Эдвард Стил - Что, если Ламарк прав? Иммуногенетика и эволюция

Рис. 2.1. Высшие и бактериальные клетки, вирусы. Высшие (эукариотические) клетки в 10-100 раз крупнее, чем бактериальные (прокариотические). Избирательно проницаемая мембрана (состоящая из множества липидных молекул), регулирует перемещение различных веществ, включая воду, в клетку и из клетки. Мембрану бактериальной клетки окружает довольно жесткая клеточная стенка. Растительные клетки также имеют внешнюю грубую клеточную стенку (на рисунке не показана). В состав высших клеток входит окруженное мембраной ядро, содержащее несколько хромосом (длинных линейных молекул ДНК). Бактериальные клетки имеют только одну кольцевую хромосому. В высших клетках РНК-копии генов производятся в ядре (процесс транскрипции) и перемещаются в цитоплазму после преобразования (процессинга). (См. рис. 4.4 и 4.5). Затем в цитоплазме эти молекулы информационной мРНК транслируются в белок с помощью специальной молекулярной машины, или органеллы, которая называется рибосомой. В бактериальной клетке РНК и белки производятся в цитоплазме, так как у бактерий нет мембраны, окружающей единственную хромосому. Вирусы — паразиты, которые внедряются в клетку и используют ее молекулярный аппарат для собственного размножения. Они очень мелкие, приблизительно в 10-15 раз меньше, чем клетки, и состоят только из белковой оболочки и генома, представленного ДНК- или РНК-молекулой. Вирусы имеют разные формы и размеры, а молекулы нуклеиновых кислот в их геноме могут быть и двухцепочечными, и одноцепочечными, и линейными, и кольцевыми. Вирусам, которые размножаются в бактериальных клетках, дано специальное название — бактериофаги. Некоторые вирусы безвредны, например, эндогенные РНК-ретровирусы, которые закодированы в геноме нормальных клеток (в виде ДНК) и продуцируются (в виде РНК-транскриптов) нормальной клеткой, например, стимулированным антигеном В-лимфоцитом (см. рис. 1.2).

Что происходит, когда мы съедаем кусочек шоколада и усваиваем сахар? Биохимики установили, что типичная клетка для выделения энергии из молекулы глюкозы использует 30 или более специфических ферментативных реакций. Каждый шаг в этой цепи реакций нужен для отрыва от молекулы глюкозы энергии, заключенной в химических связях, удерживающих атомы в молекулах. Эти химические реакции являются частью процесса «молекулярного питания» клетки, который создавался в ходе эволюции для извлечения максимального количества полезной энергии.

Бактериальные клетки по своим основным функциям несколько отличаются от более специализированных (дифференцированных) клеток многоклеточного организма. Они меньше, их геном состоит из небольшого числа генов. Поскольку требуется координация меньшего числа реакций, бактериальные клетки способны расти и делиться очень быстро. В благоприятных условиях среды на это уходит от 20 до 30 минут. Эта способность к быстрому делению делает бактерии при попадании в организм многоклеточного хозяина опасными болезнетворными агентами. Это же свойство делает бактерии и мельчайшие вирусы, которые в них размножаются (фаги), чрезвычайно полезным инструментом современных исследований в молекулярной генетике.

На рис. 2.1 показаны вирусы в сравнении с бактериальной клеткой и клеткой высших организмов. Вирус представляет собой цепочку генов (вирусный геном может состоять и из ДНК, и из РНК в зависимости от типа вируса), упакованную в белковый чехол или мембранную оболочку. Вирусы сами по себе не растут и не делятся. Все вирусы — паразиты; для того, чтобы приобрести способность размножаться, они должны проникнуть внутрь клетки-хозяина. Это позволило Херши (Hershey) и Чейзу (Chase) в 1952 г. доказать, что генетическим материалом вирусов является нуклеиновая кислота, а не белок (табл. 2.1). Одни вирусы заражают бактериальные клетки, другие — клетки высших многоклеточных организмов, растений и животных. Некоторые вирусы, например, вирусы гриппа и иммунодефицита человека (ВИЧ), вызывающий СПИД, способны быстро изменяться. И это позволяет им ускользать от иммунной системы.

Проникнув в клетку, вирус освобождает свой геном от оболочки и приступает к захвату клеточных метаболических путей для своих собственных целей. (Компьютерный вирус, внедряясь в определенную часть компьютера- «хозяина» достигает подобных же целей.) Внутри клетки ДНК- и РНК-содержащие вирусы размножаются и производят свои белки. Затем происходит сборка зрелых вирусных частиц, которые покидают приютившую их клетку и начинают заражать другие клетки. Одни вирусы убивают клетку при размножении. К ним относится, например, вирус гриппа. Другие мирно сосуществуют с живой клеткой, которую они инфицировали, а вирусное потомство постоянно выходит через клеточную мембрану. Третьи, например, вирус герпеса, могут до начала репликации много лет находиться внутри живой клетки в скрытом (латентном) состоянии. Однако самая крайняя степень паразитизма проявляется у ретровирусов. Некоторые из них, например, ВИЧ, создают ДНК-копию своего РНК-генома, встраивают ее в хромосому(ы) клеточного ядра и реплицируются вместе с хромосомами в ходе нормальных клеточных делений.

Молекулярно-генетические процессы основываются на трех основных принципах

• каждую отдельную химическую реакцию осуществляет специфический катализатор;

• ДНК состоит из двух цепочек нуклеотидов, основания которых связаны парами;

• генетическая информация передается от генов к белкам.

Эти принципы лежат в основе механизма наследственности.

Открытие этого важнейшего правила молекулярной генетики заняло много лет. Сейчас это аксиома: для протекания каждой отдельной химической реакции в живой клетке необходим специфический белковый фермент (или молекула РНК с ферментными функциями). Ферменты — это биологические катализаторы, они изменяют субстрат, сами оставаясь неизменными. Это очень важная концепция. Из нее следует, что ни один многоступенчатый биологический процесс не может происходить случайно. Все они регулируются рядом координированных взаимодействий между молекулами, которые по форме подходят друг к другу как два кусочка трехмерной мозаики.

Под действием катализатора химическая реакция идет быстрее и эффективнее. Так, в отсутствие фермента молекула А не могла бы немедленно вступить в реакцию с молекулой В и образовать продукт АВ (рис. 2.2). Это могло бы произойти случайно, но ждать этого пришлось бы миллионы лет, если бы вообще удалось дождаться. Специфический фермент, который имеет места «стыковки» для А и В, связывается с ними и держит обе молекулы так тесно, что у них нет другого выбора, как только образовать химические связи друг с другом. Ферменты, таким образом, можно назвать генетически закодированными инструментами, созданными природой для осуществления химических реакций, отобранных входе эволюции. Для проведения сложного набора реакций работа нескольких ферментов синхронизируется и координируется. Таким образом, ферменты способны к коллективному выполнению сложных задач, например таких, как выделение энергии из съеденного кусочка шоколада. Другими словами, каждый фермент можно сравнить с отдельной инструкцией, которая является частью большой компьютерной программы. Однако есть одно фундаментальное отличие. Компьютерный набор инструкций создается человеком для достижения поставленной им цели. Специфическое Действие ферментов регулировалось миллионами (а может быть и миллиардами) лет эволюции путем естественного отбора. Компьютерная программа — результат работы человеческого мозга, а молекулярные процессы, направляющие биологическую эволюцию, происходят через взаимодействие молекул.