Текст книги "Биология веры: Недостающее звено между Жизнью и Сознанием"
Автор книги: Брюс Липтон
сообщить о нарушении
Текущая страница: 4 (всего у книги 14 страниц) [доступный отрывок для чтения: 6 страниц]
Как белки создают жизнь
Живые организмы отличаются от неживых прежде всего тем, что они движутся и выполняют «работу» – дышат, переваривают пищу, сокращают мышцы и т. д. Чтобы понять природу жизни, нам необходимо разобраться, что приводит в движение белковые «машины».
Окончательная форма, которую принимает белковая молекула (ее конформация, как говорят биологи), определяется равновесным расположением электрических зарядов в ее аминокислотной цепи. Если распределение положительных и отрицательных зарядов в молекуле белка изменится, она тут же примется выгибаться и приспосабливаться к новой ситуации. Распределение зарядов в белковой молекуле может быть избирательно изменено целым рядом процессов, в частности присоединением других молекул или химических групп (например, гормонов) и даже воздействием внешних электромагнитных полей – скажем, тех, что излучаются мобильными телефонами [Tsong 1989].
Конструктивное совершенство трансформирующихся белков поистине впечатляет: их точнейшим образом выверенная трехмерная конфигурация дает им возможность связываться с другими белками. Когда белковая молекула встречается с другой белковой молекулой, физически и энергетически ей комплементарной, они соединяются примерно так же, как хорошо подогнанные шестеренки в часах.
Рассмотрим еще две иллюстрации. На первой показаны пять белковых молекул – своего рода молекулярные «шестеренки» клеток. Эти органические «шестеренки» имеют более мягкие края, чем их механические аналоги, но благодаря своей точно выдержанной трехмерной конфигурации могут надежно сцепляться с другими, комплементарными им белковыми молекулами.
На рис. А показана предпочтительная конформация нашей гипотетической белковой молекулы. Силы отталкивания между двумя отрицательно заряженными концевыми аминокислотами (обозначены стрелками) заставляют цепь растягиваться так, чтобы упомянутые аминокислоты оказались как можно дальше друг от друга. На рис. В концевая аминокислота показана крупным планом. Сигнал – в данном случае молекула, имеющая большой положительный заряд (белый шарик) – притягивается к отрицательно заряженному участку концевой аминокислоты и связывается с ним. В данном конкретном случае положительный заряд сигнала больше отрицательного заряда аминокислоты. После того как сигнал связывается с белком, на соответствующем конце цепи образуется избыток положительного заряда. Поскольку положительный и отрицательный заряды притягиваются, аминокислоты станут поворачиваться относительно соединяющих их связей так, чтобы их положительно и отрицательно заряженные концы сблизились.
На следующей иллюстрации функционирование клетки демонстрируется на примере механических часов. На первом рисунке показан металлический механизм с его шестеренками, пружинами, камнями и корпусом. Поворачиваясь, шестеренка А заставляет поворачиваться шестеренку В, шестеренка В шестеренку С и так далее. На следующем рисунке на изображение рукотворного механизма для наглядности наложено увеличенное в миллионы раз изображение белковых молекул. В такой белково-металлической «машине» легко представить себе, как белок 1, поворачиваясь, заставляет вращаться белок 2, а тот, в свою очередь, белок 3. А теперь переведите взгляд на третий рисунок, где уже нет никаких рукотворных деталей. Прошу! Перед вами – белковая «машина», один из тысяч белковых агрегатов, входящих в состав живой клетки!
На рис. С показан переход от конформации А к конформации В. Изменение конформации порождает движение, которое используется для выполнения полезной работы – в частности, для осуществления таких функций, как пищеварение, дыхание и сокращение мышц. Когда сигнал отделяется, белок возвращается к своей предпочтительной вытянутой конформации. Так сигнально-обусловленное движение белковых молекул делает возможными процессы жизнедеятельности.
Белки внутриклеточной цитоплазмы, благодаря совместному действию которых она осуществляет свои функции, группируются в особые агрегаты, называемые каскадами, или биохимическими путями. Эти агрегаты классифицируются по их функциям – например, дыхательные каскады, пищеварительные каскады, каскады мышечных сокращений, а также печально известный энергопроизводящий цикл Кребса – подлинное бедствие для студентов, которым приходится запоминать все фигурирующие в нем белковые компоненты и сложные химические реакции.
Разнообразие белков. На рисунке показаны пять различных белковых молекул. Каждой из них свойственна строго определенная трехмерная конфигурация, в точности воспроизводящаяся от клетки к клетке.
A. Фермент, поглощающий атом водорода.
B. Скрученная нить белка коллагена.
C. Мембранный канал – белок со сквозным отверстием в центре.
Можете ли вы себе представить, в какой восторг пришли биологи, когда разобрались в том, как работают белковые «машины»? Клетка использует их для осуществления различных метаболических и поведенческих функций. Непрерывное движение белков, непрерывное изменение их формы в течение одной-единственной секунды – вот что движет жизнью!
Верховенство ДНК
Вы, вероятно, заметили, что в двух предыдущих параграфах я ни слова не сказал о ДНК. Почему? Потому что источником движения, обусловливающего различные формы жизнедеятельности клетки, является вовсе не ДНК, а изменение электрической заряженности белков. Откуда же взялось широко распространенное представление о том, что гены «управляют» всем живым? Дарвин в «Происхождении видов» предположил, что наследственные факторы, передающиеся из поколения в поколение, определяют, какие именно признаки будут наблюдаться у потомков. Авторитет Дарвина был столь велик, что ученые сломя голову бросились на поиски этих самых «управляющих жизнью» наследственных факторов.
В 1910 году путем тщательных микроскопических исследований удалось установить, что передающаяся из поколения в поколение наследственная информация заключена в хромосомах – нитевидных структурах, которые становятся видны в клетке непосредственно перед тем, как она разделится на две «дочерние» клетки. Хромосомы входят в состав самой большой из органелл клетки – ядра. Изолировав ядро, ученые забрались внутрь хромосом и обнаружили, что они состоят всего из двух типов молекул – белка и ДНК.
В 1944 году ученые определили, что наследственная информация содержится в ДНК хромосом [Avery, et al, 1944; Lederberg 1994]. Эксперименты, позволившие сделать этот вывод, были чрезвычайно изящными. Исследователи выделили ДНК одного вида бактерий – назовем его видом А – и добавили к культуре, содержащей только бактерии вида Б. Очень скоро у бактерий вида Б стали проявляться наследственные признаки, ранее свойственные виду А. Когда стало известно, что для передачи наследственных признаков не нужно ничего, кроме ДНК, эта молекула заняла в науке поистине выдающееся место.
Оставалось определить структуру нашей «выдающейся» молекулы. С этой задачей справились Джеймс Уотсон и Френсис Крик. Молекулы ДНК оказались длинными нитевидными цепочками, составленными из азотсодержащих химических соединений четырех видов – так называемых оснований (аденина, тимина, цитозина и гуанина; А, Т, С и G).
Уотсон и Крик сделали вывод, что последовательность аминокислот в остове белковой молекулы определяется последовательностью оснований в молекуле ДНК [Watson and Crick 1953]. Длинная цепочка молекулы ДНК подразделяется на отдельные гены – участки, служащие шаблонами для синтеза конкретных белков. Так были обнаружены коды воспроизводства белковых «машин» клетки!
Уотсон и Крик объяснили, почему ДНК идеально подходит для передачи наследственной информации. В обычном состоянии каждая нить ДНК переплетается с еще одной нитью ДНК, образуя свободно свернутую конфигурацию – так называемую двойную спираль. Характерная особенность этой двойной спирали в том, что последовательности оснований в обеих нитях ДНК являются зеркальными отражениями друг друга. Когда нити ДНК расплетаются, каждая из них содержит информацию, необходимую для воспроизводства ее точной комплементарной копии. То есть путем разъединения нитей двойной спирали молекулы ДНК становятся самокопирующимися. Это наблюдение позволило предположить, что ДНК самостоятельно управляет своим воспроизводством – что она как бы сама себе «хозяйка».
Исходя из догадки, что ДНК управляет собственным воспроизводством и несет в себе программу выработки белков, Френсис Крик сформулировал Главную догму биологии: положение о главенствующей роли ДНК. Это положение красной нитью пронизывает все научные тексты и, можно сказать, высечено на скрижалях науки, подобно библейским заповедям.
Согласно вышеуказанной догме, ступенькой ниже восседающей на царском троне ДНК располагается ее короткоживущая «ксерокопия» – РНК (рибонуклеиновая кислота). Именно она служит физическим шаблоном для кодирования аминокислотной последовательности, составляющей остов белковой молекулы.
Главная догма биологии определяет образ мышления эпохи генетического детерминизма. Коль скоро облик живого организма определяется характером его белков, а белки кодируются ДНК, последнюю вполне логично считать «первопричиной» тех или иных черт организма.
Проект «Геном человека»
После того как ДНК получила статус Царицы небесной, вполне закономерным стало решение составить каталог всех генетических звезд человеческого небосклона. И в 1980-х годах был начат глобальный научный проект «Геном человека», участники которого поставили перед собой чрезвычайно амбициозную задачу – каталогизировать все имеющиеся у человека гены. Предполагалось, что человеческому организму для программирования синтеза более чем 100 тысяч составляющих его белков необходимо по одному гену на белок; к их числу следовало добавить по меньшей мере 20 тысяч регуляторных генов, потребных для согласования деятельности кодирующих генов. Итого, нехитрые подсчеты показывали, что 23 пары человеческих хромосом должны содержать как минимум 120 тысяч генов.
Но это только присказка, сказка впереди. С теми, кто начинает держаться запанибрата с тайнами Вселенной, природа любит шутить злые шутки поистине космического масштаба.
Давайте вспомним, к чему привело заявление Николая Коперника, что Земля, вопреки представлениям тогдашних полуученых-полубогословов, отнюдь не Центр мира. Его революционное открытие, опубликованное в 1543 году, подорвало основы учения Церкви, лишило ее непререкаемого авторитета и ознаменовало собой начало современной науки.
Нынешним догматикам от биологии довелось испытать сравнимый по силе шок. Выяснилось, что человеческий геном содержит не 120 тысяч генов, а всего лишь примерно 25 тысяч [Pennisi 2003а, 2003b; Pearson 2003; Goodman 2003]. Иными словами, ученые не досчитались 80% необходимых, как они полагали, человеку генов. Эти куда-то девшиеся гены наделали больше шума, чем восемнадцать минут аудиозаписей, пропавшие на никсоновских пленках* * Речь идет о лакуне на одной из магнитофонных пленок, предоставленных суду в связи с так называемым Уотергейтским делом о незаконном прослушивании политических конкурентов, которое повлекло за собой отставку президента США Р. Никсона в 1974 г.
[Закрыть]. Ведь концепция «один ген – один белок» была краеугольным камнем генетического детерминизма. И коль скоро проект «Геном человека» опроверг эту концепцию, всем высокоумным теориям генетиков о том, как функционирует жизнь, прямая дорога на свалку! Теперь уже невозможно веровать в то, что генные инженеры сравнительно легко сумеют разрешить наши проблемы. Столь малое количество генов (всего лишь 25 тысяч) попросту не в состоянии нести всю полноту ответственности за такие сложные явления, как человеческая жизнь и человеческие болезни!
Допускаю, вы прочли эти слова с усмешкой. Если я кажусь вам цыпленком Цыпой, заявляющим, что небо генетики упало ему на голову† † Цыпленок Цыпа (Chicken Little) – персонаж старинной сказки, принявший желудь, упавший ему на голову, за кусочек неба. Этот сюжет впоследствии использовался во множестве произведений, в частности в вышедшем в 2005 г. мультфильме студии Уолта Диснея «Цыпленок Цыпа».
[Закрыть], погодите с окончательными выводами. Большие Сильные Звери науки говорят то же самое, что и я. Бот как прокомментировал удивительные результаты проекта «Геном человека» один из ведущих генетиков мира, лауреат Нобелевской премии Дэвид Балтимор:
«Если только человеческий геном не содержит множества генов, недоступных нашим компьютерам, несомненная сложность человека по сравнению с растениями и червями достигается отнюдь не за счет задействования большего числа генов.
Понимание того, откуда все-таки берется наша сложность – колоссальное разнообразие нашего поведения, способность к сознательным поступкам, великолепная физическая координация, точно выверенная подстройка к изменениям внешней среды, обучаемость, память... можно не продолжать, верно? – остается делом будущего» [Baltimore 2001].
По словам Балтимора, результаты проекта «Геном человека» побуждают нас рассматривать альтернативные идеи по поводу того, чем управляется жизнь. «Понимание того, откуда все-таки берется наша сложность... остается делом будущего». Небо все-таки упало!
Помимо всего прочего, результаты проекта «Геном человека» побуждают нас пересмотреть наши взаимоотношения с биосферой. Мы больше не имеем права доказывать свое эволюционное превосходство над другими живыми существами ссылками на свои гены, – если судить по их количеству, человек не так уж и отличается от гораздо более примитивных организмов. Возьмем для примера три наиболее изученных объекта генетических исследований: микроскопического червя-нематоду Caenorhabditis elegans, плодовую мушку-дрозофилу и обычную лабораторную мышь.
Червь Caenorhabditis – идеальный объект для изучения роли генов в развитии и поведении особи, он хорошо поддается генетическим манипуляциям. Тело этого быстро растущего и хорошо размножающегося создания состоит из 969 клеток; в его незамысловатом мозге насчитывается примерно 302 клетки. Несмотря на это, Caenorhabditis обладает уникальным поведенческим репертуаром. Его геном состоит примерно из 24 000 генов [Blaxter 2003]. В человеческом теле, состоящем из более чем пятидесяти триллионов клеток, лишь на 1 500 генов больше.
У еще одного излюбленного объекта научных исследований – плодовой мушки-дрозофилы – насчитывается 15 000 генов [Blaxter 2003; Celniker, et al, 2002]. Иными словами, гораздо более сложный, по сравнению с примитивным Caenorhabditis, организм этой плодовой мушки содержит на 9 000 генов меньше, чем у него.
Что касается мышей, нам стоило бы смирить собственную гордыню. Исследования генома мыши проводились параллельно с исследованиями проекта «Геном человека». Так вот, у человека и грызунов количество генов приблизительно одинаково!
Кое-что из азов клеточной биологии
Задним числом можно заметить: то, что гены не в состоянии управлять нашей жизнью, ученые должны были знать без всяких глобальных проектов. Как называется орган, управляющий жизнедеятельностью и поведением организма? Правильно, этот орган называется мозгом. Но можем ли мы считать мозгом клетки ее ядро, в котором содержится ДНК? Если да, тогда удаление клеточного ядра (такая процедура называется энуклеацией) должно приводить к немедленной смерти клетки.
Итак, настало время ключевого эксперимента! Маэстро, барабанную дробь...
Укладываем нашу упрямую клетку на микроскопический операционный стол. При помощи манипулятора ловким движением вводим в ее заполненное цитоплазмой нутро похожую на иголку микропипетку. Ядро клетки аккуратно всасывается в микропипетку... Все, дело сделано. Последнее движение манипулятора, и «мозг» нашей несчастной жертвы извлечен.
Но позвольте! Клетка движется! Господи, она по-прежнему жива!
«Рана» в клеточной стенке затянулась, и клетка, как настоящий пациент после операции, понемногу приходит в себя. Вот она уже снова на ногах... ну хорошо, хорошо – на ложноножках... и бодро покидает поле зрения микроскопа, в надежде никогда больше не встречаться с такими врачами.
Подвергнутые энуклеации клетки способны прожить до двух и более месяцев без всяких генов. Причем эти клетки вовсе не напоминают беспомощные комки цитоплазмы – нет, они активно поглощают и переваривают пищу, поддерживают согласованное функционирование своих физиологических систем (дыхательной, пищеварительной, выделительной, двигательной и т. д.), сохраняют способность общаться с другими клетками и должным образом реагируют на внешние раздражения.
Конечно, энуклеация не остается совсем без последствий. Лишенные генов клетки не могут ни делиться, ни воспроизводить свои белковые составляющие, которые они теряют вследствие обычного старения и износа цитоплазмы. Неспособность заменить дефектные цитоплазматические белки приводит к механическим расстройствам, из-за которых клетка в конце концов гибнет.
Но вспомним, для чего был задуман наш эксперимент. Мы решили проверить, действительно ли ядро клетки является ее «мозгом». Если бы клетка погибала после энуклеации, мы могли бы сказать, что наши наблюдения свидетельствуют в пользу этой идеи. Но результаты эксперимента однозначны: лишенная ядра клетка демонстрирует сложное координированное поведение, характерное для живого организма. Отсюда следует, что ее «мозг» остался в целости и сохранности.
Тот факт, что энуклеированные клетки сохраняют свои биологические функции и при отсутствии генов, давно известен. Опыты по извлечению ядер из делящихся яйцеклеток стали классикой эмбриологии еще более ста лет назад. Эти опыты показали: изолированная энуклеированная яйцеклетка способна достичь даже уровня бластулы – стадии развития, на которой зародыш состоит из сорока или более клеток. Сегодня энуклеированные клетки используются в промышленных целях в качестве питающего слоя для выращиваемых противовирусных вакцин.
Но если ядро с его генами не является клеточным «мозгом», тогда какова же роль ДНК в жизни клетки? Ответ прост: энуклеированные клетки гибнут не потому, что они лишились мозга, а потому, что их лишили репродуктивных способностей. Ядро клетки – ее орган размножения! Будучи не в состоянии воспроизводить необходимые им компоненты, энуклеированные клетки не могут ни заменить свои дефектные белковые «кирпичи», ни создать собственные копии.
Какой конфуз – перепутать орган размножения с мозгом! Что ж, это вполне понятная ошибка, если принять во внимание традиционно царящий в науке патриархат. Мужчин частенько обвиняют в том, что они думают не головой, а... в общем, понятно чем. Так стоит ли удивляться аналогичной оплошности со стороны мужской, по сути, науки?
Эпигенетика: новая наука о самоуправлении
Если уж конфуз с энуклеированными клетками не пошел теоретикам всевластия генов впрок, то новейшие научные исследования в буквальном смысле выбивают почву у них из-под ног. Пока газетные заголовки трубили о проекте «Геном человека», группа ученых положила начало новому, революционному направлению в биологии, получившему название эпигенетика (это слово буквально означает «надгенетика»). Эпигенетика кардинальным образом меняет наши представления о том, как управляется жизнь [Pray 2004; Silverman 2004]. Эпигенетические исследования последнего десятилетия показали, что ДНКпрограммы, передаваемые по наследству с помощью генов, вовсе не «запечатлеваются в камне» при рождении – они могут изменяться под влиянием внешних воздействий, таких, как питание, эмоции и стрессы [Reik and Walter 2001; Surani 2001].
Генетики выделяют ДНК из клеточных ядер и изучают генетические механизмы с конца 1940-х годов. Они проникают сквозь мембрану клетки, извлекают клеточное ядро и выделяют хромосомы, состоящие наполовину из ДНК и наполовину из регуляторных белков. Поскольку их интересует только ДНК, они, за ненадобностью, отбрасывают регуляторные белки прочь – как говорится, выплескивая с водой ребенка. Эпигенетики возвращают этого «ребенка» обратно – они изучают хромосомные белки, которые, как выясняется, играют в механизме наследственности не меньшую роль, чем ДНК.
ДНК образует как бы сердцевину хромосомы; белки же обволакивают ДНК наподобие рукава. Когда гены укрыты, содержащуюся в них информацию «прочитать» невозможно. Представьте себе, что ваша рука – это участок ДНК, содержащий ген, в котором закодирован голубой цвет глаз. В клеточном ядре такой участок ДНК покрыт связанными с ней регуляторными белками, как рука – рукавом рубашки.
Главенствующая роль среды. Новая наука приходит к выводу, что информационный поток, управляющий живой материей, начинается с сигналов окружающей среды, которые управляют связыванием «рукава» регуляторных белков с ДНК и, значит, – с активностью генов. Обратите внимание: поток информации больше не является однонаправленным. В 1960-х годах Говард Темин установил экспериментально, что РНК способна переписывать ДНК, тем самым поворачивая информационный поток вспять, в направлении, обратном предписанному Главной догмой. Говард Темин, которого поначалу подняли на смех и обвинили в «ереси», позднее получил Нобелевскую премию за описание обратной транскрипции – молекулярного механизма, при помощи которого РНК может переписывать генетический код. Обратная транскрипция нынче на слуху, так как именно таким образом РНК вируса СПИДа захватывает ДНК инфицируемой клетки. Сегодня также известно, что изменения в молекуле ДНК, например, добавление или удаление так называемых метиловых групп, влияют на связывание с ней регуляторных белков. Судя по всему, белки также способны работать в направлении, обратном классическому информационному потоку, поскольку белковые антитела в иммунных клетках изменяют ДНК тех клеток, которые их синтезировали. Толщина стрелок, указывающих на рисунке направление информационного потока, неодинакова: на обращение информационного потока наложены жесткие ограничения – это позволяет не допустить существенных изменений в геноме клетки.
Как же «засучить рукава» регуляторных белков? Необходим внешний сигнал, побуждающий белок «рукава» изменить конфигурацию, отделиться от двойной спирали ДНК и открыть ген для «прочтения». Когда ген оказывается открыт, клетка делает его копию. Таким образом, активность генов управляется присутствием или отсутствием покровных регуляторных белков, что, в свою очередь, обусловливается сигналами внешней среды.
Разобраться в тонкостях эпигенетического воздействия – значит разобраться в том, как сигналы окружающего мира управляют активностью генов. Сегодня уже понятно, что схема «верховенства ДНК» устарела; новую схему информационного потока следовало бы назвать «главенство среды». Согласно этой новой, более сложной схеме, распространение биологической информации начинается с сигналов среды, действующих через регуляторные белки, и лишь затем в игру вступают ДНК, РНК и, наконец, белок.
Эпигенетика также установила, что есть два механизма – генетический и эпигенетический, посредством которых организмы передают из поколения в поколение наследственную информацию. Этот факт открывает возможность исследовать вклад в человеческое поведение как природы-nature (генов), так и воспитания-nurture (эпигенетических механизмов). Если же принимать во внимание только генетические программы (как это делалось многие десятилетия), механизм влияния среды понять невозможно [Dennis 2003; Chakravarti and Little 2003].
Настроечная таблица на экране телевизора – аналог белковой структуры, закодированной в гене. При помощи ручек управления телевизором можно изменить вид настроечной таблицы, не оказывая влияния на сам телевизионный сигнал (т. е. в нашем случае – на ген). Эпигенетическое управление изменяет характер реализации гена, не меняя ДНК-кода.
Приведу аналогию, которая, возможно, прояснит отношения между эпигенетическим и генетическим механизмами. Если вы не слишком молоды, то, вероятно, помните те дни, когда телевизионные программы передавались только до полуночи. По окончании телепрограмм на экране телевизора появлялась так называемая «настроечная таблица». Большинство таких таблиц представляли собой что-то вроде концентрических мишеней для стрельбы (см. рисунок). При помощи ручек и переключателей телевизионного приемника, можно было добиться появления или исчезновения настроечной таблицы, а также подстраивать целый ряд ее характеристик: цвет, оттенок, яркость, контрастность, положение по вертикали и горизонтали. Иными словами, имелась возможность изменять характер изображения на экране, никак не воздействуя при этом на сигнал, поступающий из телецентра. Так вот, то же самое делают и регуляторные белки. Благодаря этим эпигенетическим «ручкам» одна и та же генная программа может реализоваться в виде двух и более тысяч вариантов белков [Вгау 2003; Schmuker, et al, 2000].
