Текст книги "Биологически активные"

Автор книги: Станислав Галактионов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 20 страниц)

Инсулин

Трудно даже перечислить все научные открытия, которые были сделаны случайно. Колумб поехал осваивать западный путь в Индию – открыл Америку. Ни один из алхимиков, занимавшихся поисками философского камня, так в этом деле и не преуспел, но зато они оставили множество капитальных открытий в других областях.

Про ньютоновское яблоко. Архимедову ванну и ожерелье на шее жены Кекуле (по другим преданиям – приснившийся ему хоровод обезьян) я уж и не вспоминаю. Важно лишь, чтобы исследователь был человеком наблюдательным, постоянно задумывающимся над значением фактов, вроде бы и не имеющих отношения к цели его экспериментов.

В истории открытия инсулина решающую роль сыграла наблюдательность не самих даже ученых, а служителя лаборатории, ухаживавшего за виварием. В конце прошлого века немецкие физиологи О. Минковский и И. фон Меринг занимались изучением регуляции процессов пищеварения; в ходе своих экспериментов удаляли собакам поджелудочную железу. Упомянутый же служитель, убирая клетки прооперированных собак, обратил внимание, что на их мочу слетается множество мух. Факт как будто пустячный, но ученые им заинтересовались, сделали анализы, и оказалось, что в моче собак, лишенных поджелудочной железы, содержится необычайно большое количество сахара.

Все это происходило уже много лет спустя после работ Бертольда и Бернара; сразу же возникла идея, что поджелудочная железа выделяет в кровь («секретирует» на профессиональном жаргоне) какое-то вещество, ограничивающее накопление в крови сахара. Так оно и оказалось.

В 1901...1902 годах Л.В. Соболев показал, что это вещество вырабатывается в особых образованиях в ткани поджелудочной железы – островках Лангерганса. Наблюдение Соболева, важное во многих принципиальных отношениях, имело также два любопытных второстепенных последствия. Во-первых, когда гормон удалось наконец выделить (о чем ниже), его назвали инсулином, от латинского insula – остров. Во-вторых, имя Лангерганса с тех пор кочует из одного учебника биохимии в другой уже более восьмидесяти лет. Никто (ну, скажем, почти никто) из многих тысяч читателей не имеет никакого понятия о том, кто же такой Лангерганс, именем которого названы удивительные островки, сам ли он их открыл или кто-то назвал их так в его честь. Не играй островки Лангерганса столь важной роли (а они ведь секретируют и еще один гормон – глюкагон), конечно, не была бы его фамилия столь популярна среди биологов и врачей всего мира.

Выделить из поджелудочной железы инсулин удалось далеко не сразу. Дело в том, что поджелудочная железа имеет и еще одну важную функцию: она секретирует в двенадцатиперстную кишку сок, содержащий, в частности, пищеварительные ферменты, в том числе знакомые нам трипсин и химотрипсин. Без них невозможен один из важнейших процессов, происходящих при переваривании пищи, – расщепление белков до аминокислот.

Когда по аналогии с опытами Бертольда и Бернара стали готовить вытяжки из поджелудочной железы и пытаться с их помощью понизить содержание глюкозы в крови у панкреаэктомированных собак (с удаленной поджелудочной железой) – ничего не вышло. Не оказывал же экстракт никакого действия потому, что инсулин – белок, и извлекаемые вместе с ним протеолитические ферменты немедленно его расщепляли.

Между тем исследователи, занятые выделением инсулина (точнее – тогда еще безымянного фактора, регулирующего уровень глюкозы в крови), руководствовались не только чисто академическим интересом. Еще сами Минковский и фон Меринг обратили внимание на далеко идущее сходство симптомов, наблюдаемых у их подопытных собак, с проявлениями довольно распространенной болезни – диабета.

Историки медицины находят первые упоминания о диабете еще в трудах врачей I века; дальнейшее его изучение показало, что один из главнейших симптомов диабета – именно выделение больших количеств сахара с мочой, обезвоживание организма. Ткани утрачивают способность усваивать сахар, начинают вместо этого расходовать жиры и белки, наступает потеря веса. При этом окисление жиров сопровождается образованием токсических продуктов – так называемых кетоновых тел; всем известен простейший их представитель – ацетон.

«Сестра милосердия молча откидывает одеяло. Терапевт втягивает ноздрями воздух и поднимает глаза.

– Диабет?

– Откуда вы знаете? – ворчит хирург. – Я, конечно, велел сделать анализ мочи, нет ли в ней крови. Оказалось, что есть и сахар. Вы что, определяете по запаху?

– И обычно не ошибаюсь, – кивает терапевт. – Ацетон всегда различишь. Наша ars medica (искусство медицины. – С.Г.) – на пятьдесят процентов интуиция, голубчик».

Не одинок в этом отношении безымянный терапевт из чапековского «Метеора»; часто приходится слышать рассказы о многоопытных врачах, ставящих диагноз «диабет», лишь только больной присел на стул напротив него и сделал один выдох.

Накопление токсических, кетоновых тел и истощение приводят в конечном счете к смерти больного. Единственная надежда – инсулин. Выделить из поджелудочной железы препарат, содержащий инсулин, удалось лишь тридцать лет спустя после работы Минковского и фон Меринга канадским ученым Ф. Бантингу и К. Бесту. Для этого они применили следующий прием: перевязали проток, выводящий сок поджелудочной железы в двенадцатиперстную кишку. Несколько недель спустя ткани, в которых происходило образование пищеварительных ферментов, распались и экстракт, полученный из таким образом подготовленной поджелудочной железы, уже содержал неразрушенный инсулин (кстати, именно Бантинг и Бест дали гормону это название). Еще одним источником активных экстрактов оказалась поджелудочная железа эмбриона: в ней еще не происходит синтез пищеварительных ферментов (незачем!), а инсулин уже синтезируется.

Ни тот, ни другой метод, конечно, не годился для получения инсулина в практических целях, для нужд медицины, однако работами Бантинга и Беста был намечен путь к освоению получения инсулиновых препаратов из поджелудочных желез скота, заготавливаемых на бойнях. Инсулин стал производиться в больших количествах; подсчитано, что благодаря его широкому применению жизнь нескольких десятков миллионов больных диабетом продлена на годы, часто на десятилетия. Правда, каждый такой больной ежедневно должен получать несколько инъекций «обычного» инсулина или носить особое устройство – дозатор, подающее инсулин в кровь; созданы также препараты инсулина, медленнее рассасывающиеся из места инъекции или более устойчивые к ферментам крови, осуществляющим распад инсулина. Эти препараты можно применять реже.

Инсулину было суждено оставить заметный след в истории современной биологии. Он оказался первым белком, для которого была установлена последовательность чередования аминокислотных остатков (это сделал англичанин Ф. Сэнджер в 1953 году). Оказалось, что он состоит из двух полипептидных цепей (21 и 30 остатков), соединенных друг с другом двумя ковалентными связями через боковые радикалы остатков цистеина, так называемыми дисульфидными мостиками. Эта работа Сэнджера была отмечена Нобелевской премией. Кто-то из известных ученых выразился таким образом, что Нобелевская премия стала чем-то вроде титула «чемпиона мира по науке». Частично это, пожалуй, справедливо, хотя нужно признать, в последние годы у Нобелевского комитета заботы скорее приятные: как не обойти никого из ученых, вклад которых в развитие науки действительно неоспорим.Больше, грубо говоря, эпохальных открытий, чем премий.

Нет, конечно же, гарантий, что о некоторых из ныне премированных вскоре не забудут, и вовсе не по причине того, что премии свои они получили недостойным путем, по линии кумовских связей и т.п. Время – фильтр научных ценностей. И не подлежит сомнению, что нобелевский лауреат Сэнджер (премия 1958 года) успешно этот фильтр миновал. Его результаты, с позиций нынешнего дня, – это уровень дипломных работ или в лучшем случае кандидатских диссертаций, но они знаменовали тогда выход в принципиально новую сферу поиска, послужили связующим звеном нескольких направлений зарождавшейся тогда молекулярной биологии. А среди коллег его до сих пор живо воспоминание о том, как у него спросили на пресс-конференции, что же он сделает со своими лауреатскими деньгами.

– О, моя жена наверняка найдет им какое-нибудь применение, – гласил безмятежный ответ.

На примере инсулина был обнаружен механизм формирования пространственной структуры белков, состоящих из нескольких полипептидных цепей. Первоначально синтезируется одна цепь, включающая в себя оба компонента будущей молекулы и какие-то соединяющие их участки; в случае инсулина это цепь из 86 остатков – проинсулин. Он не обладает гормональной активностью инсулина: для получения активного соединения необходимо удалить «перемычку», соединяющую две цепи, – пептид из 35 остатков. Это и происходит в островках Лангерганса под действием особых ферментов. Если непосредственно в кровь ввести вместо инсулина проинсулин, это вызовет весьма болезненную реакцию: иммунные системы организма воспримут его как чужеродный белок.

Инсулин оказался также и первым белком, который удалось синтезировать химическим путем. Этого выдающегося результата добилась группа китайских химиков, причем добилась в печальный период «культурной революции»; в сообщении ученых говорилось, что тотальный синтез инсулина был осуществлен благодаря политике «трех больших красных знамен», «большого скачка» и при максимальном использовании идей Мао Цзедуна. Китайские химики всего на несколько месяцев опередили исследователей из США, также синтезировавших инсулин, но по другой схеме.

Наконец, инсулин оказался в числе первых фармакологических препаратов, промышленный выпуск которых был освоен с использованием методов генетической инженерии.

Трудно ли синтезировать белок?

Среди математиков в ходу шутка: «За работы в области теории чисел следует присуждать не ученые степени, а звание мастера спорта». Намекается тем самым, что теория чисел – лишь род головоломок, почти бесполезных в приложениях. Наверное, это все же не совсем так; я вспомнил об этой шутке, конечно, не для того, чтобы обидеть немногих моих читателей – специалистов по теории чисел.

Здесь напрашивается некая аналогия из истории химии белка. В течение десятилетий считалось, что химический синтез белка означал бы гигантский шаг на пути познания тайн природы, открытие новых невиданных возможностей управления ее силами, фантастические перспективы для медицины, сельского хозяйства, многих отраслей промышленности. Более того, выполнение такого синтеза представлялось небывалым триумфом человеческого разума, дерзким вызовом Натуре–или, если угодно, господу богу.

В пятидесятых годах была установлена структура нескольких биологически активных пептидов, а затем осуществлен и их синтез. Потом удалось определить аминокислотную последовательность ряда белков; стало ясно, что синтез белка – вопрос времени, причем не очень продолжительного. В начале шестидесятых годов уже отчетливо ощущался элемент спортивного азарта. Вспоминаю разговор двух химиков, свидетелем которого мне пришлось тогда быть:

– Ты слышал? Японцы уже умеют синтезировать белок!

– Невероятно! Как им это удалось?

– Удалось. С помощью микроорганизмов.

– А-а. Только почему же одни японцы? У нас тоже умеют – с помощью коровы.

Но вот наконец первый белок синтезирован. Вслед за инсулином появляется синтетическая рибонуклеаза, еще несколько белков. И как-то вдруг после в некотором смысле запланированного взрыва эйфории наступает отрезвление. Позвольте, а зачем это мы синтезируем эти самые белки? Чего мы добились? Показали, что у синтетических белков та же биологическая активность, что и у природных? Так как же ей не быть, если у них совпадает структура? Говорить же о получении синтетическим путем белков для каких-нибудь практических целей и вовсе бессмысленно. Стоимость тех ничтожных количеств синтетического белка, которые были получены в результате многолетнего труда искуснейших химиков, не сравнится со стоимостью никакого наидрагоценнейшего бриллианта, если пересчитать на вес. И ясно при этом, что существенно упростить процедуру синтеза не удается.

То есть буквально таких речей слышно не было, но интерес к проблеме химического синтеза белка стал затухать как-то сам по себе, и вот уж много лет никто, кажется, в этой области не работает. С позиций сегодняшнего дня получение синтетического белка многим представляется действительно чем-то вроде спортивного достижения – достижения знаменательного, сопровождавшегося напряженной борьбой до последних метров финишной прямой, но не оставившего принципиального следа в современной биологической науке.

В этом случае, как и в шутке о теории чисел, налицо некоторый перегиб; отметим хотя бы то очевидное обстоятельство, что усилия, направленные на синтез белка, значительным образом продвинули вперед сами методы белковой химии, играющие ныне столь значительную роль в биологических исследованиях. Но, несомненно, ожидали от этого, как тогда считалось, эпохального свершения, гораздо больше.

А между тем потребности в получении различных белков растут постоянно. Взять хотя бы тот же инсулин. По причинам пока не вполне понятным диабет становится все более распространенной болезнью; по количеству смертельных исходов он занимает сейчас третье место после сердечно-сосудистых заболеваний и рака. Как упоминалось, единственная надежда больных диабетом – инсулин, а единственный реально доступный его источник – поджелудочные железы домашних животных, получаемые на бойнях. Расчет показывает, что при сохранении нынешних тенденций распространения диабета, роста народонаселения и развития животноводства к началу будущего века просто не станет хватать материала для производства инсулина таким путем в количествах, которые смогли бы удовлетворить потребности всех больных.

Да к тому же инсулин, скажем, свиньи или коровы несколько отличается по аминокислотной последовательности от инсулина человека; для получения одинакового эффекта (снижения содержания глюкозы в крови) они требуются в больших количествах, чем человеческий инсулин. А у некоторых больных, прежде всего у детей, инсулин домашних животных вызывает опасные аллергические явления. Словом, крайне нужен чистый человеческий инсулин в больших количествах.

И вот опять инсулин оказывается лидером, «первым белком» – на этот раз первым белком, промышленное получение которого начато методами генетической инженерии. фирма «Эли Лилли» в 1982 году выпустила на рынок первую партию «генноинженерного» человеческого инсулина; препарат до этого успешно прошел все испытания и был разрешен для использования.

Как белки образуются в клетке

Генетическая инженерия! Уже более десятка лет мелькает это выражение на страницах научных и научно-популярных журналов, да и журналов или газет, никакого отношения к науке не имеющих. Оно будоражит воображение, вызывает восторги, иногда опасения. Когда только-только начались разговоры о возможности вполне сознательных манипуляций с наследственностью – в начале 70-х, по-видимому, – они воспринимались скорее как фантастика, как спекуляции на том, что принципиально возможно в каком-то весьма отдаленном будущем. Однако не прошло и десяти лет, и достижения генной инженерии обрели тот уровень зрелости, что стало ясно: речь действительно идет о «превращении молекулярной биологии в технологию». А еще пару лет спустя появились и первые коммерческие продукты, производимые с использованием методов генетической инженерии.

Невольно вспоминается разговор, случившийся на одной из популярных лекций Фарадея об электричестве. По ее окончании присутствовавший в зале министр финансов спросил (конечно же!), какая практическая польза может быть от всего этого.

– Еще не знаю, – ответил Фарадей, – но не сомневаюсь, что вскоре вы начнете изымать за это налог.

Платят, платят налоги многие уже фирмы, производящие «генноинженерную» продукцию; говорят, что пока затраты на исследования в области генетической инженерии не окупились, но ведь это только начало.

«Нередко, – пишет академик А.А. Баев, – о генетической инженерии говорят как об очередной биологической революции. Этим термином биологи до сих пор не злоупотребляли, и он был отнесен лишь к двум событиям: естественному отбору Ч. Дарвина и доказательствам роли ДНК как носителя наследственной информации.

Что же касается генетической инженерии, то причисление ее к событиям революционного ранга вызывает раздумье. Действительно, сама по себе генетическая инженерия является лишь утонченной технологией и не содержит нового взгляда на процессы наследственности. Генетическая инженерия не только не потребовала никакой ревизии установившихся представлений, но, наоборот, их подтвердила. Другое дело, что генетическая инженерия с первых своих шагов позволила установить явления новые и неожиданные, то есть привела к подлинным открытиям».

Для более или менее предметного разговора о методах генетической инженерии нам придется вернуться к вопросу, обсуждение которого несколько раз откладывалось: каким же образом возникают в клетке белковые молекулы?

Напомню лишь вкратце нынче уже, конечно, общеизвестную схему. Дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), основной носитель наследственной информации, представляют собой полимер, образованный четырьмя типами мономерных единиц – нуклеотидов: аденин, гуанин, цитозин, тимин. Вся наследственная информация определяется чередованием этих нуклеотидов в молекуле ДНК. В хромосоме ДНК находится в форме двойной спирали; ее образуют две молекулы, структура которых определяется следующим правилом взаимного соответствия: нуклеотидная последовательность одной из них может быть получена из последовательности другой заменой всех аденинов на тимин, а гуанинов – на цитозин, и наоборот. Такая согласованность последовательностей и позволяет паре комплементарных молекул ДНК образовывать двойную спираль, удерживаемую за счет водородных связей и иных взаимодействий между соответствующими парами нуклеотидов. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания – пуринового (аденин, гуанин) или пиримидинового (цитозин, тимин). Пуриновые основания представляют собой сочлененные пяти– и шестичленный циклы, причем в каждом цикле имеется по два атома азота, пуриновые – шестичленные циклы, также включающие два атома азота. В некоторых положениях те и другие несут заместители – аминогруппу, кислород, метильную группу. Расположения этих заместителей и определяет возможность образования стабилизирующих двойную спираль водородных связей именно между упоминавшимися парами; один участник такой пары – пурин, другой – пиримидин. Основания присоединены к остатку дезоксирибозы – соединения, отличающегося от другого сахара – рибозы отсутствием одного атома кислорода. Остатки же дезоксирибозы, принадлежащие соседним нуклеотидам, в молекуле ДНК соединены остатками фосфорной кислоты.

В молекуле ДНК можно, таким образом, выделить совершенно регулярную, монотонно повторяющуюся часть – сахарофосфатный остов, несущий чередующиеся в определенной последовательности основания.

С такой способностью нуклеотидов к конкретному «узнаванию» друг друга связан механизм образования «копий» молекулы ДНК в клетке. В некоторый момент двойная спираль раскручивается, и специальные ферментные системы «достраивают» к каждой из одиночных нитей комплементарную ей пару; этот процесс называется репликацией.

Различия в строении молекул ДНК и рибонуклеиновых кислот (РНК) – минимальное: вместо остатка дезоксирибозы в сахарофосфатном остове – остаток рибозы; вместо пиримидинового основания тимина – урацил, отличающийся от него лишь отсутствием одной метильной группы. Это отличие не мешает образованию такой же пары водородных связей с аденином – партнером тимина по двойной спирали, благодаря чему оказывается возможным синтез копий молекул РНК, комплементарных содержащимся в клетке молекулам ДНК (транскрипция) – по механизму, совершенно аналогичному механизму репликации.

Более того, выяснилось, что существуют специальные ферменты, с помощью которых возможен и обратный процесс – синтез молекул ДНК, комплементарных РНК. Заметим, что это явление, встречающееся сравнительно редко, оказалось чрезвычайно важным элементом арсенала средств генетической инженерии.

Основное же назначение РНК – быть матрицей для синтеза белковых молекул. Формально соответствие между последовательностью нуклеотидов в молекуле РНК и аминокислотной последовательностью синтезируемой с ее помощью молекулы белка может быть выражено через таблицу знаменитого генетического кода, сопоставляющую каждой тройке нуклеотидов (триплетам) определенную аминокислоту; так, например, УУУ ЦЦА ГАА АГУ (это обычная форма записи нуклеотидных последовательностей – с помощью первых букв названий соответствующих оснований) соответствует аминокислотной последовательности Phe–Pro–Glu–Ser (фенилаланин – пролин – глутаминовая кислота – серин). В клетке такая перекодировка – синтез молекул белка – осуществляется с помощью сложных и очень интересных механизмов, от описания которых здесь, однако, лучше воздержаться. Отметим еще, что, помимо триплетов, соответствующих той или иной аминокислоте, имеются еще и триплеты, определяющие начало и конец белковой молекулы.

Такова в общих чертах схема образования белков, повторяю – нас интересует именно схема, а не лежащие в ее основе механизмы. Ибо ровно столько нам необходимо знать для продолжения разговора о генетической инженерии.