Знание-сила, 1998 № 07 (853)

Тем более удивительным казалось в начале семидесятых сходство функций и молекулярных механизмов бактерио- и просто родопсина. Оба представляют собой мембранные белки, цепь которых семь раз «пронизывает» мембрану клетки, оба несут один и тот же хромофор, за цвет которого «наш» родопсин носит образное и весьма красивое название «зрительный пурпур». Оба белка являются светоулавливателями — наподобие светоулавливающих антенн фотоактивных центров хлоропластов зеленой растительной клетки. Оба используют — с весьма высоким КПД — уловленную световую энергию для запуска весьма важных для клеток каскадов.

Бактериоролопсин является по своей природе водородной помпой, «выкачивающей» за счет энергии света излишние ионы водорода из клетки наружу. Поначалу это было просто необходимостью, чтобы нс закислить цитоплазму сверх мыслимого — с точки зрения поддержания жизни — предела. Затем было сделано важное добавление, когда к водородному насосу присоединили еще фермент АТФ-азу: ионы водорода, отдавая свою энергию, способствовали синтезу молекул «энергетической валюты» клетки. За расшифровку тайн синтеза АТФ дали две нобелевские, последнюю не далее как в 1997 году.

Бактерии с АТФ-азой на мембране затем «внедрились» в другие клетки и превратились со временем в... митохондрии и хлоропласты. Последние стали «добывать» водород из его главного «хранилища» — воды, а в результате клетки столкнулись с необходимостью утилизировать весьма агрессивный побочный продукт — кислород. Так родилась наша нынешняя окислительная атмосфера, резко интенсифицировавшая все процессы в клетке.

Светоулавливающий принцип был использован и в других случаях, хотя в несколько ином качестве, однако физику можно считать той же самой: в хлорофилле магний отдает электрон, «выбиваемый» фотоном света, в гемоглобине же железо отдает электрон, чтобы удержать молекулу кислорода или СО₂. Понимание этих принципов помогает понять молекулярную природу жизненно важных процессов.

Сегодня это все уже имеет сугубо практическое значение. Ученых поражает высочайшая стабильность бактериоролопсина. Его высушенные пленки выдерживают нагревание почти до 150 градусов Цельсия. Это делает белок вполне применимым для разного рода электронных устройств, детекторов, датчиков и так далее. Удивительно видеть периодически мерцающие разным светом пузырьки, наполненные красителем, изменяющим свою окраску под воздействием ионов водорода, накачиваемых внутрь сфер бактериородопсином. Вполне возможно, что вскоре такие микросферы станут вполне коммерческим продуктом электроники.

Когда-то у древних рептилий был знаменитый третий глаз, который сохранился у нас в виде эпифиза, или шишковидной железы в глубине мозга. Декарт считал, что в ней локализуется наша душа. Сегодня мы знаем, что клетки этой железы вырабатывают мелатонин, регулирующий наш цикл сна-бодрствования, а также активность под воздействием увеличивающегося весной светового дня — отсюда и желание любви весенней порой.

Недавно в клетках эпифиза открыли пинопсин — гомолог родопсина, оказавшийся наполовину сходным по аминокислотному составу с фотобелком сетчатки. Казалось бы, очень большая разница, накопившаяся за сотни миллионов лет. Но суть не в этом.

Как и в случае с хлорофиллом и гемоглобином, важно сохранение нужной аминокислоты в нужном месте. Важные в функциональном отношении аминокислоты сохраняются на протяжении сотен миллионов лет эволюции, оставаясь неизменными в пинопсине, родопсине и белках, определяющих цветовое зрение.

Эта база молекулярных данных учитывается, когда осуществляется «дизайн» искусственных белков. Не так давно специалисты компании «Дюпон» совместно с учеными из Филадельфии и Иллинойса разработали искусственный гемоглобин с четырьмя гемами, содержащими железо. Главным условием функционирования искусственного белка было сохранение эволюционно стабильных — «консервативных» — аминокислот гистидинов, пятичленные кольца которых крайне необходимы для удержания железа гемов в нужном пространственном положении. Те же гистидины мы видим и в других гем-белках: миоглобине, каталазе, перокеилазе и цитохромах, выполняющих функции разделения заряда и переноса электрона на большие — по молекулярным масштабам — расстояния.

Аристотель, ты не прав!

Лучший ученик Платона, получивший за то свое прозвище (от греческого «аристос» — лучший), ломал голову над тем, как происходит зарождение и развитие животных — растения живыми в то время не признавались. Он полагал, что это может происходить самопроизвольно, например, из грязи, а затем идти двумя путями.

Первый путь подразумевал исходную заложенность всего плана будущего строения тела в семени. Вторая возможность с предварительной схемой никак не была связана. Первое со временем назвали по-латыни «пре-формизм», а второе — «эпи-генез». Преформизм подразумевал невидимое формирование зародыша еще в яйце, то есть причину развития в самом живом.