| |
 |
Глава 2
Самое важное
Из чего состоит хромосома
Вопрос химического состава живой ткани волновал химиков на протяжении полутора веков, хотя общие представления об этом были выработаны еще в середине девятнадцатого века.
Главным компонентом всех живых тканей является, разумеется, вода - обычная вода, которая окружает нас повсюду. Но вот все остальное в живом организме абсолютно непохоже на вещества, распространенные в неживой природе.
Элементы, составляющие почву, море и воздух - стабильны, жаростойки и, по большей части, невоспламеняемы. А вещества, выделяемые из живой ткани, легко разрушаются под воздействием высокой температуры. Все они в той или иной степени горючи, а если их нагревать в отсутствии кислорода, чтобы исключить вероятность возгорания - все равно распадаются, выделяя газ и претерпевая необратимые изменения.
В результате, выделяемые из живой (или ранее живой) ткани элементы еще в 1807 году получили отдельное название - органические вещества, поскольку содержались изначально в организмах. Вещества же, выделяемые из неживых объектов, стали называться неорганическими.
К 1820 году считалось, что все органические вещества должны принадлежать к одной из трех групп: углеводов, жиров, или белков (или, как их еще называют, протеинов) (1). Если говорить о хорошо знакомых нам веществах, то сахар и крахмал - углеводы, оливковое и подсолнечное масло - жиры, а желатин и яичный белок - белки.
(1) В специализированной научной литературе, склонной к унификации лингвистического разнообразия, в последнее время повсеместно употребляется англоязычный термин "протеины", однако в дальнейшем в книге мы все же будем использовать русское слова "белок" - прим. пер.
К середине девятнадцатого века стало понятно, что из этих трех групп самыми сложными по структуре и важными по функциям являются белки. Само английское название "протеин" происходит от греческого слова, означающего "самое важное".
Одним из закономерных следствий сложности строения белка является его хрупкость и неустойчивость. (Это, конечно, не стопроцентный закон, но с точки зрения вероятности высокий и сложно составленный карточный домик всегда развалится скорее, чем простой).
Углеводы и жиры вполне могут подвергаться без вреда для себя воздействию, губительному для белков. Например, если раствор белков начать подогревать, в них происходят необратимые изменения, белки становятся нерастворимыми, перестают выполнять свои функции и разрушаются.
Разрушить белок может контакт с кислотой или со щелочью, воздействие солевого раствора или радиации. Даже простое взбивание раствора белка зачастую может привести к его разрушению.
Тем не менее, белки - это стержень жизни, явления такого же хрупкого и уязвимого, как они сами. Любые изменения в окружающей среде, способные нарушить деятельность белков, могут нанести вред живому организму, или даже привести к его смерти. Тонкость строения организма по сравнению, скажем, с камнем, является лишь отражением тонкости строения составляющего организм белка.
В общем, неудивительно, что биохимики не особенно удивились, выяснив, что хромосома по сути своей в основном белок. Это казалось естественным. Что же еще, если не "самое важное" вещество могло послужить материалом для создания хромосом - носителей наследственной информации всего организма?
Но в хромосомах есть не только белок, и не любой белок, как выяснилось, является "чистым" белком. Да, некоторые белки можно назвать "белками до мозга костей", в том смысле, что ни одна их часть не обладает ярко выраженным отличием от других. В качестве примера можно привести белок, содержащийся в яйце; такие белки называют простыми.
С другой стороны, например, гемоглобин - белок крови, переносчик кислорода от легких непосредственно к тканям, простым белком не является. Его можно расщепить на две части - гем и глобин. Последний является простым белком, а вот первый - вообще не белок, а железосодержащее вещество, не имеющее ни одного свойства, характерного для белков. В общем составе гемоглобина этот не-белковый элемент тесно связан с белком. Таким образом, гемоглобин можно назвать сложным (или конъюгированным) белком.
В других сложных белках к белковой части присоединяются различные углеводы, жиры, пигменты, металлы, и прочее. Белок, составляющий хромосому, тоже является сложным, но его небелковая часть не относится ни к одному из только что перечисленных классов. Она представляет собой довольно любопытное вещество, впервые открытое сто лет назад.
В 1869 году молодой немецкий химик по имени Фридрих Мишер выделил из живой ткани вещество, которое оказалось не углеводом, не жиром и не белком. Поскольку Мишер выделил это вещество из клеточного ядра, то и назвал его нуклеином (от латинского nucleus - "ядро"). Со временем у этого вещества обнаружились кислотные свойства, и его стали называть нуклеиновой кислотой.
Именно это вещество, как выяснилось, и крепится к белку в хромосоме. Когда это обнаружилось, вещество, из которого состоят хромосомы, стали называть нуклеопротеином.
Шло время. Всю первую треть двадцатого века биохимики напряженно изучали вирусы - мельчайшие возбудители заболеваний, неразличимые даже в микроскоп. В 1935 году американский биохимик Уэнделл Стэнли выделил в виде кристалла вирус табачной мозаики, заболевания, поражающего листья табака, за что и получил в 1946 году нобелевскую премию в области медицины и физиологии. Природа этих кристаллов оказалась белковой.
Вирус не состоял из клеток, напротив, он представлял собой частичку не крупнее хромосомы. Как и хромосома, вирус обладал способностью реплицироваться, попадая в клетку. А после открытия такого функционального сходства было уже рукой подать до обнаружения свойства и структурного - химического.
Вирус табачной мозаики оказался не простым белком. В его состав входила также и нуклеиновая кислота, так что это был нуклеопротеин. Вслед за ним было выделено и изучено много других вирусов, и все они без исключения оказались нуклеопротеинами.
Таким образом, перед биохимиками к 1940 году предстала ясная картина. Теперь им были известны две сущности, способные к репликации - внутриклеточные хромосомы и вирусы, вторгающиеся в клетку извне. И природа обеих была нуклеопротеиновой!
Теперь ответ на задачи, поставленные генетикой, лежал перед учеными в области свойств и структуры нуклеопротеинов.
Разнообразие
Однако для химиков 1940 года и предыдущих периодов изучение нуклеопротеинов означало в первую очередь изучение их белковой части. Небелковая часть казалась им "слишком простой". Всерьез на что-то влиять мог, по их мнению, только белок.
Белки же являются не просто сложными и запутанными - они еще и существуют в огромном множестве разновидностей. Само по себе это только прибавляло значения изучению белков.
Чтобы вы яснее представляли себе, о чем идет речь, вот небольшой пример белкового разнообразия.
В организме каждую секунду происходят тысячи химических реакций, сосчитать их просто невозможно. Все сложные вещества, получаемые с пищей, необходимо разложить на более мелкие составляющие, а эти составляющие нужно, в свою очередь, поглотить и собрать их них новые сложные вещества, в которых нуждается организм. Некоторые из поступающих с пищей веществ надо расщепить, чтобы получить при этом энергию, а неиспользуемые отходы надо вывести из организма. Из других элементов пищи надо произвести специальные вещества, необходимые организму. И каждое из этих действий происходит в несколько взаимосвязанных этапов.
Практически ни одну из отдельных химических реакций, так уверенно и отработанно происходящих в живом организме, не удается повторить в лаборатории, если взять изолированно вещества, в реакции участвующие, при температуре, соответствующей температуре тела. Для того, чтобы реакции произошли, требуется добавление некоторых дополнительных веществ, выделяемых из живой ткани. Эти вещества именуются ферментами (энзимами).
Фермент - это катализатор, то есть, вещество, которое, будучи добавленным в небольшом количестве, ускоряет процесс протекания химических реакций, при том, что сам катализатор в процессе реакции необратимых изменений не претерпевает. Фермент предоставляет веществам возможность вступать в реакцию с меньшими энергозатратами - таким образом, сама реакция будет протекать гораздо быстрее.
Это вообще-то сложный предмет, но вот одна простая аналогия. Лежащий на наклонной доске кирпич не съезжает вниз, несмотря на действие гравитации, потому что ему мешает сила трения. Для того, чтобы он заскользил вниз, его надо подтолкнуть - то есть, приложить энергию. Начав двигаться, он может съехать вниз, а может и снова остановиться. А теперь представьте, что и кирпич, и доска покрыты тонким слоем гладкого воска. Теперь кирпич и сам заскользит вниз под действием силы тяжести, причем гораздо быстрее. Вот роль такого слоя воска ферменты и выполняют.
Так вот, почти каждая из тысяч реакций, происходящих в организме, катализируется своим особым ферментом. Не одним для всех, а отдельным для каждой реакции! А каждый фермент представляет собой белок - особый, отдельный для каждого случая белок.
Не только в человеческом организме производятся тысячи различных ферментов - это происходит в организме любого живого существа. Большая часть реакций, происходящих в клетках человека, протекает также и в клетках других созданий. Некоторые из реакций являются универсальными, то есть, протекающими в клетках всех типов. Это значит, что фермент, катализирующий одну и ту же реакцию, может присутствовать в организме волка, осьминога, мха и бактерии, так же как и в наших собственных клетках. Однако сам фермент в каждом случае будет разным.
Получается, что каждый вид живых существ имеет тысячи свойственных только ему ферментов. Поскольку живых существ на земле более миллиона видов, то даже, если рассматривать одни лишь ферменты, можно с уверенностью говорить о существовании миллиардов различных белков!
Еще о разнообразии
Вот еще один пример, позволяющий наглядно убедиться в разнообразии белков.
Организм человека способен формировать антитела. Это вещества, вступающие в реакцию с вторгающимися в организм извне микробами, или с ядовитыми продуктами их жизнедеятельности, что называется выработкой иммунитета против заболевания. Таким образом организм борется с болезнями, например, с корью. Будучи единожды сформированными, антитела к вирусу кори либо остаются в организме, либо, в случае повторного контакта с вирусом начинают производиться быстро и в массовом порядке, как будто организм пользуется для их формирования уже налаженным когда-то конвейером, так что иммунитет к кори остается у нас на всю жизнь.
Все мы, жители городов, постоянно сталкиваемся с возбудителями полиомиелита и других тяжелых заболеваний. У большинства из нас против них формируется иммунитет, эффективно защищающий нас от болезни. Немногим несчастным, однако, случается и заболеть.
Антитела формируются иногда и против безвредных веществ, содержащихся в пыльце, пище или других факторах окружающей среды. Когда мы подвергаемся воздействию этих веществ, между ними и антителами начинается реакция, приводящая к таким неприятным симптомам, как чихание, забитая носоглотка, резь в глазах, чесотка и астматические проявления. Про все это мы говорим "у меня аллергия к тому-то и тому-то".
Такую чувствительность к определенным веществам можно выработать и целенаправленно. Если кролику ввести инъекцию некоей субстанции, то у него выработаются к ней антитела. В сыворотке крови, взятой у такого кролика, будут обнаружены антитела, вступающие в реакцию с таким веществом, и только с ним.
Число различных видов антител, которые способен вырабатывать организм, кажется неограниченным. На каждую бактерию, на каждый токсин бактериального происхождения, на каждый штамм вируса, на каждый белковый (а то и небелковый) компонент пищи или чего угодно еще будут формироваться свои антитела, вступающие в реакцию только с этим веществом.
Антитела, справляющиеся с одним штаммом вируса, не будут работать даже против другого штамма, имеющего минимальные отличия. Вот почему нельзя на всю жизнь приобрести иммунитет против таких заболеваний, как простуда и грипп. Антитела-то в организме производятся, но в следующий раз мы подвергаемся воздействию уже другого штамма вируса, и они оказываются бесполезными.
Все антитела, как выяснилось - белки, соответственно, все различные антитела представляют собой различные белки. Таким образом, разнообразие антител служит еще одним свидетельством разнообразия белков как таковых.
Есть в живых организмах и другие белки, не являющиеся ни антителами, ни ферментами, и уж тут-то, можно было бы подумать, должны существовать какие-то стандарты. Например, определенные протеины формируют важные структурные компоненты соединительной или мышечной ткани. В формировании первой участвует коллаген, второй - актомиозин (1). Можно еще вспомнить уже упоминавшийся гемоглобин.
(1) Сложные имена большинства химических веществ имеют свое значение. Но, как правило, объясняя их смысл, можно уйти слишком далеко от темы. Поэтому я буду объяснять значения названий только в тех случаях, когда это будет сделать легко и просто.
<<... 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
| |
| |
|
|
|
