Текст книги "От атомов к древу: Введение в современную науку о жизни"

Теперь отвлечемся на время от нуклеозидов и познакомимся поближе с одним важным понятием, которое мы, в общем-то, уже знаем.

Существует химическая реакция под названием фосфорилирование: присоединение фосфата к любому соединению, в котором есть гидроксильная группа, с образованием сложного эфира фосфорной кислоты. Мы уже встречались с этой реакцией, когда говорили о фосфолипидах: там фосфорилированию подвергался глицерин и получался глицерофосфат (см. главу 5). Фосфолипиды, из которых состоит клеточная мембрана, образуются как раз этим путем.

На самом деле объектами фосфорилирования бывают самые разнообразные молекулы, несущие гидроксильные группы. Это могут быть белки (особенно такие, где есть серин, треонин или тирозин – фосфат присоединяется именно к этим аминокислотным остаткам), могут быть спирты (например, тот же глицерин), а могут быть и сахара, благо уж в них-то гидроксильных групп сколько угодно. Фосфорилирование – это универсальный биохимический “оператор”, способный предсказуемо менять свойства разных молекул. Есть специальная большая группа ферментов, занимающихся только фосфорилированием, – они называются киназами.

Напомним еще раз, что “фосфорная кислота” и “фосфат” – в биохимии практически одно и то же. Фосфорная кислота в водном растворе всегда диссоциирует, то есть отдает протоны, превращаясь в анион. Но в формулы ее часто вписывают в недиссоциированном виде – просто для удобства, чтобы не обозначать заряды. Кроме того, при реальном фосфорилировании, происходящем в живой клетке, остаток фосфата чаще всего не приходит в свободном виде из раствора, а передается от специального переносчика. Но в упрощенных записях реакций это может и не отображаться.

Нуклеозид, фосфорилированный по сахару, называется нуклеотидом (см. рис. 7.5). Фосфорилирование нуклеозидов, как правило, идет по пятому углеродному атому сахара, через присоединенную к этому атому гидроксильную группу. Итак, нуклеотид – это молекула, состоящая из азотистого основания, пятиуглеродного сахара (рибозы или дезоксирибозы) и фосфата.

Правило образования названий нуклеотидов таково: название нуклеотида = название нуклеозида + числительное + фосфат. Числительное нужно обязательно, потому что к фосфату могут присоединяться еще фосфаты, как бы последовательно фосфорилирующие друг друга, – всего их бывает до трех штук. Если фосфат один, то числительное – “моно”, если два – “ди”, если три – соответственно “три”. Например, если один раз фосфорилировать аденозин, то получится аденозинмонофосфат (АМФ). Кроме того, если входящий в состав нуклеотида сахар не рибоза, а дезоксирибоза, то ко всему названию добавляется приставка “дезокси”.

Один из самых интересных нуклеотидов – аденозинтрифосфат (АТФ, см. рис. 7.6). Иногда его называют аденозинтрифосфорной кислотой, но название “аденозинтрифосфат” используется чаще. В растворе, заполняющем клетку, АТФ находится в виде аниона, так что фактически это не кислота, а соль. Как видно из названия, эта молекула состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфата.

АТФ может распадаться с участием воды на аденозиндифосфат (АДФ) и обычную фосфорную кислоту. При этом высвобождается довольно много энергии, которая может быть использована для любых внутриклеточных процессов – таких, например, как синтез полимеров, транспорт веществ или мышечное сокращение. При превращении АДФ в АТФ энергия, наоборот, поглощается молекулой последнего и запасается в ней. В целом получается обратимая реакция, которую можно записать очень просто:

АТФ + H₂O (вода) ⇌ АДФ + H₃PO₄ (фосфат) + энергия

Это и есть простейшая схема оборота АТФ в живой клетке. И это – процесс, от которого напрямую зависит все наше существование.

Фермент, превращающий АДФ в АТФ и тем самым запасающий в молекуле АТФ энергию, называется АТФ-синтазой. Фермент, расщепляющий АТФ до АДФ и использующий высвобожденную энергию для какой-нибудь работы, называется АТФазой. Эти названия ни в коем случае не надо путать – они относятся к строго противоположным процессам. За сутки в организме человека синтезируется, по разным подсчетам, от 40 до 75 килограммов химически чистого АТФ. Но он не накапливается, а почти сразу расщепляется обратно до АДФ, расходуясь в качестве “топлива”. Как запасное вещество АТФ не используется, потому что его слишком неудобно хранить. Среднее время жизни отдельно взятой молекулы АТФ – меньше одной минуты. С другой стороны, запаса АТФ, имеющегося в каждый данный момент, любой живой клетке хватит не больше чем на несколько секунд, так что он должен постоянно синтезироваться заново. Именно синтез АТФ является главным конечным результатом процессов получения энергии – таких, например, как дыхание.

В 1939 году известные биохимики Владимир Александрович Энгельгардт и Милица Николаевна Любимова совершили поразительное открытие. Их интересовала биохимия мышечного сокращения, и они сумели выделить из клеток мышечный белок – миозин, – конденсированный в виде нитей. Дальше оказалось, что если поместить эти нити в раствор АТФ, то происходят одновременно два процесса. Во-первых, АТФ расщепляется до АДФ и фосфата, надо полагать – под действием миозина. А во-вторых, нити миозина при этом… укорачиваются. Во всяком случае, существенно уменьшается максимальная длина, до которой их можно растянуть.

Так была открыта АТФазная активность миозина. И заодно было очень наглядно показано, что энергия, высвобожденная при расщеплении АТФ, может тут же “конвертироваться” в механическую работу. Правда, на самом деле чистого миозина для этого недостаточно, нужен как минимум еще один белок – актин. Но в принципе Энгельгардт и Любимова все поняли абсолютно верно. Их открытие, кстати, было сразу же оценено современниками: в 1943 году авторы получили за него высшую тогда в СССР награду – Сталинскую премию.

Любая АТФаза является белком, который, расщепляя АТФ, за счет высвобожденной при этом энергии одновременно совершает работу (не обязательно механическую: с тем же успехом это может быть перенос веществ через клеточную мембрану или какой-нибудь энергоемкий синтез). Если белки-АТФазы – аналоги маленьких двигателей, то АТФ служит для клетки самым настоящим топливом.

Иногда связи между остатками фосфата в формуле АТФ обозначают не прямой черточкой, как обычные ковалентные связи, а волнистой (~). Это предложенное немецким биохимиком Фрицем Липманом обозначение тех связей, при разрыве которых, собственно, и выделяется достаточно большая по биохимическим меркам энергия. Такие связи называются высокоэнергетическими или макроэргическими. АТФ – не единственное вещество с макроэргическими связями, но, безусловно, самое распространенное. Это энергетическая “разменная монета” живой клетки.

Во избежание недоразумений надо сказать, что количество энергии, высвобождаемое при разрыве макроэргической связи в АТФ, на самом деле вовсе не является каким-то потрясающе огромным. Как раз наоборот, по меркам обычной химии, особенно неорганической, оно скорее невелико. Это объясняется очень просто: слишком большую разовую порцию энергии клетке было бы труднее пустить в дело.

Фермент аденилатциклаза может превратить АТФ в другое интересное соединение – циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Это довольно странно выглядящая молекула, где один и тот же фосфат связан сразу с двумя гидроксилами рибозы (третьим и пятым). Ни для переноса энергии, ни для построения каких-либо более сложных соединений цАМФ не годится. Зато это важное сигнальное вещество, служащее посредником при передаче информации внутри клеток, а иногда и между клетками.

Например, цАМФ может через цепочку посредников запустить процесс распада нерастворимого гликогена до растворимой глюкозы – это существенно ускоряет обмен веществ (см. главу 6). Для того чтобы этот эффект не длился слишком долго, существует фермент фосфодиэстераза, который разрывает в молекуле цАМФ фосфатный мостик и превращает его в безобидный обычный АМФ, лишенный сигнальных функций. Благодаря этому ферменту молекулы цАМФ в клетках быстро расщепляются, и мы избегаем перерасхода энергии. А самым распространенным блокатором фосфодиэстеразы является не что иное, как уже знакомый нам кофеин. Это еще один способ, которым кофеин может действовать на организм. Тут мы имеем дело с типичным случаем конкурентного ингибирования, когда активный центр фермента “запирается” молекулой, близкой по структуре к нормальному субстрату этого фермента, но слегка отличающейся от него (см. главу 3). Именно такой молекулой кофеин и служит. Правда, на фосфодиэстеразу кофеин действует только в огромных концентрациях, которые в организме достигаются редко. Так что развенчивать кофеин, лишая его статуса психоактивного вещества, не стоит: в первую очередь он действует все-таки на аденозиновые рецепторы, которые сидят на нервных клетках.

8. Нуклеиновые кислоты

Биохимией называют у нас те случаи, когда скверные химики занимаются грязными и плохими работами на малоподходящем для химии материале. Не это биохимия. Биохимия – это физико-химический структурный анализ активных макромолекул.

НИКОЛАЙ ТИМОФЕЕВ-РЕСОВСКИЙ

(ЦИТИРУЕТСЯ ПО ДОКУМЕНТАЛЬНОМУ РОМАНУ ДАНИИЛА ГРАНИНА “ЗУБР”)

Полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, называется нуклеиновой кислотой.

Что можно сказать о таком полимере? Прежде всего, он в некотором отношении сложнее, чем состоящий из аминокислот белок, потому что любой нуклеотид – это (как мы теперь знаем) куда более сложная молекула, чем любая аминокислота. В нуклеиновой кислоте остатки сахара, принадлежащие разным нуклеотидам, соединены между собой через фосфатные группы. В результате получается длинная цепочка чередующихся остатков сахара и фосфата – так называемый сахаро-фосфатный остов, вбок от которого торчат азотистые основания. Представим эту картину, и можно считать, что общее представление о нуклеиновой кислоте мы уже получили.

Разные нуклеиновые кислоты называются по-разному в зависимости от того, какой у них в нуклеотидах сахар. Если это рибоза, то кислота рибонуклеиновая, а если дезоксирибоза – соответственно, дезоксирибонуклеиновая. Сокращения, обозначающие эти кислоты, – ДНК и РНК – вряд ли будут для кого-то из читателей большой новостью. В нашем перенасыщенном информацией мире про них труднее не услышать, чем услышать.

Объединить нуклеотиды в нуклеиновую кислоту в принципе очень просто. От гидроксильной группы, принадлежащей сахару одного нуклеотида, отщепляется водород (–H). От фосфата, принадлежащего другому нуклеотиду, отщепляется гидроксильная группа целиком (–OH). Эти отщепленные фрагменты образуют воду (H – O–H), а нуклеотиды соединяются по освободившимся связям. В результате между сахаром одного нуклеотида и фосфатом другого остается атом кислорода (–O–). Правда, в реальной живой клетке все происходит несколько сложнее (синтез нуклеиновой кислоты там начинается не с нуклеозидмонофосфатов, а с нуклеозидтрифосфатов). Но нам это сейчас неважно. Важно, что в итоге получается цепочка нуклеотидов, сахара которых соединены фосфатными мостиками.

Теперь – серьезное дополнение (см. рис. 8.1А). Соединяющий нуклеотиды фосфатный мостик всегда расположен между 3'-углеродом одного сахара и 5'-углеродом другого. У возникающей цепочки нуклеотидов два конца, на одном из которых находится свободный фосфат (это 5'-конец), а на другом – свободная гидроксильная группа сахара (это 3'-конец; в устной речи прямо так и говорится – “пять-штрих-конец” и “три-штрих-конец”). Запомним это! Различать направления 5'→3 и 3'→5' очень важно: некоторые биологические функции нуклеиновых кислот без этого просто невозможно понять.

Хорошо еще, что ДНК и РНК – линейные полимеры, то есть неветвящиеся. Правда, чисто химически их ветвление вполне возможно, но современные живые организмы эту возможность почти нигде не реализуют.

Между РНК и ДНК есть три главных отличия (см. рис. 8.1Б):

• ДНК имеет форму двойной спирали и используется для долговременного хранения генетической информации. РНК же почти всегда одноцепочечная и используется для передачи генетической информации, но не для ее постоянного хранения. Исключение можно найти только у такой странной (с нашей точки зрения) формы жизни, как РНК-содержащие вирусы.

• Вместо рибозы в ДНК входит дезоксирибоза – сахар, имеющий на один атом кислорода меньше.

• Из трех пиримидиновых азотистых оснований в РНК входят только урацил и цитозин, а в ДНК – только тимин и цитозин. Фактически в ДНК урацил заменен тимином.

Нет сомнений, что эти отличия должны иметь эволюционное объяснение, и довольно скоро мы попробуем его найти.

Исторически сложилось так, что поначалу в центре внимания биологов оказалась не РНК, а именно ДНК. В клетке ее обычно больше, и выделить ее для химического анализа легче. Кстати говоря, на самом деле природная ДНК – это не столько кислота, сколько соль. Кислотой ее называют из-за фосфатных групп. Но в условиях живого организма эти группы диссоциируют (отдают протоны), и остаются обнаженные отрицательные заряды, которые компенсируются положительно заряженными ионами натрия (Na⁺), благо натрий в окружающем растворе всегда есть. Так что с чисто химической точки зрения правильнее было бы называть ДНК дезоксирибонуклеатом натрия. И действительно, во многих старых классических работах ее именно так и называют. Но сейчас название “ДНК” настолько прочно вошло в язык, что менять его, видимо, уже не придется.

Главный источник ДНК в природе – ядра клеток эукариот. Как мы помним, эукариотами, собственно, и называются организмы с клеточными ядрами, то есть животные, растения, грибы и многие одноклеточные вроде инфузорий и амеб (см. главу 5). Что такое само клеточное ядро, мы пока “не знаем”, и нам не важны никакие детали его устройства, кроме самых простых фактов. Ядро – это находящаяся внутри клетки полость, окруженная оболочкой из двух мембран, в целом подобных наружной клеточной мембране, и содержащая очень много ДНК. Обычно клеточное ядро прекрасно видно под микроскопом. Само название “нуклеиновые кислоты” происходит именно от латинского слова, обозначающего ядро (nucleus). Вместе с белками, на которые она намотана, ядерная ДНК образует нити, которые тоже бывают хорошо заметны под микроскопом (эти нити принято называть хромосомами). Но и в клетках бактерий и архей, у которых нет никакого ядра, ДНК тоже всегда есть. Собственно, она есть абсолютно в любой современной живой клетке. Исключением могут быть только заведомо обреченные на скорую гибель клетки вроде, например, наших красных кровяных телец – эритроцитов (которые, надо заметить, и клетками-то не все биологи согласны считать).

К тому же молекулы ДНК просто огромны. У эукариот они могут состоять буквально из миллиардов нуклеотидных звеньев. Это самые длинные полимеры, какие только существуют в живой природе.

В общем, не заметить такое вещество было бы трудно. Но вот что и как оно делает – оставалось загадкой в течение нескольких десятков лет. Сейчас мы посмотрим, как эта тайна постепенно раскрывалась.

Тут не обойтись без небольшого авторского вступления. Эта книга ни в коем случае не труд по истории науки. Принятый в ней порядок изложения – логический, а не исторический. Это означает, что рассказ, по возможности, ведется, исходя из логики природных явлений, а не из того, что и в каком порядке открывали разные профессора, жившие сотню лет назад или еще раньше. В конце концов, наша главная цель – узнать что-то о современной биологии. Извилистые пути, пройденные научной мыслью давным-давно, тут могут подождать. И все же ради истории исследований ДНК хочется сделать исключение. Эта тема так важна и в то же время так поучительна, что мы позволим себе на ней остановиться – хотя бы кратко, в виде сжатого обзора, фиксирующего главные вехи.

Само существование ДНК открыл в 1869 году швейцарец Фридрих Мишер. Это открытие ни в коей мере нельзя назвать случайным. Фридрих Мишер, 25-летний на тот момент ученый, буквально чуть ли не с рождения вошел в научную элиту своего времени. Он был сыном профессора-медика, а его родной дядя – Вильгельм Гис – оказался выдающимся эмбриологом и анатомом, имя которого нередко упоминается в учебниках и сейчас, в XXI веке. (Каждый студент-медик знает, например, пучок Гиса, проходящий в продольной перегородке человеческого сердца.) Племянник и дядя дружили. И скорее всего, именно от Вильгельма Гиса еще совсем юный Фридрих Мишер воспринял мечту раскрыть самые фундаментальные тайны живой природы. В 17 лет он поступил на медицинский факультет, но работать практикующим врачом, судя по всему, не собирался ни дня. Ему просто нужна была хорошая естественно-научная база, чтобы приступить к поиску, как он говорил, “теоретических оснований жизни”. Мишер очень рано пришел к общему с Гисом убеждению, что “последние оставшиеся вопросы, касающиеся развития тканей, могут быть решены только на базе химии”{49}49
  Dahm R. Friedrich Miescher and the discovery of DNA // Developmental Biology, 2005, V. 278, № 2, 274–288.


[Закрыть]. И он решил стать биохимиком. Правда, этого слова тогда еще не существовало, но было понятие “физиологическая химия”, означавшее то же самое. Поработав в великолепных немецких химических лабораториях, Мишер приобрел серьезную квалификацию химика-органика – и занялся изучением химического состава живых клеток.

Свой любимый объект – гной – Мишер обнаружил в хирургической клинике, по соседству с которой в тот момент работал. Из гноя оказалось очень удобно получать целые клетки, в первую очередь, конечно, лейкоциты – клетки иммунной системы, ответственные за воспаление. Именно из лейкоцитов Мишер и выделил вещество, обладавшее следующими четырьмя свойствами:

• оно всегда находится в высокой концентрации в клеточных ядрах, но почти отсутствует во внеядерной части клетки, так называемой цитоплазме;

• его молекулы – большие, вполне сравнимые по размеру с молекулами белков;

• оно определенно является по химическим свойствам кислотой;

• оно состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и довольно большого количества фосфора, но совершенно не содержит серы.

К тому времени биохимики уже знали, что в белках сера присутствует обязательно (как мы сейчас понимаем, она входит в состав некоторых аминокислот). А вот фосфора в них нет. Это со всей определенностью означало, что открытое Мишером вещество не белок, а нечто совсем другое.

Сам Мишер назвал это вещество “нуклеин”, от латинского слова nucleus – ядро. Через 20 лет Рихард Альтман переименовал “нуклеин” в “нуклеиновую кислоту”. Это название в науке и прижилось.

Мишер прекрасно понимал, что “нуклеин” не белок, и допускал, что это вещество выполняет какую-то особую функцию, свойственную только материалу клеточных ядер. Чтобы изучить химию нуклеина более детально, он использовал сперматозоиды – мужские половые клетки животных, в которых, кроме ядра, почти ничего толком и нет.

Между тем представление, что процессы передачи наследственной информации как-то связаны с клеточным ядром, к тому времени уже вошло в научный оборот. Это называлось ядерной теорией наследственности. Почему бы тогда “нуклеину” и не оказаться материальным носителем наследственных качеств? И действительно, в 1874 году Мишер записал: “Если бы мы предполагали, что какое-то одно вещество является специфической причиной оплодотворения, в первую очередь нам, несомненно, пришлось бы рассмотреть нуклеин”.

Фридриху Мишеру необыкновенно повезло. В своем стремлении раскрыть главную химическую тайну жизни он сразу выбрал абсолютно правильное направление поиска. Полученные им результаты подготовили науку к грандиозному прорыву. Но вот самого прорыва как раз и не произошло. В течение следующих 40 лет, примерно с 1890 по 1930 год, исследования нуклеиновых кислот оставались в общем-то непопулярной областью биохимии. Люди, которым хватало квалификации, чтобы ставить биохимические опыты, в этот период гораздо больше интересовались белками. Тогда уже было ясно, что белки – универсальные химические “слагаемые” жизни. В отношении нуклеиновых кислот такой уверенности не было даже у энтузиастов, при том что исследование этих веществ по чисто химическим причинам было заметно более трудоемким, чем исследование белков. Неудивительно, что желающих ими заниматься находилось относительно немного.

Правда, и в этот период у некоторых людей случались озарения. Вопрос о биологической роли ДНК не обошел стороной, например, известный физиолог Жак Лёб. В вышедшей в 1906 году книге под названием “Динамика живой материи” он совершенно четко сформулировал два предположения:

• наследственная информация при оплодотворении, скорее всего, передается каким-то одним строго определенным химическим веществом;

• нуклеиновые кислоты являются гораздо более вероятными кандидатами на роль этого вещества, чем белки.

Лёб стремился сводить всю живую природу к простым физико-химическим факторам, и это, конечно, вызывало у многих биологов возражения, особенно когда применялось к таким сложным явлениям, как, например, поведение животных. Но именно в отношении передачи наследственной информации Лёб оказался абсолютно прав. Он, что называется, попал в яблочко. К сожалению, в 1924 году, когда ученый умер, оценить этого еще никто не мог. Предложенная им гипотеза о веществе наследственности просто затерялась среди множества других гипотез, казавшихся тогда не менее вероятными.

Американский биолог Леонард Троланд высказал другую смелую гипотезу: нуклеиновые кислоты – это своего рода небелковые ферменты, запускающие процесс копирования генетической информации{50}50
  Troland L. T. Biological enigmas and the theory of enzyme action // The American Naturalist, 1917, V. 51, № 606, 321–350.


[Закрыть]. Гораздо позже стало понятно, что эта мысль не просто красива, но и (опять же) в немалой степени верна. У некоторых нуклеиновых кислот такая функция действительно есть.

Увы и увы, 100 лет назад все эти идеи разбились о полное равнодушие профессиональных генетиков, интересы которых в тот период были совершенно другими. Впрочем, самих генетиков тут тоже можно понять. Их юная наука, только в 1905 году получившая свое название, развивалась невероятно бурно – и охватить все возможные направления просто-напросто не получалось. А при этом ни концептуальный аппарат генетики, ни создавшие ей славу “фирменные” методы исследований изначально ни с какой химией связаны вовсе не были. И в результате генетики начала XX века практически единодушно решили, что поиск химического носителя наследственной информации – дело далекого будущего, а пока что на это отвлекаться не следует.

Таким образом, биохимики (вернее, те из них, кого это вообще интересовало) были вынуждены изучать ДНК в гордом одиночестве. Причем “сухой остаток” от этой долгой и трудной работы был довольно скромным. Стало понятно, что нуклеиновая кислота – это полимер, состоящий из нуклеозидов, соединенных фосфатными мостиками, то есть, иными словами, из нуклеотидов. И выяснилось, что нуклеотиды в ДНК бывают четырех типов: адениновый, гуаниновый, цитозиновый или тиминовый. Никаких далеко идущих выводов эти факты не породили. Ну, вещество себе и вещество. Ясно, что оно участвует в клеточном ядре в каких-то биохимических процессах, ну так мало ли там всего разного участвует! Где-то так, по-видимому, и думало большинство биологов к началу 1930-х годов.