Случайность и необходимость - Жак Моно

только в одной конформации (или, самое большее, в нескольких дискретных состояниях, не сильно отличающихся друг от друга, как в случае с аллостерическими белками). Конформация определена с удивительной точностью, о чем свидетельствуют данные рентгеноструктурного анализа. Дифракционные изображения кристаллов белка подтверждают: расположение подавляющего большинства тысяч атомов, составляющих молекулу, определено с точностью до доли ангстрема. Мы можем добавить, что такое единообразие и точность структуры суть неотъемлемые условия специфического связывания – важнейшего биологического свойства глобулярных белков.

Образование глобулярных структур

Механизм формирования этих структур вполне ясен. Мы можем сказать, что:

а) генетический детерминизм белковых структур непосредственно определяет последовательность аминокислотных остатков, соответствующих данному белку; и

б) синтезируемая таким образом полипептидная фибрилла самопроизвольно и автономно сворачивается, приобретая псевдоглобулярную функциональную форму.

Таким образом, из тысяч различных способов, которыми полипептидная фибрилла теоретически могла бы свернуться, фактически используется только один. Здесь мы имеем явно эпигенетический процесс на самом простом возможном уровне – уровне изолированной макромолекулы. Для развернутой фибриллы доступно любое количество конформаций. Более того, до сворачивания она лишена какой-либо биологической активности – в частности, способности к стереоспецифическому распознаванию. Для свернутой формы, напротив, характерно только одно состояние, соответствующее гораздо более высокой степени упорядоченности. Именно с этим состоянием и связана функциональная активность белка.

Объяснение этого маленького чуда молекулярного эпигенеза, по крайней мере в принципе, относительно простое:

1. В физиологически нормальной среде, то есть в водной фазе, свернутое состояние белка термодинамически более стабильно, чем развернутое. Причина повышенной стабильности крайне интересна и заслуживает особого внимания. Около половины аминокислотных остатков, составляющих последовательность, являются «гидрофобными», то есть ведут себя как масло в воде: иными словами, они имеют тенденцию собираться вместе, высвобождая иммобилизованные ими молекулы воды. В результате белок приобретает компактную структуру, за счет взаимных контактов обездвиживая остатки, составляющие фибриллу. Отсюда более высокая степень упорядоченности (негэнтропии), компенсируемая внутри системы возрастанием хаоса (энтропии), вызванным примесью высвобожденных молекул воды.

2. Среди множества свернутых форм, доступных данной полипептидной последовательности, лишь очень немногие, если не одна единственная, позволяют реализовать наиболее компактную возможную структуру. Данная структура предпочтительнее всех остальных. Несколько упрощая, можно сказать, что «избранной» обычно является структура, соответствующая вытеснению максимального количества молекул воды. Очевидно, что именно от относительного расположения – то есть последовательности – аминокислотных остатков (начиная с гидрофобных) в фибрилле зависит реализация компактных структур. Таким образом, особая глобулярная конформация, свойственная данному конкретному белку и обеспечивающая его функциональную активность фактически продиктована последовательностью остатков в фибрилле. Однако – и это важный момент – объем информации, необходимый для описания всей трехмерной структуры белка, намного превышает объем информации, закодированной самой последовательностью. Так, для полипептида длиной 100 аминокислотных остатков информация о последовательности составит порядка 2000 бит (H = log220100), тогда как для определения его трехмерной структуры понадобится множество дополнительных данных, точный объем которых установить достаточно сложно.

Ложный парадокс эпигенетического «обогащения»

Таким образом, налицо явное противоречие между утверждением, что геном «полностью определяет» функцию белка, и тем фактом, что эта функция связана с трехмерной структурой, информационное содержание которой богаче, чем непосредственный вклад, вносимый в эту структуру геномом. Некоторые критики современной биологической теории ухватились за это противоречие, в частности Эльзассер, который в эпигенетическом развитии (макроскопических) структур живых существ предпочитает видеть феномен, не поддающийся физическому объяснению ввиду «беспричинного обогащения», на которое оно явно указывает.

Тщательное и детальное изучение механизмов молекулярного эпигенеза позволяет устранить это возражение. Обогащение информации, очевидное в формировании трехмерных белковых структур, проистекает из того факта, что генетическая информация (представленная последовательностью) экспрессируется при строго определенных начальных условиях (водная фаза, узкий диапазон температур, ионный состав и т. д.). В результате из всех возможных структур реализуется только одна. Таким образом, начальные условия относятся к информации, заключенной в самой глобулярной структуре. Никак не уточняя ее, они способствуют реализации уникальной формы, исключая все альтернативные структуры и тем самым предлагая – или, скорее, навязывая – однозначную интерпретацию потенциально неоднозначному коду.

* * *

Следовательно, процесс структурации глобулярного белка можно рассматривать одновременно и как микроскопический образ, и как источник автономного эпигенетического развития самого организма. В этом развитии можно выделить несколько восходящих ступеней, или уровней:

1) сворачивание полипептидных последовательностей в глобулярные структуры, обладающие стереоспецифичными ассоциативными свойствами;

2) ассоциативные взаимодействия между белками (или между белками и некоторыми другими компонентами) с целью построения клеточных органелл;

3) взаимодействия между клетками с целью формирования тканей и органов;

4) координация и дифференциация химических реакций посредством взаимодействий аллостерического типа на протяжении всех предыдущих этапов.

На каждой ступени возникают более высокоупорядоченные структуры и новые функции, которые, проистекая из спонтанных взаимодействий между продуктами предшествующих стадий, последовательно раскрывают, подобно фейерверку, скрытый потенциал низших уровней. Определяющей причиной данного явления, его источником в конечном счете является генетическая информация, представленная суммой полипептидных последовательностей, интерпретируемых – или, точнее, фильтруемых – первоначальными условиями.

Таким образом, ultima ratio[39] всех телеономических структур и процессов, характерных для живых существ, заключен в последовательностях остатков, составляющих полипептидные фибриллы, «эмбрионах» глобулярных белков, которые в биологии играют роль демонов Максвелла. В некотором смысле именно на этом уровне химической организации заключена тайна жизни, если она вообще существует. Если бы некто сумел не только описать эти последовательности, но и сформулировать закон, по которому они формируются, мы могли бы полагать тайну раскрытой. Ultima ratio был бы обнаружен.

Ultima ratio телеономических структур

Первое описание полной последовательности глобулярного белка было дано Сенгером в 1952 году. Это стало одновременно и откровением, и разочарованием. Последовательность, которая, как известно, определяет структуру, а значит, и избирательные свойства функционального белка (инсулина), оказалась лишенной каких-либо закономерностей, каких-либо особых признаков, каких-либо ограничительных характеристик. Впрочем, оставалась надежда, что со временем появятся новые данные, которые наконец помогут обнаружить общие законы сборки, а также некоторые функциональные корреляции. Сегодня описаны сотни последовательностей, соответствующих различным белкам, выделенным из самых разнообразных организмов. Тщательное изучение и систематическое сравнение этих последовательностей с помощью современных средств анализа позволило вывести общий закон: закон случайности. Все эти структуры являются случайными в том смысле, что даже если бы мы знали точный порядок 199 из 200 остатков в белке, мы бы не могли сформулировать какое-либо теоретическое или эмпирическое правило, позволяющее предсказать природу последнего, неидентифицированного остатка.

Утверждение, что последовательность аминокислот в полипептиде «случайна», может показаться равносильным признанию невежества, но это не так. Совсем наоборот, это утверждение в точности отражает природу фактов. Например, средняя частота, с которой за таким-то остатком в полипептидной цепи следует такой-то, равна произведению средних частот каждого из них в белках в целом. Это наблюдение можно проиллюстрировать и другим способом. Представьте себе колоду из двухсот карт, на каждой из