|
ЮРИИ АНАТОЛЬЕВИЧ ОВЧИННИКОВ (родился в 1934 г.), академик, вице-президент АН СССР, председатель Секции химикотехнологических и биологических наук Президиума АН СССР, директор Института биоорганической химии им. М. М. Шемякина. Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственной премий.
Известен работами в области изучения структуры и функций белков и пептидов, таких, как аепартат-амино-трансфераза, рибосомаль-ные белки, РНК-полимера-за, бактериородопсин, нейротоксины.
АЛЕКСЕИ НИКОЛАЕВИЧ ШАМИН (родился в 1931г.), доктор химических наук, руководитель Проблемной группы истории биохимии и биоорганической химии Института истории естествознания и техники АН СССР. Специалист в области истории науки и науковедения. Известен трудами в области истории биохимии, биоорганической химии и молекулярной биологии. Автор более 150 научных трудов, в том числе 10 монографий.
Строение белка 9
Структурные и сократительные белки 36
Ферменты 49
Защитники организма 73
Белки-регуляторы 92
Строение белков и клетка 119
ФPAГMEHT КНИГИ (...) Изучение функций гормонов поставило перед учеными новую задачу. С ферментами было более или менее ясно — у них должны быть определенные площадки, обеспечивающие соединение фермента с субстратом и осуществляющие ускорение химической реакции. С гормонами было сложнее. Они регулировали не просто реакции обмена веществ, т. е. химические процессы, а сложные физиологические функции, включали деятельность отдельных органов и систем организма. Если и можно было допустить, что все эти процессы так или иначе связаны с какими-то химическими реакциями, то эти реакции должны были или быть ключевыми для очень сложных комбинаций других реакций, или служить определенными «сигналами» для начала или выключения каких-то процессов. Потом оказалось, что
пептидные структуры обладают гораздо большими возможностями — были открыты так называемые нейропептиды, которые уже не просто передавали «сигналы», а сообщали целые «фразы», вызывая определенные поведенческие реакции у животных и даже человека.
Но это было много позже, а пока вопрос стоял лишь о молекулярном механизме действия гормонов — какие элементы их структуры и как осуществляют регулирование физиологических процессов.
Гормоны выделяются в кровь железами внутренней секреции, разносятся с током крови по всему организму и влияют на работу органов и тканей. Они регулируют и координируют функции многочисленных систем в организме животных и человека. Иногда они действуют на определенные органы-мишени, иногда обладают общим действием на весь организм. Инсулин как раз такой гормон с генерализованным действием — он регулирует обмен углеводов. А адренокортикотропный гормон (АКТГ) действует лишь на кору надпочечников.
Есть гормоны, которые регулируют биосинтез белка, а также деятельность генов. Это предположение возникло, когда обнаружили, что экдизон — гормон линьки насекомых (правда, это вещество не белок, а стероид) — вызывает повышенный синтез нуклеиновых кислот — матриц, на которых синтезируются белки.
Физиологи установили, что для того, чтобы гормоны оказывали нужное действие, их должно образовываться в организме строго определенное количество. Для биохимиков это был важный сигнал, который свидетельствовал о строго молекулярных отношениях, существующих в системах действия гормонов. При этом сама система «производства» ряда гормонов тоже регулируется с помощью специальных гормонов. Иногда такое влияние было непосредственным, например в случае АКТГ и коры надпочечников. В других случаях, для того чтобы гормон начал образовываться, необходимо, чтобы нервное возбуждение передалось в гипоталамус, особую область головного мозга. В гипоталамусе, кстати, образуется вазопрессин. Под действием возбуждения в нем синтезируются также очень интересные пептиды, которые сначала получили название рилизинг-факторов, а теперь их называют либеринами. Они поступают в гипофиз — специальную железу, которая прикреплена к мозгу и соединена с гипоталамусом. В нем вырабатываются так называемые тропные гормоны, которые, в свою очередь, и вызывают образование гормонов периферическими эндокринными железами.
Перед нами, таким образом, очень сложная и до конца не выясненная система передачи информации внутри сложного организма. Информация передается с помощью веществ пептидной природы. И весь этот механизм, в свою очередь, регулируется по принципу обратной связи — повышение выделения какого-либо гормона тут же влияет на образование фактора, способствующего этому. В результате чего нормализуется выделение гормона.
Но для биохимиков было важно выяснить, как взаимодействуют гормоны с органами и клетками-мишенями, например. Они обладали явной специфичностью действия. Исследования оказались ориентированы на поиски специфических соединений, с которыми могли соединяться, притом строго специфично, пептидные гормоны. Естественно было предположить, что это тоже будут белки. Мысль была правильной, но ученые долго не могли выявить вещества, которые должны были играть роль «включателей — выключателей» для гормонов.
Рецепторы, в конце 70-х гг. была предложена гипотеза молекул-рецепторов. Идея о существовании рецепторов возникла у физиологов, которые занимались изучением разнообразных процессов, связанных с передачей сигналов по нервам. Рецепторами они называли те образования (и органы), с помощью которых живые организмы воспринимают воздействия внешней среды. Рецепторы помогают * нам видеть, слышать, воспринимать изменения температуры, осязать, ощущать вкус пищи, запахи. У некоторых рыб существуют рецепторы, воспринимающие изменения магнитных полей. Проблема рецепции — одна из важных проблем современной биологии.
Есть рецепторы внешние и есть внутренние, которые обеспечивают поступление сигналов о состоянии внутренних органов. Есть даже специальные проприорецепторы, благодаря которым мы можем ощущать некоторые из своих тканей, прежде всего мышцы.
И вот благодаря прогрессу биохимии и биоорга-нической химии проблема рецепции приобрела новые очертания. Все началось со старой идеи «ключа и замка» — представления о взаимодействии фермента и субстрата. Данные о том, что для многих рецепторных актов должно быть предложено «молекулярное» объяснение, накапливались исподволь. Возникли гипотезы о механизме восприятия запахов, основанные на представлениях о том, что молекулы пахучих веществ должны как-то пространственно соответствовать веществам (каким? — белкам, естественно), содержащимся в клетках рецепторов обоняния. Или вдруг были открыты очень интересные факты, объясняющие действие сильнейших ядов — нейротоксинов — именно тех, которые содержатся в ядовитых железах кобр или которыми быстро убивает свои жертвы скорпион. Оказалось, что они также могут быть объяснены с помощью пространственных взаимодействий с белковыми структурами.
Так проблема рецепции перешла на «молекулярный уровень». И вот тут она оказалась очень кстати для объяснения действия пептидных гормонов и гормонов-белков. При этом проблема рецепции невероятно расширилась. Мы узнали не только, как действуют наши органы чувств или как передаются сигналы по нервным волокнам, но и как управляются процессы обмена веществ клетки и организма.
Рецепторы большинства гормонов (относящихся к классам полипептидов и белков) включены в мембраны клетки. Эти рецепторы по своей природе являются особыми белками. Нередко они соединены с углеводными компонентами и их относят к классу гликопротеидов.
В ответ на связывание гормона рецепторами, находящимися в мембранах, в клетке происходит изменение ряда обменных процессов. Рецепторы отличаются необыкновенно высокой специфичностью — они идеально приспособлены к своим гормонам. Это очень важно — организм не может ошибаться при регуляции ряда процессов — ошибка может привести к нарастанию различных нарушений обменных процессов и в конце концов к гибели клетки или даже организма. Это и происходит при некоторых заболеваниях, когда деятельность гормонов нарушается.
Иногда рецепторы располагаются не в мембранах, а в ядре клетки. В частности, рецепторы, чувствительные к инсулину, были найдены в ядрах клетки печени крыс.
Возникает вопрос: какова взаимозависимость
структуры гормонов и выполняемых ими функций в клетке? Ведь можно предположить, что сам гормон не обязательно должен быть уж очень индивидуальным веществом. Специфичность белков-рецепторов обеспечивает точность регуляции.
Химики-биоорганики прежде всего стремятся выяснить точно, благодаря чему рецептор безошибочно распознает гормон. Их интересует также, что происходит с рецептором при взаимодействии с гормоном и как дальше передается гормональный сигнал в клетку.
Основная трудность заключается в том, что пока ни один рецептор не выделен в чистом виде. Поэтому, делая заключения о строении рецепторов, пользуются косвенными данными:- знанием конформации гормона, тех его участков, которые ответственны за связывание с рецептором.
Так, иногда, если подвергнуть полипептидную цепь гормона действию протеолитических ферментов, она может быть расщеплена на несколько фрагментов, каждый из которых будет обладать различной биологической активностью. Часть этих фрагментов будет обеспечивать проявление именно гормональной активности, часть будет являться носителями видоспецифичности гормона. В активной части открыты такие участки полипептидной цепи, которые обеспечивают соединение гормона с рецептором. Они получили название якорных участков — это собственно и есть «активные центры» молекулы гормона.
Зная строение якорного участка, можно представить себе, каков должен быть «слепок» с него. А этот «слепок» — уже модель рецептора. Для такого анализа обычно используют синтетические аналоги гормонов, у которых одни аминокислотные остатки или заменены на другие, или химически модифицированы, или вообще часть остатков удалена. Было установлено, что существуют аналоги, которые очень хорошо связываются с рецептором, но гормональной активностью не обладают. Это подтвердило предположение о существовании специальных якорных участков у гормонов. Одновременно это свидетельствовало, что у рецептора должен быть другой центр, при взаимодействии с которым уже иные, активные группировки гормона вызывают биологический эффект.
Сейчас ведется работа по выделению и очистке рецепторов из мембран. Для этого используют меченые радиоактивными изотопами аналоги гормонов, которые образуют с рецепторами прочный комплекс.
Рецепторные белки сейчас выделяют в отдельную группу. Это объясняется успехами в изучении действия гормонов и прогрессом в изучении механизмов работы органов чувств. Существуют рецепторные белки, которые приспособлены для специфического взаимодействия с веществами иной природы, нежели пептидные или белковые гормоны. Такими веществами могут быть и стероидные гормоны, и феромоны — вещества, влияющие на поведение насекомых и обмен веществ в их сообществах, и т. д.
Взаимодействие гормона с рецептором включает цепь биохимических реакций, приводящих к определенному биологическому эффекту. В настоящее время со всей определенностью установлено, что в большинстве случаев после взаимодействия гормона с рецептором активируется специальный мембранный фермент — аденилатциклаза. Мы уже говорили о нем, когда рассказывали об интерферонах. Этот фермент открыл в начале 60-х гг. американский биохимик Эрл Сазерленд.
Аденилатциклаза — это система по меньшей мере из трех белков: рецептора, каталитической и регуляторной частей. Взаимодействие гормона с рецептором приводит к сложной цепи событий, результатом которой является активация аденилат-циклазы и повышение выделения ц-АМФ в клетке Вырисовывается еще одна особенность рецепторного белка: он специфичен по отношению к гормону, но участки взаимодействия рецептора с другими компонентами аденилатциклазной системы очень похожи, если не одинаковы. Это напоминает вариабельные и константные участки иммуноглобулинов.
Наши знания о рецепторных белках и механизмах их взаимодействия с сигналами из внешней среды пока еще очень малы, можно сказать, что их исследования только начинаются. Рецепторные белки, от которых зависит ощущение вкуса или запаха различных веществ, видимо, лучше всего укладываются в схему «ключ — замок». Действительно, вкусовые ощущения проще всего связать с набором молекул определенных органических р неорганических веществ, содержащихся в пища Первые работы по выделению, определению аминокислотных последовательностей во вкусовых рецепторных белках как будто подтверждают эту гипотезу. Очень интересные работы выполнены за последние годы по изучению обоняния. Еще не так давно существовал целый набор теорий запахов, начиная от чисто физиологических, кончая весьма туманными биологическими концепциями, которые утверждали, что ощущение запаха как бы «синтезируется» в мозгу животного или человека и имеет ярко выраженную субъективную окраску.
Наиболее распространенными все же были химические теории запаха, согласно которым должна иметься зависимость между пространственным строением и запахом органических соединений. По этим теориям, рецепторы запаха — это тончайшие приборы для распознавания формы молекул пахучих веществ.
Работа велась по двум направлениям: изучали сами пахучие вещества, пытались как-то их классифицировать. Эта работа началась больше 50 лет назад. Химикам удалось сделать очень многое. Было установлено, какие группировки в различных органических соединениях отвечают на тот или иной запах.
Была создана классификация «первичных запахов». Сначала их было известно семь. Сейчас около тридцати. Оказалось, что все многообразие запахов можно получить путем смешения этих «первичных запахов». Сейчас без этих знаний нельзя создать ни один сорт духов. Но эти знания эмпирические — никакой химической теории запаха пока создать не удалось. Известны лишь самые общие закономерности, например, что вещества с сильно разветвленной молекулой более пахучи и чаще обладают приятным запахом, чем вещества с линейной молекулой.
Были открыты также вещества, которые воспринимаются как пахучие одними видами организмов и не чувствуются другими. Наконец, развитие биохимии насекомых привело к открытию интереснейших веществ — аттрактантов. Присутствие в воздухе нескольких молекул этих веществ привлекает множество насекомых с очень значительных расстояний. Были открыты и вещества-репелленты, которые, наоборот, не привлекают, а отталкивают насекомых или позвоночных животных. Все, наверное, слышали о веществах, отпугивающих акул, которыми снабжаются спасательные пояса моряков, летчиков и даже, на всякий случай, пассажиров трансатлантических воздушных лайнеров.
В 1952 г. Дж. Эймур впервые предположил, что форма таких пахучих молекул и воспринимающих запах рецепторов соответствует принципу «ключа и замка». И это оказалось правильным.
Особый интерес привлекают белки-рецепторы обонятельных органов насекомых. Правда, ряд специалистов в области биохимии насекомых считает, что нельзя проводить параллель между органами обоняния животных и органами фиксации запахов насекомых. Они полагают, что органы распознавания присутствия органических веществ в среде у насекомых физиологически отличаются от органов обоняния насекомых и биологический смысл этих процессов различен. Говорить, что насекомые обладают органами обоняния, возможно, скорее приписывать им свойства, которыми обладаем мы с вами. Но возможно, что это и не так. Скорее всего, исследуя насекомых, удалось обнаружить явление, в той или иной мере присущее всем представителям мира животных, включая и человека. Во всяком случае, сейчас известно, что сходный механизм взаимного ориентирования имеется у многих морских животных, включая китов. Правда, нельзя говорить о «запахе», имея в виду присутствие ничтожных концентраций некоторых веществ в толще воды, но биологический смысл их распознавания близок тому, которым обладают насекомые. Последние отличаются лишь совершенно особым устройством своих органов восприятия запахов и их необычайной чувствительностью, но молекулярные основы их функционирования, безусловно, очень близки всему миру животных. Надо отметить также, что открытие химической коммуникации в мире животных считается одним из самых важных биологических открытий последних десятилетий и сейчас привлекает пристальное внимание.
Точно так же белки-рецепторы принимают участие в восприятии звука. Специальные рецепторы имеются в вестибулярном аппарате, они способны регистрировать малейшие изменения механического воздействия — давления специальных известковых образований — отолитов. Особый интерес вызвали белки, способные воспринимать световые раздражения. Существуют белки, которые хотя и не являются белками-рецепторами фотонов, но способны использовать энергию света для осуществления своих функций. Это тоже мембранные белки.
История изучения одного из таких белков — бактериородопсина насчитывает всего немногим более 10 лет. В 1971 г. В. Стокениус и Д. Остерхельт выделили интересный белок из суспензии пурпурных мембран, полученных из клеточной стенки галофильных (солеустойчивых) бактерий. Этот белок был назван бактериородопсином.
Недавно в СССР была расшифрована первичная структура бактериородопсина — белка, который способен работать как насос протонов в пурпурных мембранах. Он состоит из одной полипептидной цепи, построенной из 248 аминокислотных остатков.
А в самое последнее время в Советском Союзе впервые было расшифровано строение и главного белка глаза человека — родопсина. Этот белок, ответственный за восприятие света у человека и животных, во многих отношениях похож на бактериородопсин. Удивительно, ведь эти белки разделяют миллионы лет эволюции!
Особую группу белков-регуляторов составляют белки, принимающие участие во включении и выключении биосинтеза белков в организме. Фактически они следят за использованием при белковом синтезе той информации, которая записана в генах, на молекулах нуклеиновых кислот. Исследования этих белков в последние годы ведутся очень интенсивно. И не удивительно — ведь разгадка механизма их
действия, может быть, позволит понять, как происходит рост, развитие клеток, как вообще из белков создается все то многообразие форм живого мира, которое мы наблюдаем и в котором заключена та исключительная подогнанность, приспособленность различных процессов, происходящих и в клетках, и в тканях различных органов, и в целых организмах, кончая человеком.
Гистоны — это белки, участвующие в регуляции активности генома, причем именно в тех процессах, которые считывают информацию с нуклеиновых кислот, и в биосинтезе нуклеиновой кислоты, переносящей информацию от ядра клетки к месту синтеза белка, в рибосому. Этот процесс строго организован, зарегулирован.
Гистоны были открыты очень давно, почти одновременно с нуклеиновыми кислотами. Приблизительно 100 лет назад биологической наукой был сделан важный шаг, значение которого удалось оценить лишь много-много лет спустя. Ученые с помощью химических методов смогли «разобрать» клетку на части и «вынуть» из нее ядро. Это сделал Ф. Мишер, швейцарский ученый. Его открытие противоречило всем догмам биологии того времени. Ведь и клетка, и протоплазма считались коллоидным образованием, этаким раствором, в котором плавали капельки: капелька-ядро, капельки-включения, вакуоли и т. д. Капельки изучали, либо окрашивая их различными красками, либо фиксируя, переводя в нерастворимое состояние. Но считали, что при этом природа клеточного содержимого, протоплазмы безвозвратно нарушалась. Никаких данных о ее функционировании получить не удавалось. Можно было лишь приблизительно узнать, какие вещества входят в ее состав.
Мишеру первому удалось открыть нуклеиновые кислоты, вещества исключительной важности, носители биологической информации. (Мишер, правда, тогда не знал об этом.) Важно, что одновременно Мишер открыл и белки, входящие в состав ядер, — протамины. Вслед за этим ученые, пользуясь принципами изучения клетки, предложенными Мишером, открыли и основные белки клеточных ядер — гисто-ны.
Сначала и не подозревали, что гистоны могут как-то участвовать в регуляции активности генов, хотя предпосылки для этого были — нуклеиновые кислоты и гистоны образовывали хроматин — основное вещество хромосом, важнейших компонентов клеточного ядра, носителей генов.
Впоследствии выяснилось, что гистоны стабилизируют структуру нуклеиновых кислот, выключая их из процесса «считывания» информации. Ослабление связей между гистонами и дезоксирибонуклеиновой кислотой делает возможным процесс «считывания» и, следовательно, функционирование гена. В регуляции синтеза белка на всех его стадиях: при «считывании» информации с ДНК, при переносе ее с помощью информационных РНК и, наконец, при работе рибосомы — системы биосинтеза белка — везде принимают участие белки. Образование и распад разнообразных, точно подогнанных комплексов — основа многих процессов: включения тех или иных ферментов, манипулирующих с нуклеиновыми кислотами; переноса информационной РНК внутри ядра к месту синтеза белка и многого другого. Все эти процессы еще не разгаданы до конца.
Нейротоксины. Особый интерес в последние годы вызывали токсические пептиды и белки. Было замечено, что эти вещества действуют лишь на одну функцию клетки, выключают из потока реакций лишь одну структуру. Это их свойство (хотя оно само по себе сперва рассматривалось как предположительное) позволяло использовать их как очень удобный инструмент исследования именно этой
функции клетки. Среди токсических пептидов особенно интересны в этом смысле нейротоксины, действующие исключительно на нервную систему.
Как же можно изучать функции нервов с помощью нейротоксинов? Они могут рассматриваться как щуп, который вводят в нервную клетку. Пометив нейротоксин изотопом углерода, можно установить, с какой структурой он взаимодействует. Заметив, какая функция выключается, можно предположить, что с ней связана эта структура. А выделив ее, можно выяснить, как она устроена, т. е. решить вопрос о соотношении ее строения и ее функции.
Для нас интересны прежде всего токсины пептидной или белковой природы. Но вообще на Земле известно свыше 5 тыс. видов ядовитых животных, начиная от простейших и кончая млекопитающими. И известных токсинов, относящихся к различным группам химических соединений, также насчитываются тысячи. А если учесть и бактериальные токсины, то их значительно больше.
Нейротоксины взаимодействуют с особыми белками, которые являются их рецепторами. В частности, эти белки участвуют в превращениях ацетилхолина в синапсах — точках нервных клеток, участвующих в передаче возбуждения. Сейчас выделены токсины-пептиды из ядра рыб, змей, насекомых, скорпионов и т. д. Для многих из них установлена первичная структура.
Из яда скорпиона выделен полипептид, состоящий из 64 аминокислотных остатков с четырьмя дисуль-фидными мостиками. Наиболее сильно действующие яды выделены из различных змей. Получены так называемые короткие нейротоксины — из 60 — 62 аминокислотных остатков, и длинные — из 72 — 74. В коротких токсинах 4 внутримолекулярных дисуль-фидных мостика, а в длинных — 5. Эти токсины обладают одним важным свойством — они очень устойчивы. Их можно кипятить в течение 30 минум, и они не потеряют своей активности. Их можно обрабатывать различными, вызывающими денатурацию белков веществами — они также не потеряют активности. Их «ядовитость» обусловлена тем, что они образуют исключительно прочные связи с рецепторами. В результате их удалось использовать для выявления рецепторов практически в чистом виде — получали комплекс нейротоксин-рецептор, подобно тому, как комплекс фермент-ингибитор.
Холинорецепторы благодаря нейротоксинам оказались практически единственными хорошо изученными рецепторами мембран. Сама концепция мембранных рецепторов была достаточно подробно развита благодаря исследованиям с использованием нейротоксинов.
Но и нейротоксины были хорошо изучены. Оказалось, что они имеют приблизительно одинаковые размеры (при этом близки ядам змей оказались токсины из растительных объектов — пшеничной муки, так называемый пуротонин А). Токсический эффект зависел от третичной структуры, которая поддерживалась дисульфидным мостиком, их разрушение приводило к исчезновению биологической активности.
Еще в 40-х гг. английский физиолог Джоффри Харрис предположил, что секреторная деятельность гипофиза (железы, находящейся в головном мозгу, от которой зависит активность эндокринных желез и многих других важнейших жизненных процессов) контролируется не нервным, а необычным для нервной системы гуморальным путем, с помощью выделяемых в кровь «гипоталамических факторов». Для физиологии тех лет это была еретическая идея, однако в 60-х гг. таинственные факторы были выделены Э. Шалли и Р. Гийоменом. Это открытие стало важным событием в биологии последних двух десятилетий — началось изучение неведомых раньше систем регуляции ряда жизненных функций в организме.
Новые факторы регуляции оказались пептидами довольно небольшого размера и иногда сравнительно простого строения. Мало того, иногда они представляли собой фрагменты других, более сложно устроенных гормонов. Наибольший интерес вызвали пептиды — регуляторы поведения, так называемые нейропептиды. Нейропептиды связаны с проявлением многих поведенческих реакций. Такие ощущения, как пищевое насыщение, жажда, удовольствие, а также боль, обучаемость и память, двигательная активность, сон и зимняя спячка и многое другое (включая элементы симптомов психических заболеваний), вызываются различными пептидами, среди которых уже известные нам вазопрес-син, фрагменты кортикотропина, а также пептиды холецистокинин, ангиотензин П, пептид дельта-сна, люлиберин, а также очень интересная группа так называемых опиоидных пептидов (Met-энкефалин, Р-эндорфин, брадикинин, пептид Р, нейротензин и т. д.).
В Советском Союзе также ведутся исследования нейропептидов. Так, в Институте биоорганической химии им. М. М. Шемякина АН СССР синтезирован пептид дельта-сна и изучен молекулярный и физиологический механизм его действия. В Институте молекулярной генетики АН СССР и Московском государственном университете синтезированы и изу чены пептиды памяти — фрагменты кортикотропина, а во Всесоюзном кардиологическом научном центре АМН СССР на основе изучения опиоидных пептидов создан препарат даларгин, который найдет применение при лечении ряда заболеваний, в том числе язвенной болезни.
Однако изучение пептидов-регуляторов лишь только начинается — это проблема сегодняшнего и завтрашнего дня биологической и биоорганической химии, физиологии (в том числе и физиологии высшей нервной деятельности) и практической медицины. Это одна из комплексных проблем, решать которую окончательно, возможно, придется и кому-то из наших читателей.
Строение белков и клетка
Когда мы говорим о функциях белков, мы представляем себе, как они действуют сами по себе или в каких-то системах. Все эти системы функционируют в клетках. Мы упоминали о мультифер ментных системах, о том, что многие белки встроены в мембраны или разнообразные субклеточные образования. Но ведь клетка — очень точный механизм. Ее форма строго запрограммирована. Информация об этой программе заключена в генах — молекулах ДНК, реализуется она через синтез белка.
Открытие клетки и создание клеточной теории в первой половине XIX в. существенно изменило всю биологическую науку. До этого объектами биологии были многочисленные, не всегда похожие друг на друга организмы, объединяемые чрезвычайно важным, но очень неопределенным, ускользающим от исследователя признаком — жизнью. Вообще-то биология всегда стремилась изучать это исключительное явление, но была связана со столь огромным многообразием жизненных форм, что единство их подвергалось сомнению и даже отвергалось. Во всяком случае, до начала XIX в. прочно удерживалось деление всего сущего на три царства природы: минералов, растений и животных. И грани между этими царствами считались непреодолимыми. Даже возникновение идеи развития не сразу помогло. По-
лагали, что если развитие или эволюция и имеет место, то в пределах одного из царств: минералы не могут породить живые тела, а растения — животных.
Открытие клетки и создание клеточной теории впервые привели к представлению, что все живое едино по своей организации: все живые организмы построены из клеток. Правда, при этом забывали, что химики, изучавшие живые объекты уже за 100 лет до создания клеточной теории, довольно решительно утверждали, что грани между царствами растений и животных нет, что и в тех, и в других содержатся вещества одной природы — белки. Когда Якопо Беккари получил первый препарат растительного белка — клейковины пшеницы, он назвал его растительным животным веществом, перекинув первый мостик между царством растений и животных. Но это не мешало химикам вплоть до начала XIX в. искать принципиальные химические различия между животными и растениями. Даже великий Лавуазье в своих ранних работах утверждал, что азот — это специфически «животный» элемент и в растениях его не содержится. И лишь открытие алкалоидов, растительных азотосодержащих веществ, и доказательство постоянного присутствия азота в белках как растений, так и животных вынудило отказаться от этого утверждения.
В XVII — XVIII вв. о белках знали очень мало, а суждения химиков биологи не были склонны принимать всерьез. Сами же биологи, зачарованные открывавшимся перед ними разнообразием клеток, так же, как перед этим — разнообразием организмов, сразу же после создания клеточной теории стали искать различия между клетками. Прогресс цитологии — науки о живых клетках — способствовал возникновению представлений о специализации, а затем и индивидуальности клеток. Открытие внутри клеток ядра, а затем различных органелл, даже открытие хромосом внутри ядра — все тут же сопровождалось поисками индивидуальности этих образований. Причем доказательством индивидуальности клеток, а тем более хромосом служили очень веские основания: ведь в ядрах и хромосомах были заключены таинственные «гены» — факторы хранения и передачи наследственной информации. Гены — это была как бы сконцентрированная до предела биологическая индивидуальность. Говоря «до предела», мы напоминаем, что большинству биологов, даже очень прогрессивных, не очень хотелось признавать таким пределом химическую молекулу. Они считали, что такое фундаментальное свойство живого, как наследственность, должно быть связано с каким-то биологическим образованием. Допустить молекулярную, химическую природу гена казалось им очень опасным — ведь вся сложность жизненных явлений, рассуждали они, может быть сведена к химической реакции. Они еще не знали, что объяснить фундаментальные явления, непосредственно связанные с жизнью, можно на языке химии, и при этом не утерять представлений и о сложности жизненных явлений, и о целостности клетки.
И лишь прогресс биохимии, прогресс в изучении биополимеров — белков и нуклеиновых кислот, впервые создал объективные и несомненные основания для представления о единстве живых организмов. Наука наконец подошла к такому пределу, когда индивидуальность химическая (отдельных молекул — химических индивидов) оказалась соединенной с индивидуальностью биологической, тоже связанной с химическими соединениями, но совершенно особых типов — с белками и нуклеиновыми кислотами. Нуклеиновые кислоты выполняют функции хранения и передачи наследственной информации в клетке. А белки являются движителями всех процессов, протекающих в клетке.
Так возникла фундаментальная проблема современной биологии: каким образом из молекул, прежде всего молекул белка, строятся клетки, а следовательно, и ткани, и органы, и организмы в целом? Каким образом с помощью белков происходит образование всех неповторимых форм, которые демонстрирует нам природа? Ведь действительно, все удивительное и красочное разнообразие птиц, рыб, растений, бесчисленных видов насекомых — все это в конечном счете результат направленного, организованного соединения молекул белков в многомолекулярные образования, которые дают в свою очередь все видимые нами формы живого мира.
Основная проблема развития клеток, тканей, органов, организмов (совокупность этих процессов называют морфогенезом) или молекулярный механизм морфогенеза сводится к тому, как наследственная информация, заключенная в молекулах ДНК, закодированная в «одномерной» форме, переводится в «трехмерную», «объемную», сначала в молекулах белков, а затем в более сложных их комплексах.
Прежде всего эти проблемы решаются, вероятно, благодаря тому, что полипептидная цепь, обладающая определенной последовательностью аминокислотных остатков (именно эта последовательность и кодируется в генах), самопроизвольно скручивается в глобулу совершенно определенной формы. Третичная и четвертичная структуры белка определяются его первичной структурой.
А как обстоит дело дальше? Например, отдельные молекулы белков, когда они образуют мульти-ферментные комплексы, или мышечные волокна складываются ли они самопроизвольно, или для этого требуются какие-то особые механизмы, принципиально отличные от химических? Как образуются рибосомы и мембраны?
Первые ответы были получены при изучении вирусов. При этом возникло понятие самосборка. Бот какое определение было дано в одной из первых книг, посвященных этому вопросу: «Самосборка — это процесс упорядоченной и спонтанной молекулярной аггрегации, приводящей к образованию биологически важной структуры». Вы уже знаете, что жизнь — это процесс поддержания и воспроизведения специфической структуры. Для воспроизведения специфической структуры может быть достаточен (сразу оговоримся, что не абсолютно) процесс воссоздания определенной специфической последовательности аминокислотных остатков. Так с молекулярной структурой белков оказывается связана форма биологических объектов.
Самосборка может касаться образования обычных четвертичных структур, состоящих из 2 — 4 субъединиц. Такие субъединицы могут быть лишены биологической активности, но при самосборке их в молекулу, обладающую четвертичной структурой, такая активность может появиться. Иногда самосборка затрагивает множество идентичных белковых единиц и приводит к образованию больших четвертичных структур типа жгутиков бактерий, некоторых вирусов или же их белковых оболочек и т. п. Иногда самосборка приводит к образованию уже достаточно сложных четвертичных структур и еще более сложных функциональных образований: бактериофагов, мембран клеток, способных выполнять сложные биологические функции, — те самые организованные во времени и в пространстве процессы, которые и представляют в совокупности систему реакций обмена веществ, а в конце концов — жизнь.
Наконец, самосборка затрагивает большой набор элементов, возникших в результате предыдущих актов самосборки.
Сейчас известно, что для полного завершения самосборки с образованием биологически важных структур — клеточных органелл и т. п. необходимы некоторые дополнительные регулирующие факторы. Многое здесь еще неизвестно и неясно. Может быть, вам придется работать над разгадкой этих процессов. Но очевидно, что ряд таких регулирующих факторов — опять-таки белки, синтез которых, в свою очередь, контролируется генетическими механизмами.
Очень важно, что процессы самосборки всех перечисленных уровней зависят от того же комплекса взаимодействий, в которые вступают белковые молекулы. Решающую роль в «сближениях» молекул играют, по-видимому, гидрофобные взаимодействия неполярных боковых цепей аминокислотных остатков. А окончательное соединение осуществляется за счет ван-дер-ваальсовых связей. Основой же взаимодействия является стерическая дополнительность молекул белков и нуклеиновых кислот — тоже одно из проявлений принципа «ключа и замка» или принципа «узнавания».
Может ли подобный процесс привести к образованию функционирующей клетки? В принципе это возможно. Проведено уже достаточно много экспериментов, которые показали, что спонтанные процессы (в конечном счете обусловленные строением молекул белков, которые в них участвуют) могут привести к образованию мембран, рибосом, хлоропластов, митохондрий. При этом надо учитывать, конечно, влияние различных физико-химических факторов внешней среды — температуры, давления и т. п.
Самосборка бактериофагов изучена достаточно подробно. Установлено, какие из этапов сборки их структур контролируются генетически. Вместе с тем процесс образования определенных исходных структур, с которых начинается сборка сложных морфологических структур организмов, еще недостаточно изучен.
С момента изобретения микроскопа ученые стремились проникнуть все глубже в клетку, рассмотреть более мелкие ее детали. Развитие биологического эксперимента и формирование биохимии позволило как бы «развинтить» клетку на составные элементы. А затем начался обратный процесс — ученые стали задумываться над тем, как из отдельных частей слагается целое, с чем связаны проявления жизни. Процесс познания очень важно правильно оценить — ведь, по существу, решается вопрос: до какого предела биология может оставаться биологией, на каком уровне организации материи все «биологическое» из нее исчезает?
«Вопросов полон мир, — кто даст на них ответ?» — написал десять веков назад Омар Хайам, ученый и поэт. И как бы в ответ прозвучали слова другого ученого и поэта — Снорри Стурлусона, «самого известного из исландцев» : «Много нужно иметь знаний, чтобы поведать об этом».
Когда 200 лет назад химики начали изучать белки, они и не подозревали, что берут в руки ключ к целому неизвестному миру — миру живой клетки, такому же неисчерпаемому, как и мир атома.
Биополимеры — белки и нуклеиновые кислоты — оказались очень важными деталями картины мира. Познание как бы делило все материальные образования на две ветви: одну — мир неживого, от элементарных частиц до галактик; другую — мир живого, от клетки до человека. Биополимеры позволили связать их воедино, найти точку их пересечения. Постижение тайн белков и нуклеиновых кислот позволило осознать мир как гармоничное целое.
|
