Асимметрический синтез и матричный биосинтез (первоначальное взаимодействие концепций)
Александр Пилипенко
Долгое время предполагалось, что история формирования исходных молекулярно-биологических представлений целиком вписывается в ХХ век. В частности, возникновение идеи матричного воспроизведения наследственных молекул, являющейся центральной в молекулярной биологии и молекулярной генетике, обычно связывали с именем Николая Константиновича Кольцова [1] и датировали 20-ми годами ХХ века [2]. Наши исследования позволяют утверждать, что данная идея непрерывно развивалась, по крайней мере, с 1864 года, когда был опубликован труд Герберта Спенсера «Принципы биологии» [3]. В этой работе на основании исследований Геррита Яна Мульдера (автора «теории протеина» – первой концепции строения белков) и Эдварда Франкланда (химика, положившего основание учению о валентности) английский философ развил представление о практически неограниченном количестве изомеров белков, которые в силу многообразия могут быть носителями биологической индивидуальности и наследственности. Согласно Г. Спенсеру, особенности молекул могут определять своеобразие организмов и видов. На этом основании возникла проблема синтеза определенных изомеров, для решения которой Г. Спенсер предложил инструктивную концепцию, в соответствии с которой уже существующие сложные молекулы определяют построение идентичных молекул. Эти основополагающие представления философ применил к различным биологическим проблемам [4–6]. Окончательное признание подобных идей, объяснивших, каким образом любой организм имеет строго определенную химическую организацию, наступило только во второй половине ХХ века.
Работы Г.Спенсера, оказавшего наибольшее влияние на развитие данного научного направления в XIX – начале XX вв., были, всё же, не единственным его источником. На становление и развитие концепции матричного биосинтеза оказали влияние многие другие научные течения, включая те, которые впоследствии утратили первоначальные связи и стали развиваться независимо. В данной статье рассмотрено влияние стереохимии на концепцию молекулярного самовоспроизведения и смежные вопросы в XIX веке и влияние зарождавшейся теории асимметрического синтеза на первоначальное формирование некоторых молекулярно-биологических идей, а также на проблему возникновения жизни.
Проблема достижения молекулярной определенности организмов существовала не только в случае, рассмотренном Г. Спенсером, когда речь шла о выборе одного изомера из практически неограниченного их числа, как это имеет место в белках, но и в случае, когда возможных вариантов всего два. Если в организме постоянно синтезируется только один изомер из двух априори равновероятных, то, значит, случай здесь ни при чём.
После работ Луи Пастера [7], Якоба Хендрика Вант-Гоффа [8] и Жозефа Ашиля Ле-Беля [9] в науке ХIХ в. глубоко актуальной стала проблема возникновения оптической асимметрии веществ биологического происхождения. С появлением проблемы синтеза определенных белков обнаружилась связь этих двух проблем, ибо в логическом отношении они являются сторонами одной общей проблемы: каким образом из множества равновероятных комбинаций атомов образуются строго определенные. Связь этих проблем была настолько тесной, что предпринимались даже попытки подойти к проблемам биологической индивидуальности и наследственности с точки зрения стереохимии.
Фридрих Мишер, открывший в 1868 г. нуклеиновые кислоты, в письме к швейцарскому биологу Вильгельму Гису 17 декабря 1892 г. писал: «Зачатки дарвиновского пангенезиса являются не чем иным, как многочисленными асимметрическими атомами углерода в органической субстанции». «Много асимметрических атомов углерода допускают такое колоссальное количество стереоизомеров, что все богатство и разнообразие наследственных признаков может быть в них выражено столь же хорошо, как слова и понятия всех языков могут быть выражены 24 – 30 буквами алфавита». «Протоплазма и ядро… состоят не из бесчисленных химических веществ, а из совсем немногих химических индивидуумов, имеющих, однако, может быть, очень сложное химическое строение» [10; 11, с. 116 – 117].
Эти мысли Ф. Мишер развил в ряде других писем к В. Гису. В частности, 13.10.1893 он писал, что представление Августа Вейсмана о многомолекулярных наследственных зачатках проистекает от недоучета возможного многообразия изомеров белков: «Если, что вполне возможно, белковая молекула содержит 40 асимметрических атомов углерода, то это даст … около биллиона изомеров» [10; 11, с.122].
На этом же основании Ф. Мишер возражал против многомолекулярной теории наследственности Рихарда Альтмана (биолога, предложившего в 1889 г. термин «нуклеиновые кислоты») и подчеркивал, что в основе наследственности должна быть молекулярная, а не морфологическая преемственность. Очевидно, Ф. Мишер задумывался и о механизме молекулярной преемственности. Чётких формулировок по этому вопросу он не дал, но само представление, что наследственная информация записана в структуре молекул, соединенное с представлением о передаче этой информации, предполагает идею, что уже имеющаяся молекула участвует в построении аналогичной молекулы. То, что Ф. Мишер действительно мог приписывать молекулам организма инструктивную функцию, подтверждает и то обстоятельство, что смысл полового размножения он видел в исправлении ошибок в структуре молекул с помощью молекул, полученных от другого организма.
Взгляды Ф. Мишера о существовании химических индивидуумов, определяющих биологическую индивидуальность, т.е. о наследственных молекулах, гениальны, ведь логически эквивалентные идеи стали общепринятыми только полвека спустя. Однако, в логическом отношении они идентичны взглядам Г. Спенсера, высказанным на три десятилетия ранее [3–6]. Причем, с химической точки зрения английский мыслитель был гораздо более прав, не ограничивая многообразие белков многообразием их оптических изомеров и не отождествляя молекулярные носители наследственности с определенными стереоизомерами. Идея Ф. Мишера, что биологическая индивидуальность имеет стереохимическую природу, оказалась ошибочной. Теперь известно, что оптическая изомерия за редкими исключениями не влияет на многообразие природных белков, ибо аминокислоты в белках организмов, как правило, однотипно асимметричные (левовращающие), так что в этом отношении почти все белки тождественны. Но с точки зрения проблемы достижения молекулярной определенности важна сама постановка вопроса, каким образом из множества априори равновозможных комбинаций в каждом случае образуется одна строго определенная? Логическая связь проблемы молекулярной асимметрии протоплазмы и проблемы синтеза белков с заданной структурой обусловила возможность взаимовлияния попыток решения этих проблем. Влияние исходило преимущественно со стороны стереохимической проблемы, поскольку ее основания были прочнее. Ведь представление о неограниченном многообразии белков имело в основном ещё только теоретические основания, а асимметрия веществ биологического происхождения была строго доказана экспериментально Л. Пастером и его последователями, начиная с 1848 г.
Изучение проблемы асимметрической преемственности облегчалось фактом, что производные оптически активных веществ обычно также активны. В 1860 г. Л. Пастер заметил: «Мы вообще не можем привести лучших доказательств сохранения исходной структуры в серии соединений, имеющих общее происхождение, чем сохранение оптических свойств» [7, с. 34]. Также Ж.А. Ле-Бель начинает свою эпохальную статью [9] утверждением, что сохранение исходной асимметрии – это единственный известный тогда факт по проблеме происхождения оптической активности.
Кроме выяснения причин сохранения молекулярной асимметрии в процессе химических реакций, существовала проблема синтеза оптически активной смеси из исходных неактивных веществ. Верная идея решения этой проблемы была дана самим Л. Пастером, который эту проблему выдвинул:
«Не является ли необходимым и достаточным предположение, что в момент образования в растительном организме различных соединений в наличии имеется диссимметрическая сила? В самом деле, как только что указывалось, правые молекулы отличаются от подобных им левых молекул лишь в одном случае, а именно, когда они подвергаются воздействиям диссимметрического характера» [7, с.45]. В 1894 г. эту идею Л. Пастера обобщил Пьер Кюри: статистическая асимметрия может возникать только в асимметрической системе; асимметрическое явление всегда вызывается асимметрической причиной [13; 14, с.127]. Фундаментальность этого принципа рассмотрена Владимиром Ивановичем Вернадским [15], который назвал его принципом Кюри. Принцип Кюри имеет непосредственное отношение к истории матричной концепции. В частности, его логическим следствием является вывод, что неслучайные нерегулярные структуры могут возникнуть только под влиянием уже существующих нерегулярных структур. Поэтому закономерное появление идентичных нерегулярных структур требует наличия соответствующей матрицы.
Л. Пастер склонялся к мнению, что асимметрическим фактором, вызывающим молекулярную асимметрию живых существ, является фактор космический, находящийся вне организма [7, с.45]. Единственным объяснением этого мнения Л. Пастера являются его глубокие исследования проблемы возникновения жизни, в частности, его размышления над проблемой возникновения первоначальной молекулярной асимметрии. В контексте же стереохимических исследований Л. Пастера его мнение о космической природе молекулярной асимметрии было весьма неожиданным. Ведь именно Л.Пастер открыл и настойчиво утверждал, что природа любого организма асимметрична. А из этого можно было бы заключить, что молекулярная асимметрия возникает под влиянием асимметрии молекул самого организма и не требует наличия внешних асимметрических факторов.