Главная >  Публикации 

 

Белки и информация



Особое внимание Бидл и Тэйтем обратили на мутантную плесень, которая для своего существования требовала аминокислоту аргинин. Аргинин — необходимая составляющая всех белков, и обычная плесень Neurospora синтезирует ее из сахара и других веществ раствора. Однако нарушения метаболического процесса у мутантной плесени не позволяют вырабатывать аргинин, поэтому без добавления этой аминокислоты она расти не может. По своей структуре аргинин похож на две другие аминокислоты — орнитин и цитруллин, поэтому Билл и Тэй-тем предположили, что некоторые мутанты могут расти в среде с этими веществами вместо аргинина. Таким образом, они разделили ауксотрофы по аргинину на несколько классов. Мутанты класса I могли расти только в среде с аргинином; мутанты класса II — в среде с аргинином или цитруллином; мутанты класса III — в среде с аргинином, цитруллином или орнитином. На основании этих результатов Бидл и Тэйтем сделали вывод, что: 1) отдельный ген передает информацию о синтезе отдельного фермента; 2) каждый мутант, дефективный по одному гену, не может вырабатывать один фермент; 3) биосинтетический путь, ведущий к образованию аргинина, имеет следующий вид:

Каждую реакцию контролирует особый фермент, и у каждого мутанта соответствующим образом блокируется производство этого фермента. Мутанты не могут расти в среде, в которой присутствуют вещества, производимые до блокировки: например, мутанты класса II не могут расти в среде с орнитином. Если в среде присутствуют вещества, производимые после блокировки, то организм получает все необходимые вещества для производства аргинина и может расти. Так, мутанты класса III не могут преобразовывать вещества-предшественники в ор-нитин, но если в их питательную среду добавить орнитин, они перерабатывают орнитин в цитрул-лин, а цитруллин — в аргинин. Позднее биохимические эксперименты доказали, что эти реакции происходят именно в таком порядке.

На основании полученных результатов Билл и Тэйтем высказали гипотезу «один ген — один фермент», согласно которой каждый ген контролирует производство отдельного фермента. Фактически они вплотную подошли к представлению о том, что гены переносят информацию о производстве белков, так как ферменты являются очень важным типом белков (но, как мы сказали в гл. 3, существуют и другие белки). Согласно более современной версии принципа Бидла и Тэйтема каждый ген кодирует производство отдельной полипептидной цепи (напомним, что полипептид — это цепь аминокислот). Некоторые белки состоят из одного полипептида, другие — из двух и более.

Белки и информация

Поскольку гены контролируют производство и синтез белков, то еще раз рассмотрим структуру белков. Как было сказано в гл. 3, белки — наиболее разнообразные молекулы организма. Они являются составной частью всех мембран; образуют большую часть рибосом («фабрик» по производству белков); входят в состав многих структурных частей клетки определяющих ее форму и строение; белки — активные компоненты мышечных волокон, позволяющих нам выполнять движения. Из белков состоят такие образования, как волосы, кожа, сухожилия и (в сочетании с кристаллами фосфата кальция и магния) кости. Белками являются некоторые гормоны, такие как инсулин, которые переносят химические послания от одного типа клеток к другим. И что самое важное, белки выполняют также функцию ферментов.

Вспомним, что белки представляют собой длинные цепи полимеров, состоящих из 20 видов аминокислот, соединенных друг с другом полипептидной связью. Связь образуется в ходе химических реакций, идущих с выделением воды в качестве побочного продукта. Полипептид может состоять из очень большого количества аминокислот. В наше время с помощью особых приборов можно быстро определить состав аминокислот в белке. Анализ белков показал, что каждый из них характеризуется уникальной последовательностью аминокислот, называемой первичной структурой. Все молекулы белков одного вида имеют одинаковую последовательность. Например, если обозначить аминокислоты по трем буквам их названия (латинского), то полипептид Glu—Gly— Pro—Trp—Leu—Glu—Ala— —Tyr—Gly—Trp—Met—Asp—Phe — это гормон гаст-рин, способствующий пищеварению, а полипептид Туг—Gly—Gly—Phe—Met — энкефалин, обладающий опиатным действием в нервной системе. Эти последовательности всегда записываются начиная с амин-ного конца, то есть со свободной аминогруппы, и заканчиваются карбоксильным концом, то есть свободной карбоксильной группой. Однако большийство других белков — очень большие молекулы, состоящие из нескольких сотен аминокислот; замена всего лишь одной кислоты может иногда привести к образованию совсем другого белка с другой структурой; чаще всего такая замена приводит к утрате функций белка.

Первичная структура, как правило, определяет свойства любого белка, включая то, как эти длинные цепи принимают особую форму в пространстве (рис. 6.2). Сила притяжения между атомами в каждой молекуле белка заставляет полипептидную цепь принимать специфическое положение, и так получается структура, способная выполнять ту или иную функцию — например, небольшой «карман» или активный центр, с помощью которого фермент катализирует химическую реакцию.

Рис. 6.2. Трехмерная структура белка миоглобина. Показаны не все атомы; жирной линией обозначен «каркас» пептидной цепи, который образуют несколько спиральных сегментов, соединенных цепями с менее регулярной формой Многие функциональные белки, кроме того, состоят из двух полипептидов и более.

Когда говорят о генах, часто используют термин информация, особенно генетическая информация. Вспомним (гл. 3), что информация позволяет сделать выбор из нескольких возможных вариантов, что особенно важно для структуры белка. Так, упомянутая последовательность гастрина — это одна из 2013 возможных последовательностей из 20 видов аминокислот по 13 в ряд. Понятно, что для постройки этого белка требуется много информации, хотя не так много, как для более типичных белков, состоящих из 300 аминокислот. Где-то в геноме человека должен присутствовать ген, определяющий последовательность гастрина: он переносит информацию о том, какие аминокислоты должны следовать друг за другом. Структурную перестройку в этом гене, приводящую к замене информации, называют мутацией. (Позже мы узнаем, что некоторые мутации затрагивают синтез белка или контроль над ним.) Нарушение связи между геном и белком иллюстрирует такое наследственное заболевание, как сер-повидноклеточная анемия. Почти половина объема крови у нормального человека состоит из округлых, дискообразных красных кровяных клеток — эритроцитов, которые содержат гемоглобин, придающих им цвет. Гемоглобин переносит кислород, необходимый для нормального метаболизма клеток; красные кровяные тельца проникают по тонким капиллярам в самые удаленные уголки тканей и доставляют им кислород. Преобладает тип гемоглобина А (Нb А), который состоит из четырех полипептидных цепей: двух цепей альфа (по 141 аминокислоте в каждой) и двух цепей бета (по 146 аминокислот) (рис. 6.3). Это так называемые глобиновые части молекулы; каждая из них переносит небелковую группу гем — большую кольцевидную молекулу с атомом железа посередине. Именно благодаря атому железа эта часть присоединяет кислород. Отсюда понятна необходимость железа в составе нашей пищи.

Серповидноклеточная анемия характеризуется ненормальным строением гемоглобина, Hb S, который кодируется мутантным аллелем HbS. Kpacные кровяные тельца с ненормальным гемоглобином имеют необычную форму, и некоторые из них похожи на серп (рис. 6.4).

Рис. 6.3. Трехмерная структура гемоглобина. Каждая молекула состоит из четырех полипептидных цепей — двух альфа-цепей и двух бета-цепей. Эти цепи, комплементарные друг другу, образуют четвертичную структуру белка. В каждой цепи имеется по большому гему с атомом железа в центре; именно к нему присоединяется кислород Такие кровяные клетки с трудом передвигаются по сосудам и иногда закупоривают их, вызывая сильную боль, повреждения органов и тканей, а в некоторых случаях даже служат причиной смерти. Анемия возникает в результате того, что серповидные клетки разрушаются обычно в три раза быстрее нормальных. У гетерози-гот HbAHbS проявляются некоторые черты этого заболевания, но клеток с гемоглобином НbА у них достаточно для нормального функционирования, поэтому они, как правило, здоровы. Анемия возникает только в 1 % случаев. Серповидноклеточная анемия широко распространена в Африке и других регионах, где распространена малярия. Поскольку лица, в крови которых присутствует гемоглобин Hb S, более устойчивы к малярии, то у гетерозигот имеется некоторое преимущество, и эти черты закрепились в некоторых популяциях (в других странах серповидноклеточная анемия чаще наблюдается также среди выходцев из Африки).

Рис. 6.4. Электронная микрофотография красных кровяных клеток человека, больного серповидноклеточной анемией. Ясно видна необычная форма этих клеток, отличающихся от нормальных — округлых. Публикуется с разрешения фотобиблиотеки Omikron/'Science В J956 году Верной Инграм доказал, что гемо-глобины НbА и HbS различаются только по одной аминокислоте в бета-цепи (шестая от аминного конца). Обычно это глутаминовая кислота, но в HbS она заменена на валин:

Hb A: Val-His-Leu-Thr-Pro-G/u-Glu-Lys; Hb S: Val-His-Leu-Thr-Pro-Va/-Glu-Lys.

Таким образом, во всей последовательности 146 аминокислот замена всего лишь одной из них приводит к опасному заболеванию.

В дальнейшем была определена последовательность обеих полипептидных цепей гемоглобина и обнаружены другие возможные нарушения (рис. 6.5). В каждом случае дефектный аллель приводит к образованию гемоглобина, идентичного нормальному за исключением одной аминокислоты или (иногда) короткой последовательности аминокислот. Соответствие «одна мутация — одна аминокислота» подтверждает мысль о том, что каждый отдельный ген определяет последовательность отдельного белка и что ген состоит из единиц, кодирующих отдельные аминокислоты, причем мутации может подвергаться каждая единица. Обычно мутация затрагивает одну аминокислоту, и образующийся белок лишь слегка отличается от нормального по форме и функциям.

Рис. 6.5. Последовательность первых 28 аминокислот нормальной бета-цепи гемоглобина человека с указанием возможных замен аминокислот в результате мутации. Одни мутации обозначаются буквами, другие — названиями мест, где были обнаружены страдающие этими наследственными нарушениями. Одна из мутаций представляет собой отсутствие аминокислоты Другие мутации стирают одну или несколько аминокислот, а некоторые изменяют по следовательность аминокислот или добавляют новый фрагмент к обычному белку.

Исправление наследственных нарушений

В то время как в начале XX века генетика делала первые шаги, большим вниманием пользовалась идея улучшения человеческого рода, или евгеника (см. гл. 15). Когда люди узнали механизм наследственности, стало возможным на генном уровне исправлять фенотип наследственных нарушений. Микробиолог Джошуа Леденберг назвал исправление фенотипа евфеникой. В некоторых случаях «ев-фенические» процедуры не требуют знания молекулярной основы нарушений: например, очки для близоруких, хирургическое исправление «волчьей пасти», удаление лишнего пальца или переливание крови больному гемофилией. Самый яркий пример евфеники — применение инсулина для лечения диабета. Открытие инсулина в 1922 году Бантингом и Вестом привело к увеличению продолжительности и улучшению качества жизни больных, в крови которых недостает этого гормона. Но евфеническое вмешательство может идти и гораздо дальше, особенно после расшифровки механизма работы генов.

Диетическое питание при фенилкетонурии В 1930-х годах мать двух умственно отсталых детей из Норвегии заметила, что от них исходит своеобразный неприятный запах. Она показала детей врачу-биохимику по фамилии Феллинг, который сделал разнообразные анализы. Обнаружилось, что их моча окрашивала хлорид железа в ярко-зеленый цвет в результате химической реакции с фенилпировиноградной кислотой, которая в мочи нормальных людей отсутствует. Так было открыто наследственное нарушение метаболизма — фенилкетонурия.

Обычно определенный фермент (фенилаланин-гидроксилаза) превращает аминокислоту фенилаланин в тирозин (см. рис. 6.1). У гомозигот по аутосомному рецессивному гену р такой реакции не происходит, поэтому фенилаланин у них накапливается в крови и переходит в мочу; у детей с генотипом рр содержание фенилаланина в крови превышает норму почти в 30 раз. Избыточный фенилаланин по другому метаболическому пути превращается в фенилпировиноградную кислоту, довольно токсичное вещество, разрушающее развивающиеся клетки детского мозга. Как следствие дети с генотипом рр обычно страдают умственной недоразвитостью, которая служит одним из основных признаков фенилкетонурии.

Данное заболевание встречается с частотой один раз на 10 тысяч рождений. В Северной Америке с 1955 по 1964 год использовались особые пеленки с хлоридом железа, помогающие выявить это наследственное нарушение. Однако оказалось, что такой способ слишком неточен, потому что удавалось выявить лишь 50—60% детей с нарушениями. Поэтому анализ на фенилкетонурию проводится непосредственно при рождении (как правило, берется кровь из пятки) с помощью промокательной бумаги. Затем засохшее пятнышко крови переносится в чашку Петри с питательным раствором, бактериями Bacillus subtilis и раствором b-2 тиенилаланина, который действует как ингибитор, то есть замедляет рост бактерий. Фенилаланин сильнее ингибитора, потому вокруг образца крови с повышенным содержанием фенилаланина образуется «облачко» бактерий. Такая простая процедура позволяет быстро и надежно определить наследственное заболевание.

После первого анализа детей с повышенным содержанием фенилаланина проверяют еще раз и при необходимости назначают им особую диету с очень низким содержанием фенилаланина. Все время питаться такими продуктами — не самое большое удовольствие, поэтому, когда дети вырастают, их постепенно переводят на обычное питание, причем признаки заболевания при этом не проявляются. Получается, что придерживаться особой диеты следует только в первые несколько лет жизни, и умственное развитие детей происходит нормально. Однако иногда считают, что умственное развитие может замедляться у детей с любым генотипом, рожденных от матери с фенилкетонурией. Обычно такие женщины выходят замуж за нормальных мужчин и, следовательно, у них рождаются дети-гетерозиготы, которые, казалось бы, должны быть нормальными. Однако еще в организме матери плод получает слишком много фенилаланина, с которым слабо развитый организм ребенка пока не может справиться, и поэтому мозгу наносится некоторый ущерб.

В Великобритании массовая диагностика на фенилкетонурию в качестве эксперимента началась в 1950-х годах. По мере совершенствования методов диагностика приобретала все более широкий характер. В 1964 году в США началась кампания за обязательный анализ на фенилкетонурию, и в течение двух лет анализы стали обязательными в 43 штатах. Теперь только в США ежегодно на фенилкетону-рию проверяется более 3 млн новорожденных. Результаты диагностики показали, что ежегодно при расходах 5—10 млн долларов выявляется только 183 случая фенилкетонурии, и некоторые специалисты считают это расточительством. Однако Роберт Гатри, ведущий эксперт и сторонник обязательной диагностики, утверждает:

Расходы на выявление одного случая фенилкетонурии (при условии, что проводится 10 тыс. анализов, каждый стоимостью от 50 центов до 4 долларов) составляют сумму до 50 тыс. долларов; но если не проводить диагностику, то о больном следует заботиться всю его оставшуюся жизнь (продолжительность которой в среднем составляет 50 лет, а ежегодные расходы на содержание в лечебном учреждении составляют по самым скромным оценкам 5 тыс. долларов ежегодно). В эти 250 тыс. долларов еще не входят дополнительные расходы. О том, что испытывают родители безнадежно больных детей, и вовсе говорить не приходится. Если не обсуждать человеческие ценности, а хотя бы задаться экономическим вопросом, что лучше — потратить 50 тыс. долларов сейчас или в пять раз больше впоследствии?2 При условии совмещения в одном анализе от одного ребенка диагностики нескольких наследственных заболеваний экономический эффект станет еще больше.

Химическая коррекция серповидноклеточной анемии Некоторые исследователи пытаются разработать методы лечения серповидноклеточной анемии, от которой, по приблизительным оценкам, страдают около 2 млн людей во всем мире (и три на каждую тысячу детей афроамериканцев). Это наследственное нарушение характеризуется ранней смертностью и сильными болями при закупорке сосудов. При этом ткани организма недостаточно снабжаются кислородом. В конце 1960-х группа молекулярных биологов из Университета Рокфеллера предположила, что стабилизировать гемоглобин серповидных клеток может цианат, похожий на углекислый газ. Эксперименты на клетках, взятых из крови больных, к изумлению ученых, показали, что это химическое вещество прочно связывается с гемоглобином и предотвращает изменение формы после удаления кислорода, не влияя на способность кровяных клеток переносить кислород. Однако испытания на людях показали, что цианат слишком ядовит для повседневного использования, поэтому разрабатываются альтернативные методы.

В ходе контрольных испытаний отмечено, что частоту болезненных кризисов понижает гидрокси-мочевина. По всей видимости, она обладает множественным действием, в том числе слегка повышает синтез гемоглобина на эмбриональной стадии развития, которую серповидноклеточная мутация не затрагивает. Другие ученые экспериментируют с бутиратом, который ускоряет синтез гемоглобина эффективнее гидроксимочевины. Поскольку один из критических факторов болезни заключается в том, что серповидные клетки прилипают к стенкам сосудов, некоторые ученые сосредоточили свои исследования именно на этом. Одна исследовательская группа заявила, что полаксамер-188 уменьшает вязкость крови и понижает вероятность прилипания клеток к стенкам сосудов. Другие ученые на животных проверяют антитела, которые блокируют синтез белков, ответственных за прилипание кровяных клеток друг к другу.

Более экстремальное эвфеническое вмешательство при серповидноклеточной анемии — пересадка костного мозга, но при этом существует опасность смертельного исхода, и нелегко найти подходящих доноров. В конце концов, эвфеника — это всего лишь «первая линия» обороны при лечении наследственных нарушений. В последующих главах мы обсудим генную терапию, то есть непосредственное изменение самой ДНК ненормального гена.

Перспективы эвфеники Несмотря на то, что в наши дни можно исправлять последствия некоторых наследственных нарушений, эвфеника все еще находится в зачаточном состоянии. В последующие годы число заболеваний, регулируемых подобным образом, несомненно, возрастет. Правда, «вылеченные» больные, достигшие зрелого возраста, по-прежнему передают свои гены детям, увеличивая тем самым частоту ненормальных аллелей в популяции. Некоторые исследователи заявляют, что тем самым мы превратимся в генетически неполноценный вид, в котором индивиды будут целиком зависеть от достижений современной медицины и науки. Верно ли это?

Совершенно очевидно, что частота некоторых наследственных нарушений растет. Некоторые из них определяются не одним, а многими генами и их сложным взаимодействием. Например, врожденный пилорический стеноз представляет собой сужение перехода от желудка в тонкую кишку и встречается с частотой от одного до четырех случаев на 1000 успешных родов. До начала XX века младенцы с этим пороком почти всегда умирали, но в 1912 году была разработана простая операция, позволявшая исправлять дефект и вести при этом нормальный образ жизни. Когда такие люди сами становятся родителями, почти в 70 случаях из 1000 у них рождаются дети с этим же пороком, что в 20 раз больше обычного соотношения. Среди других относительно частых врожденных пороков можно назвать сахарный диабет, заячью губу, волчью пасть и пороки сердца, частота появления которых при более широком распространении методов коррекции, казалось бы, будет только увеличиваться в последующих поколениях. Однако, как будет показано в гл. 15, высказывать мнение о неизбежном ухудшении человеческого генофонда следует с крайней осторожностью. Большинство вредных рецессивных аллелей переносят гетерозиготные носители. По этой причине, например, удвоение частоты вредных аллелей не приведет к удвоению частоты фактических заболеваний. Для удвоения частоты наследственных пороков требуется на удивление долгое время — сотни или тысячи лет. В то же время разрабатываются молекулярные методы определения гетерозиготных носителей многих наследственных пороков, зависящих от одного гена, и некоторых пороков, определяемых многими генами. Успехи в этой области позволят людям добровольно выбирать себе количество детей (или вовсе отказаться от них) и тем самым снизить частоту вредных аллелей в популяции. Генная терапия, описываемая в гл. 12, предлагает некоторую надежду в отдаленном будущем, но в непосредственном будущем определяющим методом коррекции многих наследственных заболеваний станут эвфенические меры.

Далее:

 

13. Придает ли алкоголь смелости?.

Раздел 11 Отравления цианидами.

Е. Г. Дехтярь, А. К. Титова Что должна знать и уметь сестра хирургического отделения.

Привлекайте к себе отношение, которого заслуживаете.

10. Труд, приносящий самоуважение..

Шовный материал.

Лекарства из рога.

 

Главная >  Публикации 


0.0241