100 великих загадок природы - Николай Непомнящий

Отклики прессы тоже были самыми восторженными. Газета «Нью-Йорк таймс» оповестила читателей о «революции в медицине». Произошло «важнейшее событие в науке за последние сто лет» — вторила ей канадская газета «Глоб энд мейл».

Ученые сумели отвоевать у природы тайный план, по которому построен человеческий организм. Теперь, заявил Билл Клинтон, «мы научимся понимать язык, на котором Бог сотворил жизнь».

Эти события оказались в центре внимания СМИ, а вот другие недавние достижения генетиков — расшифровка геномов ряда животных (в основном микроорганизмов) — остались в тени. Еще весной 2000 года фирма Celera представила последовательность генов плодовой мушки Drosophila melanogaster, непременной участницы почти всех генетических открытий. В октябре того же года был расшифрован геном мыши — важнейшего модельного организма, помогающего исследовать человеческие болезни.

Прочитаны также геномы более полусотни микробов. Есть в этом списке и возбудители опасных заболеваний, например, туберкулеза и менингита. Ученые детально исследовали также геном бактерии Pseudomonas aeroginosa, вызывающей газовую гангрену. Теперь они выясняют, каким образом эти бактерии поражают человека и размножаются в нем, что в дальнейшем поможет найти новые методы лечения и создать эффективные лекарства.

Итак, в 2000 году наконец удалось составить точную карту генома человека — получить бесконечный ряд «букв», в котором среди всякого биологического хлама затеряны отдельные «слова», то есть гены. Теперь одни специалисты заняты «биогерменевтикой»: они истолковывают добытую запись, отыскивая среди невнятицы знаков все новые гены. Другие ученые обратились к сотворенному генами — к протеинам.

На первый взгляд структура протеинов кажется очень простой. В их построении участвуют 20 натуральных аминокислот. Все они имеют одну общую формулу. По своей конфигурации аминокислота напоминает букву L. В ее основе лежит группа СН, составленная из атомов углерода и водорода.

Аминокислоты — это соединения, сочетающие свойства и кислоты, и щелочи. Если несколько аминокислот соединены друг с другом, возникает протеиновая цепочка. Ее можно сравнить с жемчужным ожерельем, где вместо жемчужин нанизаны аминокислоты. Схема расположения аминокислот четко определена генами.

В водном растворе цепочка аминокислот сворачивается в характерный клубок, каждый протеин имеет свою особую пространственную структуру. Сейчас известно лишь в общих чертах, по каким законам образуется этот клубок. Пока ученых больше всего изумляло разнообразие имеющихся в природе вариантов. Так, протеиновая цепочка, состоящая всего из 90 аминокислот, может в принципе образовать до десяти в восьмидесятой степени (единица с 80 нулями!) различных пространственных структур. Правда, из всего этого разнообразия в природе может реализоваться в виде биологически активных молекул лишь очень небольшое число вариантов.

Объясняется это разнообразие тем, что в клубке аминокислот между атомами соседних витков возникают особые водородные связи. Они устанавливаются между атомами водорода, с одной стороны, и атомами кислорода, азота и серы, с другой стороны.

Если что-то в этих связях нарушится, образуется дефектный белок. Это та опасность для организма, которая может привести к тяжелому заболеванию. Например, такая известная сейчас болезнь как коровье бешенство, или губчатая энцефалопатия мозга, вызвана именно появлением в организме дефектного белка — приона (от английской фразы protein infectious— «инфекционный протеин»). Как только к человеку попадает в пише этот «белок-убийца»,, организм начинает его копировать, что в конечном итоге приводит) к гибели.

Сохранение правильной структуры протеинов — жизненно важная задача. Поэтому в живых клетках имеются особые молекулы — шапероны, которые следят за тем, чтобы дефекты не возникали. Функции этих молекул и способ их действия были выяснены лишь в последние годы.

Подведем предварительные итоги. Гены — это всего лишь «инструкция», «схема», по которой изготовлен подлинный «продукт» — протеины. Говоря образно, гены — поваренная книга, содержащая тысячи рецептов; протеины — угощение, приготовленное с их помощью.

Все живые организмы состоят прежде всего из протеинов. В жизненно важных процессах, протекающих внутри организмов, участвует невероятное их множество. Для большинства биохимиков стало теперь ясно, что многообразие жизненных процессов нельзя сводить исключительно к генам. Его обеспечивает другая стадия — стадия протеинов.

В начале XX века протеины уже находились в центре внимания ученых. Именно тогда ученые пришли к выводу, что белковые молекулы являются основными участниками жизненных процессов, и назвали их «протеинами» (от греческого слова protos — «первый»). Когда в середине века было доказано, что молекулы| ДНК содержат уникальную информацию о структуре белка, которая затем реализуется в виде цепочек аминокислот, тогда внимание ученых переключилось на генетический код живых организмов. Интерес вызывали прежде всего нуклеиновые кислоты, в частности ДНК и РНК, а вот протеины казались теперь чем-то второстепенным.

Еще в 60-е годы ученые выяснили приблизительный механизм возникновения протеинов. В ядре каждой клетки тела (за исключением красных кровяных телец) содержится точная схема всех протеинов, из которых состоит организм. Текст этой оригинальной инструкции представляет собой бесконечную цепочку из четырех нуклеотидов (азотистых оснований). Их комбинации составляют схему строения некоего протеина. Эта схема, как уже сказано, хранится в ядре клетки.

До недавнего времени считалось, что у каждого гена имеется схема всего одного протеина с одной-единственной функцией. Однако теперь выяснилось, что все гораздо сложнее, чем полагали прежде. Так, у человека один и тот же ген иногда участвует в синтезе нескольких протеинов (всего их может быть до двух десятков!).

Мало того, многие протеины со временем меняются, и гены никак не влияют на этот процесс. Происходит это путем присоединения к белкам особых побочных групп — фосфатидов, сахаридов или ненасыщенных углеродных цепочек. Все эти преобразования, как и формирования пространственной структуры протеина, никак не отмечены в каких-либо схемах (генах).

Другими словами, даже если генетикам удастся полностью истолковать весь геном, они — вернемся к нашему кулинарному сравнению — окажутся в положении посетителя ресторана, который заказал несколько блюд из предложенного ему меню, но, когда их список был отправлен на кухню, с удивлением узнал, что на этой «протеиновой кухне» все равно приготовят «что-нибудь на свое усмотрение», выбрав такие добавки и приправы, о каких в заказе не было и речи.

По аналогии с геномом — совокупностью всех человеческих генов — сумму всех протеиновых молекул, сформированных в клетке в определенный момент времени, называют «протеомом». Геном говорит, какие процессы могут теоретически протекать внутри данной клетки, а протеом, судя по имеющимся в наличии протеинам, подсказывает, что в самом деле здесь происходит.

Геном имеет неизменный вид — протеом постоянно меняется. Ведь на состав протеинов влияют самые разные факторы: выбор питательных веществ и приток кислорода, перенесенный внезапно стресс, принятые по рецепту лекарства, и даже механическое давление. Организм все время реагирует на состояние окружающей среды, пытаясь сохранить физиологическое равновесие (например, нормальное кровяное давление или температуру тела, равную 36,6 °С). Для этого приходится нейтрализовать влияние внешних факторов, которые стремятся, наоборот, вывести организм из равновесия. Эта борьба протекает с переменным успехом, например, при недоедании приходится тратить накопленные прежде питательные вещества; если же в них наблюдается избыток, то можно отложить порцию их про запас. Все эти процессы связаны с синтезом, метаморфозом и разложением протеинов. Итак, «протеом» — это опись имущества клетки по состоянию на данную минуту или моментальное фото, запечатлевшее одно из мгновений в жизни клетки.

Анализировать протеины труднее, чем подсчитывать и оприходовать гены Ведь протеины подчас изменчивы, как Протей; они меняют свою структуру, если меняется окружающая их среда, и, в отличие от ДНК, их вряд ли размножишь в пробирке. Если расшифровка генома (точнее, составление его карты) была автоматизирована так, что «с ней справилась бы любая обезьяна», как насмешливо заметил нобелевский лауреат Джеймс Уотсон, один из открывателей структуры ДНК, то методы анализа протеинов гораздо сложнее.

Однако, невзирая на эти проблемы, все больше университетских ученых берется за честолюбивую задачу — анализ протеома. Их увлекают новые методы лечения больных и синтез новых лекарств. Если удастся полностью описать протеомы различных клеток, то можно было бы и фиксировать изменения, происходящие с ними. Очень важно знать, что происходит с клетками человека, когда он сидит на диете или занимается спортом, принимает лекарства или получает травму. А как меняется запас протеинов с возрастом? А чем ответит протеом на появление в организме раковой опухоли?