Простое начало. Как четыре закона физики формируют живой мир

Оценить великолепие такой самоорганизации помогут несколько примеров. Представьте последовательность, в которой, как обычно, есть положительно и отрицательно заряженные аминокислоты, а также гидрофобные и нейтральные гидрофильные аминокислоты. (Кстати, заряженные аминокислоты всегда гидрофильны.) Наша цепочка может уложиться так, как показано на левом рисунке, – и это достаточно хорошо: гидрофобные фрагменты скрыты внутри, а разноименно заряженные – сближены. И структура на правом рисунке по тем же причинам будет не хуже.

Две представленные конформации, несомненно, различаются. Можно предположить, что если этому белку потребуется прикрепиться к какой-нибудь малой молекуле – например, к гормону, – то благодаря «карману» функциональной окажется лишь первая форма.

Оказывается, на удивление сложно понять, как цепочка аминокислот принимает единственную оптимальную форму. Анализ сил, воздействующих на случайную последовательность аминокислот – скажем, составляемую вслепую, вытягиванием аминокислот из шляпы, – и оценка затрат энергии показывают, что «достаточно хороших» конформаций могло бы возникать очень много, слишком много для того, чтобы цепочка в итоге неизменно укладывалась только в одну из них. Природа избегает такой множественности возможных форм: аминокислотные последовательности реально существующих белков не случайны, а отобраны за 4 миллиарда лет эволюции. Организмы, которые кодируют аминокислотные цепи, не укладывающиеся в одну оптимальную форму, страдают от нерабочих, а порой и вредных белков и потому имеют меньше шансов выжить и оставить потомство. Эволюционно устойчивыми оказываются организмы, которые кодируют аминокислотные последовательности с четкой и однозначной инструкцией по формированию трехмерной структуры.

Результатом этого, как мы видели, стало общее правило однозначного соответствия аминокислотной последовательности и пространственной структуры у белков, которые мы сейчас находим в человеческом и других организмах. Если нам известна структура одной молекулы кинезина, то мы знаем и структуру любой другой молекулы кинезина. То же самое и с рецепторами кортизола. Впрочем, не бывает правил без исключений, а исключения из этого правила важны исключительно.

В первую группу нарушителей порядка входят нативно-развернутые белки, которые вообще обходятся без фиксированной формы. Это, например, некоторые белки, образующие поры в мембране клеточного ядра. Считается, что лапша из таких неструктурированных белков обеспечивает необходимую пластичность для перемещения разновеликих объектов между ядром и цитоплазмой.

Но больший интерес, на мой взгляд, представляют белки, имеющие несколько стабильных конформаций – не единственную жесткую форму и не аморфный вид, а парочку архитектур, между которыми они могут переключаться, словно рубильник, который зажигает или гасит свет. В последние десятилетия мы не только обнаружили такие белки, но и выяснили, что они участвуют в развитии диковинных болезней. А еще они способны объяснить – ну, на всякий случай, – почему не следует предаваться каннибализму.

Куру и каннибализм