Файл: Уиггинс. 5 нерешенных проблем науки.pdf

одном из углов кольца β-подгруппы, образуя там «липучку», которая скрепляет одну молекулу гемоглобина с другой. В итоге молекулярная цепь оказывается слишком длинной, чтобы справляться со своими обязанностями.

Первичная структура белка, биологически неактивная, также подвержена воздействию других молекул, которые могут повлиять на ее строение и работоспособность. Поэтому белки от первичного состояния зачастую переходят к третичному или четвертичному за несколько минут или даже доли секунды. Данный процесс именуют укладкой (или сворачиванием). И наоборот, при изменении окружающих условий (температуры, кислотности, концентрации ионов) белок может изменить свой облик, или развернуться. Обратный процесс именуют денатурацией. Примером может служить добавление соли или уксуса в пищу, что сохраняет ее, разрушая белки микроорганизмов, которые в обычных условиях беспрепятственно размножались бы на пище.

Во многих случаях после денатурации белки возвращают свою биологически активную конформацию и продолжают функционировать как ни в чем не бывало.

Однако иногда возможна неправильная укладка. Например, когда вы варите яйцо, белки разворачиваются. Но при охлаждении яйца они не возвращаются к прежней укладке, а образуют нерастворимую массу (если яйцо сварено вкрутую).

265

На правильное и неправильное сворачивание белка влияют другие белки, именуемые шаперонинами*, которые обычно помогают укладке, ускоряя ее и предотвращая неправильную укладку. Выявлено более 17 шаперонинов, некоторые из которых даже позволяют уже неправильно уложенному белку вернуться к правильной укладке. Ведутся обширные исследования по неправильной укладке, которая, возможно, является причиной болезни Альцгеймера и коровьего бешенства.

Ввиду огромного числа белков и еще большего количества всевозможных для них укладок изыскания в этой области требуют привлечения суперЭВМ для учета всех случаев. Подобно обработке данных, получаемых в рамках проекта SETI, вы можете загрузить на свой домашний компьютер программу по расчету белковых укладок, которая будет работать в виде экранной заставки при простое вашего компьютера. Если вас это заинтересовало, можете обратиться на узел Всемирной Паутины http://folding.stanford.edu/ Уже на более чем 60 тыс. компьютеров запущена эта программа, что оказывает существенную поддержку проекту Folding@home.com.

Дополнительный источник информации: www.faseb.org/opar/protfold/protein.html (http://opa.faseb.org/ )

9. Генетические технологии

Поскольку операционные системы всех живых существ основаны на ДНК, возможность разрезать ДНК, перестраи-

* Шаперонины обеспечивают сворачивание, а шапероны — разворачивание белка. В названии обыгрывается значение английского слова chaperon (провожатая при молодой особе). К настоящему времени описано несколько классов шаперонов, различающихся по структуре и специфическим функциям. Все шапероны относятся к так называемым белкам теплового шока, синтез которых резко увеличивается в стрессовых для клетки ситуациях. Поэтому сокращенное название этих белков — hsp.

266

вать ее, а затем вновь собирать породила новую отрасль производства — генную технологию.

Многие растения и животные уже оказались подвержены действию данной технологии. Многие годы животноводы и растениеводы изменяли ДНК посредством селекционирования. Недавно стали прибегать к более прямым генетическим изменениям. Устойчивость к гербицидам, связывание азота и устойчивость к вредителям

— вот немногие из подвергшихся изменению признаков. В итоге добились увеличения производства высокопитательных продуктов.

Обращение генетических технологий к человеку связано с этическими вопросами, которые необходимо решить, особенно в связи с отсутствием полной картины человеческого протеома, а значит, и неизвестным пока воздействием генетических изменений на человеческие признаки (см. гл. 4).

Косвенное использование генетических технологий уже существенно отразилось на жизни людей. Приводим перечень осуществляемых биотехнологических проектов.

Бактерии используются для получения прежде труднодоступных, нужных человеческому организму белков, таких как:

эритропоэтин (Erythropoietin), стимулирующий производство красных кровяных телец (эритроцитов); гормон роста, способствующий нормальному росту; инсулин, помогающий при диабете;

интерферон, применяемый при различных болезнях; механизм его действия еще не до конца понят; профибринолизин (плазминоген), способствующий рассасыванию кровяных сгустков.

Теперь с помощью генной терапии лечат такие заболевания человека, как: СПИД;

болезнь печени, вызванную α-1-антитрипсиновой недостаточностью; поражение печени может привести к хроническому гепатиту и циррозу;

некоторые разновидности рака;

267

хроническая гранулематозная болезнь (хронический семейный гранулематоз);

Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИРПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь).

кистозный фиброз; семейная гиперхолестеринемия;

болезнь Гоше, по имени французского дерматолога Филиппа Гоше (1854-1918), характеризуется накоплением глюкоцереброзидов в макрофагах главным образом селезенки, костей и печени; наследуется по аутосомно-доминантному типу;

гемофилия;

болезнь Хантера (мукополисахаридоз II типа), по имени канадского врача родом из Шотландии Чарльза Хантера (1873-1955), в 1917 году описавшего характерную симптоматику у двух мальчиковбратьев; характеризуется умеренно выраженной деформацией скелета, атрофией дисков зрительных нервов, пигментной дегенерацией сетчатки; наследуется по рецессивному, связанному с Х- хромосомой типу;

периферическая ангиопатия; пуриннуклеозид-фосфорилазы недостаточность; ревматоидный артрит;

тяжелая комбинированная иммунная недостаточность (ТКИН; англ. SCID — Severe Combined Immunodeficiency).

Подобные списки устаревают уже при их обнародовании, пополняясь болезнями чуть ли не ежедневно. Для получения самых свежих сведений обращайтесь к следующим узлам Всемирной Паутины, размещающих новости в сфере биотехнологий:

http://www.bioethics.net/news.php

http://www.biotech.sunysb.edu/educWork/ibrp/index.html

http://ucbiotech.org/

природа теломер

Уяснение нами природы теломер — пример того, как знание работы генома (протеома) можно перевести на язык

268

технологий. Повторяющийся участок в конце хромосомы, именуемый теломерой, часто состоит из повторяющейся много раз последовательности ТТАГГГ, которую можно было бы уподобить словам «и т. д., и т. д., и т. д.»... В некотором смысле эти повторяющиеся последовательности можно рассматривать как «бросовую» ДНК, поскольку в них не кодируется сборка белков. При каждой репликации ДНК одна из повторяемых последовательностей физически отделяется от молекулы ДНК, укорачивая ее. После отбрасывания всех повторяющихся последовательностей при следующей репликации ДНК отпавшие основания оказываются уже не «шапочками» повторяющихся концов [хромосомы], а частью чертежа для специфичного белка. Данное явление, напрямую связываемое со старением клетки, именуют пределом Хейфлика*. Азотистых оснований, необходимых для сборки определенного белка, больше нет, поэтому белок не собирается должным образом, а значит, и не может выполнять возложенных на него обязанностей в полном объеме. Если этот белок играет жизненно важную роль в метаболизме организма, подобный сбой означает смерть.

Предположим, что организм использует данный белок для борьбы с определенным вирусом. Прежде белок собирался правильно и вирус одолевал. Но с уходом всех повторяющихся ТТАГГГ последовательностей стало невозможным собирать стойкий к вирусу белок, и вирус безраздельно зав-

* По имени американского биохимика Леонарда Хейфлика, открывшего в 1962 году явление старения клетки. Он обнаружил, что при культивировании в питательной среде вне организма in vitro нормальные диплоидные (соматические) клетки человека способны делиться лишь ограниченное число раз. Предельное число делений зависело от возраста того, кому принадлежали клетки, взятые в культуру. Так, клетки от новорожденных детей могли пройти 80-90 делений, в то время как клетки от 70-летних стариков делились только 20-30 раз. Максимальное число клеточных делений было названо пределом Хейфлика (на рус. яз.: Хейфлик Л. Как и почему мы стареем? Советы специалиста. М., 1999; он же. Смертность и бессмертие на клеточном уровне // Биохимия. 1997. Т. 62. № 11).

269

ладел организмом. Возможно, поэтому флавивирусы* вроде возбудителя лихорадки Западного Нила легче поражают пожилых людей.

Вместе с тем раковые клетки не старятся. Они безгранично воспроизводятся. Так что же происходит с их повторяющимися последовательностями ТТАГГГ, которые должны отпадать? Оказывается, существует фермент, именуемый теломеразой, который при активации восстанавливает на конце хромосомы недостающие последовательности ТТАГГГ, позволяя тем самым клетке размножаться вне отведенных ей пределов.

Защите против некоторых видов рака, возможно, помог бы поиск активированной теломеразы. Кроме того,

Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИРПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь).

ввод теломеразы при нераковых заболеваниях, возможно, продлил бы жизнь. Или же деактивация теломеразы после прохождения курса лечения раковым больным предотвратила бы опасность рецидива.

Продолжающиеся исследования в данной области во многом влияют на фармакологию.

Наблюдающийся в биотехнологии бум стал возможен после картирования генома модельных организмов и человека. Однако из-за носившего урывочный характер картирования генома человека (когда сведения поступали от различных исследователей) подстраивание фармацевтической продукции или генной терапии под каждого человека пока еще невозможно.

Такое положение должно вот-вот измениться.

15 августа 2002 года Дж. Крейг Вентер объявил о своем намерении создать новый центр по секвенированию ДНК под эгидой Института исследований генома (TIGR), Центра содействия геномике и Института альтернативной биологической энергетики.

* Флавивирусы — семейство вирусов, насчитывающее около 70 представителей и получившее свое название от лат. flavus (желтый), по имени типичного представителя данного семейства — вируса желтой лихорадки.

270

В задачу этих учреждений входит расшифровка полного генома конкретного человека, производимая за несколько часов или минут, а не в течение месяцев или лет, которая бы стоила 2—3 тыс. долларов, а не сотни миллионов, как это было в случае с международным консорциумом Human Genome Project. Хотя Вентер и оговаривается, что «существующие технические средства не способны решить подобной задачи», он рассчитывает справиться с ней за десять лет. С появлением этих новых технических средств Вентер планирует одновременное секвенирование ДНК всех микробов, содержащихся в пробе морской воды, в качестве способа слежения за состоянием экологии.

Пусть подобные планы и выглядят чересчур оптимистичными, достижения Вентера позволяют надеяться, что его прогнозы оправдаются.

10. Парниковые газы

Парник обеспечивает растения теплом, благодаря тому что стекло пропускает солнечный свет видимой, высокочастотной части спектра, задерживая при этом исходящее от растений низкочастотное, инфракрасное излучение. Тем самым стекло служит ловушкой для нагретого воздуха. Как уже говорилось в гл. 5, поверхность Венеры, Земли и Марса нагревается благодаря атмосфере, действующей в данном случае подобно стеклу парника.

На рис. I.5 показано взаимодействие излучения с земной поверхностью. Видимый свет от Солнца (1) большей частью проходит сквозь земную атмосферу, и лишь незначительное его количество отражается облаками. Солнечная энергия отчасти поглощается земной поверхностью (2) и отражается от нее (3). Затем молекулы земной поверхности излучают энергию в низкочастотном инфракрасном диапазоне (4). Газы

271

Рис. I.5. Взаимодействие излучения с Землей

в атмосфере Земли отражают значительную часть инфракрасного излучения обратно на поверхность (5), тогда как в космос возвращается лишь малая толика (6). В итоге земная поверхность нагревается подобно воздуху внутри парника.

Земная атмосфера состоит преимущественно из азота и кислорода, которые не отражают инфракрасного излучения обратно на поверхность планеты. Это делают другие атмосферные газы, называемые поэтому парниковыми. Образуемые в атмосфере естественным путем, парниковые газы включают водяные пары, двуокись углерода, метан, закись азота и озон. Промышленность существенно пополняет их число, создавая к

Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИРПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь).

тому же не встречающиеся в природе парниковые газы.

На долю двуокиси углерода среди парниковых газов приходится 76%. Природными источниками углекислого газа служат извержения вулканов, гниющие растения и разлагающиеся трупы животных, морские испарения и дыхание животных. Из атмосферы двуокись углерода удаляется через морскую воду и благодаря фотосинтезу как океанического планктона, так и биомассы на суше, включая леса и луга (именуемые поглотителями — sink). Человеческая деятельность (именуемая антропогенной), сопряженная с выделением углекис-

272

лого газа в атмосферу, включает сжигание твердых отходов, ископаемого топлива, древесины и деревянных изделий.

Метан, составляющий 13% парниковых газов, называют также болотным газом. Метан выделяется при гниении растений, особенно на рисовых полях, бактериями, разлагающими органическое вещество в увлажненной почве и в кишечнике многих животных (вспомним коровью отрыжку). Метан порождается человеческой деятельностью при ведении горных работ и транспортировке ископаемого топлива, разложении твердых отходов на свалках и разведении домашнего скота.

Закись азота составляет 6% парниковых газов и выделяется естественным путем океаном и в результате почвенной деятельности бактерий. Человек привносит закись азота посредством азотных удобрений, установок по очистке сточных вод и выхлопов легковых и грузовых автомобилей.

Примерно 5% парниковых газов поставляются источниками человеческой деятельности. Сюда относятся водородно-фтористый углерод (HFC), перфторированный углерод (PFC) и шестифтористая сера (SF6)*, используемые в различных промышленных производствах.

Недавние прогнозы по поводу повсеместного потепления пробудили интерес к парниковым газам. Как и в случае с любой общечеловеческой проблемой, здесь имеют место научная, техническая, экономическая и этическая составляющие. Поскольку рассмотрение большей их части выходит за рамки нашей книги, сосредоточим внимание лишь на некоторых научных аспектах, связанных с обсуждением темы погоды в гл. 5.

Сначала рассмотрим рис. I.6, где приводятся показания температуры за прошлые годы.

На графике видно, что средняя температура у поверхности Земли за последние 100 лет поднялась примерно на

1°F

* Служит газообразным изолятором для высоковольтных установок, поэтому еще называется элегазом.

273

Уиггинс А., Уинн Ч. Пять нерешенных проблем науки / Артур Уиггинс, Чарлз Уинн. — Пер. с англ. А. Гарькавого. — М.: ФАИРПРЕСС, 2005. — 304 с: ил. — (Наука & Жизнь).