Строительный материал живого – белок

 

Нам не составит труда понять, как и почему закрепилась метафора генного управления, если мы вспомним, с каким рвением ученые набросились на изучение механизмов ДНК. Химики‑органики в свое время установили, что клетки состоят из четырех типов очень крупных молекул – полисахаридов (сложных сахаров), липидов (жиров), нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков. И хотя клетке необходимы все эти четыре типа молекул, наиболее важным компонентом живых организмов является белок. По существу, наши клетки представляют собой сооружения из белковых «кирпичей». Поэтому один из способов рассмотреть наши состоящие из триллионов клеток тела – это представить их себе в виде белковых машин (хотя, как вы уже знаете, я считаю нас чем‑то большим, нежели машины!). Однако в действительности это несколько сложней, чем может показаться, хотя бы потому, что в нашем теле действуют более 100 тысяч белков различных видов.

Давайте внимательней присмотримся к тому, как соединены друг с другом в наших клетках эти сто с лишним тысяч белков. Каждый белок представляет собой линейную цепочку связанных друг с другом молекул аминокислот[13] – что‑то вроде детского ожерелья с бусинками (см. рисунок).

 

 

Каждая такая бусинка – это молекула одной из двадцати используемых в клетках аминокислот. При всей своей наглядности аналогия с бусами здесь не совсем верна, поскольку молекула каждой аминокислоты несколько отличается по форме от другой. Если быть совсем точным, то придется сказать, что наши бусы слегка помяли на фабрике.

А еще лучше принять во внимание, что аминокислотное ожерелье, этот «остов» клеточных белков, гораздо мягче и податливей бус, которые разорвутся, если их перегнуть чересчур сильно. Структура и поведение аминокислотных цепочек в белках во многом напоминает позвоночник змеи (фото на стр. 70). Составленный из множества связанных друг с другом элементов (позвонков), он дает возможность змее принимать самые разные формы – от прямой линии до клубка.

 

 

Гибкие сочленения (пептидные связи) между аминокислотами в белковой «змейке» позволяют белкам принимать множество конформаций. Какую из них примет «змейка» – определяется в основном двумя факторами. Прежде всего, это первичная структура белка, т. е. последовательность бусинок‑аминокислот, которые его составляют.

 

В отличие от бусинок, каждая из 20 аминокислот, составляющих каркас белковой цепи, имеет собственную конфигурацию. Обратите внимание на то, как отличаются между собой «змейка» из одинаковых шариков, и та, что составлена из трубчатых сегментов различной формы.

 

Второй фактор связан со взаимодействием электрических зарядов в связанных друг с другом аминокислотах. Большинство аминокислот положительно или отрицательно заряжены, из‑за чего они ведут себя подобно магнитам: одноименные заряды заставляют молекулы отталкиваться, а разноименные – притягиваться. Как показано на рисунке, гибкий остов белковой цепи легко принимает необходимую форму, когда его аминокислотные «позвонки» поворачиваются и изгибают соединяющие их сочленения, чтобы уравновесить силы, которые возникают из‑за положительных и отрицательных зарядов.

 

Белковые каркасы А и В имеют одну и ту же последовательность аминокислот (трубчатых сегментов), но кардинально отличаются по своей конфигурации. Вариации возникают из‑за поворота соседних сегментов друг относительно друга в сочленениях. Подобно трубчатым сегментам, аминокислоты белков разных размеров также поворачиваются относительно соединяющих их «сочленений» (пептидных связей), из‑за чего каркас приобретает способность извиваться, как змея. Форма белков не задана жестко, но обычно они принимают две‑три конкретные конфигурации. Какую же из конфигураций, А или В, предпочтет наш гипотетический белок? Ответить на это можно, приняв во внимание, что две концевые аминокислоты несут отрицательный заряд. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, конфигурация будет тем более устойчивой, чем дальше друг от друга они окажутся. Поэтому предпочтение будет отдано А.

 

Молекулярные цепи некоторых белков бывают такими длинными, что для сворачивания (фолдинга, или укладки) им необходима «помощь» особых вспомогательных белков, называемых хаперонами. Неправильно свернутые белки, подобно людям с дефектами позвоночника, не могут функционировать должным образом. Такие белки клетка маркирует как подлежащие уничтожению – соответствующая аминокислотная цепь разлагается на составляющие, и заново собирается другая в процессе синтеза новых белков.

 

Как белки создают жизнь

 

Живые организмы отличаются от неживых тем, что движутся. Именно энергия их движения используется для выполнения «работы», характерной для живых систем, – дыхания, пищеварения, мышечного сокращения. Чтобы понять природу жизни, нам необходимо прежде всего разобраться, что приводит в движение белковые «машины».

 

 

На первом рисунке (стр. 72) А представляет собой предпочтительную конформацию нашей гипотетической белковой цепи. Силы отталкивания между двумя отрицательно заряженными концевыми аминокислотами (обозначены стрелками) заставляют цепь растягиваться так, чтобы эти аминокислоты оказались как можно дальше друг от друга. B – это концевая аминокислота крупным планом. Сигнал – в данном случае молекула, имеющая большой положительный заряд (белый шарик), притягивается к отрицательно заряженному участку концевой аминокислоты и связывается с ним. В этом конкретном случае положительный заряд сигнала больше отрицательного заряда аминокислоты. После того как он связывается с белком, на соответствующем конце цепи образуется избыток положительного заряда. Поскольку положительный и отрицательный заряды притягиваются, аминокислоты белковой цепи станут поворачиваться относительно соединяющих их связей так, чтобы положительно и отрицательно заряженные концы сблизились. C демонстрирует переход от конформации А к конформации B. Изменение конформации порождает движение, которое используется для выполнения полезной работы – в частности, для осуществления таких функций, как пищеварение, дыхание и сокращение мышц. Когда сигнал отделяется, белок возвращается к своей предпочтительной вытянутой конформации. Так сигнально‑обусловленное движение белковых молекул делает возможными процессы жизнедеятельности.

 

Окончательная форма, которую принимает молекула белка (ее конформация, как говорят биологи), отражает равновесное расположение ее электрических зарядов. Но если распределение положительных и отрицательных зарядов молекулы изменится, то основа белка тут же начнет изгибаться и приспосабливаться к новой ситуации. Распределение зарядов в белковой молекуле может быть избирательно изменено целым рядом процессов, в частности присоединением других химических веществ (например, гормонов), воздействием ферментов или присоединением ионов и даже воздействием внешних электромагнитных полей – например, тех, что излучаются мобильными телефонами.

Трансформирующиеся белки представляют собой пример еще более впечатляющего конструктивного совершенства, так как их точнейшим образом выверенная трехмерная конфигурация дает им возможность связываться с другими белками. Когда молекула белка встречается с другой физически и энергетически комплементарной белковой молекулой, они соединяются друг с другом примерно так же, как детали обычных механизмов – например, шестеренки в часах.

 

Разнообразие белков. На рисунке показаны пять различных белковых молекул. Каждой из них свойственна строго определенная трехмерная конфигурация, в точности воспроизводящаяся от клетки к клетке: A – фермент, способствующий усвоению атомов водорода; B – скрученная нить белка коллагена; C – мембранный канал – белок со сквозным отверстием в центре; D – белковая субъединица «капсулы», содержащей вирус; E – ДНК‑синтезирующий фермент с прикрепленной спиральной молекулой ДНК.

 

Рассмотрим еще две иллюстрации. На первой (стр. 74) показаны пять белковых молекул уникальной формы – своего рода молекулярные «шестеренки» клеток. Эти органические «шестеренки» имеют более мягкие края, чем их механические аналоги, но благодаря своей точно выдержанной трехмерной конфигурации они могут надежно сцепляться с другими, комплементарными им белковыми молекулами.

 

 

На второй иллюстрации (перед вами) функционирование клетки демонстрируется на примере механических часов. Вверху показан металлический механизм с его шестеренками, пружинами, камнями и корпусом. Поворачиваясь, шестеренка А заставляет поворачиваться шестеренку B, шестеренка В – шестеренку С и так далее.

На следующем рисунке (среднем на стр. 75) на изображение рукотворного механизма для наглядности наложено изображение белковых молекул, увеличенное в миллионы раз. В такой белково‑металлической «машине» легко представить себе, как белок 1, поворачиваясь, заставляет вращаться белок 2, а тот, в свою очередь, белок 3.

Осмыслив такую возможность, переведите теперь взгляд на третий рисунок (нижний на стр. 75), где уже нет никаких рукотворных деталей. Прошу! Перед вами – белковая «машина», один из тысяч возможных белковых агрегатов, входящих в состав живой клетки!

Белки цитоплазмы, благодаря совместному действию которых осуществляются различные физиологические функции, группируются в особые агрегаты, называемые каскадами, или биохимическими путями. Эти агрегаты классифицируются по их функциям – например дыхательные каскады, пищеварительные каскады, каскады мышечных сокращений и печально известный энергопроизводящий цикл Кребса – это подлинное бедствие для некоторых студентов, которым приходится запоминать все фигурирующие в нем белковые компоненты и сложные химические реакции.

Можете ли вы себе представить, в какой восторг пришли биологи, когда разобрались в работе белковых машин? В клетке эти механизмы используются для осуществления различных метаболических и поведенческих функций. Периодические движения меняющих свою форму белков, повторяющиеся с частотой нескольких тысяч раз в секунду, – вот что движет жизнью.

 

Первенство ДНК

 

Вы, вероятно, заметили, что в предыдущем параграфе я ни слова не сказал о ДНК. Это объясняется тем, что движение, которое обусловливает различные формы жизнедеятельности, порождает отнюдь не ДНК, а изменение электрической заряженности белков. Откуда же взялось это широко распространенное и часто озвучиваемое представление о том, что гены «управляют» всем живым? Дарвин в «Происхождении видов» предположил, что «наследственные» факторы передаются из поколения в поколение, тем самым определяя разнообразные признаки у потомков. Авторитет Дарвина был настолько велик, что ученые, забыв обо всем, бросили все свои силы на поиск этой самой «управляющей» наследственной материи.

В 1910 г. путем тщательных микроскопических исследований удалось установить, что передающаяся из поколения в поколение наследственная информация заключена в хромосомах – нитевидных структурах, которые становятся видны в клетке непосредственно перед тем, как она разделится на две «дочерних» клетки. Хромосомы встроены в самую большую органеллу дочерней клетки – ядро. Изолировав ядро, ученые проникли внутрь хромосом и обнаружили, что наследственные элементы, по существу, состоят всего из двух типов молекул – белка и ДНК. Белковые механизмы живого каким‑то образом были задействованы в структуре и функции этих хромосомных молекул.

Функция хромосом еще более прояснилась в 1944 г., ко гда ученые определили, что наследственная информация содержится именно в ДНК. Эксперименты, позволившие сделать этот вывод, были чрезвычайно изящными. Исследователи выделили чистую ДНК у одного вида бактерий – назовем его видом А, и добавили к культуре, содержащей только бактерии вида Б. Очень скоро у бактерий вида Б стали проявляться наследственные признаки, ранее свойственные только виду А. И с тех пор, как стало известно, что для передачи наследственных признаков не нужно ничего, кроме ДНК, эта молекула и заняла в науке столь выдающееся место.

Оставалось только определить структуру этой молекулы. С этой задачей справились Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик. Молекулы ДНК оказались длинными нитевидными цепочками, составленными из азотсодержащих химических соединений четырех видов – так называемых оснований (аденина, тимина, цитозина и гуанина – A, T, C и G). Открытие Уотсона и Крика привело их к выводу, что последовательность оснований в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в остове молекулы белка. Длинная цепочка ДНК может быть разбита на отдельные гены – участки, служащие шаблоном для синтеза конкретных белков. Код воспроизводства белковых механизмов клетки был найден!

Уотсон и Крик объяснили также, почему ДНК – это идеальная молекула для передачи наследственности. В обычном состоянии каждая нить ДНК переплетается с еще одной нитью, образуя свободно свернутую конфигурацию, известную под названием «двойной спирали». Гениальность такой системы в том, что последовательности оснований в обеих нитях ДНК являются зеркальными отражениями друг друга. Когда нити ДНК расплетаются, каждая из них содержит информацию, необходимую для воспроизводства точной, комплементарной копии самой себя. Таким образом, путем разъединения нитей двойной спирали, молекулы ДНК становятся самокопирующимися. Это наблюдение и привело к выводу, что ДНК сама управляет своим воспроизводством, – что она сама себе «хозяйка».

Предположение о том, что ДНК управляет собственным воспроизводством, а также несет в себе программу выработки белков того или иного организма, привело Френсиса Крика к формулированию Центральной Догмы биологии – догмы о главенствующей роли ДНК. Эта догма настолько фундаментальна для современной биологии, что едва ли не высечена на скрижалях, подобно Десяти заповедям. Положение о «Первенстве ДНК» красной нитью проходит сквозь все научные тексты.

В картине развертывания жизни, согласно этой Догме, ступенькой ниже величественно восседающей на вершине ДНК, располагается РНК – короткоживущая «ксерокопия» ДНК. Именно она служит физическим шаблоном для кодирования аминокислотной последовательности в остове белковой молекулы. Схема, в которой ДНК отводится ведущее место, определяет логику века генетического детерминизма. Коль скоро облик живого организма определяется характером его белков, а его белки кодируются ДНК, именно последняя должна считаться «первопричиной» тех или иных черт организма.

Предположение Центральной Догмы об одностороннем потоке информации от ДНК к РНК и к белку имеет огромное значение. Поскольку белки представляют собой физические тела, Догма подразумевает, что ваше тело и ваш жизненный опыт не могут отправить информацию назад и изменить ДНК. Согласно Догме, она контролирует вашу жизнь, и вы не можете влиять на свою ДНК!

 

Проект «Геном человека»

 

После того как ДНК получила свой статус Суперзвезды, ученым осталось только составить каталог всех генетических звезд человеческого небосклона. Именно это составляло задачу проекта «Геном человека» – начатого в 1980‑х гг. глобального научного предприятия по созданию перечня всех человеческих генов.

С самых первых дней проект «Геном человека» отличался чрезвычайной амбициозностью. Было принято считать, что организму необходимо по одному гену для программирования синтеза каждого из более чем 100 тысяч составляющих его белков. Добавьте сюда по меньшей мере 20 тысяч регуляторных генов, необходимых для согласования деятельности кодирующих генов. Поэтому ученые пришли к выводу, что человеческий геном должен содержать как минимум 120 тысяч генов, заключенных в 23 парах человеческих хромосом.

Но это только присказка. Сказка в том, что природа приготовилась сыграть шутку космического масштаба – одну из тех, которые она так любит делать с учеными, решившими проникнуть в тайны Вселенной. Вспомните, какое воздействие на умы оказало опубликованное в 1543 г. открытие Николая Коперника, что Земля, вопреки представлениям тогдашних полуученых‑полубогословов, отнюдь не центр мира. То, что Земля обращается вокруг Солнца, которое также не является центром Вселенной, подорвало основы христианского учения. Заставив людей усомниться в непогрешимости Церкви, революционное открытие Коперника фактически ознаменовало собой начало современной науки, которая в итоге положила конец роли Церкви как единственного для западной цивилизации источника познания тайн мира.

Генетики испытали сравнимый по силе шок, когда обнаружили, что человеческий геном состоит не из 120, а только из примерно 25 тысяч генов. Более 80 % предполагавшихся и необходимых генов не существует! Пропавшим генам было суждено наделать больше шума, чем исчезнувшим восемнадцати минутам на никсоновских пленках[14]. Концепция «один ген – один белок» была в числе краеугольных камней генетического детерминизма. И коль скоро проект «Геном человека» опроверг эту концепцию, то нашим теориям о функционировании жизни прямая дорога на свалку. Теперь уже невозможно верить в то, что генные инженеры сравнительно легко сумеют разрешить все наши биологические проблемы. Столь малое количество генов попросту не в состоянии нести всю ответственность за такие сложные явления, как человеческая жизнь и наши болезни.

 

Центральная Догма, также называемая Первенством ДНК, определяет направление потока информации в биологических организмах. Как указано стрелками, поток движется только от ДНК к РНК, а затем к белку. ДНК представляет собой долговременную память клетки, передаваемой из поколения в поколение. Нестабильная копия молекулы ДНК, т. е. РНК, является активной памятью, которая используется клеткой в качестве физической матрицы при синтезе белков. Белки являются молекулярными строительными блоками, которые создают структуру клетки и обеспечивают ее поведение. ДНК играет роль «источника», который управляет спецификой белков клетки, отсюда следует концепция Первенства ДНК, что буквально означает «первопричину».

 

Возможно, сказанное покажется вам чем‑то вроде заявления Цыпленка Цыпы о том, что ему на голову упал кусочек неба[15], но я бы попросил вас не торопиться с подобным отношением. Не только Цыпленок – огромные Орлы говорят то же самое. Коснувшись в связи с удивительными результатами проекта «Геном человека» проблемы сложности строения человеческого организма, один из ведущих генетиков мира, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор отметил:

«Если только человеческий геном не содержит множества генов, не выявленных нашими компьютерами, то безусловная сложность человека по сравнению с растениями и червями не может быть достигнута за счет использования большего числа генов. Понимание того, откуда все‑таки берется наша сложность – колоссальное разнообразие моделей поведения, способность к сознательным поступкам, великолепная координация в пространстве, точно выверенная подстройка к изменениям внешней среды, обучаемость, память… – можно не продолжать, верно? – остается задачей будущего».

По словам Балтимора, результаты проекта «Геном человека» побуждают нас рассматривать другие идеи по поводу управления жизнью. «Понимание того, откуда все‑таки берется наша сложность… остается задачей будущего». Небо все‑таки падает.

Результаты проекта «Геном человека» заставляют также пересмотреть наши генетические взаимоотношения с другими организмами биосферы. Мы больше не имеем права ссылаться на гены, объясняя, почему человек стоит на вершине эволюционной лестницы. Как оказалось, по общему количеству генов человек не так уж и отличается от примитивных организмов. Возьмем для примера три наиболее изученных объекта генетических исследований: микроскопического червя‑нематоду Caenorhabditis elegans, плодовую мушку‑дрозофилу и лабораторную мышь.

Примитивный червь Caenorhabditis представляет собой идеальный объект для изучения роли генов в развитии и поведении. Этот быстро растущий и хорошо размножающийся организм имеет четко структурированное тело, состоящее ровно из 969 клеток, и незамысловатый мозг, состоящий примерно из 302 клеток. Несмотря на это, Caenorhabditis обладает уникальным поведенческим репертуаром и, что самое главное, хорошо поддается генетическим манипуляциям. Геном червя Caenorhabditis состоит примерно из 24 тысяч генов. А человеческое тело, состоящее из пятидесяти с лишним триллионов клеток, содержит лишь на чуть больше тысячи генов, чем этот незатейливый беспозвоночный червь!

У плодовой мушки‑дрозофилы, еще одного излюбленного объекта исследований, насчитывается 15 тысяч генов. Иными словами, будучи гораздо более сложным организмом, плодовая мушка содержит на 9 тысяч генов меньше, чем примитивный Caenorhabditis. А если говорить о мышах и людях, то нам стоило бы лучше думать о грызуне – или же смирить свою гордыню: осуществлявшиеся параллельно проекты по определению геномов человека и мыши обнаружили, что у обоих количество генов приблизительно одинаково!

 

Кое‑что из азов клеточной биологии

 

Вообще‑то ученые и раньше должны были бы заметить, что гены не могут управлять нашей жизнью. По определению, управляющий физиологией и поведением организма орган – это его мозг. Так что же, ядро с его ДНК – это мозг клетки? Если такое предположение верно, то удаление клеточного ядра (эта процедура называется энуклеацией) должно привести к мгновенной смерти клетки.

Итак, для ключевого эксперимента… маэстро, барабанную дробь…

Исследователь берет нашу упрямую клетку и укладывает ее на микроскопический операционный стол. При помощи микроманипулятора он заносит над клеткой похожую на иголку микропипетку и ловким движением вводит ее в заполненное цитоплазмой нутро. Ядро клетки аккуратно всасывается в пипетку, после чего выводится наружу. «Мозг» нашей несчастной жертвы извлечен.

Но постойте! Что же это такое, в самом деле… клетка по‑прежнему жива!

«Рана» в клеточной стенке затянулась, и клетка, словно пациент после операции, понемногу приходит в движение. Вот она уже снова на ногах… ну хорошо, хорошо – на псевдоподиях… и бодро покидает поле зрения микроскопа, полная надежды никогда больше не встречаться с этими вивисекторами.

Подвергнутые энуклеации, многие клетки способны прожить еще до двух и более месяцев без всяких генов. Причем они вовсе не напоминают беспомощные комки цитоплазмы – нет, они активно поглощают и переваривают пищу, поддерживают согласованное функционирование своих физиологических систем (дыхательной, пищеварительной, выделительной, двигательной и т. д.), сохраняют способность общаться с другими клетками и должным образом реагировать на внешние раздражения.

Конечно, энуклеация не остается совсем уж без последствий. Лишенные генов, такие клетки не могут ни делиться, ни воспроизводить какие‑либо белковые составляющие, которых они лишаются вследствие обычного старения и износа цитоплазмы. Неспособность заменить дефектные цитоплазматические белки порождает механические дисфункции, из‑за которых клетка, в конце концов, погибает.

Наш эксперимент был задуман лишь для проверки идеи, что ядро – это «мозг» клетки. Если бы после энуклеации клетка мгновенно умирала, то можно было бы сказать, что наблюдения свидетельствуют в пользу этой идеи. Но результаты эксперимента однозначны: лишенные ядра клетки продолжают демонстрировать сложное, скоординированное поведение, характерное для живого организма. Это означает, что «мозг» клетки остался в целости и сохранности.

Тот факт, что энуклеированные клетки сохраняют свои биологические функции в отсутствие генов, известен давно. Еще более ста лет назад в классической эмбриологии проводили рутинные опыты по извлечению ядер из делящихся яйцеклеток, которые показали, что изолированная яйцеклетка без ядра способна достичь даже уровня бластулы – стадии развития, на которой зародыш состоит из сорока и более клеток. Сегодня энуклеированные клетки используются в промышленных целях в качестве «питающего» слоя в клеточных культурах, выращиваемых для наработки противовирусных вакцин.

Но если ядро с его генами не является клеточным мозгом, то в чем же именно состоит вклад ДНК в жизнь клетки? Энуклеированные клетки гибнут не потому, что у них нет мозга, а потому, что лишаются репродуктивных способностей. Не будучи в состоянии воспроизводить собственные компоненты, эти клетки не могут ни заменить дефектные белковые «кирпичики», ни создать собственные копии. Выходит, что ядро – это никакой не мозг клетки, а ее орган размножения! Спутать орган размножения с мозгом… Ну, это вполне понятная ошибка, если принять во внимание традиционно царящий в науке патриархат. Мужчин частенько обвиняют в том, что они думают не головой, а своими репродуктивными органами, – так стоит ли удивляться аналогичной оплошности со стороны науки?