g_ryurikov | Введение в биологию

IX
Разнообразие белков

Итак, мы выяснили, что важнейшее свойство белков, определяющее их функциональное значение — это их разнообразие. Белки вступают в самые разнообразные взаимодействия с различными молекулами, и благодаря им происходят разнообразные процессы в живых клетках. В одной лишь клетке работают тысячи ферментов, а мы знаем, что в других клетках набор ферментов может (и должен, если это по-настоящему другие клетки) отличаться. Это означает, что всего в природе должно существовать огромное количество разных белков.

Строение белков подразумевает такую возможность. Поскольку белки являются гетерополимерами, за счёт изменения порядка аминокислот в цепях мы можем получить огромное разнообразие вариантов. Если я переставлю местами, скажем, остатки глюкозы в молекуле целлюлозы, то целлюлоза останется ровно той же самой целлюлозой. Изменение же порядка аминокислот приводит к появлению нового белка, с потенциально новыми свойствами.

У нас имеется 20 стандартных аминокислот, из которых строятся белки (иными словами — 20 «одноаминокислотных» последовательностей. Если к одной аминокислоте добавлять вторую, то у каждой аминокислоты возникает 20 вариантов окончаний, получается 20 × 20 = 400 вариантов дипептидов. Чтобы посчитать число вариантов возможных трипептидов, нужно умножить ещё на 20, так как каждый из 400 вариантов дипептидов имеет 20 вариантов окончания. Получится 20 × 20 × 20 = 8000.

Сколько существует вариантов полипептидов длиной, ну, хотя бы 100 аминокислот? (Реальные белки могут быть и существенно длиннее.) Согласно нашей формуле, должно получиться 20 × 20 × 20 × … × 20 (сто раз), то есть 20¹⁰⁰. Кажется, это довольно много. Если избавиться от двойки, то получится приблизительно 20¹⁰⁰ = (2 × 10)¹⁰⁰ = 2¹⁰⁰ × 10¹⁰⁰ ≈ 10³⁰ × 10¹⁰⁰ ≈ 10¹³⁰.

Но много — понятие растяжимое. Насколько это много? 10¹³⁰ — это число со 130 нулями. Кажется, это больше, чем людей на Земле? Людей на Земле несколько миллиардов, это 9 нулей. А, скажем, если по сравнению с числом песчинок на всех пляжах мира? Тут уже не так очевидно. Попробуем прикинуть. Если принять массу песчинки порядка 1 мг, то в килограмме песка будет 10⁶, то есть миллион песчинок. Масса Земли составляет около 6×10²⁴ кг, так что даже если бы вся Земля начисто состояла из песка, песчинок на ней поместилось бы всего порядка 10³⁰. Масса Солнца больше массы Земли в сотни тысяч раз, получается, что, если бы объект с массой Солнца состоял бы из песка, песчинок в нём поместилось бы порядка 10³⁶. Это пока, как видим, ещё очень далеко от нашего числа 10¹³⁰.

Увеличение всего лишь на единичку показателя степени интуитивно кажется чем-то не очень существенным. Но ведь речь идёт о приписывании к числу лишнего нуля, то есть об умножении в 10 раз. Если мы умножим что-то в сто миллиардов раз, мы должны приписать 11 нулей. В нашей галактике порядка 300 миллиардов звёзд. Значит, прибавляем 11 к показателю степени в массе Солнца. Всего 11. Когда же мы доберёмся до 10¹³⁰?

Никогда. По современным оценкам специалистов (вы можете попробовать сделать это самостоятельно, большая точность нам не нужна) число порядка 10⁸⁸ у нас получится, если мы пересчитаем число всех элементарных частиц во Вселенной. То есть считать каждый протон, каждый электрон… Вот таких частичек получается 10⁸⁸. Иными словами — никаких материальных объектов в нашей Вселенной не насчитается больше, чем 10⁸⁸. Если я буду ставить точки на бумаге, то я не смогу поставить столько точек, даже если пустить на чернила всю материю Вселенной. Точки для этого слишком большие. Даже отдельных атомов получится меньше, они тоже слишком большие. Как же тогда получается 10¹³⁰ белков? Очень просто — это не число белков, а лишь число возможных вариантов белков. В природе, разумеется, реализована лишь очень небольшая часть из этого мыслимого разнообразия.

Отдельно взятый белок можно уподобить инструменту, выполняющему определённые функции. Инструмент обладает определённой, специфичной формой, которая позволяет ему эти функции выполнять. Очевидно, что число возможных «бессмысленных» форм гораздо больше, чем число вариантов реальных инструментов. «Осмысленные» варианты появляются только при условии, что множество «бессмысленных» как бы отброшено, их свойства ни для чего по большому счёту не подходят.

Хорхе Луис Борхес написал рассказ «Вавилонская библиотека», в котором описывается гигантская библиотека, содержащая любые мыслимые тексты. Количество возможных книг — это ведь конечное число, как и количество возможных полипептидов. Вавилонская библиотека Борхеса содержит все когда-либо написанные людьми книги (в том числе те, что были безвозвратно утеряны), а также все ненаписанные. Разумеется, там есть «Илиада», «Дон Кихот» и «Двенадцать стульев», там также есть вторая часть «Поэтики» Аристотеля, «Дон Кихот» с одной опечаткой на сорок второй странице, «Дон Кихот» с двумя опечатками на сорок второй странице, там есть точное описание того, что произойдёт завтра, лживое описание того, что произойдёт завтра, там есть и тот текст, который вы сейчас читаете, наконец, там есть огромное количество бессмысленных текстов, составленных из случайных комбинаций букв (и таких большинство).

Разумеется, как мы поняли из подсчёта числа возможных белков, создать в реальности такую библиотеку невозможно — на неё далеко не хватило бы всей материи Вселенной. Но если представить себе, что такая библиотека существует, можно задаться вопросом: сколько полезной информации в ней содержится? Сколько всего из неё можно узнать? Ответ простой — нисколько. Узнать, получить информацию — означает увидеть, какой выбор сделан из всего множества возможных вариантов. Если на мой вопрос человек отвечает одновременно и «да», и «нет», и «может быть», и «не знаю» — я не получил ответа. Информация — это отбрасывание вариантов. Если текст представлен во всех возможных вариантах — что толку, ведь все варианты известны заранее (неважно, записаны ли на самом деле).

Если выбирать из множества возможных белков случайные — это, как правило, будут оказываться «бессмысленные» белки. Живой организм должен иметь те самые белки, которые позволят ему осуществлять жизнедеятельность и быть самим собой. Выбор тех самых белков из гигантского множества возможных вариантов — это как раз то, что требует информации. Как обеспечить, чтобы в организме были нужные белки, откуда им взяться? Я, разумеется, могу получать белки с пищей, но это будут белки коровы или гороха. Я не хочу быть коровой или горохом. И каким-то замечательным образом не являюсь.

Я также не получаю все мои белки от моих родителей. В зиготе (оплодотворённой яйцеклетке), из которой развивается организм, нет всех белков, которые будут присущи организму позже. В зиготе, очевидно, нет гемоглобина (который потом должен появиться в клетках крови). В зиготе нет инсулина (который потом должен будет вырабатываться поджелудочной железой, чтобы регулировать метаболизм углеводов). В зиготе нет кератина (из которого будут сделаны ногти и волосы).

Но я получаю от родителей информацию о составе всех моих белков. Она зашифрована и записана на каких-то других материальных носителях, которые и передаются из поколения в поколение. Я думаю, все как минимум слышали, что наследственная информация записана в молекулах ДНК. Поэтому в следующем разделе нам нужно разобраться, что это такое.