Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Каждая аминокислота состоит из Водорода, Азота, Кислорода и Углерода, причем две из двадцати содержат один атом Серы. Их размер варьируется от десяти атомов (глицин: C₂H₅NO₂) до двадцати семи (триптофан: C₁₁H₁₂N₂O₂). Самый маленький из известных белков, получивший название TRP-Cage и состоящий всего из двадцати аминокислот (менее 500 атомов), был обнаружен в слюне ядозубов¹⁰. Не спрашивайте, почему исследовали именно слюну ядозубов, но поскольку этот крошечный белок оказал нам неоценимую помощь в изучении того, как белки сворачиваются и принимают свою функциональную форму, я рад, что кто-то так решил – силу науки, движимой любопытством, никогда нельзя недооценивать. Самый крупный из известных белков – титин, играющий решающую роль в сокращении мышц. Он состоит из 34 500 аминокислот (более полумиллиона атомов), и у него 244 отдельных складчатых домена.

Все эти складки – как в TRP-Cage, так и в титине – происходят именно таким образом, потому что все хиральные аминокислоты имеют левостороннюю природу. Поскольку закономерности укладки (фолдинга) имеют решающее значение для функционирования белка, однонаправленность строительных блоков очень важна. Если бы маленькие белковые фабрики, рибосомы, могли бы выбирать из равного количества правосторонних и левосторонних аминокислот, они случайным образом захватывали бы примерно половину каждой, и каждый производимый ими белок был бы нефункциональным – он просто не мог бы свернуться в форму, необходимую для выполнения его задачи. Хотя в противостоянии левого и правого нет ничего особенного, важно то, что в любом организме должна преобладать только та или иная форма.

Откуда взялась хиральность?

Почему левосторонние аминокислоты столь повсеместно распространены – это предмет многочисленных споров. Самая простая гипотеза – случайность. Когда в первичном бульоне образовалась первая молекула, способная воспроизвести саму себя, она совершенно случайно выбрала левосторонние аминокислоты из смешения, в котором левосторонние и правосторонние молекулы пребывали в соотношении 50:50 (можно сказать, подбросила монетку), а остальное – уже история. Однако из этой гипотезы следует один любопытный вывод, и он заключается в том, что жизнь возникает редко – на этой большой планете это произошло только один раз за всю ее историю, которая насчитывает 4,567 миллиарда лет. Если бы все было иначе и жизнь возникала несколько раз, можно было бы ожидать, что некоторые виды произойдут от левосторонних молекул, а другие – от правосторонних.

Интересная подсказка, предлагающая альтернативную гипотезу происхождения нашей «левонаправленности», была найдена в метеоритном веществе. В сентябре 1969 года яркий огненный шар заметили в небе недалеко от небольшого городка Мерчисон в австралийском штате Виктория, примерно в 160 километрах к северу от Мельбурна. Всего с этого метеорита было собрано более 100 кг кусками размером до 7 кг. Метеорит принадлежал к относительно редкому классу углистых хондритов (их менее 5 %), которые считаются одними из первозданных тел в Солнечной системе. В них содержится много молекул Углерода, а также, как правило, вода.

Метеорит Мерчисон – один из наиболее изученных в мире. Когда в нем впервые обнаружили большое количество аминокислот (на уровне 100 ppm), возник спор о том, были ли они просто загрязнением, проникшим уже после того, как он упал на Землю (например, они могли попасть на куски метеорита, когда их поднимали с земли, или в ходе дальнейшего обращения). Измерение соотношения изотопов Углерода ¹³C/¹²C разрешило эту проблему: соотношение в урациле (C₄H₄N₂O₂), одной из аминокислот, более чем на 5 % превышало атмосферное, в то время как у наземных организмов оно, как правило, на 2 % ниже атмосферного, поскольку жизнь неохотно принимает тяжелые изотопы (см. гл. 10). В настоящее время в метеорите распознано в общей сложности более семидесяти аминокислот, в том числе восемь из двадцати, обнаруженных в живых существах, а также более 14 000 других органических соединений¹¹.

Однако интереснее всего в нынешнем контексте было другое открытие: оказалось, что аланин (C₃H₇NO₂), еще одна аминокислота, найденная в веществе метеорита, имел избыток «левых» молекул. Сперва это вновь вдохновило сторонников гипотезы о загрязнении, но в дальнейшем удалось показать, что в изовалине (C₅H₁₁NO₂), который не входит в число двадцати основных аминокислот, также присутствует избыток «левых» молекул. Это убедительно доказывало, что к такому предпочтению привел какой-то небиологический процесс. В метеорите, недавно упавшем в Коста-Рике, также содержался изовалин, в данном случае с 15-процентным избытком «левых» молекул¹².