Белок: стройматериал живого

Чтобы уяснить, почему восторжествовала метафора всевластия генов, нужно разобраться, как понимают ДНК те, кто их с таким рвением изучают.

В свое время химики-органики установили, что клетки состоят из очень крупных молекул четырех типов: полисахаридов (сложных Сахаров), липидов (жиров), нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков. И хотя клетке необходимы все эти четыре типа молекул, наиболее важным их компонентом является белок. По существу, клетки представляют собой сооружения из ста тысяч белковых «кирпичей». И один из способов описания наших состоящих из триллионов клеток тел — представить их в виде белковых машин (надеюсь, вы уже поняли, что лично я считаю нас чемто большим, нежели машины!).

Давайте 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 нуклеиновых кислот наподобие игрушечного детского ожерелья на втулках (см. рисунок).

«Бусины» в «ожерелье» белка — это молекулы одной из двадцати используемых клетками аминокислот. По правде говоря, при всей своей наглядности, аналогия с ожерельем не совсем верна, поскольку молекула каждой аминокислоты несколько отличается по форме. Так что ради точности нам придется сказать, что наше ожерелье помяли на фабрике.

А если быть еще более точным, следует принять во внимание то, что аминокислотный остов клеточного белка гораздо мягче и податливей детского игрушечного ожерелья, которое распадается, если его чересчур сильно перегнуть. Скажем так: структура аминокислотных цепочек в белках напоминает позвоночник змеи, позволяющий ей и вытягиваться в струну, и сворачиваться в клубок.

Благодаря гибким сочленениям (пептидным связям) между аминокислотами в белковой «змейке» белки могут принимать множество форм. То, какую из них примет такая «змейка», определяется преимущественно двумя факторами. Первый фактор — физическая структура белка, обусловленная последовательностью составляющих его бусинок-аминокислот (которые, как уже было сказано выше, немного отличаются друг от друга по форме). Второй фактор — взаимодействие положительных и отрицательных электрических зарядов на концах связанных друг с другом аминокислот. Благодаря такому взаимодействию, аминокислоты ведут себя как магниты. Одноименные заряды заставляют их отталкиваться друг от друга, в то время как разноименные — притягиваться. Как показано на рисунке вверху, гибкий остов белковой цепи легко принимает ту или иную форму, когда его аминокислотные «позвонки» поворачиваются и изгибают соединяющие их сочленения, чтобы уравновесить силы, возникающие изза имеющихся положительных и отрицательных зарядов.

Каждая из 21 аминокислоты, составляющих каркас белковой цепи, отличается собственной конфигурацией Обратите внимание на то, как отличаются друг от друга «ожерелье», собранное из одинаковых шариков, и «змейка», составленная из трубчатых сегментов различной формы

Молекулярные цепи некоторых белков бывают такими длинными, что для сворачивания 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; их аминокислотные цепи разлагаются на составляющие и заново собираются в процессе синтеза новых белков.

Белковые каркасы на рис. А и Б имеют одну и ту же последовательность аминокислот [трубчатых сегментов], но кардинально отличаются по своей форме. Вариации формы каркаса возникают изза поворота соседних сегментов в сочленениях относительно друг друга. Разные по форме аминокислоты поворачиваются относительно соединяющих их «сочленений» (пептидных связей!, изза чего аминокислотный каркас белка приобретает способность извиваться, как змея. Форма белков не задана жестко, но обычно они принимают дветри конкретные конфигурации. Какую же из показанных конфигураций, А или В, предпочтет наш гипотетический белок? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно принять во внимание то, что две концевые аминокислоты на своих концах заряжены отрицательно. Поскольку одноименные заряды отталкиваются, конфигурация белка будет тем более устойчивой, чем дальше друг от друга они окажутся. Поэтому предпочтение будет отдано конфигурации А.

Как белки создают жизнь

Живые организмы отличаются от неживых прежде всего тем, что они движутся и выполняют «работу» — дышат, переваривают пищу, сокращают мышцы и т. д. Чтобы понять природу жизни, нам необходимо разобраться, что приводит в движение белковые «машины».

Окончательная форма, которую принимает белковая молекула (ее конформация, как говорят биологи), определяется равновесным расположением электрических зарядов в ее аминокислотной цепи. Если распределение положительных и отрицательных зарядов в молекуле белка изменится, она тут же примется выгибаться и приспосабливаться к новой ситуации. Распределение зарядов в белковой молекуле может быть избирательно изменено целым рядом процессов, в частности присоединением других молекул или химических групп (например, гормонов) и даже воздействием внешних электромагнитных полей — скажем, тех, что излучаются мобильными телефонами [Tsong 1989].

Конструктивное совершенство трансформирующихся белков поистине впечатляет: их точнейшим образом выверенная трехмерная конфигурация дает им возможность связываться с другими белками. Когда белковая молекула встречается с другой белковой молекулой, физически и энергетически ей комплементарной, они соединяются примерно так же, как хорошо подогнанные шестеренки в часах.

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

На рис. А показана предпочтительная конформация нашей гипотетической белковой молекулы. Силы отталкивания между двумя отрицательно заряженными концевыми аминокислотами (обозначены стрелками! заставляют цепь растягиваться так, чтобы упомянутые аминокислоты оказались как можно дальше друг от друга На рис. В концевая аминокислота показана 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 данном конкретном случае положительный заряд сигнала больше отрицательного заряда аминокислоты. После того как сигнал связывается с белком, на соответствующем конце цепи образуется избыток положительного заряда. Поскольку положительный и отрицательный заряды притягиваются, аминокислоты станут поворачиваться относительно соединяющих их связей так, чтобы их положительно и отрицательно заряженные концы сблизились.

На следующей иллюстрации функционирование клетки демонстрируется на примере механических часов. На первом рисунке показан металлический механизм с его шестеренками, пружинами, камнями и корпусом. Поворачиваясь, шестеренка А заставляет поворачиваться шестеренку В, шестеренка В шестеренку С и так далее. На следующем рисунке на изображение рукотворного механизма для наглядности наложено увеличенное в миллионы раз изображение белковых молекул. В такой белково-металлической «машине» легко представить себе, как белок 1, поворачиваясь, заставляет вращаться белок 2, а тот, в свою очередь, белок 3. А теперь переведите взгляд на третий рисунок, где уже нет никаких рукотворных деталей. Прошу! Перед вами — белковая «машина», один из тысяч белковых агрегатов, входящих в состав живой клетки!

На рис. С показан переход от конформации А к конформации В. 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.

Белки внутриклеточной цитоплазмы, благодаря совместному действию которых она осуществляв ет свои функции, группируются в особые агрегаты, называемые каскадами, или биохимическими путями. Эти агрегаты классифицируются по их функциям — например, дыхательные каскады, пищеварительные каскады, каскады мышечных сокращений, а также печально известный энергопроизводящий цикл Кребса — подлинное бедствие для студентов, которым приходится запоминать все фигурирующие в нем белковые компоненты и с/южные химические реакции.

_{А В}

Можете ли вы себе представить, в какой восторг пришли биологи, когда разобрались в том, как работают белковые «машины»? Клетка использует их для осуществления различных метаболических и поведенческих функций. Непрерывное движение белков, непрерывное изменение их формы в течение одной-единственной секунды — вот что движет жизнью!

Верховенство ДНК

Вы, вероятно, заметили, что в двух предыдущих параграфах я ни слова не сказал о ДНК. Почему? Потому что источником движения, обусловливающего различные формы жизнедеятельности клетки, является вовсе не ДНК, а изменение электрической заряженности белков. Откуда же взялось широко распространенное представление о том, что гены «управляют» всем живым? Дарвин в «Происхождении видов» предположил, что наследственные факторы, передающиеся из поколения в поколение, определяют, какие именно признаки будут наблюдаться у потомков. Авторитет Дарвина был столь велик, что ученые сломя голову бросились на поиски этих самых «управляющих ж изнью» наследственных факторов.

В 19J 0 году путем тщательных микроскопических исследований удалось установить, что передаюшдяся из поколения в поколение наследственная информация заключена в хромосомах — нитевидных структурах, которые становятся видны в клетке непосредственно перед тем, как она разделится на две «дочерние» клетки. Хромосомы входят в состав самой большой из органелл клетки — ядра. Изолировав ядро, ученые забрались внутрь хромосом и обнаружили, что они состоят всего из двух типов молекул — белка и ДНК.

В 1944 году ученые определили, что наследственная информация содержится в ДНК хромосом [Avery, et al, 1944; Lederberg 1994]. Эксперименты, позволившие сделать этот вывод, были чрезвычайно изящными. Исследователи выделили ДНК одного вида б актерий — 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 виду А. Когда стало известно, что для передачи наследственных признаков не нужно ничего, кроме ДНК, эта молекула заняла в науке поистине выдающееся место.

Оставалось определить структуру нашей «выдающейся» молекулы. С этой задачей справились Джеймс Уотсон и Френсис Крик. Молекулы ДНК оказались длинными нитевидными цепочками, составленными из азотсодержащих химических соединений четырех видов — так называемых оснований (аденина, тимина, цитозина и гуанина; А, Т, С и G).

Уотсон и Крик сделали вывод, что последовательность аминокислот в остове белковой молекулы определяется последовательностью оснований в молеку­ле ДНК [Watson and Crick 1953]. Длинная цепочка молекулы ДНК подразделяется на отдельные гены — участки, служащие шаблонами для синтеза конкретных белков. Так были обнаружены коды воспроизводства белковых «машин» клетки!

Уотсон и Крик объяснили, почему ДНК идеально подходит для передачи наследственной информации. В обычном состоянии каждая нить ДНК переплетается с еще одной нитью ДНК, образуя свободно свернутую конфигурацию — так называемую двойную спираль. Характерная особенность этой двойной спирали 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 ее точной комплементарной копии. То есть путем разъединения нитей двойной спирали молекулы ДНК становятся самокопирующимися. Это наблюдение позволило предположить, что ДНК самостоятельно управляет своим воспроизводством — что она как бы сама себе «хозяйка».

Исходя из догадки, что ДНК управляет собственным воспроизводством и несет в себе программу выработки белков, Френсис Крик сформулировал Главную догму биологии: положение о главенствующей роли ДНК. Это положение красной нитью пронизывает все научные тексты и, можно сказать, высечено на скрижалях науки, подобно библейским заповедям.

Согласно вышеуказанной догме, ступенькой ниже восседающей на царском троне ДНК располагается ее короткоживущая «ксерокопия» — РНК (рибонуклеиновая кислота). Именно она служит физическим шаблоном для кодирования аминокислотной последовательности, составляющей остов белковой молекулы.

Главная догма биологии определяет образ мышления эпохи генетического детерминизма. Коль скоро облик живого организма определяется характером его белков, а белки кодируются ДНК, последнюю вполне логично считать «первопричиной» тех или иных черт организма.

Проект «Геном человека»

После того как ДНК получила статус Царицы небесной, вполне закономерным стало решение составить каталог всех генетических звезд человеческого небосклона. И в 1980־х годах был начат глобальный научный проект «Геном человека», участники которого поставили перед собой чрезвычайно амбициозную задачу — каталогизировать все имеющиеся у человека гены. Предполагалось, что человеческому организму для программирования синтеза более чем 100 тысяч составляющих его белков необходимо по одному гену на белок; к их числу следовало доба־ вить по меньшей мере 20 тысяч регуляторных генов, потребных для согласования деятельности кодирующих генов. Итого, нехитрые подсчеты показывали, что 23 пары человеческих хромосом должны содержать как минимум 120 тысяч генов.

Но это только присказка, сказка впереди. С теми, кто начинает держаться запанибрата с тайнами Вселенной, природа любит шутить злые шутки поистине космического масштаба.

Давайте вспомним, к чему привело заявление Николая Коперника, что Земля, вопреки представлениям тогдашних полу-ученых полубогословов, отнюдь не Центр мира. Его революционное открытие, опубликованное в 1543 году, подорвало основы учения Церкви, лишило ее непререкаемого авторитета и ознаменовало собой начало современной науки.

Нынешним догматикам от биологии довелось испытать сравнимый по силе шок. Выяснилось, что человеческий геном содержит не 120 тысяч генов, а всего лишь примерно 25 тысяч [Pennisi 2003а, 2003b; Pearson 2003; Goodman 2003]. Иными словами, ученые не досчитались 80% необходимых, как они полагали, человеку генов. Эти куда-то девшиеся гены наделали больше шума, чем восемнадцать минут аудиозаписей, пропавшие на никсоновских пленках*. Ведь концепция «один ген — один белок» была краеугольным камнем генетического детерминизма. И коль скоро проект «Геном человека» опроверг эту концепцию, всем высокоумным теориям генетиков о том, как функционирует жизнь, прямая дорога на свалку! Теперь уже невозможно веровать в то, что генные инженеры сравнительно легко сумеют разрешить наши проблемы. Столь малое количество генов (всего лишь 25 тысяч) попросту не в состоянии нести всю полноту ответственности за такие сложные явления, как человеческая жизнь и человеческие болезни!

Допускаю, вы прочли эти слова с усмешкой. Если я кажусь вам цыпленком Цыпой, заявляющим, что небо генетики упало ему на голову*, погодите с окончательными выводами. Большие Сильные Звери науки говорят то же самое, что и я. Бот как прокомментировал удивительные результаты проекта «Геном человека» один из ведущих генетиков мира, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор:

* Цыпленок Цыпа (Chicken Little) — персонаж старинной сказки, принявший желудь, упавший ему на голову, за кусочек неба. Этот сюжет впоследствии использовался во множестве произведений, в частности в вышедшем в 2005 г. мультфильме студии Уолта Диснея «Цыпленок Цыпа».

«Если только человеческий геном не содержит множества генов, недоступных нашим компьютерам, несомненная сложность человека по сравнению с растениями и червями достигается отнюдь не за счет задействования большего числа генов.

Понимание того, откуда все-таки берется наша сложность — колоссальное разнообразие нашего поведения, способность к сознательным поступкам, великолепная физическая координация, точно выверенная подстройка к изменениям внешней среды, обучаемость, память... можно не продолжать, верно? — остается делом будущего» [Baltimore 2001].

По словам Балтимора, результаты проекта «Геном человека» побуждают нас рассматривать альтернативные идеи по поводу того, чем управляется жизнь. «Понимание того, откуда все-таки берется наша сложность... остается делом будущего». Небо все-таки упало!

* Речь идет о лакуне на одной из магнитофонных пленок, предоставленных суду в связи с так называемым Уотергейтским делом о незаконном прослушивании политических конкурентов, которое повлекло за собой отставку президента США Р. Никсона в 1974 г.

Помимо всего прочего, результаты проекта «Геном человека» побуждают нас пересмотреть наши взаимоотношения с биосферой. Мы больше не имеем права доказывать свое эволюционное превосходство над другими живыми существами ссылками на свои гены, — если судить по их количеству, человек не так уж и отличается от гораздо более примитивных организмов. Возьмем для примера три наиболее изученных объекта генетических исследований: микроскопического червя-нематоду Caenorhabditis elegans, плодовую мушку-дрозофилу и обычную лабораторную мышь.

Червь Caenorhabditis — идеальный объект для изучения роли генов в развитии и поведении особи, он хорошо поддается генетическим манипуляциям. Тело этого быстро растущего и хорошо размножающегося создания состоит из 969 клеток; в его незамысловатом мозге насчитывается примерно 302 клетки. Несмотря на это, Caenorhabditis обладает уникальным поведенческим репертуаром. Его геном состоит примерно из 24 ООО генов [Blaxter 2003]. В человеческом теле, состоящем из более чем пятидесяти триллионов клеток, лишь на 1500 генов больше.

У еще одного излюбленного объекта научных исследований — плодовой мушкидрозофилы — насчитывается 15 000 генов [Blaxter 2003; Celniker, et al, 2002]. Иными словами, гораздо более сложный, по сравнению с примитивным Caenorhabditis, организм этой плодовой мушки содержит на 9000 генов меньше, чем у него.

Что касается мышей, нам стоило бы смирить собственную гордыню. Исследования генома мыши проводились параллельно с исследованиями проекта «Геном человека». Так вот, у человека и грызунов количество генов приблизительно одинаково!