ептидная цепь состоит примерно из ста аминокислотных остатков.

Сколько различных последовательностей аминокислот могут иметь белковые молекулы такой длины! Этот вопрос напоминает старинную детскую песенку «Сколько звездочек на небе...?» Это «ужасно большое число» легко вычислить. Для каждого из ста положений в полипептидной цепи имеется двадцать возможностей. Итак, ответ гласит:

20-20-20... = 20100 ж Ю130.

Единица со ста тридцатью нулями!

Для реализации всех этих возможностей потребовалось бы в невообразимое число раз больше вещества,

Рис. 5. Многократное повторение процесса, изображенного на рис. 4, приводит к образованию линейной полпнептидной цепи (первичная структура белка). В качестве примера дана последовательность цитохро.ма с.

Лей — ленщш, Лил — лиаин, Мет — метионнн, Про — пролин, Сер — серии, Тир — тирозин, Тре — треонин, Топ —-триптофан. Феи — фенилалаыин.

Сокращенные обозначения аминокислотных блоков;

Ала — ала нин, Apr — аргинину Асн — аспарагин, Асп — аспарагиновая кислота, Вал — валнн, Гис — гистпдпн. Гля — глицин,

Глу — глутаминовая кислота, Глн — глутамин, Иле — изолейцпн,

Кружками с различной штриховкой обозначены четыре группы боковых, цепей: I — положительно заряженные, II — отрицательно заряженные, III — полярные и амбивалентные, IV -— кеполярные (гидрофобные). (Эта классификация не вполне свободна от произвола. Заряды кислотных и основных групп относятся к рН 7. К категории незаряженных, но полярных относятся аминокислоты с кислотными и основными функциональными группами. Большие участки боковых частей таких остатков могут иметь преимущественно гидрофобный характер, Глицин (R — Н) также относится к этой группе, потому что его поведение в основном определяется полярной пептидной связью.)

Рис. б. Линейная полипептидная цепь пространственно свернута. Различают вторичную и третичную структуру. Вторичная структура возникает в результате образования мостиков водородных связей между группами —СО—• и —NH—. Особенно часто образуется «складчатая структура» (два антипараллелъных участка полипептидной цени связываются между собой мостаками —СО .. , NH—), и а-спираль (полипептидная цепь скручивается в спираль вследствие замыкания водородных связей между группами ?—СО— и группами —NH—, удаленными от соответствующих групп —СО— на четыре аминокислотных остатка). В цитохроме участки цепи 1 — 12 я 89 — 101 имеют спиральную структуру. Еще важнее пространственная, пли третичная, структура, которая определяется взаимодействиями между боковыми цепями и создает активный центр. В активном центре цитохрома с находится комплекс железа с порфирином, который играет роль донора (Fe2+) или акцептора (Fe^^~) электронов. Вследствие строго определенной укладки по-липептидпой цепи активный центр абсолютно специфичен по отношению к субстрату. Эффективность железного комплекса поддерживается боковыми цепями аминокислот. Изменение пространственной структуры, привело бы к резкому изменению каталитической активности.

чем можно найтп на всем «небесном своде». Все вещество во Вселенной, по оценкам физиков, эквивалентно «только» 1078 атомам водорода. Для сравнения: масса Земли соответствует 1051 атомам водорода. За

;ххххххххх>с

ДНК

Фермент

хххххххххх

этим сравнением с «астрономическими масштаоами* скрывается некая цель. Мы хотим показать, что при

таком расхождении в порядках величин (10

130

10

78

МО51) не имеет смысла уходить во Вселенную, чтобы реализовать концепцию, для которой «нет места» на |3емле.

I При таком соотношении чисел в принципе мало что изменится, если мы введем в рассмотрение временную координату. Возраст Вселенной или, точнее, возраст {такого состояния Вселенной, в котором могут разыгрываться реакции органической химии, составляет «только» 1017 секунд. Даже с помощью хорошо адаптированного ферментативного аппарата для разрыва или для образования одной пептидной связи потребуется время порядка 10~3—Ю-2 с. Если для решения 'задачи использовать все время существования Вселенной, то и в этом случае можно было бы испробовать лишь ничтожно малую долю из 10130 возможных последовательностей.

В этом числовом примере для наглядности мы взяли только одну, да и то маленькую молекулу белка. Молекула ДНК, в которой записана вся генетическая информация клетки кишечной бактерии, состоит из 4-Ю6 элементов. Последовательность такого числа букв соответствует книге объемом в 1500 мелко набранных страниц. Число альтернативных последовательностей составляет здесь примерно -JO1 000 000.

Конечно, именно в связи с этим возникает вопрос об уникальности подобных последовательностей и соответствующих структур. Что такое «уникальный»? Если это свойство означает «единственный в своем роде» не только в смысле неповторимости выбора, но и в смысле функционирования, то его следует отождествить со свойством быть оптимальным, т. е. наилучшим.

Эффективность молекулы белка можно определить. Можно непосредственно измерить скорости всех отдельных стадий ферментативного процесса -— например, скорость связывания субстрата, скорость структурной аккомодации фермента, скорость превращения субстрата, скорость освобождения продуктов реакции — и, таким образом, установить, согласованы ли эти скорости друг с другом оптимальным образом. Времена, характеризующие продолжительность элементарных стадий реакции, обычно меньше 10~3 с, а часто даже меньше 10~6 с. Узнавание комплементарных единиц нуклеиновых кислот происходит за доли микросекунды. Встраивание такого элемента в макромолекулу требует

о-коло 10~4 с. За такими реакциями удается непосред-| ствеыно следить лишь с помощью современных метоХ дов измерения, таких, как метод магнитного резонанса? и релаксационные методы! Скорость химической реак4 ции почти всегда достигает предельного значения, ко-^ торое определяется законами физики. Во всех случаям обнаруживают оптимальное соотношение тенденции! «как можно быстрее» и «настолько точно, как это нуж-f но». Для создания такого оптимального функциониро^ ванпя не потребовалось участия никакого «демоне Максвелла» — однако для нас, вторгающихся в микрокосмос со своим опытом и предубеждениями, сформиро-1 ванными окружающей средой, все выглядит так, как будто все это было «спланировано» каким-то гениаль-' ным конструктором. Впечатляющий пример дает упоминавшееся уже выше размножение кишечной палоч-i ки: весь план строения, т. е. «книга с 1500 странгщамп мелкого текста», последовательно прочитывается в те-? чение двадцати минут, и одновременно выполняются все содержащиеся в ней предписания для синтезов] Кишечная палочка может репродуцироваться за двадцать минут. При этом информация, содержащаяся в каждой букве «плана строения», полностью перерабатывается за время, меньшее 10~3 секунды.

Подведем итог: макромолекулярные структуры, которые мы находим в ныне живущих организмах, явля-i

ются уникальными — не столько в смысле неповторимости выбора из необозримого множества возможных

альтернатив, сколько в смысле их оптимальной при-,

годности для выполнения соответствующей функции —

«цели». Возникновение жизни, возникновение биологической информации — это проблема макромолекуляр/

ной самоорганизации. ;

!?'?

Глава 2

КАК ВОЗНИКАЕТ ИНФОРМАЦИЯ?

Понятие информации имеет два аспекта, которые объединяются друг с другом только вопросом, помещенным в заглавии. Во-первых, это количественный аспект абсолютной информации, игнорирующий смысл п значение сообщения. Предполагается только, что сообщение отличается от других содержащимся, в нем смыслом и что расположение символов в сообщении характерно для него. При передаче сообщения должно обеспечиваться сохранение расположения символов —• в рамках допустимых отклонений. Этим аспектом занимается теория информации, или теория связи, развитая Шенноном [7], Винером [8] п Колмогоровым [9]. Она представляет собой математическую дисциплину —• это прикладная теория вероятностей.

Второй аспект связан с оценкой сообщения, т. е. с его смыслом. Его называют также семантическим аспектом. Любая семантика зависит от известных соглашений, пли, в более широком смысле, предполагает существование дополнительной информации (например, наличие определенной окружающей среды), которая локализуется вне сообщения и селективно взаимодействует* с информацией, содержащейся в сообщении. Карл Фридрих фон Вайцзекер [10] выразил эту ситуацию посредством двух взаимно дополнительных тезисов:

1. Информацией является лишь то,'что понимается.

2. Информацией является лишь то, что производит

информацию.

Обратные утверждения неверны. Например, из второго тезиса нельзя сделать вывод, что информацию можно .производить только из информации. Сохранение

о-коло 10~4 с. За такими реакциями удается непосред-| ственно следить лишь с помощью современных метоХ дов измерения, таких, как метод магнитного резонанса! и релаксационные методы! Скорость химической реак-| ции почти всегда достигает предельного значения, ко-| торое определяется законами физики. Во всех случая^ обнаруживают оптимальное соотношение тенденция! «как можно быстрее» и «настолько точно, как это нуж-f но». Для создания такого оптимального функциониро-щ ванпя не потребовалось участия никакого «демоне Максвелла» — однако для нас, вторгающихся в микрокосмос со своим опытом и предубеждениями, сформиро-1 ванными окружающей средой, все выглядит так^ как будто все это было «спланировано» каким-то гениаль-' ным конструктором. Впечатляющий пример дает упоминавшееся уже выше размножение кишечной палочки: весь план строения, т. е. «книга с 1500 страницами мелкого текста», последовательно прочитывается в те-?; чение двадцати минут, и одновременно выполняются" Есе содержащиеся в ней предписания для синтезов,: Кишечная палочка может репродуцироваться за двад-' цать минут. При этом информация, содержащаяся в каждой букве «плана строения», полностью перерабатывается за время, меньшее 10_3 секунды.

Подведем итог: макромолекулярные структуры, ко-'

торые мы находим в ныне живущих организмах, явля-|

ются уник