растений.
Рассматривая возникновение различных сложных органических соединений в водной оболочке Земли, мы должны обратить особое внимание на образование в этих условиях белковых веществ. Белкам принадлежит исключительная, решающая роль в построении «живого вещества». Протоплазма — тот материальный субстрат, из которого состоит тело животных, растений и микробов, всегда содержит в себе значительное количество белков. Еще Энгельс указывал, что «повсюду, где мы встречаем жизнь, мы находим, что она связана с каким-либо белковым телом, и повсюду, где мы встречаем какое-либо белковое тело, которое не находится в процессе разложения, мы без исключения встречаем и явления жизни» 1 (Ф. Энгельс. Анти-Дюринг. Госполитиздат, 1957, стр. 77.)
Это положение Энгельса нашло свое полное подтверждение в работах современных ученых. Было доказано, что белки являются не просто пассивным строительным материалом протоплазмы, как это думали раньше, но что они принимают непосредственное активное участие в обмене веществ и в ряде других жизненных явлений. Таким образом, возникновение белков является чрезвычайно важным звеном в том эволюционном процессе развития материи, который привел к возникновению живых существ.
В конце прошлого и в начале настоящего века, когда химия белков была еще очень мало разработана, некоторые ученые предполагали присутствие в белках какого-то особого таинственного начала, каких-то специфических атомных группировок, которые являются носителями жизни. С этой точки зрения первичное возникновение белков представлялось весьма загадочным и даже маловероятным. Но если подойти к этому вопросу, исходя из современных химических взглядов о белковой молекуле, дело представится в совершенно ином свете.
Кратко суммируя все те достижения, которые получены в настоящее время химией белков, мы прежде всего должны подчеркнуть, что сейчас нам достаточно хорошо известны отдельные составные части, те «кирпичи», из которых по- строена молекула любого белка. Такими «кирпичами» являются хорошо известные химикам вещества — аминокислоты.
ВОЗНИКНОВЕНИЕ БЕЛКОВ
Молекулы органических веществ, соединяясь между собой, образовали частицы наиболее сложных и наиболее важных для жизни веществ — белков, В этих частицах многие десятки тысяч атомов строго определенным образом соединены в длинные цепочки с многочисленными боковыми ответвлениями
В молекулах белка эти цепочки сочетаются в сложные, определенным образом построенные клубки
Небольшой участок цепочки, лежащей в основе белковой молекулы
В белковой молекуле аминокислоты связаны между собой особыми химическими связями в длинную цепочку. Число аминокислотных молекул, входящих в эту цепочку, у различных белков может выражаться цифрой от нескольких сотен до нескольких тысяч. Поэтому указанная цепочка является довольно длинной. В большинстве случаев она закручивается в сложный, но закономерным образом построенный клубок, который, собственно, и представляет собой белковую молекулу.
Чрезвычайно существенно то, что в состав каждого белкового вещества входят очень разнообразные аминокислоты. Молекула белка построена из различных сортов «кирпичей». Сейчас мы знаем около двадцати различных аминокислот, входящих в состав природных белков. Некоторые белки содержат в своей молекуле все известное нам разнообразие аминокислот, другие менее богаты в этом отношении. При этом химические и физические свойства любого известного нам белка коренным образом зависят от его аминокислотного состава.
Однако нужно иметь в виду, что аминокислотные частицы связаны в белковой цепочке не как- нибудь, не случайно, а в строго определенной, характерной именно для данного белка последовательности. Поэтому физические и химические свойства этого белка — его способность к определенным химическим взаимодействиям, его растворимость в воде и т. д. — зависят не только от числа и разнообразия входящих в состав его молекулы аминокислот, но и от того, в какой последовательности эти аминокислоты нанизаны друг за другом в белковой цепочке.
Такого рода построение создает возможность для бесконечного разнообразия белков. Хорошо всем известный белок куриного яйца является лишь единичным и при этом сравнительно простым представителем белков. Гораздо сложнее построены белки нашей крови, мышц, мозга. В каждом живом существе, в каждом его органе присутствуют многие сотни и тысячи разнообразных белков, и каждому виду животных или растений свойственны свои, характерные только для них белки. Так, например, в крови человека они будут несколько иные, чем в крови лошади, быка или кролика.
В этом громадном разнообразии белков и кроется исключительная трудность искусственного их получения в лабораторных условиях. Сейчас мы легко можем из углеводородов и аммиака получить любую аминокислоту. Точно так же для нас не составляет большого труда связать между собою эти аминокислоты в длинные цепочки, подобные тем, которые лежат в основе белковых молекул, и получить действительно белковоподобное вещество. Но для того чтобы искусственно воспроизвести какой-либо из известных нам натуральных белков, например белок нашей крови или белок семян гороха, этого мало. Для этого нужно соединить между собой в цепочку многие сотни и тысячи разнообразных аминокислот в совершенно определенной последовательности, именно в той, в которой они находятся в данном белке.
Если взять цепь, состоящую всего из пятидесяти звеньев, причем эти звенья будут двадцати различных сортов, то, соединяя звенья в различном порядке, можно получить большое разнообразие цепочек. В свое время было подсчитано, что число таких цепочек, из которых каждая отличалась бы от другой по расположению своих звеньев, выражается единицей с сорока восемью нулями, т. е. числом, которое будет нами получено, если мы миллиард помножим на миллиард и еще раз на миллиард, и так до пяти раз, а после этого еще помножим на тысячу. Если бы мы взяли такое число белковых молекул и сложили из них жгут толщиной в палец, то такой жгут можно было бы протянуть поперек всей нашей звездной системы от одного конца Млечного Пути до другого.
Однако аминокислотная цепь белковой молекулы средней величины состоит не из пятидесяти, а из нескольких сотен звеньев. Поэтому количество возможных здесь комбинаций возрастает еще во многие квадрильоны раз.
Для того чтобы искусственно создать какой- нибудь натуральный белок, нужно из всех этих бесчисленных комбинаций выбрать одну и получить именно такое расположение аминокислот в белковой цепи, которое действительно есть у этого белка. Конечно, случайно нанизывая аминокислоты друг за другом в белковую цепь, мы никогда этого не достигнем. Это было бы совершенно подобно тому, как если бы мы, встряхивая типографский шрифт, состоящий из двадцати восьми различных букв, рассчитывали бы, что он сам собой когда-нибудь случайно сложится в то или иное известное нам стихотворение.
Только зная расположение букв и слов в данном стихотворении, мы сможем его воспроизвести. Только зная точное расположение аминокислот в цепочке данного белка, мы можем рассчитывать искусственно воссоздать его в нашей лаборатории. К сожалению, в настоящее время удалось установить указанный порядок аминокислот лишь для некоторых наиболее просто устроенных белковых веществ. Поэтому-то сложные естественные белки еще не получены нами в искусственных условиях. Но здесь дело только во времени, а в принципе никто уже не сомневается в возможности такого построения белков.
Однако нас интересует не только принципиальная возможность синтеза белков или белковоподобных веществ — для наших целей нам нужно конкретно себе представить, каким путем могло эго осуществиться в тех природных условиях, которые когда-то существовали на безжизненной Земле. Понятно, что для того, чтобы представить себе, как возникла белковоподобная молекула, необходимо прежде всего установить, как появились первые аминокислоты — отдельные звенья той цепи, которая лежит в основе белковой молекулы.
В этом отношении значительный интерес представляют опыты, недавно осуществленные американским ученым С. Миллером. Исходя из тех представлений о первичной земной атмосфере, которые были изложены нами выше, Миллер взял газовую смесь, состоящую из углеводорода метана, аммиака, водорода и паров воды, и в специально сконструированном для этого приборе пропускал через эту смесь электрические разряды. После этого в сконденсировавшейся в приборе воде можно было обнаружить наличие нескольких аминокислот, возникших здесь примерно при тех же условиях, которые существовали на поверхности первичной Земли.
Т. Павловская и А. Пасынский использовали для абиогенного синтеза аминокислот другой, еще более мощный источник энергии — коротковолновый ультрафиолетовый свет, который когда-то пронизывал всю земную атмосферу. Освещая искусственно полученными коротковолновыми лучами водный раствор формалина и хлористого аммония, они, как и Миллер, синтезировали аминокислоты, показав тем полную возможность образования этих составных частей белковой молекулы в условиях первичной земной гидросферы.