Случайность и необходимость - Жак Моно

как митохондрии и мембраны. Впрочем, двух или трех только что рассмотренных примеров вполне достаточно для иллюстрации процесса образования сложных структур, обладающих функциональными свойствами, посредством стереоспецифичной, самопроизвольной сборки их белковых составляющих. Упорядочение, структурная дифференциация, приобретение функций – все это возникает из случайной смеси молекул, по отдельности лишенных какой-либо активности, каких-либо внутренних функциональных качеств, кроме способности распознавать партнеров, с которыми они образуют сложную частицу. Хотя в случае рибосом и бактериофагов мы больше не можем говорить о кристаллизации – степень сложности, т. е. упорядоченности этих частиц, намного превышает таковую у кристалла, – химические взаимодействия, в которых они участвуют, в основном имеют ту же природу, что и образующие молекулярный кристалл. Как и в кристалле, сама структура собранных молекул является источником «информации» для построения целого. Таким образом, суть этих эпигенетических процессов состоит в следующем: общая схема сложной многомолекулярной конструкции содержится in posse[36] в структуре ее составных частей, но реализуется только через их сборку.

Данный вывод сводит старый диспут между преформационистами и эпигенетиками к не представляющему интереса спору о словах. Нигде не существовало заранее сформированной и законченной структуры, но архитектурный план ее был прописан в самих ее составных частях. Посему она может возникать самопроизвольно и автономно, без помощи извне и без введения дополнительной информации. Необходимая информация присутствовала, но не была выражена, в ее компонентах. Эпигенетическое построение структуры – это не творение, а откровение.

* * *

Микроскопический и макроскопический морфогенез

Хотя современные биологи признают, что любая экстраполяция нуждается в подтверждении экспериментальными данными, они тем не менее убеждены, что эта концепция, непосредственно основанная на изучении формирования микроскопических структур, может и должна объяснить эпигенез макроскопических структур (тканей, органов, конечностей и т. д.). И действительно, переходя к макроскопическим структурам, мы сталкиваемся с проблемами совершенно иных масштабов, причем не только с точки зрения размеров, но и сложности. Здесь важнейшие конструктивные взаимодействия происходят не между молекулярными компонентами, а между клетками. Тот факт, что изолированные клетки любой ткани способны распознавать друг друга и собираться вместе, не вызывает сомнений; однако компоненты или структуры, позволяющие клеткам идентифицировать друг друга, пока не установлены. Хотя все указывает на то, что разгадка кроется в структурных характеристиках клеточных мембран, остается неясным, на чем основано распознавание: на индивидуальных молекулярных образованиях или на многомолекулярных поверхностных паттернах[37]. Даже если этот паттерн не состоит из одних только белков, его структура неизбежно должна определяться свойствами распознавания белковых компонентов, а также ферментов, ответственных за биосинтез других компонентов паттерна (например, полисахаридов или липидов).

Таким образом, не исключено, что «когнитивные» свойства клеток являются не прямым, а скорее косвенным выражением различительных способностей некоторых белков. Тем не менее такие макроскопические явления, как формирование ткани или дифференциация органа, следует рассматривать как интегрированный результат множественных микроскопических взаимодействий, обусловленных белками и основанных на присущих им свойствах стереоспецифичного распознавания, обеспечивающих самопроизвольное образование нековалентных комплексов.

Следует подчеркнуть, что подобное сведение морфогенетических явлений к микроскопическому уровню еще не составляет рабочей теории. Скорее речь идет об установлении общего принципа, на основе которого такая теория должна быть сформулирована, если, конечно, она претендует на нечто большее, нежели простое феноменологическое описание. Данный принцип ставит цель, но дает мало подсказок относительно ее достижения. Только представьте, с какими трудностями придется столкнуться ученому, стремящемуся дать молекулярное объяснение формированию такого сложного аппарата, как центральная нервная система, содержащая миллиарды специфичных взаимосвязей между клетками, некоторые из которых лежат на относительно больших расстояниях друг от друга.

Проблема влияний и регуляции на расстоянии, вероятно, является самой трудной и самой важной в эмбриологии. В попытках объяснить феномен регенерации эмбриологи ввели понятие «морфогенетического поля», или «градиента». На первый взгляд это большой шаг вперед, позволяющий выйти за рамки стереоспецифичного молекулярного взаимодействия в пределах нескольких ангстрем. Однако только последнее и имеет точный физический смысл; кроме того, ни в коем случае нельзя исключать, что ряд таких взаимодействий, последовательно запускающих друг друга, может создавать или определять организацию в масштабах, скажем, нескольких миллиметров или сантиметров. Современная эмбриология движется именно в этом направлении. Вполне вероятно, что теории сугубо статических стереоспецифичных взаимодействий окажется недостаточно для интерпретации морфогенетического поля, или градиентов. В этом случае ей потребуется подкрепление в виде кинетических гипотез, подобных тем, которые делают возможной интерпретацию аллостерических взаимодействий. Как бы то ни было, лично я по-прежнему убежден, что ключ к этим явлениям могут дать только стереоспецифичные ассоциативные свойства белков.

* * *

Если проанализировать каталитические, регуляторные и эпигенетические функции белков, нельзя не признать, что все они зависят прежде всего от способности этих молекул к стереоспецифической ассоциации.

Первичная и глобулярная структура белков

Согласно тезису, изложенному в этой и двух предыдущих главах, все телеономические процессы и структуры живых существ, по крайней мере в принципе, поддаются анализу с данной точки зрения. Если допустить, что так оно и есть – а в этом нет никаких оснований сомневаться, – то финальный шаг к разрешению парадокса телеономии состоит в том, чтобы дать эксплицитное объяснение процессу формирования стереоспецифичных ассоциативных белковых структур и механизмов их развития. В настоящей главе мы сосредоточимся на первой проблеме, а вопрос об их эволюции рассмотрим позже. Ниже я надеюсь показать, что из детального анализа молекулярных структур, в которых скрыта главная «тайна» телеономии, вытекает несколько чрезвычайно важных выводов.

Для начала необходимо отметить, что трехмерная структура глобулярного белка определяется двумя типами химических связей[38]:

1. Так называемая первичная структура представляет собой топологически линейную последовательность аминокислотных остатков, соединенных ковалентными связями. Именно эти связи обеспечивают чрезвычайно гибкую фибриллярную структуру, теоретически способную принимать почти бесконечное разнообразие форм.

2. Так называемая нативная форма глобулярного белка дополнительно стабилизируется огромным числом нековалентных взаимодействий, связывающих аминокислотные остатки, распределенные вдоль топологически линейной ковалентной последовательности. В результате полипептидная фибрилла сворачивается в компактную псевдосферу. Способ свертывания определяет трехмерную структуру молекулы, включая расположение стереоспецифичных центров связывания, с помощью которых белок осуществляет функцию распознавания. Таким образом, именно сумма или, скорее, кооперация множества нековалентных внутримолекулярных взаимодействий придает устойчивость функциональной структуре белка, которая, в свою очередь, позволяет ему избирательно образовывать стереоспецифичные нековалентные комплексы с другими молекулами.

Вопрос, который интересует нас здесь, – это вопрос онтогенеза, происхождения и развития этой особой, уникальной конформации, с которой связана когнитивная функция белка. Долгое время считалось, что, в силу самой сложности этих структур и их стабилизации посредством нековалентных и индивидуально лабильных взаимодействий, любому полипептидному волокну доступно огромное количество самых разнообразных форм. Экспериментальные данные, однако, показывают, что при нормальных физиологических условиях одно и то же химическое соединение в нативной форме (определяемой его первичной структурой) существует