Шибнев В

Биохимия бессмертия

В.Шибнев

Биохимия бессмертия

Когда читаешь фантастическое произведение, в котором затрагиваются те или иные проблемы науки, обычно возникает вопрос: насколько реально и допустимо решение научной задачи, предложенное автором? Может ли вообще такое быть? Есть ли основание надеяться, что когда-нибудь, пусть не сегодня и не завтра, а о самом отдаленном будущем человечество найдет отгадку такой-то тайны природы и сделает это именно тем путем, какой предсказывает автор?

В повести "Бунт тридцати триллионов" рассмотрен ряд интереснейших научных проблем, связанных с биохимией будущего. Главная из них - проблема жизни и смерти. Человек не может примириться со смертью. Смерть - это парадокс. Несоответствие возможностей могучего немеркнущего разума и слабого смертного тела давно уже потрясает воображение людей. Даже сегодня, когда медицина достигла невиданных доныне высот и совершенства, жизнь очень часто утекает по незаметным для человеческого глаза каналам, и люди не могут удержать ее... Проблему жизни и смерти по праву следует считать самой волнующей и самой драматической из всех, которые когда-либо стояли перед людьми.

Название повести "Бунт тридцати триллионов" не случайно. Дело в том, что человеческий организм состоит из десятков триллионов клеток. Точное число назвать трудно, но в среднем 30 триллионов можно считать значением, близким к истине. И каждая клетка несет в себе чудесное вещество наследственности.

Авторы "Бунта" не предлагают какого-либо окончательного решения этих вопросов, что вполне закономерно. Слишком темна и слишком сложна сейчас эта область знания. Но они предсказывают момент, когда наука раскроет тайну жизни и человек сможет управлять процессами, протекающими в живом организме. Молекулу ДНК, извлеченную из клеток таинственного сордон-гнохского чудовища, обвивает третья спираль, которая спасает организм от мутагенного воздействия среды и делает живое существо практически бессмертным.

Есть ли в современной науке если не предпосылки, то хотя бы намек на такое фантастическое решение проблемы жизни и смерти, какое предлагают авторы? Оказывается, да. Но прежде, чем говорить об этом, нам придется совершить небольшой экскурс в область молекулярной биологии, ее законов и особенностей.

Живой организм - это единая система бесконечно большого числа клеток. В каждой из них осуществляются сложнейшие химические реакции, законы которых и по сей день известны далеко не полностью. Но какому бы органу живого организма ни принадлежала та или иная клетка, в ней, как в фокусе, сконцентрированы общие, основные процессы жизни. Нарушение их приводит к гибели клетки, а следовательно, и организма. В клетке заложены и особые материальные вещества гены, хранящие план развития и жизни организма. Они заранее предопределяют и такой решающий момент, как быстротечность или же долговечность жизни.

Клетка - это первая живая ячейка, в которой осуществляется синтез белка по определенной, безотказно действующей схеме. Постоянное обновление, или, как еще говорят, воспроизводство белковых тел: гормонов, ферментов, антител и многого другого, объясняется тем, что они как бы печатаются с определенных шаблонов, которые присутствуют в клетке. Главным элементом такого шаблона является дезоксирибонуклеиновая кислота. Биохимические процессы в клетке протекают с участием биокатализаторов - ферментов. Клетка располагает специальными ""биохимическими машинами" - поистине удивительными "сооружениями", которые ведают утилизацией и переносом энергии в нужных для клетки направлениях.

Понятие "живой" в нашем сознании неотделимо от белка. Точно так же обстоит дело и с понятием "клетка". Клетка тоже неотделима от белковых тел, так как все биохимические процессы, проходящие в ней, связаны с одним из видов белка ферментами.

Белки представляют собой высокомолекулярные полимеры, построенные из аминокислот. Хотя аминокислот только 20, но число возможных комбинаций из этих своеобразных кубиков поистине гигантское, особенно если учесть, что молекулярный вес их колеблется от 4000 до 100000. Этим и объясняется все многообразие белковых соединений в живой природе. Молекула белка имеет очень сложную структуру. Ее разделяют на первичную, вторичную и третичную. Если представить это образно, то первичная структура молекулы белка может быть изображена проволокой, на которой в виде разноцветных бусинок в определенном порядке нанизаны аминокислоты. Если из таких нанизанных на проволоку бус свернуть спираль, мы получим уже вторичную структуру белка. И, наконец, сделав из этой длинной спирали какую-либо фигуру, мы воспроизведем уже третичную структуру белковой молекулы.

Естественно может возникнуть вопрос, а так ли это?

Всего лишь несколько десятилетий тому назад подобная схема была бы плодом беспочвенной фантазии, но сегодня благодаря общему прогрессу науки в различных областях, благодаря совместным усилиям химиков, физиков и биологов удалось не только доказать строение белковой молекулы, но и "увидеть" ее с помощью рентгеновских лучей. Это, пожалуй, одно из самых изумительных открытий нашего века. Химики научились расщеплять высокомолекулярную белковую молекулу на сравнительно короткие фрагменты. Затем, изучив порядок расположения в них аминокислот, смогли получить первичную структуру белка.

Физики, облучая рентгеновскими лучами кристаллический белок, сумели увидеть как бы объемную картину атомов белка, что позволило уже судить о самом облике гигантской молекулы. Так, сначала удалось, например, "увидеть" лишь общие контуры молекулы белка миоглобина (мышечный гемоглобин), а затем, когда была достигнута более высокая мощность прибора, были исследованы и спиральные участки молекулы.

На решение таких задач ученого толкает далеко не праздное любопытство, а крайняя необходимость. Все дело в том, что молекула фермента способна осуществлять в организме животного или в колбе исследователя те или иные процессы только до тех пор, пока она сохраняет свою специфическую третичную структуру. И стоит ее хоть очень немного нарушить, например, воздействием температуры, растворителями, излучениями или какими-либо химическими веществами, как молекула фермента теряет свою каталитическую активность. Нужно отметить, что при этом не нарушается не только первичная, но и вторичная структура молекулы. Вот почему проблема третичной структуры белка представляется очень важной.

Однако весьма существенную роль играет и первичная структура белковой молекулы. Вот пример. В зонах малярии на побережье Средиземного моря, в Африке и Азии широко распространено заболевание крови, так называемая серповидная анемия. Страдающие этим тяжелым недугом, как правило, невосприимчивы к малярии.

Недавно выяснилось, что это заболевание может быть отнесено к "молекулярным болезням". Оно связано с тем, что в крови больного, в молекуле гемоглобина нарушается порядок расположения отдельных аминокислот. Совсем небольшое нарушение, но оно резко изменяет ход процессов обмена живого организма. Такое как будто бы незначительное изменение первичной структуры белка вызывает сильное потрясение всего организма. Чем же вызываются такие изменения в молекулярной структуре белка? Как это ни поразительно, но виновен в этом сам организм. В борьбе с малярией организм перестраивает молекулу гемоглобина таким образом, чтобы сделать ее нечувствительной к ядовитым ферментам, которые вырабатываются плазмодием. Эта перестройка и приводит, по сути дела, к ослаблению и, в конечном счете, к гибели всего организма.

В клетке все процессы взаимосвязаны, и нарушение в одном месте того или иного, биохимического процесса серьезным образом сказывается на всей жизнедеятельности.

Приведенный случай ярко иллюстрирует момент, когда клетка, борясь с токсинами плазмодия, вынуждена "подправить" свои "матрицы" и тем самым нарушить воспроизведение нормального гемоглобина.

Разумеется, это лишь наиболее яркий случай такого влияния, которое в конечном счете приводит к вымиранию данной генетической ветви. Однако способностью нарушать "матрицы" клетки, которыми являются дезоксиробонуклеиновые и рибонуклеиновые кислоты, или, как еще это называют, способностью быть мутагенами, обладают и другие, часто очень простые соединения, а также лучистая энергия. При воздействии на живой организм очень малых количеств таких материалов, в синтезирующем аппарате клетки постепенно как бы начинают накапливаться дефекты. Точнее, если на первых стадиях жизни здорового организма процесс синтеза протекает постоянно однозначно и стереотипно, то со временем, когда нарушается структура отдельных участков "матриц", начинают синтезироваться белки иного состава. И тогда они не могут нормально функционировать.

В течение жизни в организме человека накапливается все больше белков с измененной структурой, что со временем приводит к старению организма и смерти.

Возникает вопрос: а нельзя ли как-то уберечь организм от воздействия вредных веществ на "матрицы" клетки или каким-то образом сильно затормозить их вырождение и тем самым значительно продлить жизнь человека? Этот вопрос чрезвычайно сложен. Сейчас нет пока реальных подходов к этой проблеме. И это вызвано скорее не фантастичностью самой задачи, а тем, что мы еще очень и очень мало знаем о процессах, проходящих в клетках, о ее энергетических ресурсах, о ее генах. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) является материальным носителем наследственности. ДНК регулирует синтез ферментов, создавая их первичную, вторичную и третичную структуру. Этот синтез осуществим через посредничество рибонуклеиновой кислоты (РНК). Изменения в ДНК, как сказано выше, вызовут изменение структуры синтезируемого фермента.

Однако не каждое воздействие на ДНК приводит к изменению структуры фермента. Более того, сама природа как бы постаралась защитить от каких-либо воздействий носитель наследственности.

В ядрах спермиев находят так называемые нуклеопротамины, которые представляют собой комплекс ДНК и белка протамина (у рыб) или гистона (у высших животных). Этот комплекс достаточно прочный. Следует считать, что появление протаминов и гистонов в процессе эволюции, очевидно, не случайно, поскольку эти белки, вплетенные в ДНК, улучшают пространственную упаковку молекулы.

Подобная стабилизация молекулы, несомненно, привела к лучшему закреплению заложенной в ней информации.

Таким образом, сама природа в ходе эволюции показывает возможность предохранения наследственной информации от разрушающего действия мутагенов. Как этого будет достигать человек, сейчас сказать трудно. Но мечта о победе над старостью, над увеличением продолжительности человеческой жизни будет вечно жива в людях.

В повести "Бунт тридцати триллионов" поднимается еще целый ряд интересных научных и философских вопросов.

Так, фантастическая реализация химической памяти, заключенной в клетках человеческого тела, происходящая в церебротроне, имеет своим достаточным научным основанием изящные эксперименты биолога Макконела с червем - планарией (об этих экспериментах можно прочесть в четвертом номере журнала "Наука и жизнь" за 1963 год).

Решение этих вопросов принадлежит науке будущего, она откроет перед человечеством новые возможности и блестящие перспективы. Но фундамент будущих открытий закладывается в наши дни.

В. Шибнев, кандидат химических наук

Content

Шибнев В
Биохимия бессмертия