В течение трех лет около половины целого скелета животного было бережно извлечено из скалы. В выполнении этой нелегкой задачи были задействованы служащие инженерного корпуса армии США, научные работники и аспиранты, а также техника. Извлеченная из скалы часть скелета динозавра была перенесена в Музей Скалистых гор, расположенный в городе Бозмен, штат Монтана, и стала экспонатом под номером MOR 1255. Бедренную кость динозавра пришлось разрезать на две части, чтобы поднять на борт вертолета, в результате чего один из ее фрагментов был отломан. Джек Хорнер отдал несколько фрагментов коллеге-палеонтологу, доктору Мэри Швейцер из Университета Северной Каролины. Одним из научных интересов Мэри Швейцер был химический состав окаменелостей.
Когда Швейцер открыла коробку, ее ожидал сюрприз. Первый фрагмент, который она видела, представлял собой необычную на вид ткань внутренней поверхности (костномозговой полости) кости. Она поместила кость в кислоту, которая растворила внешний минеральный слой и открыла более глубокие структуры. Однако исследовательница случайно передержала фрагмент кости в кислоте. Когда Швейцер вернулась, все минералы фрагмента растворились. Швейцер ожидала, что вся окаменелость будет разрушена, но она и ее коллеги были крайне удивлены, когда увидели, что после воздействия кислоты сохранилась пластичная волокнистая субстанция, которая под микроскопом напоминала мягкую ткань, содержащуюся в костях современных животных. Более того, так же, как и современные кости, эта ткань содержала кровеносные сосуды, клетки крови и длинные цепи коллагеновых волокон — тот самый биологический клей, который соединял огромное животное в единое целое.
Ископаемые, в которых сохранилась структура мягких тканей, встречаются крайне редко. Фауна сланцев Берджесс, обнаруженная в канадской части Скалистых гор в провинции Британская Колумбия в период с 1910 по 1925 год, сохранила удивительно подробные отпечатки тел животных, которые плавали в морях кембрийского периода около 600 миллионов лет назад. Стоит упомянуть и знаменитого оперенного археоптерикса, жившего примерно 150 миллионов лет назад, — его останки были обнаружены в Зольнхофенском карьере в Германии. И все же ископаемые останки мягких тканей сохраняют только отпечаток биологического материала, но не вещество. Невероятно, но мягкое вещество, сохранившееся после воздействия кислоты в эксперименте Мэри Швейцер, оказалось самой настоящей мягкой тканью динозавра. Когда в 2007 году Швейцер опубликовала подробности своего открытия в журнале Science[28], ученые отнеслись к предположениям, высказанным в статье, с изумлением и большим сомнением. Несмотря на то что сохранность биомолекул на протяжении миллионов лет на самом деле является чудом, нас интересует продолжение этой истории. Чтобы доказать, что ископаемая волокнистая структура на самом деле содержит коллаген, Швейцер продемонстрировала, что белки, которые присоединяются к современному коллагену, присоединяются и к волокнам ископаемой кости. В довершение эксперимента она смешала ткань динозавра с ферментом коллагеназой — одним из многих биомолекулярных механизмов, который создает и разрушает коллагеновые волокна в живых организмах. В течение нескольких минут коллагеновые цепи, которые сохранились на протяжении 68 миллионов лет, были разрушены ферментом.
Ферменты — это движущие силы жизни. Некоторые из них, вероятно, знакомы вам, поскольку все мы применяем их в повседневной жизни. Так, протеазы добавляют в «биологические» моющие средства, устраняющие пятна, пектин добавляют в джем для придания необходимой консистенции, а реннин используется для сворачивания молока и превращения его в сыр. Ферменты, находящиеся в желудке и кишечнике человека, играют большую роль в переваривании пищи. Но это лишь самые простые примеры действия природных наномеханизмов. Все живое зависит и всегда зависело от ферментов: и первые микроорганизмы, вышедшие из первичного бульона, и динозавры, разгуливавшие по лесам юрского периода, и все организмы, живущие сейчас. Каждая клетка в вашем теле заполнена сотнями или даже тысячами молекулярных механизмов, поддерживающих непрерывный процесс сборки и разрушения биомолекул, то есть процесс, который мы называем жизнью.
В описании деятельности ферментов ключевое слово — «помощь»: их задачей является помощь в ускорении (катализации) всех видов биохимических реакций, которые в отсутствие ферментов протекали бы слишком медленно. Таким образом, добавление ферментов протеаз в моющие средства ускоряет расщепление белков в пятнах, пектиновые ферменты ускоряют расщепление полисахаридов во фруктах, а реннин ускоряет свертывание молока. Подобным образом ферменты в наших клетках ускоряют метаболизм — процесс, в ходе которого триллионы внутриклеточных биомолекул непрерывно превращаются в триллионы других биомолекул и поддерживают нашу жизнь.
Фермент коллагеназа, который Мэри Швейцер добавила к кости динозавра, является всего лишь биомеханизмом, функция которого заключается в разрушении коллагеновых волокон в организме животного. Степень ускорения, которое придают реакциям ферменты, можно примерно оценить, сравнив время, необходимое для расщепления коллагеновых волокон в отсутствие ферментов (а именно, более 68 миллионов лет) и в присутствии необходимого фермента (около 30 минут): время реакции ускоряется в триллионы раз.
В данной главе мы рассмотрим, как ферменты, например коллагеназа, способны достигать таких астрономических показателей в ускорении химических реакции. Одной из сенсаций последних лет стало открытие ключевой роли квантовой механики в действии по крайней мере нескольких ферментов; а поскольку ферменты являются движущими силами жизни, то именно они и станут нашей отправной точкой в путешествии по квантовой биологии.
Ферменты: выбор между быстрым или мертвым
Люди стали применять ферменты за многие тысячелетия до их открытия и описания. Несколько тысяч лет назад наши предки превращали зерно и виноградный сок в пиво или вино с помощью добавления дрожжей, которые, по сути, представляют собой микробиологический мешочек с ферментами[29]. Люди давно поняли, что экстракты из оболочки желудка крупного рогатого скота (реннин, или сычужный фермент) ускоряют превращение молока в сыр. В течение многих столетий считалось, что эти превращающие свойства живых организмов обусловлены присущей им жизненной силой, от которой зависит и способность организмов к быстрым изменениям, а это и отличает живое («быстрое» из библейской цитаты в заголовке этого раздела) от мертвого.
В 1752 году вдохновленный механистической философией Рене Декарта французский ученый Рене Антуан Реомюр начал исследовать пищеварение — один из процессов, в котором участвовали, по предположениям ученых того времени, пресловутые жизненные силы. Ученый провел гениальный эксперимент. В то время считалось, что пища в организме животных переваривается механически, измельчаясь в ротовой полости и перемешиваясь в органах пищеварения. Эта теория подтверждалась данными, полученными в ходе изучения птиц, поскольку в их желудках обнаруживались мелкие камни, предназначенные, как считалось, для измельчения пищи — механического действия. Подобные предположения согласовывались и с идеями Рене Декарта (о них мы говорили в предыдущей главе) о механистичности животных. Но Реомюр был озадачен тем, как хищные птицы, в желудке которых камней не было, также могли переваривать пищу. Итак, он накормил ручного сокола небольшими кусочками мяса, спрятанными в крошечные металлические капсулы с небольшими отверстиями. Когда капсулы вышли из организма птицы, он обнаружил, что мясо было полностью переварено, несмотря на тот факт, что оно было заключено в металл и не могло подвергаться какому-либо механическому воздействию. Зубцы, шестеренки и рычаги явно не подходили для описания по крайней мере одной из движущих сил живого организма.
Через 100 лет после эксперимента Реомюра другой француз, химик и основатель микробиологии Луи Пастер, исследовал еще одно биологическое превращение, обусловленное, как считалось, воздействием жизненных сил. Речь идет о превращении виноградного сока в вино. Пастер доказал, что принцип превращения в ходе ферментации в действительности связан с живыми дрожжевыми клетками, присутствующими в «заквасках», которые используются в пивоваренной промышленности или при производстве хлеба. Термин «энзим» (в переводе с греческого — «в дрожжах») был введен немецким физиологом Вилли Кюне в 1877 году для описания активных веществ, участвующих в таких жизненных процессах, как, например, превращение под воздействием живых дрожжевых клеток или любых других веществ, взятых из живых тканей.
Но что же такое ферменты? Каким образом они ускоряют жизненные процессы? Давайте вернемся к разговору о коллагеназе — ферменте, который мы упомянули в самом начале главы.
Зачем нам нужны ферменты и как головастики теряют свои хвосты
Коллаген — это белок, наиболее часто встречающийся в организмах животных, в том числе и человека. Он действует как своего рода молекулярная нить, которая вплетается в ткани и между ними и связывает их между собой. Как и все белки, коллаген состоит из основных химических строительных блоков — цепей аминокислот. Они встречаются в организме в 20 вариантах. Некоторые аминокислоты (например, глицин, глутамин, лизин, цистеин, тирозин) могут быть знакомы вам как добавки к пище из магазинов здорового питания. Каждая молекула аминокислоты содержит от 10 до 50 атомов углерода, азота, кислорода, водорода и иногда серы, соединенных химическими связями в трехмерные структуры уникальной формы.
Несколько сотен закрученных аминокислотных молекулярных структур затем соединяются между собой и образуют белок, напоминающий нитку, на которую нанизаны бусины причудливой формы. Каждая бусина сцеплена со следующей с помощью пептидной связи, которая соединяет атом углерода одной аминокислоты с атомом азота следующей. Пептидные связи очень прочны; по крайней мере те, которые скрепляли коллагеновые волокна тираннозавра, выдержали 68 миллионов лет.
Коллаген является особо прочным белком, который выполняет функцию внутреннего каркаса, поддерживающего форму и структуру наших тканей. Белки сплетаются в тройные цепи, которые, в свою очередь, связываются в толстые канаты, или волокна. Эти волокна пронизывают наши ткани и связывают клетки вместе. Они также содержатся в сухожилиях, которые присоединяют мышцы к костям, и в связках, соединяющих отдельные кости. Плотная сеть таких волокон называется внеклеточным матриксом и обеспечивает целостность нашего организма.
Каждый, кто не является вегетарианцем, уже знаком с внеклеточным матриксом в виде волокнистого хряща, который можно встретить в трудноперевариваемой колбасе или в дешевых кусках мяса. Повара также знают о нерастворимом жилистом продукте, который не становится мягче даже после нескольких часов тушения. Несмотря на то что внеклеточный матрикс не очень приятно увидеть в тарелке с обедом, его присутствие в телах обедающих жизненно необходимо. Без коллагена наши тела распадутся, мышцы отвалятся от костей, а внутренние органы превратятся в желе.
Тем не менее коллагеновые волокна, содержащиеся в ваших костях, мышцах или в обеде, не являются неразрушимыми. Кипячение их в сильных кислотах или щелочах в конечном счете разрушит пептидные связи между бусинами аминокислот и превратит эти прочные волокна в растворимый желатин, желеподобное вещество, похожее на то, что используется для приготовления зефира и желе. Киноманы могут вспомнить Зефирного человека из фильма «Охотники за привидениями» — гигантское неповоротливое существо из мягкой белой массы, наводившее ужас на жителей Нью-Йорка. Но Зефирного человека с легкостью победили, превратив в расплавленный зефирный крем. В пептидных связях между аминокислотами коллагеновых волокон и заключается отличие Зефирного человека от тираннозавра. Крепкие коллагеновые волокна придают прочность организмам реальных животных.
Однако, если бы организм животного состоял только из такого прочного и долговечного материала, как коллаген, возникла бы серьезная проблема. Вспомните, что происходит, когда у вас появляется синяк или порез либо когда вы ломаете руку или ногу, — нарушается целостность тканей и поддерживающий их внеклеточный матрикс, внутренний волокнистый каркас, также повреждается или разрушается. Если дом частично разрушается во время шторма или землетрясения, перед ремонтом необходимо удалить сломанные конструкции. Подобным образом тело животного использует фермент коллагеназу, чтобы удалить поврежденные части внеклеточного матрикса и позволить ткани восстановиться — с помощью другого набора ферментов.
Особенно важно то, что внеклеточный матрикс должен постоянно перестраиваться по мере роста животного: внутренний каркас, поддерживающий ребенка, не сможет выдержать большой вес взрослого. Эта проблема особенно остро стоит перед амфибиями. Тем более интересно ее решение. Дело в том, что взрослые амфибии сильно отличаются от молодых особей. Самым простым примером метаморфоза амфибий является превращение сферического яйца в извивающегося головастика, который по мере взросления становится прыгающей лягушкой. Ископаемые останки предков лягушек — коротких бесхвостых амфибий с уникальными мощными задними конечностями — были найдены в окаменелостях юрского периода и относятся к середине мезозойской эры (около 200 миллионов лет назад), также известной как век рептилий. Они тоже могут быть обнаружены в окаменелостях, относящихся к меловому периоду. Таким образом, весьма вероятно, что подобные лягушки плавали по той же реке в штате Монтана, в которой встретил свой конец музейный экспонат MOR 1255. Однако, в отличие от динозавров, лягушки смогли пережить великое мел-палеогеновое вымирание и теперь населяют наши пруды, реки и болота, поставляя вот уже многим поколениям школьников и ученых образцы для изучения формирования и превращения организмов.
Превращение головастика в лягушку включает процессы отмирания и перестройки тканей, например хвоста, который постепенно реабсорбируется в тело и перерабатывается для формирования новых конечностей лягушки. Этот процесс требует быстрой резорбции внеклеточного матрикса, который поддерживает форму хвоста, и последующей перестройки его в формирующиеся конечности. Однако вспомните о том, что кости динозавра пролежали в горах Монтаны 68 миллионов лет — коллагеновые волокна не так легко разрушаются. Метаморфоз лягушки проходил бы очень медленно, если бы в основе его лежал химический распад коллагена под воздействием только неорганических веществ. Очевидно, тело животного не может растворить собственные сухожилия в горячей кислоте и нуждается в более мягких средствах расщепления коллагеновых волокон.
На этом этапе в процесс вступает фермент коллагеназа.
Так как же действуют коллагеназа и другие ферменты? Виталистические представления о том, что активность фермента обусловлена таинственной жизненной силой, бытовали до конца XIX века. В то время один из коллег Кюне, химик Эдуард Бухнер, доказал, что неживые экстракты из дрожжевых клеток могут стимулировать точно такие же химические превращения, как и живые клетки. Бухнер сделал революционное предположение о том, что жизненная сила — это не более чем форма химического катализа.
Катализаторы — это вещества, ускоряющие обычные химические реакции. Они уже были известны химикам XIX века. К слову, многие химические процессы, ставшие основой промышленной революции, зависели от катализаторов. Например, серная кислота была главным веществом, способствовавшим как промышленной, так и сельскохозяйственной революции. Она использовалась при производстве железа и стали, в текстильной промышленности и для получения фосфатных удобрений. Серную кислоту получают в результате химической реакции, которая запускается с помощью диоксида серы (SO2) и кислорода (реактивы, или исходные вещества). Оба вещества реагируют с водой с образованием продукта — серной кислоты (H2SO4). Однако эта реакция протекает очень медленно, поэтому в таком виде ее сложно применять в промышленности. Но в 1831 году Перегрин Филипс, производитель уксуса из Бристоля (Англия), нашел способ ускорить ее путем пропускания диоксида серы через горячую платину, которая действовала как катализатор. Катализаторы отличаются от исходных веществ, участвующих в реакции, поскольку они помогают ускорить реакцию, не вступая в нее и не изменяя своей структуры. Таким образом, заявление Бухнера состояло в том, что ферменты, в сущности, не отличаются от неорганических катализаторов, открытых Филипсом.
Десятки последующих биохимических исследований в значительной степени подтвердили идею Бухнера. Первым выделенным ферментом стал реннин, образующийся в желудках телят. Древние египтяне хранили молоко в емкостях, сделанных из оболочек желудков телят. Именно им приписывается открытие такого свойства этого странного вещества, как превращение молока в более удобный для хранения сыр. Опыт древних египтян применялся до конца XIX века. В то время желудки крупного рогатого скота высушивали и продавали в аптеках как сычуг. В 1874 году датский химик Кристиан Хансен проходил собеседование, устраиваясь на работу в аптеку, когда случайно услышал заказ на дюжину сычугов. Узнав, что это такое, он решил использовать свои познания в химии для открытия более привлекательного источника сычужного фермента. Он вернулся в свою лабораторию, где разработал метод превращения жидкости, полученной в процессе вымачивания желудков телят и отличающейся весьма неприятным запахом, в сухой порошок и успешно представил свой продукт на рынке под названием «Сычужный экстракт доктора Хансена».