Чтобы ответить на этот вопрос, нужно вначале иметь представление о размерном уровне, который мы обсуждаем. Какого размера ген? В то время, когда я начинал заниматься биологией – в конце 1940-х, – у нас уже имелись кое-какие косвенные данные, указывавшие, что отдельный ген, вероятно, не больше очень крупной молекулы, то есть макромолекулы. Любопытно, что простой, содержательный довод, основанный на здравом смысле, тоже указывает в этом направлении.
Генетика учит, что, грубо говоря, половину наших генов мы получаем от матери, из яйцеклетки, а половину – от отца, из сперматозоида. А головка человеческого сперматозоида, которая содержит эти гены, очень мала. Отдельный сперматозоид слишком крохотный, чтобы увидеть его невооруженным глазом, хотя его и можно ясно рассмотреть в мощный микроскоп. Однако в этом малом объеме каким-то образом помещается практически полный набор инструкций для построения целого человека (яйцеклетка обеспечивает дубликат). Обдумав математическую сторону, мы неизбежно приходим к выводу, что ген должен быть по бытовым меркам очень-очень маленьким, сравнимым по размеру с очень крупной молекулой вещества. Само по себе это не объясняет нам, как работает ген, но подсказывает, что имеет смысл сперва обратиться к химии макромолекул.
К тому времени уже было известно, что каждая химическая реакция внутри клетки катализируется определенным типом крупных молекул. Такие молекулы называются ферментами. Ферменты – рабочие механизмы живой клетки. Впервые их открыл в 1897 г. Эдуард Бюхнер, получивший за это Нобелевскую премию десять лет спустя. В ходе своих опытов он давил клетки дрожжей гидравлическим прессом и получал насыщенную смесь дрожжевых экстрактов. Его интересовало, смогут ли частицы живой клетки осуществлять какую-нибудь из клеточных химических реакций, потому что в те времена большинство исследователей считало, что для проведения таких реакций клетка должна быть целой. Так как ему было нужно законсервировать экстракт, он использовал ту же стратегию, что и повар на кухне: добавил побольше сахара. К его удивлению, экстракт вызвал брожение сахарного сиропа! Так были открыты ферменты, или энзимы (слово «энзим» означает «в дрожжах»)[14]. Вскоре обнаружили, что ферменты можно получить из множества других типов клеток, включая человеческие, и что в каждой клетке содержится великое множество разных видов ферментов. Даже простая бактериальная клетка может содержать более тысячи разных типов ферментов, и молекул каждого типа бывают сотни и тысячи.
В благоприятных условиях можно выделить определенный фермент, очистив от примеси всех остальных, и изучить его действие изолированно, в растворе. Подобные исследования показали, что каждый фермент весьма специфичен и катализирует только одну определенную химическую реакцию или, в лучшем случае, несколько близких реакций. Без данного конкретного фермента химическая реакция в условиях умеренной температуры и кислотности, обычно свойственных живой клетке, проходит очень-очень медленно. Добавьте фермент, и реакция пойдет нормальным темпом. Если вы как следует разболтаете в воде крахмал, мало что произойдет. Плюньте туда, и фермент амилаза в вашей слюне начнет расщеплять крахмал на сахара.
Следующим крупным открытием стало то, что все исследованные ферменты оказались макромолекулами и все они принадлежали к одному и тому же семейству макромолекул – к белкам. Ключевое открытие сделал в 1926 г. однорукий американский химик Джеймс Самнер. Нелегко заниматься химическими опытами с одной рукой (другую он потерял в юности из-за несчастного случая на охоте), но Самнер, обладая решительным характером, задался целью доказать, что ферменты – белки. Ему удалось показать, что один конкретный фермент – уреаза – является белком, и получить его кристаллы, однако его выводы поначалу не получили поддержки. Напротив, группа немецких исследователей горячо оспаривала эту идею, к досаде Самнера, но в итоге оказалось, что он был прав. В 1946 г. за свое открытие он получил Нобелевскую премию по химии (совместно с двумя другими учеными). И хотя недавно обнаружилось несколько важных исключений из этого правила, идея, что ферменты – это почти всегда белки, все еще верна.
