Что такое жизнь? Понять биологию за пять простых шагов

Деление на зоны – способ функционирования любых сложных систем. Возьмем города. Они эффективно функционируют, только если состоят из различных зон с особыми функциями: вокзалы, школы, больницы, заводы, полицейские участки, электростанции, очистные сооружения и т. д. Все эти и многие иные участки необходимы для того, чтобы город оставался единым целым; все бы тут же разладилось, если бы они смешались. Они должны быть отделены друг от друга, чтобы действовать эффективно, но при этом быть относительно близкими и взаимосвязанными. То же самое относится к клеткам, которым нужно создать свою индивидуальную группу микросред, отделенных друг от друга в физическом или временном отношении, но при этом взаимодействующих. У живых существ это достигается путем создания систем контактирующих между собой зон, имеющих разные размеры: от очень больших до чрезвычайно маленьких. Самые большие, возможно, будут самыми известными: различные ткани и органы многоклеточных организмов типа растений и животных – как вы и я. Это определенные зоны, каждая из которых приспособлена для конкретных химических и физических процессов. Ваш желудок и кишечник усваивают химические вещества из пищи; печень устраняет токсическое действие химических веществ и лекарств; сердце пользуется химической энергией для перекачки крови и т. п. Все функции этих органов обусловлены специализированными клетками и тканями, из которых они сделаны: клетки в слизистой оболочке желудка выделяют кислоту, а в сердечных мышцах сокращаются. В свою очередь, все эти клетки так же представляют собой самостоятельные зоны.

По сути, клетка служит основополагающим примером пространственного разделения жизни. Главная роль наружной мембраны клетки заключается в сохранении обособленности содержимого клетки от остального мира. Благодаря изолирующему эффекту этой мембраны клетки могут способствовать поддержанию физического и химического порядка. Разумеется, клетки сохраняют такое состояние только на время. Когда они прекращают трудиться, то погибают, и воцаряется хаос.

Сама клетка содержит последовательные уровни деления на зоны. Самую большую зону представляют собой заключенные в мембраны органеллы, такие как ядро и митохондрия. Но, прежде чем мы рассмотрим, как они функционируют, следует уменьшить масштаб до простейшего уровня углеродных полимеров, поскольку все более крупные зоны построены на основе свойств этих элементарных компонентов.

Самые маленькие химические зоны в клетке – поверхности самих ферментных молекул. Чтобы получить представление о том, насколько малы эти молекулы, взглянем на очень тонкие волоски на тыльной поверхности руки. Они относятся к самым тонким структурам, видимым невооруженным взглядом, но по сравнению с белками-ферментами они огромны. По диаметру такого волоска могут бок о бок выстроиться около двух тысяч молекул инвертазы.

Каждая молекула белка-фермента предоставляет замкнутые пространства и места стыковки, обладающие строго определенной формой, подходящей для индивидуальных атомов тех молекул, с которыми работает фермент. Эти утонченные структуры слишком малы, чтобы их можно было разглядеть даже самыми мощными микроскопами с фокусировкой света. Исследователям приходится делать заключения об их формах и свойствах, пользуясь такими методами, как рентгеновская кристаллография и криоэлектронная микроскопия, чрезвычайно обостряющими наше восприятие и позволяющими определять положение и свойства сотен и даже тысяч объединенных, формирующих структуры атомов. Тогда лишь исследователи могут наблюдать то, как ферменты взаимодействуют с химическими веществами, которые они используют в ходе реакции. Эти вещества называются субстратами. Ферменты и их субстраты совмещаются, как фрагменты крохотного трехмерного пазла. Когда пазл сходится, химические реакции оказываются отделены от остальной клетки и происходят под правильным углом в правильных химических условиях, для того чтобы ферменты совершили исключительно точные атомарные хирургические операции, управляя отдельными атомами, создавая или разрушая конкретные молекулярные связи. Инвертаза, например, действует, разрушая одну определенную связь между атомом кислорода и атомом углерода посредине молекулы сахарозы.

Ферменты способны работать вместе, обеспечивая такой результат, когда продукт одной реакции становится субстратом для следующей. Таким путем можно координировать целый ряд химических реакций, нужных для сложных процессов, например построения липидных мембран или других химических компонентов из более простых составляющих. Биологи называют эти запутанные последовательности взаимосвязанных химических процессов путями метаболизма, часть которых включает многие индивидуальные реакции. Они действуют совместно наподобие заводских конвейеров; каждый этап обязан завершиться, прежде чем начнется следующий.