Войти в систему
Войти с помощью соц. сетей:
1. Harris S. Chemical potential: turning carbon dioxide into fuel // The Engineer, 2012. – 9 August. – http://www.theengineer.co.uk/energy-and-environment/in-depth/chemical-potential-turning-carbon-dioxide-into-fuel/1013459.article#ixzz2upriFA00.
2. Die Naturwissenschaften, 1932. – Vol. 20. – P. 815–821.
3. Jordan Pascual, 1938, цит. по: Galison P., Gordin M. and Kaiser D., eds. Quantum Mechanics: Science and Society. – London: Routledge, 2002. – P. 346.
4. Longuet-Higgins H. C. Quantum mechanics and biology // Biophysical Journal, 1962. – Vol. 2. – P. 207–215.
5. Murphy M. P. and O’Neil L. A. J., eds. What is Life? The Next Fifty Years: Speculations on the Future of Biology. – Cambridge: Cambridge University Press, 1995.
Гамлет: «Сколько времени человек пролежит в земле, пока не сгниет?»
Первый могильщик: «Да что ж, если он не сгнил раньше смерти – ведь нынче много таких гнилых покойников, которые и похороны едва выдерживают, – так он вам протянет лет восемь, а то и девять лет; кожевник, тот вам протянет девять лет».
Гамлет: «Почему же он дольше остальных?»
Первый могильщик: «Да шкура у него, сударь, от ремесла такая дубленая, что долго не пропускает воду; а вода, сударь, великий разрушитель для такого собачьего мертвеца».
Уильям Шекспир. Гамлет. Акт V, сцена 1, «Кладбище»
Все, что делают живые существа, можно представить в виде колебания и покачивания атомов…
Ричард Фейнман [1]
Шестьдесят восемь миллионов лет назад, в те времена, которые мы сейчас называем меловым периодом, молодой тираннозавр прокладывает себе дорогу через редколесье речной долины в субтропические заросли. В свои 18 лет животное еще не достигло зрелости, но зато достигло примерно пять метров в высоту. С каждым тяжелым шагом многотонное тело динозавра ускоряется, приобретая достаточный импульс, чтобы сравнять с землей дерево или любое более мелкое существо, имевшее несчастье оказаться у него на пути. Его тело сохраняет свою целостность при этих разрушительных столкновениях благодаря тому, что каждая кость, сухожилие и мышца остается на своем месте благодаря прочным, но эластичным волокнам белка под названием «коллаген». Этот белок служит своего рода клеем, который скрепляет плоть, и является важным компонентом тел животных, включая нас с вами. Как все биомолекулы, он создается и разрушается самым удивительным механизмом в известной нам части Вселенной. В этой главе мы рассмотрим, как работают эти биологические наномеханизмы, а также обсудим новейшие данные о том, что шестеренки и рычаги этих механизмов погружаются в мир элементарных частиц, чтобы поддерживать жизнь во всех организмах, населяющих землю.
Но сначала вернемся в нашу древнюю долину. В тот самый день огромное тело динозавра, состоящее из миллионов наномеханизмов, станет причиной его гибели. Его мощные конечности, с помощью которых он так успешно охотился и разрывал пищу, окажутся бесполезными в липкой грязи речного русла, в которой увязнет динозавр. После долгих часов бесполезной борьбы огромные челюсти тираннозавра заполняются мутной водой и обессилевшее животное тонет в грязи. При других обстоятельствах его тело подверглось бы такому же быстрому разложению, как и покойники, о которых могильщик рассказывал Гамлету. Но наш динозавр утонул так быстро, что все его тело было тут же погребено в толстом слое грязи и песка. Спустя годы и века мельчайшие частицы минералов заполняли полости и поры его костей и плоти, замещая ткани животного камнем: труп динозавра превратился в окаменелость. Над ним прокладывали свои пути реки, нанося слои песка грязи и ила, пока окаменелость не оказалась погребенной под десятками метров песчаника и глины.
Примерно 40 миллионов лет спустя наступило потепление климата, реки высохли и сухие пустынные ветры разрушили слои камня, покрывающие останки динозавра. Прошло еще 28 миллионов лет, и через долину этой реки пришли представители другого двуногого вида, Homo sapiens; но прямоходящим приматам не приглянулся этот сухой и недружелюбный край. Когда в наше время здесь обосновались европейские поселенцы, они назвали эту негостеприимную местность Дурные земли Монтаны, а долину высохшей реки – Хелл-Крик (от англ. Hell Creek – «адский ручей». – Примеч. пер.). В 2002 году здесь разбила лагерь команда палеонтологов во главе со знаменитым искателем ископаемых останков Джеком Хорнером. Один из членов группы, Боб Хормон, во время завтрака заметил крупную кость, выступающую из скалы над его головой.
В течение трех лет около половины целого скелета животного было бережно извлечено из скалы. В выполнении этой нелегкой задачи были задействованы служащие инженерного корпуса армии США, научные работники и аспиранты, а также техника. Извлеченная из скалы часть скелета динозавра была перенесена в Музей Скалистых гор, расположенный в городе Бозмен, штат Монтана, и стала экспонатом под номером MOR 1255. Бедренную кость динозавра пришлось разрезать на две части, чтобы поднять на борт вертолета, в результате чего один из ее фрагментов был отломан. Джек Хорнер отдал несколько фрагментов коллеге-палеонтологу, доктору Мэри Швейцер из Университета Северной Каролины. Одним из научных интересов Мэри Швейцер был химический состав окаменелостей.
Когда Швейцер открыла коробку, ее ожидал сюрприз. Первый фрагмент, который она видела, представлял собой необычную на вид ткань внутренней поверхности (костномозговой полости) кости. Она поместила кость в кислоту, которая растворила внешний минеральный слой и открыла более глубокие структуры. Однако исследовательница случайно передержала фрагмент кости в кислоте. Когда Швейцер вернулась, все минералы фрагмента растворились. Швейцер ожидала, что вся окаменелость будет разрушена, но она и ее коллеги были крайне удивлены, когда увидели, что после воздействия кислоты сохранилась пластичная волокнистая субстанция, которая под микроскопом напоминала мягкую ткань, содержащуюся в костях современных животных. Более того, так же, как и современные кости, эта ткань содержала кровеносные сосуды, клетки крови и длинные цепи коллагеновых волокон – тот самый биологический клей, который соединял огромное животное в единое целое.
Ископаемые, в которых сохранилась структура мягких тканей, встречаются крайне редко. Фауна сланцев Берджесс, обнаруженная в канадской части Скалистых гор в провинции Британская Колумбия в период с 1910 по 1925 год, сохранила удивительно подробные отпечатки тел животных, которые плавали в морях кембрийского периода около 600 миллионов лет назад. Стоит упомянуть и знаменитого оперенного археоптерикса, жившего примерно 150 миллионов лет назад, – его останки были обнаружены в Зольнхофенском карьере в Германии. И все же ископаемые останки мягких тканей сохраняют только отпечаток биологического материала, но не вещество. Невероятно, но мягкое вещество, сохранившееся после воздействия кислоты в эксперименте Мэри Швейцер, оказалось самой настоящей мягкой тканью динозавра. Когда в 2007 году Швейцер опубликовала подробности своего открытия в журнале Science [2], ученые отнеслись к предположениям, высказанным в статье, с изумлением и большим сомнением. Несмотря на то что сохранность биомолекул на протяжении миллионов лет на самом деле является чудом, нас интересует продолжение этой истории. Чтобы доказать, что ископаемая волокнистая структура на самом деле содержит коллаген, Швейцер продемонстрировала, что белки, которые присоединяются к современному коллагену, присоединяются и к волокнам ископаемой кости. В довершение эксперимента она смешала ткань динозавра с ферментом коллагеназой – одним из многих биомолекулярных механизмов, который создает и разрушает коллагеновые волокна в живых организмах. В течение нескольких минут коллагеновые цепи, которые сохранились на протяжении 68 миллионов лет, были разрушены ферментом.
Ферменты – это движущие силы жизни. Некоторые из них, вероятно, знакомы вам, поскольку все мы применяем их в повседневной жизни. Так, протеазы добавляют в «биологические» моющие средства, устраняющие пятна, пектин добавляют в джем для придания необходимой консистенции, а реннин используется для сворачивания молока и превращения его в сыр. Ферменты, находящиеся в желудке и кишечнике человека, играют большую роль в переваривании пищи. Но это лишь самые простые примеры действия природных наномеханизмов. Все живое зависит и всегда зависело от ферментов: и первые микроорганизмы, вышедшие из первичного бульона, и динозавры, разгуливавшие по лесам юрского периода, и все организмы, живущие сейчас. Каждая клетка в вашем теле заполнена сотнями или даже тысячами молекулярных механизмов, поддерживающих непрерывный процесс сборки и разрушения биомолекул, то есть процесс, который мы называем жизнью.
В описании деятельности ферментов ключевое слово – «помощь»: их задачей является помощь в ускорении (катализации) всех видов биохимических реакций, которые в отсутствие ферментов протекали бы слишком медленно. Таким образом, добавление ферментов протеаз в моющие средства ускоряет расщепление белков в пятнах, пектиновые ферменты ускоряют расщепление полисахаридов во фруктах, а реннин ускоряет свертывание молока. Подобным образом ферменты в наших клетках ускоряют метаболизм – процесс, в ходе которого триллионы внутриклеточных биомолекул непрерывно превращаются в триллионы других биомолекул и поддерживают нашу жизнь.
Фермент коллагеназа, который Мэри Швейцер добавила к кости динозавра, является всего лишь биомеханизмом, функция которого заключается в разрушении коллагеновых волокон в организме животного. Степень ускорения, которое придают реакциям ферменты, можно примерно оценить, сравнив время, необходимое для расщепления коллагеновых волокон в отсутствие ферментов (а именно, более 68 миллионов лет) и в присутствии необходимого фермента (около 30 минут): время реакции ускоряется в триллионы раз.
В данной главе мы рассмотрим, как ферменты, например коллагеназа, способны достигать таких астрономических показателей в ускорении химических реакции. Одной из сенсаций последних лет стало открытие ключевой роли квантовой механики в действии по крайней мере нескольких ферментов; а поскольку ферменты являются движущими силами жизни, то именно они и станут нашей отправной точкой в путешествии по квантовой биологии.
Войти с помощью соц. сетей: