Текст книги "Почему сердце находится слева, а стрелки часов движутся вправо. Тайны асимметричности мира"

Когда были открыты вращающиеся моноцилии, возникла вероятность, что моноцилии inv-мышей вращаются иначе, хотя это казалось чрезвычайно маловероятным. Действительно, когда Хирокава и его сотрудники взглянули на моноцилии в inv-мышах, обнаружилось, что они вращаются с той же скоростью (около 600 оборотов в минуту) и в том же направлении, что и у нормальных мышей. Однако, хотя движение inv-моноцилий выглядело нормально, с потоком жидкости, проходящим через узелок, что-то было не так. Латексные крупинки, быстро пересекавшие нормальный узелок, не набирали обычной скорости, а поток выглядел турбулентным. Похоже, что нормальный поток через узелок связан не только с вращением моноцилий, но также и с тем, что узелок имеет точно треугольную форму. Однако у inv-мышей узелок был меньше, длиннее и тоньше нормального, и это нарушало нормальное левостороннее течение. Тем не менее, хотя поток был медленнее, он все же был направлен влево, а не вправо, так что требовалось объяснить, почему у inv-мышей сердце всегда оказывается справа. Хирокава и его сотрудники дали такое объяснение с помощью элегантной модели[169]169
  Okada, Y. et al. (1999) op. cit. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Большая часть модели Хирокавы симметрична (рис. 5.20). По обеим сторонам узелка находятся клетки, выделяющие сигнальные молекулы, а по всему основанию узелка расположены рецепторы, реагирующие на сигнал. Сигнальная молекула выделяется не в активной форме, но в виде прекурсора, который активируется нодальной жидкостью, а затем, спустя несколько секунд, деактивируется и разрушается. Таким образом, молекула активна лишь в течение нескольких секунд. За эти критичные секунды нодальный поток обычно уносит неактивный прекурсор с правой стороны, и активируется он, лишь достигнув левой стороны узелка. За то время, пока молекула активна, на нее реагируют рецепторы с левой стороны узелка, вызывая каскад сигналов, приводящих к формированию сердца слева. У inv-мышей сигнальная молекула выделяется в виде обычного неактивного прекурсора. Попадая в бурный и турбулентный поток нодальной жидкости, она движется столь медленно, что активируется, не достигнув еще срединной линии, то есть с правой стороны узелка. После этого она вызывает каскад сигналов, ведущих к развитию у inv-мышей сердца с правой стороны, противоположно обычному положению. На рис. 5.20 приведена сравнительная диаграмма, показывающая, что происходит у обычных мышей, мышей без KIF3A/B, а также iv– и inv-мышей[170]170
  Okada, Y. et al. (1999) op. cit. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Рис. 5.20. Схема нодального потока у нормальных мышей и мышей с мутациями iv, inv и kif3a/b. Слева и справа от углубления звездочками отмечены клетки, выделяющие сигнальные молекулы, которые высвобождаются как неактивные (маленькие серые пятна), активируются (большие черные пятна) и затем снова становятся неактивными (маленькие белые пятна). Моноцилии, показанные у нормальных и inv-мышей, вращаются, тогда как у iv-мышей они неподвижны, а у kif3a/b-мышей отсутствуют. Большой стрелкой влево у нормальных мышей показано быстрое и спокойное перетекание жидкости влево, а у inv-мышей поток медленнее и менее интенсивен. У iv– и kif3a/b-мышей перетекание осуществляется только за счет диффузии и отмечено маленькими пунктирными стрелками. Сигнальные молекулы улавливаются рецепторами, чашечками в основании узелка, а количество уловленных сигнальных молекул показано на полосках внизу, максимальное слева у нормальной мыши, максимальное справа у inv-мыши и максимальное в центре у iv– и kif3a/b-мышей

Эта весьма элегантная модель объясняет, почему у нормальных мышей сердце слева, а также показывает, какие отклонения могут возникать в ходе этого процесса. Мне она нравится не только правдоподобным объяснением большинства наблюдаемых явлений, но еще и духом подлинной биологии, который теряется в простом списке последовательностей ДНК. Хирокава и его коллеги посмотрели в микроскоп и соединили увиденное там с результатами других сложных биохимических и генетических исследований. На сегодняшний день, однако, это все еще очень молодая теория, и у многих биологов есть немало вопросов относительно ее деталей. Один из главных касается очевидных различий между лягушкой, рыбой, мышью и человеком – для всех ли существ нодальный поток играет ключевую роль? Одинакова ли она для всех или только для некоторых видов? Остаются и непростые вопросы, касающиеся того, каким образом в ходе эволюции возникла сложная и тонкая структура гензеновского узелка. На подобные вопросы ответить трудно, потому что ископаемые эмбрионы почти не известны, и уж точно не будет никаких данных о вращении их моноцилий. Но где-то каким-то образом возникло такое устройство – и возникло с определенной целью. Другой серьезный вопрос: почему моноцилии вращаются по часовой стрелке, что заставляет нодальный поток течь справа налево. На этот вопрос фактически есть ответ, который, в некотором смысле, довольно прост. Пастер хорошо бы это понял, потому что аминокислоты – строительные блоки, из которых состоят наши тела, – левосторонни, а любой двигатель, построенный из асимметричных компонентов, будет вращаться в одном определенном направлении. Это, однако, тянет за собой другой, более глубокий вопрос: почему почти все белки нашего тела построены из L-аминокислот, где L означает левый или левосторонний? Происхождение этой вездесущей биологической и физической асимметрии станет темой следующей главы[171]171
  См. веб-сайт.


[Закрыть].

6. Жаба, отвратительная и ядовитая

Одна из самых знаменитых книг «Алиса в Зазеркалье» Льюиса Кэрролла начинается с того, что Алиса подносит своего черного котенка Китти к зеркалу и задается вопросами о Зазеркальном доме, гостиная которого так похожа на ее собственную, если не считать некоторых деталей – книги, например, там выглядят в точности как здесь, только их названия перевернуты. А когда она, наконец, оказывается по ту сторону зеркала, она обнаруживает, что все правила там очень странные – Черной королеве приходится бежать все быстрее, чтобы только остаться на месте, вспомнить можно и то, что было, и то, что будет, а до завтрака нужно поверить в шесть невозможных вещей. Однако нет ничего страннее, чем деталь, о которой Кэрролл мельком упоминает еще до того, как Алиса оказывается в Зазеркалье. Алиса спрашивает Китти, понравилось бы той жить в Зазеркальном доме, и задумывается, найдется ли там молоко для котенка – а если найдется, то «возможно, зазеркальное молоко не очень-то годится для питья». Вне всяких сомнений, это так – по крайней мере, если пить его по эту сторону зеркала. Чтобы понять, почему мы должны вернуться к фундаментальному открытию Пастера, о котором Кэрролл мог хорошо знать: что молекулы могут быть как право-, так и левосторонними, хотя те, из которых состоят живые существа, обычно бывают лишь одного типа. И в Зазеральном доме молекулы в живых существах, конечно же, были бы другими[172]172
  См. веб-сайт.


[Закрыть].

Перейдем к сухому языку науки. Молоко представляет собой сложную смесь богатых энергией жиров, белков, например казеина, и углеводов, таких как лактоза. Проще всего рассмотреть белки, хотя аналогичные соображения применимы к лактозе и многим другим молекулам. Белки – это длинные цепочки простых молекул, аминокислот, на одном конце которых расположена аминная группа (-NH₂), состоящая из атома азота и двух атомов водорода, а на другом – кислая карбоксильная группа (-COOH), состоящая из атома углерода, атома водорода и двух атомов кислорода. Аминная группа одной аминокислоты способна прикрепляться к карбоксильной группе другой, образуя составные молекулы, включающие десятки, сотни и даже тысячи аминокислот. Короткие молекулы называются пептидами, более длинные – полипептидами, а самые длинные – белками. Молекулы ДНК, несущие нашу наследственную информацию, функционируют почти исключительно посредством определения последовательности аминокислот в пептидах и белках. Последние в итоге становятся важнейшей составляющей наших мышц, клеток крови, зубов и иммунной системы; некоторые белки, например инсулин, работают как передатчики, другие образуют энзимы, сложные фрагменты биохимической машинерии, захватывающей одни группы молекул, перемалывающих их, реорганизующей и превращающей в другие. Без аминокислот жизнь на Земле едва ли была бы возможна[173]173
  См. веб-сайт.


[Закрыть].

Особенности аминокислот, как и большинства молекул нашего тела, связаны в основном с химическими свойствами углерода. Атомы отличаются своей валентностью, то есть количеством химических связей, которые они могут установить с другими атомами. Углерод четырехвалентен, следовательно, к нему могут прикрепляться четыре других атома. Валентность других атомов также различна – у водорода она равна единице, у кислорода – двум, у азота – трем. Поэтому к атому углерода могут прикрепиться четыре атома водорода, а так как к водороду уже больше ничего присоединиться не может, молекула полностью сформирована: CH₄. Это газ метан, вещество, составляющее большую часть природного газа, который мы используем для обогрева и приготовления пищи. Схематически ее структура выглядит так:

У этого удобного и традиционного способа изображения молекул есть, однако, серьезный изъян. Молекулы не плоские, а трехмерные, и четыре атома водорода в метане расположены по углам трехгранной пирамиды, тетраэдра. Этой трехмерной структуре больше соответствует схема внизу, две ножки в правом нижнем углу выступают из страницы, а две другие соответственно погружены в страницу, словно ножки штатива:

В центре каждой аминокислоты находится атом углерода. К нему прикреплены четыре различные химические группы: аминная группа, карбоксильная группа, единственный атом водорода и «что-то еще» – боковая цепь, обычно обозначаемая как R. Именно благодаря R аминокислоты так отличаются друг от друга – аланин содержит метиловую группу CH₃-, метионин представляет собой сложную цепь атомов CH₃-S-CH₂-CH₂-, включающую серу (S), а такие аминокислоты, как фенилаланин, – сложные кольца атомов углерода. Хотя эти подробности нам не так уж важны, существенно, что если все прикрепленные к атому углерода химические группы различны, то вокруг находящегося в центре атома углерода они могут располагаться двумя способами. Лучше всего это видно на трехмерных схемах двух различных форм.

Хотя такие схемы – лишь грубый способ изображения трехмерных молекул, тем не менее очевидно, что в некотором смысле они зеркальны по отношению друг к другу. Еще более очевидным это становится, если использовать компьютерную графику, показывающую атомы в трех измерениях, как два типа аминокислоты валин на рис. 6.1, или с использованием замечательных старомодных моделей из шариков и спичек на рис. 6.2. Главное – как ни пытайся, но молекулы L-валина или L-аланина (слева) нельзя повернуть таким образом, чтобы они выглядели в точности как молекулы D-валина и D-аланина (справа). Таким образом, аминокислоты существуют в двух формах, левой (L) и правой (D), точно так же, как и обнаруженные Пастером две формы винной кислоты (см. главу 1), одна поворачивает поляризованный свет влево, другая – вправо. Два разных типа аминокислот называются стереоизомерами или энантиомерами, о них говорят, что они хиральны [174]174
  Feynman, R. P. et al. (1963) The Feynman Lectures on Physics. Vol I: Mainly Mechanics, Radiation, and Heat, Reading, MA: Addison-Wesley, pp. 52–5. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Термин «хиральность» для описания объектов, представляющих собой зеркальное отражение друг друга, ввел физик сэр Уильям Томсон, впоследствии лорд Кельвин, по имени которого названа абсолютная температурная шкала (градусы Кельвина). 16 мая 1883 года он читал лекцию о кристаллах в Студенческом научном клубе Оксфордского университета. Лекции Кельвина отнюдь не славились легкостью, и эта не стала исключением. За несколько дней до этого в Королевском институте он поинтересовался у лорда Олверстона, как тот нашел другую его лекцию, показалась ли она ему интересной. «Несомненно, показалась бы, мой дорогой лорд Кельвин, если бы мы ее поняли», – отвечал Олверстон. В напечатанном виде Оксфордская лекция насчитывала 41 страницу. К 35-й странице Кельвин стал опасаться, что аудитория сникает и что он только испытывает ее терпение – а ведь он еще не сказал и половины из того, что планировал. Он преодолел еще пять страниц и затем, несмотря на свое желание представить несчастным студентам «более подробный» рассказ о геометрии хиральности, заключил: «…но с сожалением я умолкаю». Кельвин дал определение хиральности лишь в примечании к печатной версии лекции, и если в ее ходе он не прибегал к сноскам, что бывает нелегко воспринять даже опытным ученым, то, скорее всего, студенты даже и не понимали толком, о чем речь, – ведь прежде этого слова не было в английском языке, и оно использовалось впервые. «Я называю любую геометрическую фигуру, или группу точек, хиральной, и говорю, что она обладает хиральностью, если ее образ в плоском зеркале… не может быть совмещен с самим собой». Таким образом, наши правая и левая рука – хиральные объекты, поскольку правая рука в зеркале не может полностью совместиться с собой. Это верно и в отношении аминокислот, как мы видим на рис. 6.1. и 6.2[175]175
  Thompson, S. P. (1910) The Life of William Thomson, Baron Kelvin of Largs, London: Macmillan, vol. II, p. 1054; Kelvin, Lord (William Thompson) (1904) Baltimore Lectures on Molecular Dynamics and the Wave Theory of Light, London: Cambridge University Press, pp. 619, 637, 642. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Многие соединения углерода хиральны, но далеко не все, например спирт CH₃-CH₂-OH, в котором к одному атому углерода прикреплены два атома водорода, а к другому – три. Это отчасти отвечает на взрослый вариант вопроса Алисы, которым задался Уистен Оден. Квант, вдовец и правша, работающий в транспортной конторе близ нью-йоркской Баттери, смотрит на свое отражение в зеркале за перегородкой и спрашивает: «И что за вкус / у того пойла, что ты поднимаешь левой рукой?» Несомненно, зеркальный алкоголь так же пьянит, как и обычный, потому что молекула спирта не хиральна. Иное дело – вкус спиртного. Многие биологические молекулы – стереоизомеры, и свойства их левой и правой формы очень различны. Хороший пример – молекула карвона, D-стереоизомер которой пахнет мятой, а L-стереоизомер – тмином. Подобным же образом один стереоизомер α-фелландрена пахнет эвкалиптом, а другой – фенхелем. Во многих книгах упоминается также молекула лимонена, в одной хиральной форме пахнущая апельсином, в другой – лимоном. Красивая идея, стоит лишь заменить апельсины и лимоны из детской считалочки на изомеры и хирали. Жаль, что это не работает: разница в запахах связана с примесями, попавшими в L– и D-формы в ходе синтеза. И апельсины, и лимоны содержат D-лимонен, в чистом виде обладающий общим цитрусовым ароматом. L-лимонен содержится в масле перечной мяты и в чистом виде пахнет хвоей. В общем, D– и L-изомеры пахнут по-разному, потому что наше обоняние определяет трехмерную форму молекул, которые подходят к рецепторам обонятельной мембраны, словно ключ к замку. Если у двух молекул разная трехмерная конфигурация и они включают разные рецепторы, то и пахнут они по-разному. Поскольку трехмерная конфигурация стереоизомеров отличается, они часто пахнут по-разному. И вкус спиртного в Зазеркалье был бы иным[176]176
  Mendelson, E. (1976) W. H. Auden: Collected Poems, London: Faber and Faber, p. 345; Gardner, M. (1990) The New Ambidextrous Universe (revised edition), New York: W. H. Freeman, p. 124; Laska, M. et al. (1999) 277: R1098–R1103; Mason, S. F. (1989) Chirality, 1: 183–91. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Рис. 6.1. Трехмерная организация атомов в аминокислотах D-валин и L-валин

Рис. 6.2. Модели молекул из шариков и спичек, которыми пользовался Ричард Фейнман, объясняя разницу между L-аланином (слева) и D-аланином (справа). В оригинале нет аннотаций. Несмотря на то что модели молекул симметричны, сама фотография не симметрична из-за асимметричности освещения

Эти различия проявляются не только в запахах. Гормоны, например вырабатываемый щитовидной железой тироксин, поступают в кровь, с тем чтобы воздействовать на отдаленные клетки. Как правило, гормоны связываются с оболочкой клеток или, иногда, проникают внутрь клетки. Рецепторы клеток, как и рецепторы в носу, определяют трехмерную форму молекул и, как правило, распознают лишь один из хиральных вариантов молекулы. Это словно дверной замок, ключ к которому, как правило, хирален, а значит, зеркально сделанным ключом дверь не откроешь. Что касается гормона тироксина, то естественный его вариант – L-форма, а в D-форме он неактивен. Больным, страдающим микседемой – недостатком тироксина, необходимо давать L-тироксин, поскольку D-тироксин не эффективен[177]177
  См. веб-сайт.


[Закрыть].

Хиральны гормоны и другие природные химические вещества, а также и многие привычные нам лекарства, причем один стереоизомер бывает эффективнее другого. Таков, например салбутанол, применяемый при купировании острых астматических приступов. Хотя, как правило, эффективен только один стереоизомер хирального лекарства, в прошлом и этот, и другие хиральные препараты предлагались фармацевтами в виде рацемической смеси D– и L-форм, поскольку большинство лекарств синтезировались химически. Именно с этим столкнулся Пастер в 1840-х годах, обнаружив, что в полученной химическим путем винной кислоте D– и L-формы присутствуют в равной пропорции, образуя так называемый рацемат, тогда как винная кислота, выделяемая микроорганизмами в ходе созревания вина, состоит исключительно из D-изомеров винной кислоты. Поэтому пациенты вместо чистого лекарства получали два стереохимически разных вещества, в основном потому, что в прошлом было сложно разработать технологию, позволяющую получить только один стереоизомер лекарства.

Фармацевтические компании, однако, заинтересованы в производстве чистых стереоизомеров лекарств, отчасти потому, что контролирующим фармацевтику службам прекрасно известно, что один стереоизомер может обладать терапевтическим эффектом, а другой – вызывать нежелательные побочные эффекты. Например, бупивакаин, вариант лигнокаина (лидокаина, широко применяемого в качестве обезболивающего в стоматологии), но более длительного действия, вводится внутривенно перед операцией, чтобы обеспечить местное обезболивание в руке или ноге. Хотя в общем он безопасен, в 1979 году несколько сердечных приступов были вызваны применением бупивакаина, и оказалось, что это связано с обычно неактивной D-формой. Активная L-форма не вызывала такой побочный эффект, и в результате сегодня производится L-бупивакаин, или левобупивакаин, к несомненному благу пациентов. Менее достойная причина, заставляющая компании идти на «хиральное переключение» – замену рацемической смеси чистым стереоизомером, – совершенно коммерческая: если лекарство первоначально было запатентовано как рацемическая смесь, то выпуск чистого стереоизомера расширяет патент, прежде чем конкуренты смогут начать выпуск дженерика. Иногда такая стратегия дает сбой, как у производителей флюоксетина (прозака). Компания запатентовала только рацемическую смесь, а не энантиомеры, что привело к тому, что в конечном счете им пришлось заключить лицензионное соглашение с компанией, выпускающей активный стереоизомер[178]178
  De Camp, W. H. (1989) Chirality, 1: 2–6; Tucker, G. T. (2000) Lancet, 355: 1085–7.


[Закрыть].

В последние годы резко возросло количество лекарств, предлагаемых на рынке в виде единственного стереоизомера – по одной из оценок, половина из первой сотни названий – в основном благодаря тихой революции в химическом синтезе, который ныне располагает множеством технологий промышленного синтеза стереоизомеров. Во многих новшествах применяются технологии, напоминающие работу биологических ферментов, проделывающих крошечные трещины или поры в катализаторах, совпадающие только с лево– или правоориентированными молекулами, так что в итоге в химической реакции участвует только какая-то одна форма (рис. 6.3). За разработку подобных методов Уильям Наулз, Риочи Ноёри и Барри Шарплес были в 2001 году удостоены Нобелевской премии по химии[179]179
  Lewis, D. L. et al. (1999) Nature, 401: 898–901; Seo, J. S. et al. (2000) Nature, 404: 982–6. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Стереоселективные лекарства, хотя зачастую и полезные, вовсе не панацея. Так, возникла целая мифология вокруг одного печально известного средства – талидомида, первоначально предназначенного для помощи беременным. Многократно говорилось, что D-талидомид – безопасное и эффективное снотворное, а ужасное побочное действие на развитие плода – всецело эффект L-талидомида. Но в этой истории катастрофически не хватает логики. Хотя многие вещества существуют в L– и D-формах, они не всегда жестко сохраняют их. Некоторые – да, но другие, в том числе талидомид, очень нестабильны и в процессе рацемизации переходят в другой стереоизомер. Из-за рацемизации в крови пациента, принимающего только D-талидомид, через шесть – двенадцать часов обнаружилось бы значительное количество L-талидомида. D-талидомид был бы так же опасен, как и первоначальная версия – если только не был модифицирован с тем, чтобы избежать рацемизации[180]180
  Wnendt, S. Z. and Zwingenberger, K. (1997) Nature, 385: 303–4; Winter, W. and Frankus, E. (1992) Lancet, 339: 365; Eriksson, T. et al. (1998) Chirality, 10: 223–8; Eriksson, T. et al. (1995) Chirality, 7: 44–52. См. веб-сайт.


[Закрыть].

После некоторого отступления пора, однако, вернуться к аминокислотам и рассмотреть, как они соединяются, превращаясь в белки. Аминокислоты в белке кодируются в ДНК триплетами, которые составляют четыре основания – цитозин, гуанин, аденин и тимин (C, G, A и T). Любое из четырех встречается в каждой из трех позиций, образуя в итоге 4 × 4 × 4 = 64 потенциально различных комбинаций, которые вместе определяют набор из двадцати аминокислот, составляющих живые организмы. Первый шаг в синтезе белка – создание РНК-копии последовательности ДНК. Рибосома движется вдоль РНК, останавливаясь у каждого очередного триплета. Молекула транспортной РНК переносит аминокислоту, закодированную в этом триплете, и прицепляет ее на конец растущей цепочки аминокислот. Затем рибосома движется к следующему триплету, считывает его и добавляет закодированную в нем аминокислоту – и так далее, пока не будет выстроен весь белок. И каждый раз к растущей белковой цепочке добавляется именно L-аминокислота. Генетический код и весь механизм трансляции основан только на L-аминокислотах. Насколько нам известно, это верно для каждого организма на нашей планете. Столь полная зависимость от L-аминокислот ставит множество фундаментальных вопросов перед биологией, ответы на которые выходят далеко за пределы самой биологии, одновременно и за границы нашей Солнечной системы, и глубоко в мир физики элементарных частиц.

Рис. 6.3. Принцип хирального катализа. Катализатор, условно обозначенный стрелкой вправо, лучше и более естественно совпадает с правой рукой (вверху), чем с левой (внизу), и в результате энергия его ниже, поэтому правого изомера производится больше, чем левого

Биохимическую асимметрию можно обнаружить не только в аминокислотах. Углеводы, входящие в состав нашего тела, например глюкоза, также присутствуют лишь в одной форме, но на этот раз в виде D-изомера. И этот ошеломляющий факт также требует глубокого объяснения[181]181
  См. веб-сайт.


[Закрыть].

Итак, наши тела состоят только из L-аминокислот и D-углеводов. Но каков был бы организм, выстроенный из D-аминокислот и L-углеводов? Функционировал бы он так же хорошо, как обычный «L-организм»? Хотя маловероятно, что мы сможем ответить на этот вопрос в обозримом будущем, сейчас уже возможно синтезировать пептиды, полипептиды и даже белки, состоящие только из D-аминокислот. Если белок является ферментом, тогда трехмерная структура D-фермента представляет собой зеркальный вариант нормального L-фермента и поэтому должна взаимодействовать с D-аминокислотами, а не с L-аминокислотами – так же, как зазеркальный замок можно открыть зазеркальным ключом. В одном случае это было проверено на ферменте протеазы из вируса иммунодефицита человека (ВИЧ), и фермент работал точно так, как предсказывалось. Фермент был выстроен как бы задом наперед, и оказалось, что зазеркальная D-протеаза так же хорошо разделяет D-пептиды на мелкие кусочки, как обычная L-протеаза разделывается с L-пептидами. Похоже, есть все основания полагать, что подобное верно и по отношению к полностью зазеркальному организму – пока он живет в зазеркальном мире, где может пить зазеркальное молоко и тому подобное[182]182
  Lamzin, V. S. et al. (1995) Current Opinion in Structural Biology, 5: 830–36; Petsko, G. A. (1992) Science, 256: 1403–4; Milton, R. C. D. et al. (1992) Science, 256: 1445–8. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Хотя наши тела почти полностью строятся из L-аминокислот, D-аминокислоты встречаются в природе, и их присутствие часто проясняет многие биологические процессы. Фактически D-аминокислоты присутствуют постоянно из-за спонтанной рацемизации. Когда Пастер в течение шести часов нагревал кристаллы D-винной кислоты до температуры 170 °C, он обнаружил, что они превращаются в рацемат, смесь, в равной пропорции состоящую из D– и L-изомеров винной кислоты. Природные L-аминокислоты также рацемизируются, превращаясь в смесь D– и L-изомеров, процесс этот легче всего осуществляется в аминокислотах, находящихся в свободном состоянии, но подвержены ему и аминокислоты, находящиеся в составе белков, например в ходе приготовления пищи. Для белков рацемизация может стать разрушительной, потому что D-аминокислоты обладают иной трехмерной конфигурацией, отличной от L-аминокислот, что изменяет форму белка и не позволяет ему правильно связываться с другими белками. Клеткам обычно удается избежать «белковой усталости» – явления, отчасти сходного с усталостью металла, – посредством постоянной замены старых изношенных белков свежими, синтезируемыми рибосомами и содержащими только чистые L-аминокислоты. Иногда, однако, процесс постоянной замены нарушается. Некоторые белки нашего тела – дентин в зубах или кристаллин в хрусталиках глаз – живут очень долго, потому что образуют физическую структуру органа, и с возрастом в них неизбежно накапливаются D-аминокислоты.

С другой проблемой сталкиваются короткоживущие красные клетки крови – эритроциты. Эти переносящие кислород клетки чрезвычайно активны и не успевают заменять старые белки новыми, поскольку не содержат главных механизмов производства белков – ядра и рибосом. Все белки, которые содержит клетка, присутствуют в ней с момента ее образования и до конца ее естественного существования. Белковая усталость проявляется в постепенно накапливающихся ошибках, и нет никакого способа заменить неисправные старые белки. Это сценарий ветшающей космической станции, экипаж которой вынужден обходиться лишь тем, что есть на борту, поскольку никакие изношенные части заменить нельзя – до тех пор, пока весь корабль окончательно не выйдет из строя из-за накопления поломок. Хотя эритроциты живут недолго – у людей не более 120 дней, – для изучения белковой усталости они представляют собой идеальную систему. В течение сорока дней около одного процента содержащихся в них L-аспарагиновой кислоты превращается в D-аспарагиновую кислоту – удивительно быстрая деградация. К счастью, большинство аминокислот рацемизируются не так быстро, особенно те, что составляют белки. Для большинства аминокислот процесс рацемизации длится существенно дольше и может служить своего рода «биологическими часами» для определения возраста биологических объектов. Долговременная рацемизация белков отмечена у «ледяного человека» Этци, чье тело обнаружили в сентябре 1991 года в леднике в Тирольских Альпах. По данным радиоуглеродного анализа, он жил около 5000 лет назад, между 3350 и 3100 годами до н. э. В его волосах 37 процентов аминокислоты гидроксипролин оказалось в виде D-изомера, тогда как доля этого изомера в образцах волос возрастом 3000 лет оставляла 31 %, 19 % – в волосах тысячелетней давности и всего 4 % в образцах, собранных недавно[183]183
  Nicolle, J. (1962) Louis Pasteur: A Master of Scientific Enquiry, London: The Scientific Book Guild, pp. 33–4; Meister, A. (1965) Biochemistry of the Amino Acids, (2nd edn), New York: Academic Press, vol. 1, p. 113; Helfman, P. M. and Bada, J. L. (1975) Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 72: 2891–4; Masters, P. M. et al. (1977) Nature, 268: 71–3; Ingrosso, D. and Perna, A. F. (1998) in Jollès, P. (ed.) D-amino Acids in Sequences of Secreted Peptides of Multicellular Organisms, Basel: Birkhäuser Verlag pp. 119–41; Lubec, G. et al. (1994) FASEB Journal, 8: 1166–9. См. веб-сайт.


[Закрыть].

Белки – сильнодействующие вещества, и они могут быть чрезвычайно опасны, если попадают в организм в виде ядов. Самый скромный пример – вяжущий вкус во рту, возникающий от свежего ананаса, который возникает под воздействием бромелаина, растворяющего белки фермента, содержащегося в ананасе. Фактически, когда вы едите ананас, он начинает переваривать поверхность ваших губ и языка – проще говоря, поедать вас. Белки могут быть опасны, но они необходимы организму и как источник энергии, и как источник девяти жизненно важных аминокислот – таких, как фенилаланин, который не вырабатывается нашим организмом и должен поступать извне. Иначе говоря, мы должны их есть. Потенциальный риск съесть опасный белок минимизируется нашей пищеварительной системой, вырабатывающей большое количество особых ферментов – в частности, трипсин, пепсин и эластазу, в совокупности именуемых протеазами, которые разделяют белки на оставляющие их аминокислоты. Прежде чем усвоиться, опасные съедобные белки нейтрализуются посредством переработки их в безопасные неядовитые аминокислоты, поступающие в кровь. Протеазы, как и все ферменты, выискивают конкретные трехмерные структуры, специфичные для каждого фермента. Так, трипсин расщепляет белки рядом с такими аминокислотами, как лизин или аргинин, и, хотя учебники биохимии редко подчеркивают это, трипсин реагирует именно на L-лизин и L-аргинин. Но что происходит, если трипсин обнаруживает D-лизин и D-аргинин? Ответ прост: ничего. Это все равно что пытаться надеть на левую ногу правый ботинок или открыть замок зазеркальным ключом – совмещения не произойдет. Белки и пептиды, содержащие D-аминокислоты, не перевариваются и выходят из организма неизменными с мочой и калом. Поэтому зазеркальное молоко непригодно для питья, D-казеин и другие D-белки не усвоятся, а просто пройдут через кишечник – возможно, вызвав диарею[184]184
  Yamada, R. and Kera, Y. (1998), in Jollès, P. (ed.) op. cit., pp. 145–55; Ingrosso, D. and Perna, A. F. (1998). См. веб-сайт.


[Закрыть].

Иногда неспособность протеаз расщепить D-белки может стать причиной болезни. Потенциально важный пример – это амилоид, белок, катастрофически накапливающийся у людей с болезнью Альцгеймера. Амилоид, что несколько удивительно, содержит D-аминокислоту, D-серин. Чтобы выяснить его роль, ученые синтезировали пептид из одиннадцати аминокислот из середины амилоида и вставили в него или D-серин, обнаруженный у пациентов с болезнью Альцгеймера, или более нормальный L-серин. Оба варианта серина токсичны для клеток мозга, но протеазы мозга быстро ликвидировали L-серин, оставляя D-серин нетронутым. Возможно, дело в том, что L-серин в белке спонтанно рацемизируется в неудаляемый D-серин, который медленно накапливается, повреждая клетки мозга[185]185
  Shapira, R. et al. (1988) Journal of Neurochemistry, 50: 69–74; Kaneko, I. et al. (1995) Journal of Neurochemistry, 65: 2585–93.


[Закрыть].

Хотя белки, содержащие D-аминокислоты, не перевариваются, некоторые D-аминокислоты все же обнаруживаются в крови, попадая туда либо из пищи (особенно подвергнутой кулинарной обработке), либо как побочный продукт жизнедеятельности бактерий, живущих в толстом кишечнике (было доказано, что у крыс, выращенных в безбактериальной среде, содержание D-аминокислот ниже). Вне зависимости от происхождения D-аминокислоты долго считались нежелательным феноменом, особенно после работ 1940-х годов, показавших, что D-серин и D-аспартат повреждают почки, а у крыс замедляют рост. Однако организм, похоже, решил эту проблему. В 1935 году Ханс Кребс, позже удостоенный Нобелевской премии за открытие цикла Кребса, обнаружил фермент, который назвал оксидазой D-аминокислот, в больших количествах присутствующий в почках и нейтрализующий вредные D-аминокислоты так, чтобы они могли выводиться с мочой. Вплоть до 1990-х годов казалось, что на этом история свободных D-аминокислот заканчивается. Но в 1984 году японский ученый Ацухи Хасимото и его коллеги из Медицинской школы Токайского университета обнаружили высокое содержание D-серина в мозге крыс, а вскоре был найден и D-аспартат. Ни то, ни другое, похоже, не было результатом спонтанной рацемизации или крысиной диеты. Эксперименты привели к открытию в мозге нового фермента, серин-рацемазы, преобразующего стандартный скучный L-серин в новый волнующий воображение D-серин. Позже оксидаза D-аминокислот была найдена в мозге везде, где присутствовали D-серин и серин-рацемаза, и оказалось, что этот старый фермент, отчаянно ищущий себе интересное занятие, особенно эффективно справляется с удалением D-серина. Если в мозге содержатся ферменты, создающие D-серин, и ферменты, расщепляющие его, и при этом большое количество D-серина содержится в гиппокампе и в коре мозга, значит, роль D-серина должна быть очень велика. Хотя это еще до конца не ясно, но, кажется, D-серин участвует в настройке одной из самых занимательных нейротрансмиттерных систем, открытых в последние годы, NMDA, связанной с памятью, обучением, эпилепсией, а также с повреждениями головного мозга, приводящими к инсульту. Однако почему именно D-аминокислота оказалась столь важным нейротрансмиттером, пока остается предметом догадок[186]186
  Bender, D. A. (1985) Amino Acid Metabolism (2nd edn), Chichester: John Wiley; Hashimoto, A. and Oka, T. (1997) Progress in Neurobiology, 52: 325–53; Hashimoto, A. et al. (1992) FEBS Letters, 296: 33–6; Schell, M. J. et al. (1997) Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 94: 2013–18; Wolosker, H. et al. (1999) Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 96: 13409–14; Schell, M. et al. (1997) Journal of Neuroscience, 17: 1604–15; Schell, M. J. et al. (1995) Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA, 92: 3948–52. См. веб-сайт.


[Закрыть].