Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Затем, после того как такие линейные белковые полимерные цепи собраны, они сворачиваются, скручиваются и объединяются друг с другом, создавая сложные трехмерные структуры. Это немножко напоминает сматывание клейкой ленты в шар, хотя сворачивание белков как процесс гораздо более повторяемый с высокой точностью производимой структуры. В клетке цепочка аминокислот всегда старается принять одну и ту же определенную форму. Скачок от одномерности к трехмерности можно назвать переломным, так как он означает, что у каждого белка есть своя характерная форма и уникальный набор химических свойств. В результате клетки могут синтезировать ферменты так, чтобы они очень точно подходили к химическим веществам, на которые воздействуют, – прекрасным примером тому служат молекулы инвертазы и сахарозы. В свою очередь, это дает ферментам возможность обеспечения точных химических условий для осуществления тех или иных химических реакций.

Ферменты участвуют почти во всех химических реакциях, лежащих в основе клеточного метаболизма. Но, помимо построения и разрушения других молекул, у них еще много функций. Они контролируют качество, обеспечивают перемещение компонентов и сообщений между разными участками клетки и переносят другие молекулы в клетку и из нее. Другие ферменты ведут наблюдение за захватчиками, активируя белки, которые защищают клетки и, следовательно, наши тела от болезни. При этом ферменты – не единственный вид белка. Почти каждая часть нашего тела (от волос на голове, кислоты в желудке и до хрусталиков глаз) либо состоит из белков, либо сконструирована белками. Все эти различные белки совершенствовались тысячелетиями эволюции для выполнения специальных функций в клетке. Даже сравнительно простая клетка содержит гигантское количество белковых молекул. В общей сложности в крохотной дрожжевой клетке находится свыше 40 миллионов таких молекул – в малюсенькой клетке белков вдвое больше, чем людей в громадном мегаполисе вроде Пекина!

Результатом такого белкового многообразия становится водоворот химических реакций, непрерывно происходящих в каждой клетке. Если вообразить, что вы получили шанс проникнуть в живую клетку и увидеть, что творится в мире молекул, ваш рассудок может помрачиться из-за всей этой бурлящей каши химических процессов. Некоторые из участвующих молекул имеют электрический заряд и поэтому могут притягиваться или отталкиваться, другие же пассивно нейтральны. Некоторые представляют собой кислоты или щелочи типа отбеливателей. Все эти разнообразные вещества находятся в постоянном взаимодействии, их столкновения случайны или запланированы. Иногда молекулы встречаются на краткое время для осуществления химической реакции, быстро обменявшись электронами или протонами. В других случаях между молекулами образуются сильные и прочные химические связи. В целом в клетке происходят многие тысячи разных химических реакций, которые постоянно усердно трудятся над поддержанием жизни. В сравнении с этим число химических реакций даже на крупнейших промышленных химкомбинатах выглядит крайне бледно. Например, на заводе по производству пластмасс задействовано несколько десятков химических реакций.

Вся эта кипучая и быстрая деятельность происходит на конце временнóго диапазона, противоположном глубокому времени, потребовавшемуся для развития данных систем. Но головокружительный временной масштаб клеточного мира столь же трудно постигаем нашим рассудком, как и эволюционное время. Некоторые управляющие этими реакциями клеточные ферменты действуют с поразительной скоростью, проводя тысячи, даже миллионы химических реакций в секунду. Они не только фантастически быстры, но и способны быть чрезвычайно точными. Ферменты могут манипулировать отдельными атомами с такой точностью и надежностью, о которых химики-технологи могут только мечтать. Но эволюция совершенствовала эти процессы миллиарды лет – чуть подольше нас с вами!

Совместное выполнение всей этой работы – величайшее достижение. Хотя может казаться, что гигантское число одновременных химических реакций в клетках происходит хаотически, но на деле оно очень упорядоченно. Для правильного срабатывания каждой реакции требуются свои особые химические условия. Некоторым нужна более кислая или более щелочная среда; другим требуются специальные химические ионы типа кальция, магния, железа или натрия; еще одним – наличие воды или же вода, напротив, их замедляет. И все же все эти процессы должны происходить одновременно и в тесной близости, в узких пределах клетки. Это становится возможным лишь благодаря тому, что не каждому из различных ферментов требуются свои экстремальные значения температуры, давления либо кислые или щелочные условия, присущие промышленным химкомбинатам. В противном случае они не могли бы сосуществовать в такой тесноте. Тем не менее многие из этих метаболических реакций должны проводиться раздельно. Они не должны мешать друг другу, а их конкретные химические требования должны соблюдаться. Ответом на этот запрос становится деление на зоны.