| |
 |
Форма белков - потенциал
Но не получается ли, что в отношении формы белков мы увлеклись не тем делом? Нам известно, что изменение в одну аминокислоту имеет огромное практическое значение, но наберется ли столько изменений, чтобы ими можно было объяснить все бесконечное множество ферментов, антител, и прочих веществ? Вернувшись к нашей аналогии, мы увидим, что в английском языке существует бесконечное множество предложений, но для их составления используется несколько десятков тысяч слов. Что представлял бы собой английский язык, будь в нем лишь двадцать два слова?
С другой стороны, английский язык имеет то ограничение, что слова могут использоваться лишь в определенных сочетаниях. Можно сказать "трава, которую ест бык - зеленая", но нельзя "ест трава зеленая бык которую". Сказать-то можно, но это уже не будет фраза английского языка. На самом деле, практически любая перестановка слов в английском языке с большой вероятностью приведет к разрушению фразы. (1)
(1) К русскому языку это относится в меньшей степени, за счет наличия морфологии окончаний он позволяет гораздо больше свободы положения слов в предложении - прим. пер.
А вот аминокислоты в белковых молекулах можно располагать в любой очередности.
Давайте рассмотрим, что это значит, на примере простого белка из восьми аминокислот, такого, как вазопрессин или окситоцин. Пронумеруем эти восемь аминокислот: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8. Итак, сколько же существует возможных сочетаний этих аминокислот? Или, что то же самое - сколько чисел можно написать с использованием восьми цифр - от 1 до 8?
Начать придется с одной из восьми цифр - с любой. То есть, мы имеем восемь вариантов первой позиции. Соответственно, на вторую позицию мы можем поместить уже только одну из семи оставшихся. То есть, мы получаем уже 8 х 7 = 56 комбинаций только для двух первых позиций. Для каждой из этих 56 комбинаций далее имеется выбор между 6 оставшимися цифрами, соответственно, количество комбинация для трех первых позиций равняется
8 х 7 х 6. Если продолжить эти рассуждения до их логического завершения, то мы получим полное количество возможных комбинаций из восьми цифр (или восьми аминокислот), равное 8 х 7 х 6 х 5 х 4 х 3 х 2 х 1. В целом получится 40320 возможных комбинаций.
Получается, что из одних только восьми аминокислот, из которых состоит вазопрессин, можно составить еще 40 319 белков, свойства каждой из которых будут в чем-то уникальными.
Чем длиннее становятся пептидные цепочки, тем более впечатляющей становится общая ситуация. Предположим, что у вас имеется пептидная цепочка из 30 аминокислот, как в инсулине. Разумеется, она состоит не из 30 разных аминокислот, длина ее обусловлена возможностью повтора элементов, что несколько сокращает количество возможных вариантов их расположения. То есть, если, допустим, в цепочке имеются два глицина - на 4-й и на 14-й позициях, и если поменять их местами, молекула останется той же самой.
Но пусть даже такая цепочка длиной в 30 аминокислот состоит всего из 15 различных соединений (в инсулине это не совсем так, но близко к тому), тогда выходит, что число возможных комбинаций молекулы с такими исходными данными - около 8 000 000 000 000 000 000 000 000 000 (восемь октилионов).
Если же речь идет о пептиде длиной в 140 аминокислот (таков, например, гемоглобин), о котором известно только, что он состоит из 20 различных аминокислот, представленных каждая по семь раз, то мы насчитаем там столько возможных комбинаций, что я даже побоюсь записывать здесь это число. Для желающих сделать это самостоятельно, подсказываю: начать надо с цифры 135, а потом дописать после нее 165 нулей. Это число сильно превышает количество атомов во всей вселенной.
Вот и ответ на наш вопрос. Из двадцати двух аминокислот можно составить неограниченное множество белков для любых целей. Аминокислотных радикалов вполне достаточно для объяснения всего разнообразия белков; на самом деле, их хватило для появления даже такого сложного и хрупкого феномена, как жизнь.
Их даже более, чем достаточно. Так, изо всех 40 320 возможных вариантов вазопрессина организм производит только один. Из восьми октилионов инсулинообразных полипептидов организм производит только один!
Так что теперь впору задаться вопросом не о том, где организм берет все необходимое ему разнообразие, а о том, как ему удается полученное разнообразие ограничивать и удерживать под контролем.
И именно этим вопросом мы сейчас и займемся.
Глава 6
Поиски кода
Чертежи
Если клетка занимается производством ферментов путем создания одной-единственной полипептидной цепочки (и никакой другой!) из практически неограниченного числа возможных вариантов, то значит, что где-то внутри самой клетки имеется "руководство" по тому, как это делать. Невозможно поверить, что такая цепочка получается каждый раз случайным образом.
Скажем, если перед строителем поставить задачу построить точную копию некоего дома, то он не бросится сразу копать и таскать. Он либо будет периодически бегать по мере строительства между своим детищем и его оригиналом, либо потребует подробные чертежи последнего.
Что касается работы клетки, то для постоянной сверки с оригиналом потребовалось бы, чтобы каждая последующая белковая молекула воспроизводилась по предыдущей, так сказать, аминокислота за аминокислотой. Но какие только условия ни создавали, какие только сырьевые материалы, ферменты и специальные соединения ни добавляли в смесь, до сих пор ни одному биохимику не удалось заставить белковую молекулу реплицироваться.
Единственные объекты в клетке, способные реплицироваться - это хромосомы, и жизнь каждого живого существа начинается именно с них. Поэтому логично предположить, что именно в самих хромосомах и содержатся "чертежи" для производства белка.
Собственно, именно это предположение лежало в основе всей хромосомной теории наследственности, которая получила распространение в начале двадцатого века, и с годами предположение это становилось все уверенней. О "гене голубоглазости" говорилось уже, как о чем-то само собой разумеющемся, но дело в том, что у самого-то гена голубых глаз нет, и он их даже не производит напрямую. Он может лишь содержать инструкцию о том, как производить определенную полипептидную цепочку, которой суждено стать неким конкретным ферментом, который, в свою очередь, катализирует производство того или иного пигмента, а уже этот пигмент и придаст глазам тот цвет, о котором идет речь. В итоге мы имеем "физическую характеристику", но непосредственной работой гена является лишь производство определенного белка.
Только в 40-х годах ХХ века были наконец получены более-менее веские доказательства в пользу данной теории. В 1941 году Джордж Бидл и Эдуард Тейтем начали серию экспериментов над хлебной плесенью. Дикий штамм этого грибка можно заставить расти в среде, содержащей сахар и неорганические соли. В состав солей входили соединения азота, из которого плесень и получала материал для построения необходимых ей аминокислот. Ни одной аминокислоты в готовом виде в питательную среду не добавлялось.
Бидл и Тейтем подвергли споры плесени воздействию радиации. Еще в 1926 году Герман Мюллер доказал, что радиация каким-то образом воздействует на гены и способствует возникновению мутаций, и именно так и произошло с подопытным материалом Бидла и Тейтема. В ходе экспериментов один из облученных штаммов отказался размножаться в обычной среде, но вполне нормально продолжал размножение в случае добавления в питательную среду определенной аминокислоты - скажем, лизина.
Очевидно, облученные споры потеряли способность самостоятельно производить лизин из неорганических азотных соединений. Дефицит лизина сделал размножение микроба невозможным, однако, получив лизин в готовом виде, плесень продолжила размножение, как ни в чем не бывало.
Естественно было предположить, что споры утратили способность производить некий фермент, катализирующий одну из реакций, приводящих в итоге к образованию лизина. Причиной тому, очевидно, послужило повреждение радиацией некоего определенного гена. В ходе долгой серии экспериментов Бидл и Тейтем пришли к твердому убеждению о том, что каждый ген имеет своей единственной задачей производство одного конкретного фермента. Схема этой теории - "один ген - один фермент". (1)
(1) Мюллер получил в 1946 году Нобелевскую премию за свою первоначальную работу в области мутаций и радиации, а Бидл и Тейтем за свои исследования хлебной плесени - часть Нобелевской премии в области медицины и физиологии за 1958 год.
Когда такая теория впервые была провозглашена, научная общественность восприняла ее с недоверием, но сейчас большинство ученых склоняются к ее принятию с тем уточнением, что в тех случаях, когда фермент состоит более, чем из одной полипептидной цепочки, за каждую из цепочек может отвечать отдельный ген, так что правильнее было бы провозглашать эту схему так: "один ген - одна полипептидная цепочка". (1)
(1) В данный момент, по завершении проекта по расшифровке генома человека, эта схема признана устаревшим представлением. Выяснилось, что за счет определенных механизмов, позволяющих кодировать несколько белков в одном гене, в геноме человека в среднем каждый ген кодирует по три белка - или, вернее, три полипептидных цепочки. - прим. пер.
С этой точки зрения, набор хромосом, с которого начинается жизнь каждой оплодотворенной яйцеклетки, представляет собой информацию о наборе ферментов, примерно равном по количеству набору имеющихся в них генов. В последние годы за этим "набором чертежей" закрепилось название "генетический код", и, надо сказать, что ни одно словосочетание не врывалось в научный лексикон с такой стремительностью, за исключением только разве что "расщепления атома".
Закат белка
Но что мы имеем в виду, говоря о том, что "хромосомы и гены являются носителем генетического кода"? Как они его "несут"? В виде каких символов он там "записан"?
Первое предположение заключалось в том, что кодирование осуществляется структурой белка, составляющего каждый ген. Казалось вполне естественным, что только сам белок может быть достаточно сложной молекулой, чтобы содержать информацию о том, как создавать белковую молекулу. Предположим, что каждый ген имеет в своем составе полипептидную цепь, в точности соответствующую полипептидной цепочке того фермента, за синтез которого отвечает. Таким образом, ген можно считать "шаблоном фермента", передаваемым из клетки в клетку и из организма в организм по всем поколениям. Путем сверки с данным "шаблоном фермента" клетка может производить бесконечно много единиц такого же фермента.
Такая схема казалась настолько естественной, что даже не подвергалась обсуждению. Однако сейчас мы можем указать на полувековой давности свидетельство неправоты этой теории.
В 1896 году, когда ученые только-только обратили внимание на хромосомы, немецкий ученый Альбрехт Коссель занялся проведением экспериментов на материале спермы лосося, которая, как и любая другая сперма, является не более, чем контейнером для хромосом.
В первую очередь он обнаружил, что большую часть содержимого спермы лосося составляет нуклеиновая кислота; этого вещества в сперме было в два раза больше, чем белка. Однако белок оказался не просто в меньшинстве; обнаруженные в сперме белковые молекулы оказались довольно необычными. Ученый назвал этот белок протамином. Молекулы протамина являются очень маленькими для белковых, и состоят практически из одной аминокислоты. Восемьдесят - девяносто процентов протаминов - это аргинин. (1)
(1) За эти исследования Коссель получил в 1910 году Нобелевскую премию в области физиологии и медицины.
Это крайне примечательный факт, если задуматься о том, что способность макромолекулы кодировать информацию катастрофически снижается, если эта молекула составлена практически из одной и той же аминокислоты. Представим себе для примера два пептида: один - состоящий из десяти разных аминокислот, а второй - из десяти аминокислот, восемь из которых одинаковы. Количество возможных комбинаций первого белка составит 3 628 800, а второго - всего 90. Таким образом, получается, что молекула протамина имеет в 40 000 раз меньший потенциал несения информации, чем белковая молекула такого же размера, но состоящая из более обширного набора аминокислот.
Разумеется, понятно, что потенциал белкового разнообразия чересчур уж велик, и допускается значительное его сокращение, но крайне странно, чтобы такое сокращение производилось именно в сперме, информационная загрузка которой должна быть явно максимальной.
В обычных соматических клетках лосося белковую часть хромосомы составляет протеин под названием гистон. Это достаточно простой белок, но все же не настолько простой, как протамин. Каким образом может получиться так, что любая клетка организма имеет в своем составе хромосомы, белок которых является более сложным по структуре, чем белок хромосом спермы, являющихся источником всего организма? Предположение о том, что весь дефицит восполняется яйцеклеткой, кажется маловероятным в свете того факта, что все имеющиеся данные свидетельствуют о равном вкладе отца и матери в наследственность, а отцовская часть передается только с помощью сперматозоидов.
Кроме того, ферменты лосося (как и любого другого живого существа) не являются ни протамином, ни гистоном, то есть, копирование их напрямую с белка хромосом невозможно. Все вышеперечисленное справедливо также и для других видов живых существ - белок, содержащийся в хромосомах, а особенно - в хромосомах сперматозоидов, оказывается, как правило, проще, чем белок, составляющий фермент.
А вот содержащаяся в сперме рибонуклеиновая кислота, как показывают все исследования со времен Косселя, вполне сходна с нуклеиновой кислотой обычных клеток.
Было выдвинуто предположение, что при "упаковывании" хромосом в сперматозоид организм отсекает от них все, что только можно отсечь. Сперматозоиду ведь важно как можно скорее добраться до ждущей его яйцеклетки, и неудивительно, что в его интересах путешествовать налегке. Какая же часть хромосомы должна в таком случае передаваться в неизменном виде? Только та, что несет в себе генетический код! А какая часть будет передаваться в сокращенном и упрощенном виде? Да, пожалуй, все остальное… В таком представлении логично предположить, что носителем генетического кода является нуклеиновая кислота, а не белок.
Однако, как это ни очевидно задним умом, в течение полувека после работ Косселя для химиков это вовсе не казалось очевидным. Принято было смотреть свысока на молекулы нуклеиновой кислоты, как на слишком простые и маленькие. Даже упрощенные белки все еще считались более сложными соединениями, чем нуклеиновые кислоты, и никому не приходило в голову переключить внимание на них.
Так что химики зациклились на работе с белками, в надежде, что чрезмерной простоте протаминов найдется какое-то объяснение, и что они в конечном итоге окажутся в достаточной степени сложными соединениями.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
п»ї1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21
| |
| |
|
|
|
