инфузория, осьминог и человек – что у них общего? С открытием клетки и появлением клеточной теории во всем этом разнообразии можно было выделить новую единицу. Однако прошло некоторое время, прежде чем биохимики, во второй четверти этого столетия, открыли единство всего живого мира на микроскопическом уровне. Сегодня мы знаем, что химическая система всех живых организмов – от бактерии до человека – по существу одинакова как по своему устройству, так и по функционированию.

Химические инварианты

1. По своей структуре все живые существа без исключения состоят из одних и тех же двух основных классов макромолекулярных компонентов: белков и нуклеиновых кислот. Эти макромолекулы, в свою очередь, состоят из последовательностей одних и тех же остатков: двадцати аминокислот для белков и четырех видов нуклеотидов для нуклеиновых кислот.

2. Все организмы используют одни и те же реакции или, скорее, цепи реакций для мобилизации и накопления химического потенциала, а также биосинтеза клеточных компонентов.

Разумеется, существуют различные вариации этой центральной темы метаболизма, каждая из которых соответствует определенной функциональной адаптации. Большинство заключаются в новом способе использования универсальных метаболических последовательностей, которые до сих пор применялись для других функций. Возьмем, например, выделение азота у птиц и млекопитающих: первые выделяют мочевую кислоту, вторые – мочевину. Способ синтеза мочевой кислоты у птиц представляет собой не что иное, как модификацию, причем незначительную, цепи реакций, которая во всех организмах ведет к синтезу так называемых пуриновых нуклеотидов, универсальных компонентов нуклеиновых кислот. У млекопитающих синтез мочевины осуществляется благодаря модификации другого универсального метаболического пути, завершающегося синтезом аргинина – аминокислоты, присутствующей во всех белках. Подобных примеров множество.

На долю биологов моего поколения выпало открытие фактической идентичности клеточной химии во всей биосфере. К 1950 году в этом не осталось никаких сомнений; каждая новая публикация содержала те или иные доказательства этого удивительного факта. Надежды наиболее убежденных «платоников» оправдались.

Однако универсальность «формы» клеточной химии отнюдь не решила проблему репродуктивной инвариантности: напротив, она придала ей еще больше остроты и парадоксальности. Если с химической точки зрения компоненты одинаковы и синтезируются в ходе одних и тех же процессов у всех живых организмов, то в чем же источник их поразительного морфологического и физиологического разнообразия? А главное, каким образом каждый вид, используя те же материалы и те же химические превращения, что и все остальные, сохраняет неизменным из поколения в поколение структурный стандарт, который характеризует его и отличает от всех остальных?

ДНК как фундаментальный инвариант

Сегодня мы знаем ответ на эти вопросы. Универсальные компоненты – нуклеотиды с одной стороны, аминокислоты с другой – являются логическими эквивалентами алфавита, с помощью которого кодируются структура и, следовательно, специфические ассоциативные функции белков. Этим алфавитом можно записать все разнообразие структур и функций в биосфере. С каждым последующим клеточным поколением этот текст, записанный в виде нуклеотидных последовательностей ДНК, воспроизводится ne varietur, что гарантирует инвариантность вида.

Фундаментальным биологическим инвариантом является ДНК. Вот почему определение Менделем гена как неизменного носителя наследуемых признаков, его химическая идентификация Эйвери (подтвержденная Херши) и установление Уотсоном и Криком структурной основы его репликативной инвариантности, без сомнения, представляют собой важнейшие открытия, когда-либо совершенные в биологии. К ним, безусловно, следует добавить теорию естественного отбора, обретшую достоверность и свое истинное значение только благодаря этим более поздним открытиям.

Структура ДНК; связь между этой структурой и способностью задавать точную копию нуклеотидной последовательности, которая определяет ген; химический механизм, который переводит нуклеотидную последовательность сегмента ДНК в аминокислотную последовательность в белке – все эти факты и понятия были подробно разъяснены неспециалистам. По этой причине здесь нет необходимости давать их детальный обзор[42]. Для текущего обсуждения вполне достаточно следующей схемы, которая в общих чертах описывает два процесса – репликацию и трансляцию:

Прежде всего необходимо пояснить, что «секрет» репликации ДНК ne varietur заключается в стереохимической комплементарности нековалентного комплекса, образованного двумя полинуклеотидными нитями молекулы. Таким образом, мы видим, что фундаментальный принцип ассоциативной стереоспецифичности, объясняющий различительные свойства белков, лежит и в основе репликативных свойств ДНК. Но в ДНК топологическая структура комплекса гораздо проще, чем в белках; именно это и позволяет механизму репликации функционировать. На самом деле стереохимическая структура одной из двух нитей полностью определяется последовательностью составляющих ее остатков: каждый из четырех остатков может образовать пару (в силу стерических ограничений) только с одним из трех других. В результате:

1. Стерическая структура комплекса может быть полностью представлена в двух измерениях, одно из которых содержит в каждой точке пару взаимно комплементарных нуклеотидов, в то время как другое – потенциально бесконечную последовательность этих пар.

2. При наличии одной – любой – из двух нитей комплементарная последовательность может быть восстановлена шаг за шагом путем последовательного добавления нуклеотидов, каждый из которых «выбирается» своим стерически предопределенным партнером. Таким образом, каждая из двух нитей диктует структуру комплементарной цепи, чтобы воссоздать весь комплекс.

Общая структура молекулы ДНК – наиболее простая и вероятная структура, которую может принять макромолекула, образованная линейной полимеризацией идентичных или подобных остатков: спираль, определяемая двумя операциями симметрии, трансляцией и вращением. В силу регулярности общей структуры спираль ДНК можно рассматривать как фибриллярный кристалл. Если же речь идет о более тонкой структуре, то ее следует отнести скорее к апериодическим кристаллам, так как последовательность пар оснований нерегулярна. Необходимо подчеркнуть, что последовательность абсолютно «свободна» – в данном случае под «свободой» понимается отсутствие каких-либо ограничений, навязанных ей общей структурой, которая может вместить все возможные последовательности.

Как мы уже говорили, формирование этой структуры очень похоже на формирование кристалла. Каждый элемент последовательности в одной из двух нитей играет роль зародыша кристаллизации, выбирающего и ориентирующего молекулы, которые затем самопроизвольно связываются с ним, обеспечивая рост кристалла. Будучи искусственно разделенными, две комплементарные нити спонтанно образуют новый комплекс, причем каждая из них почти безошибочно выбирает своего партнера из тысяч или миллионов других последовательностей.

Однако рост каждой нити подразумевает образование ковалентных связей, которые последовательно соединяют нуклеотиды между собой. Образование этих связей не может происходить самопроизвольно: необходим источник химического потенциала и катализатор. Источник потенциала представлен определенными связями, которые присутствуют в самих нуклеотидах и расщепляются в ходе реакции конденсации. Последняя катализируется ферментом, ДНК‐полимеразой. Примечательно, что этот фермент не оказывает никакого влияния на синтезируемую последовательность, определяемую предсуществующей нитью. Кроме того, было показано, что конденсация мононуклеотидов, активируемая неферментативными катализаторами, фактически управляется их самопроизвольным спариванием с уже существующим полинуклеотидом[43]. Хотя фермент и не определяет последовательность, он, без сомнения, вносит свой вклад в точность комплементарной копии, то есть в верность передачи информации. Как показывают эксперименты, степень верности чрезвычайно высока,