Туда-сюда

Итак, фермент коллагеназа, который Мэри Швейцер использовала для разрушения коллагеновых волокон, выделенных из кости древнего тираннозавра, был обнаружен Джеромом Гроссом в организме лягушки. Как вы помните, этот фермент необходим для того, чтобы преобразовать внеклеточный матрикс головастика в тот период, когда все его ткани, клетки и биомолекулы перестраиваются и он превращается во взрослую лягушку. В организме динозавра данный фермент выполнял ту же функцию. Более того, он продолжает выполнять ее в человеке: коллагеназа расщепляет коллагеновые волокна, способствуя росту и преобразованию тканей развивающегося организма или в период восстановления после травмы. Чтобы увидеть ферментативный процесс в действии, обратимся к идее, высказанной Ричардом Фейнманом в революционной для науки лекции «Там, внизу, полно места!», с которой он выступил в Калифорнийском технологическом институте в 1959 году. Считается, что лекция Фейнмана стала интеллектуальным фундаментом сферы нанотехнологий – технического проектирования на уровне атомов и молекул. Кроме того, идеи Фейнмана вдохновили создателей фильма «Фантастическое путешествие», вышедшего на экраны в 1966 году. По сюжету картины подводная лодка с экипажем ученых и врачей уменьшается до размеров молекулы и внедряется в мозг пациента с целью обнаружить и ликвидировать тромб. Чтобы разобраться в ферментативном процессе, мы также отправимся с вами в путешествие на воображаемой наноподлодке. Цель нашего путешествия – хвост головастика.

Для начала нам необходимо найти головастика. В ближайшем пруду мы обнаружим кладку лягушачьей икры и аккуратно перенесем горсть желеобразных шариков, покрытых черными точками, в стеклянный резервуар. Через какое-то время мы заметим, что некоторые икринки подергиваются, а еще через несколько дней из них появятся крошечные головастики. Рассмотрев через увеличительное стекло их основные черты – относительно большую голову с тупой мордочкой и маленьким ртом, глазки по бокам и жабры, напоминающие перышки, расположенные перед длинным хвостовым плавником, – мы обеспечим головастиков достаточным количеством пищи (водорослями) и станем ежедневно наблюдать за ними. На протяжении нескольких недель мы не увидим никаких изменений в форме тела этих существ, зато останемся под сильным впечатлением от того, насколько быстро они увеличатся в объеме и вытянутся в длину. Приблизительно через восемь недель мы заметим, что жабры головастиков втянулись внутрь тела, а на их месте появились передние конечности. Пройдет еще недели две, и из того места, откуда растет крепкий хвостик головастика, появятся задние лапки. С этого момента мы станем чаще наблюдать за головастиками, поскольку темпы изменений, которые претерпевают растущие животные, значительно ускорятся. Жабры и жаберные карманы головастика полностью исчезают, а глаза сдвигаются выше. К списку колоссальных изменений внешнего вида головастика добавляется также резкое сокращение длины его хвоста. Как раз этого мы и ждали. Теперь пришло время погрузиться на борт нашей наноподлодки, отправиться в путешествие по стеклянному резервуару и приступить к исследованию одного из самых удивительных превращений, возможных в природе.

Как только наше судно погружается в резервуар, мы получаем уникальную возможность рассмотреть некоторые детали превращения головастика в лягушку, например удивительные изменения кожи. Кожный покров головастика становится плотнее, тверже, на нем появляются слизистые железы, секрет которых сохраняет влажность и упругость кожи лягушки, когда она покидает пруд и выбирается на сушу. Наноподлодка погружается в одну из этих желез, и мы попадаем в кожный покров земноводного. Благополучно преодолев несколько клеточных барьеров, мы попадаем в кровеносную систему исследуемого животного. Путешествуя по венам и артериям молодой лягушки, мы становимся свидетелями многочисленных изменений, происходящих в организме, внутри которого мы с вами находимся в гостях. Из зачатков дыхательных органов, первоначально напоминавших сумочки, формируются легкие, которые вскоре расширяются и наполняются воздухом. Длинный, изогнутый кишечник головастика, приспособленный для переваривания водорослей, выпрямляется и становится похожим на кишечник хищника. Его прозрачный хрящевой скелет, в том числе и спинная струна (примитивная форма позвоночника, проходящая по всей длине тела головастика), приобретает плотную, непрозрачную структуру, поскольку хрящ заменяется костью. Следуя к нашей цели, мы плывем вдоль формирующегося позвоночника вниз, к хвосту головастика, где начинается процесс его втягивания в растущий организм лягушки. Здесь мы хорошо можем рассмотреть толстые, бороздчатые мышечные волокна, очень плотные по всей длине.

Если мы еще уменьшимся в размерах, то сможем увидеть следующее: каждое из мышечных волокон состоит из длинных столбцов цилиндрических клеток. Именно эти клетки, периодически сокращаясь, обеспечивают перемещение головастика в пространстве. Цилиндрические клетки мышечных волокон окружены плотной сетью перекрученных нитей: это и есть внеклеточный матрикс, цель нашего путешествия. Матрикс сейчас претерпевает существенные изменения. Отдельные его нити распутываются и высвобождают застрявшие в них мышечные клетки, которые, вырываясь на свободу, вливаются в поток большого переселения клеток из исчезающего хвоста головастика в тело взрослой лягушки.

Давайте уменьшимся еще немного и внимательнее рассмотрим одну из распутывающихся нитей разрушающегося внеклеточного матрикса. Приблизившись, мы увидим, что нить матрикса, словно веревка, сплетена из тысяч отдельных белковых проводков, каждый из которых, в свою очередь, состоит из пучков коллагеновых волокон. Каждая молекула коллагена представляет собой сплетение из трех белковых цепей (о подобных цепях, на которые, как бусины, нанизаны аминокислоты, мы уже говорили, обсуждая кость динозавра). Три цепи молекулы коллагена закручены в плотную спираль, напоминающую спираль ДНК, только тройную, а не двойную. Наконец перед нами предстает истинная цель нашего путешествия – молекула фермента коллагеназы. Она напоминает моллюска, вцепившегося в одну из нитей коллагена и сползающего по ней, раскручивая цепочки тройной спирали и разъединяя пептидные связи, которые держат на одной цепочке аминокислотные бусинки. Таким образом, у нас на глазах за одно мгновение разрушается цепочка, которая в отсутствие коллагеназы сохранила бы свою целостность на протяжении миллионов лет. Рассмотрим поближе, как происходит распад цепочки коллагена.

Мы уменьшаемся и отправляемся в путешествие на молекулярном уровне, где объекты имеют размер несколько нанометров (несколько миллионных миллиметра). Представить себе такой крошечный масштаб невероятно трудно, поэтому для сравнения оцените размер буквы «о» на этой странице. Если бы мы с вами уменьшились до размера в несколько нанометров, то буква «о» приняла бы для нас такие же размеры, как территория Соединенных Штатов Америки при нашем нормальном росте. В таких условиях мы сможем рассмотреть, что внутреннее пространство клетки плотно заполнено молекулами воды, ионами металлов и многочисленными и разнообразными биомолекулами, среди которых встречаются аминокислоты причудливой формы. Этот шумный, заполненный до краев молекулами пруд непрерывно пребывает в волнении и движении. Молекулы вращаются, совершают колебания, сталкиваются друг с другом, словно бильярдные шары, о которых мы с вами говорили выше.

Среди всей этой толчеи беспорядочно движущихся молекул мы видим моллюскообразные ферменты, ползущие по волокнам коллагена. Движение молекул коллагеназы не похоже на то, как ведут себя остальные молекулы. Мы приближаемся к одной из молекул фермента как раз в тот момент, когда она движется вдоль коллагеновой белковой цепи. На первый взгляд молекула коллагеназы кажется тяжелой и бесформенной. Создается впечатление, что она хаотично собрана из разрозненных частей. Однако коллагеназа, как и все ферменты, имеет четкую структуру, в которой каждый атом занимает строго отведенное ему место. Кроме того, в отличие от беспорядочного пихания окружающих молекул, фермент исполняет изящный и слаженный молекулярный танец, обвиваясь вокруг коллагеновой нити, раскручивая ее спираль, чтобы сделать аккуратный надрез как раз в том месте, где пептидная связь скрепляет аминокислоты. Затем коллагеназа сворачивается и направляется дальше, к следующей пептидной связи в цепочке, чтобы разрушить ее. Это вовсе не уменьшенные копии механизмов, сделанных рукой человека, которые встроены в клетку и приводятся в движение хаотичными толчками беспорядочно разлетающихся в разные стороны частиц, напоминающих бильярдные шары. Это своеобразные нанороботы, сотворенные природой, которые исполняют внутри клетки тщательно поставленный танец. Каждое движение этого танца оттачивалось на протяжении миллионов лет в процессе естественного отбора, чтобы теперь управлять элементарными частицами живой материи.

Обратим все свое внимание на процесс разрушения пептидной связи. Для этого мы опускаемся к похожему на прищепку ответвлению молекулы фермента, которое, словно моллюск челюстью, фиксирует на месте субстраты реакции – белок коллаген и одну молекулу воды. Это место является активным центром фермента, его мастерской, в которой осуществляется ускорение распада пептидных связей, или, вспоминая нашу аналогию, разгибание и расширение горловины энергетических песочных часов. Хореографическая постановка, разворачивающаяся в молекулярном центре управления, отличается от той беспорядочной толкотни, которую устраивают другие молекулы вокруг фермента. Более того, этот танец играет несоизмеримо более важную роль в жизнедеятельности лягушки, чем движение любой другой молекулы.

Активный центр фермента изображен на рис. 3.4. Сравнив данное изображение с рис. 3.3, вы заметите, что фермент продлевает переходное состояние пептидной связи, которого она должна достичь для полного разрушения. Между субстратами образуются слабые химические связи, обозначенные на рисунке пунктирными линиями. Эти связи представляют собой отдельные электроны, которые субстраты делят с ферментами. Благодаря этим связям субстраты приобретают определенную конфигурацию, в которой молекуле фермента, вернее, ее молекулярным «челюстям», удобнее всего разорвать пептидную связь.

Приближаясь к месту пептидной связи, «челюсти» фермента совершают нечто более утонченное по сравнению с простым перекусыванием связи: они предоставляют средство, благодаря которому осуществляется ускорение реакции – катализ. Мы замечаем крупный атом с положительным зарядом, висящий прямо под мишенью – местом пептидной связи, которая уже развернута в удобное положение. Эта частица – положительно заряженный атом цинка. Если мы принимаем активный центр фермента за его челюсти, то атом цинка – один из резцов. Положительно заряженный атом забирает электрон у атома кислорода одного из субстратов, придавая устойчивости переходному состоянию и, следовательно, деформируя энергетический рельеф. Горловина песочных часов расширяется.

Рис. 3.4. Разрыв пептидной связи (обозначена жирной линией) коллагена в активном центре фермента. Переходное состояние субстрата обозначено пунктирными линиями. Шарик внизу, чуть левее от центра рисунка, – положительно заряженный ион цинка; карбоксильная группа СОО вверху принадлежит молекуле глутаминовой кислоты (аминокислота, находящаяся в активном центре фермента). Обратите внимание, что параметры масштаба расстояний между молекулами на рисунке не выдержаны

Оставшуюся работу выполняет другой «резец» фермента – его собственная аминокислота, известная как глутамат (глутаминовая кислота). Молекула глутамата также принимает необходимое положение, располагая свой отрицательно заряженный атом кислорода непосредственно над местом пептидной связи. Первоначальная роль этой молекулы заключается в том, чтобы оторвать положительно заряженный протон от связанной молекулы воды. Затем она подбрасывает этот протон атому азота, расположенному на одном из концов пептидной связи. Атом азота получает положительный заряд, притягивающий электрон, который участвует в пептидной связи. Как вы помните, электроны служат своего рода клеем пептидных связей. Изъятие электрона из пептидной связи сходно с тем, как если бы мы разъединили склеенные поверхности и соскоблили клей – поверхности бы уже не соединились [5]. После перестановки нескольких электронов из молекулярных «челюстей» фермента наконец высвобождаются продукты реакции – разрушенные пептидные цепочки. Таким образом, реакция, которая без фермента протекала бы как минимум 68 миллионов лет, совершается за несколько наносекунд.

Так при чем же тут квантовая механика? Как она объясняет катализ при участии ферментов? Для этого нам с вами вновь следует обратиться к идеям ученых, стоявших у истоков квантовой механики. Мы уже обсудили важную роль особенных немногочисленных частиц из активного центра фермента, чьи действия напоминают гениально поставленный танец и сильно отличаются от хаотичной молекулярной толкотни, происходящей на клеточном уровне. Здесь же, в особом месте, биомолекулы со сложной структурой вступают в очень специфические виды взаимодействия с другими биомолекулами с не менее сложной структурой. Эти взаимодействия могут быть описаны и в терминах Йордана и его идеи диктаторского усиления, и в терминах Шредингера и его идеи «порядка из порядка». Кроме того, обе идеи подходят для описания того пути, который проходит головастик, превращаясь во взрослую лягушку. Сначала мы описываем организованные ткани и клетки, затем – волокна, которые скрепляют ткани и клетки, затем – завораживающую хореографию элементарных частиц внутри активного центра коллагеназы, которая разрушает структуру коллагеновых волокон и таким образом обусловливает перестройку всего организма лягушки. Неважно, какую теорию мы выбираем – теорию Йордана или теорию Шредингера. Важно то, что с их помощью мы описываем нечто совершенно непохожее на хаотичное движение молекул, которое заставляет поезда подниматься по склонам холма.

Так прав ли был Шредингер, утверждая, что подобный молекулярный порядок подразумевает совершенно иной свод законов, действительных только для живой материи? Чтобы ответить на этот вопрос, мы сначала должны подробнее разобраться в тех законах, которые действуют в микромире.