Помоги проекту - поделись книгой:
Душа и тело
Эта книга посвящена, прежде всего, биологии злокачественных опухолей, но человек — особенный биологический объект. Он наделен разумом, волей и способностью испытывать сложные, подчас противоречивые чувства. Тяжелая болезнь, каковой, несмотря на упомянутые выше успехи, вне всякого сомнения, продолжает оставаться рак, затрагивает не только тело, но и душу. Вероятно, именно поэтому вопросы о связи «духовного» и «физического» при раке так волнуют и больных, и здоровых.
В жизни каждого человека бывают непростые моменты — смерть близких, развод, болезнь, потеря работы. От психологического стресса не застрахован никто. Как влияют отрицательные переживания на риск заполучить онкологическое заболевание?
Хорошая новость — на сегодняшний день отсутствуют какие бы то ни было достоверные данные о том, что психологическое потрясение напрямую ведет к развитию злокачественных опухолей. Это значит, что связь между стрессом и повышенным риском возникновения опухоли либо отсутствует вовсе, либо слишком слаба, чтобы обнаружить ее стандартными статистическими методами. Даже такое долговременное угнетенное состояние, как депрессия, судя по многочисленным данным, нисколько не увеличивает риск заболеть раком. Так что если у вас в жизни не все идет гладко, не стоит дополнительно терзать себя мыслью, что теперь вы еще наверняка заболеете.
Однако житейские неприятности могут способствовать развитию заболевания косвенно. Пытаясь бороться со стрессом, люди часто начинают курить и злоупотреблять алкоголем, перестают следить за здоровьем. Стресс не вызывает рак, а вот вредные привычки — да. Обычно мы не в силах предотвратить психологическое потрясение, но можем постараться удержать под контролем саморазрушительные процессы, которые оно запускает.
Что касается влияния психологических факторов на развитие болезни, то нет сомнений, что онкологический диагноз сам по себе является сильнейшим стрессом, и то, насколько успешно больной сумеет ему противостоять, действительно может влиять на его шансы выздороветь. Эксперименты на мышах показали, что у животных, подвергающихся социальной изоляции (это одна из форм стресса), происходит ускоренный рост опухолей и распространение метастазов. Возможно, это связано с тем, что гормоны стресса, такие как норадреналин, являются одновременно факторами, влияющими на метастазирование опухолевых клеток. Кроме того, они воздействуют на иммунную систему, которая, как будет показано дальше, играет важную роль в сдерживании опухолевого роста.
Впрочем, есть серьезные основания полагать, что такие чувства, как отчаяние, беспомощность и безнадежность, повышают риск преждевременной смерти даже в отсутствие онкологического диагноза (хотя полностью механизмы этого явления не ясны). Им следует противостоять, используя психотерапию, а в некоторых случаях и антидепрессанты, подобранные врачом. В крупных онкоцентрах нередко ведут прием специалисты-онкопсихологи, которые могут проконсультировать больных и их близких. И это помощь, которой не стоит пренебрегать.
Однако, хотя своевременная психологическая и духовная поддержка очень важна в беде любому, в том числе и человеку с онкологическим диагнозом, ее влияние на исход болезни не стоит преувеличивать. Ранняя диагностика и хорошо подобранная терапия — несравненно более важные факторы успешного выздоровления, чем любое «правильное» состояние ума. Рак не лечится «силой мысли», как бы ни настаивали на этом отдельные персонажи.
Язык мой — враг мой
Множество заблуждений, связанных со злокачественными новообразованиями, коренится в неточности и консервативности естественного языка, не поспевающего за научными открытиями. Сама конструкция таких оборотов, как «рак груди» и «рак кишечника», подразумевает, что речь идет об одном и том же недуге, просто поразившем разные органы. Так же, например, мы говорим «прыщи на руке» или «прыщи на спине». Но… на взгляд дерматолога даже прыщ прыщу рознь. Симптом, который разговорный язык описывает как «сыпь», может быть признаком самых разных нарушений в организме и лечится по-разному в зависимости от происхождения. Аллергические высыпания лечат иначе, чем юношеское акне, а сыпь при ветрянке — иначе, чем при чесотке.
То же самое справедливо и для злокачественных опухолей. Это не какое-то одно заболевание, но целая группа болезней, имеющих ряд общих симптомов, самые важные из которых — быстрый бесконтрольный рост новообразования и распространение по организму (метастазирование). Для одного только рака груди сейчас выделяют по меньшей мере четыре молекулярных подтипа. Такая подробная классификация не досужая выдумка узких специалистов, которым больше нечем заняться. В зависимости от молекулярного типа опухоли назначается лекарственная терапия, и препараты, эффективные при лечении одного варианта заболевания, могут быть противопоказаны при другом. Другой пример — рак легкого. Это название объединяет по меньшей мере четыре разных заболевания: мелкоклеточный и немелкоклеточный рак, который, в свою очередь, делится еще на три вида: аденокарциному, плоскоклеточный и крупноклеточный рак. Каждая из этих болезней требует своего особого лечения.
Классификацию онкологических заболеваний дополнительно усложняет тот факт, что определенная молекулярная разновидность опухоли (например, «люминальный подтип А рака молочной железы») может, в свою очередь, иметь несколько стадий: локальная опухоль, опухоль с метастазами в ближайшие лимфатические узлы, опухоль с метастазами и вторичными опухолями в отдаленных органах. Методы лечения и шансы на выздоровление также будут разными для каждой из этих стадий.
Нельзя сказать, что обобщения типа «раковая опухоль» не имеют совсем никакого смысла. У злокачественных новообразований самого разного происхождения есть много общих черт (как на клеточном, так и на молекулярном уровне), которые определяют общие стратегии лечения онкологических заболеваний. На сходство нам указывают язык и обобщающее слово «рак», прижившееся в нем, а вот мысль о различиях придется запомнить.
В нашей книге, идя на уступку естественному языку, обороты «злокачественная опухоль (новообразование)» и «раковая опухоль» будут использоваться как синонимы. Но, строго говоря, это не совсем верно. Первоначально определение «рак» в русском языке относилось только к карциномам — опухолям, образованным определенным типом клеток, а именно эпителиальными. Опухоли, образованные клетками соединительной ткани, правильно было бы называть саркомами, злокачественное перерождение кроветворных тканей — лимфомами и лейкемиями и т. д. Однако в английском языке слово
Эти обороты будут использоваться в книге при обсуждении общих черт, присущих разным злокачественным новообразованиям. При описании особенностей конкретного типа опухолей предпочтение будет отдаваться более точным терминам: «саркома Юинга», «меланома», «рак желудка» и т. д.
Диагноз или приговор?
Чтобы понять, насколько обоснованы или, напротив, безосновательны страхи перед «раковым приговором», нам придется обратиться к медицинской статистике. Однако, апеллируя к сухим цифрам, будем внимательны к контексту, чтобы не получилось как в известном анекдоте, когда замер температуры одновременно в морге и гнойном отделении (среди больных, для которых обычна температура под 40°) дает среднюю по больнице температуру 36,6°, свидетельствующую об идеальном здоровье пациентов.
Первый взгляд на статистику онкологических заболеваний как будто бы подтверждает худшие опасения. Основным критерием успешного лечения в онкологии является пятилетнее выживание пациента после постановки диагноза. В России этот показатель составляет около 40 %, то есть, увы, примерно соответствует американским данным 1970-х годов, но в Европе и США достигает 60–70 %, что выглядит уже гораздо оптимистичнее. Вопреки расхожему мнению, лечение онкологических заболеваний в крупных городах России находится на уровне мировых стандартов. Чем же тогда объясняется эта почти двукратная разница?
Основной фактор, определяющий шансы пациента на успешное излечение при раке, — это стадия, на которой обнаружено заболевание. Вот, для примера, статистика лечения в США самого распространенного «женского рака» — рака груди. Для опухолей, обнаруженных на начальных стадиях, шанс прожить пять лет после диагностики заболевания близок к 100 %, а для опухолей, диагностированных на четвертой стадии (со множественными метастазами по телу), он составляет всего около 20 %. (Критерий пятилетней выживаемости используется в онкологии в связи с тем, что именно в первые годы наиболее высока вероятность рецидива заболевания. Считается, что если в течение пяти лет злокачественная опухоль не вернулась, то она с высокой вероятностью вылечена окончательно. Хотя, к сожалению, иногда случаются и более поздние рецидивы.)
Основной проблемой лечения рака в России остается поздняя диагностика. Регулярные наблюдения у специалистов не требуют значительных финансовых затрат, но могут сильно повысить шансы победить болезнь. Разумеется, каждый год проходить проверку на все возможные типы опухолей невозможно да и не нужно. А вот своевременно диагностировать наиболее распространенные типы рака по силам почти каждому.
По данным ВОЗ, для мужчин наиболее распространенными типами онкологических заболеваний являются: рак легких, печени, желудка, рак кишечника (ободочной и прямой кишки) и рак предстательной железы. Для женщин — это рак груди, рак легких, рак кишечника (ободочной и прямой кишки), рак шейки матки и желудка. Регулярное (раз в год) обследование этих органов гарантирует, что заболевание, если и возникнет, не будет запущено.
Прививка от гепатита В и профилактика гепатита С резко снижают вероятность заболеть раком печени. Отказ от курения сводит к минимуму риск заболеть раком легких и снижает риск других онкологических заболеваний. Регулярное посещение гинеколога позволяет обнаружить злокачественные перерождения шейки матки и опухоли груди на ранней стадии и т. д. Эти меры и другие профилактические подходы, о которых пойдет речь дальше, доступны большинству людей и не требуют значительных финансовых вложений. Исключение составляют разве что такие относительно дорогостоящие процедуры, как колоноскопия и гастроскопия для диагностики опухолей кишечника и желудка соответственно, но их достаточно проходить раз в несколько лет.
Почему же, несмотря на очевидный прогресс онкологии, в обществе множатся пессимистические мифы и многие люди, избегая обращаться к врачам, отдают себя в руки шарлатанов? Причин у этого явления, разумеется, много, но самой важной представляется следующая: в статистике существует понятие «ошибка выжившего», когда по одной группе («выжившим») есть много данных, а по другой («погибшим») — почти нет, в результате чего исследователи получают искаженную картину происходящего. Название этого заблуждения восходит, вероятно, к истории о древнегреческом мудреце Диагоре, которого друг убеждал поверить в существование богов, показывая ему изображения людей, спасшихся во время шторма, потому что они молились бессмертным заступникам. Диагор элегантно парировал этот довод вопросом: «А как насчет изображений тех, кто молился, но все равно погиб?»
Подобный информационный перекос существует и в отношении онкологических заболеваний. Только в случае рака уместнее говорить не об «ошибке выжившего», а об «ошибке умершего». Истории знаменитых людей, жизни которых унесла болезнь, у всех на слуху: Стив Джобс, Дмитрий Хворостовский, Патрик Суэйзи… «Если ум, талант, влияние и богатство не помогли таким людям спастись от смерти, то на что надеяться остальным?» — пессимистично думают читатели, пролистывая новостные ленты с некрологами. Истории о людях, победивших болезнь, попадают в информационное поле гораздо реже. Как правило, никто, кроме самых близких, не знает о раковом диагнозе пациента. Если человек умирает, причину смерти обсуждают на поминках, а если выздоравливает — то его болезнь так и остается тайной для окружающих. Такая односторонняя подача информации создает преувеличенно мрачную картину происходящего. А между тем в мире живут и здравствуют десятки, если не сотни миллионов людей, успешно победивших болезнь (только в США их около 12 млн). Раковый диагноз в наши дни — это тяжелое испытание, но не приговор, а вызов.
Подводя итог
Рак сопутствует человеческому роду испокон веков. Описание раковых опухолей и методы их лечения мы находим в медицинских трудах всех значительных древних цивилизаций. Однако серьезной эпидемиологической проблемой рак стал только в ХХ веке. Отчасти это связано с распространением вредных привычек (курение, неумеренное пребывание на солнце), отчасти — с влиянием промышленного загрязнения, однако главным фактором, обусловившим рост количества онкологических заболеваний, в последние десятилетия является увеличение продолжительности жизни. Важно помнить и понимать, что «рак» — это не одна болезнь, как, например, «грипп» или «туберкулез», но целая группа заболеваний разного происхождения, хотя и с похожими внешними проявлениями. В этой главе мы коснулись некоторых социальных и психологических аспектов онкологических заболеваний, а в следующей начнем анализировать молекулярную природу этой клеточной патологии.
• Атлас рака — история онкологии (на английском):
http://canceratlas.cancer.org/history-cancer/
• Серия статей по истории рака (A note from history: landmarks in history of cancer):
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/?term=A+note+from+history%3A+landmarks+in+history+of+cancer
• Как лечили рак в старину:
https://med-history.livejournal.com/66826.html
• Статистика раковых заболеваний в США (на английском):
https://seer.cancer.gov/statfacts/html/all.html
• «Рак трубочиста: первый канцероген» — статья Михаила Шифрина на сайте «MedПортал» о «раке трубочиста»:
http://medportal.ru/enc/oncology/reading/14/
• Немного обнадеживающей статистики по раковым заболеваниям (на английском):
https://www.rd.com/health/conditions/cancer-statistics/
Глава 2. Загадки нашего генома и мифы о природе рака
Следующую группу заблуждений, связанных с онкологическими заболеваниями, можно охарактеризовать как «мифы о природе рака». В них причудливо переплетаются научные факты и домыслы коллективного бессознательного. Попробовав углубиться в вопрос о происхождении злокачественных опухолей, неспециалист очень скоро начинает чувствовать себя сбитым с толку множеством разнообразных и несогласованных на первый взгляд концепций. Известно, что в возникновении рака играют роль какие-то гены, да и врачи на приеме частенько спрашивают о случаях онкологических заболеваний в семье. Стало быть, рак — заболевание наследственное? Однако в массовой околомедицинской литературе встречаются упоминания об онковирусах. Тогда получается, что опухоли — вирусное, инфекционное заболевание? Еще и заразное наверняка? А если почитать в популярной периодике о веществах-канцерогенах, может сложиться впечатление, что рак — это своего рода «отравление»…
Вопрос о причинах возникновения злокачественных опухолей действительно не прост. Рак — это сложное и многофакторное заболевание. В этой главе мы постараемся обозначить контуры современных научных представлений о его природе.
«Рак без причины не возникает, вы сами виноваты, что заболели!» — такое часто слышат в свой адрес люди, у которых обнаружили злокачественную опухоль. Ответственность курильщика за развитие рака легких отрицать трудно, но ведь жертвами болезни часто становятся и люди без вредных привычек. Понимание механизмов злокачественного перерождения клеток может освободить больных и их близких от непосильного и непродуктивного чувства вины и напомнить здоровым, что от несчастного случая, к сожалению, не застрахован никто.
Болезнь генома
В 1928 году английский врач Фредерик Гриффит ввел здоровым лабораторным мышам смесь двух разновидностей бактерий, вызывающих воспаление легких, — шероховатой и гладкой. Из предыдущих опытов уже было известно, что для животных опасна только первая форма пневмококка, та, в которой клетка микроба окружена защитной капсулой, выглядевшей под микроскопом словно неровная шероховатая поверхность. Капсула защищала бактерию от распознавания и уничтожения иммунной системой мыши. Бактерии второй разновидности такой защитой не обладали, организм здорового животного с легкостью расправлялся с ними, и болезнь не развивалась. Этот признак — наличие или отсутствие оболочки — передавался в каждой группе бактерий из поколения в поколение, то есть являлся наследственным.
В ходе эксперимента, который позднее вошел в учебники, бактерии шероховатого типа убивали нагреванием и добавляли к живым гладким бактериям. По отдельности ни убитые шероховатые пневмококки, ни живые гладкие бактерии никак не влияли на состояние здоровья мышей. Однако после введения смеси из живых гладких и убитых шероховатых бактерий у животных развивалась пневмония. При этом в крови больных мышей обнаруживались живые шероховатые бактерии. Из этих наблюдений Гриффит сделал вывод, что какой-то компонент убитых шероховатых клеток превратил неболезнетворные бактерии (гладкие) в болезнетворные (шероховатые). Так впервые напрямую было продемонстрировано, что наследственность имеет материальную природу и материальный носитель, способный сохранять свои свойства (по крайней мере, некоторое время) и после смерти организма.
В 1944 году, после усовершенствования лабораторных методов, другие ученые — Эвери, Маклеод и Маккарти — в аналогичном эксперименте сумели выделить таинственный «трансформирующий агент» и выяснить его химическую природу. Носителем генетической информации оказалась молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Это открытие положило начало новой науке — молекулярной биологии.
С той поры слова «генетический код», «мутации», «наследственность» успели прочно обосноваться в повседневном словаре современного человека и заголовках «желтой прессы» (что можно считать высшей формой популярности и признания). Хотя лишь немногие специалисты в деталях понимают сложную молекулярную машинерию жизни, общее представление о том, что в основе существования любого организма лежит уникальная последовательность ДНК (геном), смогло в итоге стать частью массовой научной культуры наряду с утверждениями «Земля вращается вокруг Солнца», «Растения выделяют кислород» и «В начале всего был Большой взрыв».
Основная задача молекулярной биологии от момента зарождения и до сегодняшнего дня — выявление связи между последовательностью ДНК в организме и его биологическими свойствами. Или, как это любят формулировать сами ученые, между генотипом (например, «геном зеленых глаз») и фенотипом (собственно зеленоглазостью). На этом пути биологам удалось добиться впечатляющих успехов, однако до полной расшифровки фундаментального «кода жизни» все еще очень далеко. Напротив, как в старинной притче про философа Анаксимена, чем шире круг наших знаний, тем больше он соприкасается с незнанием и порождает все больше новых вопросов.
Через 50 с лишним лет после Гриффита — в 1981 году — ученые повторили его опыт, но уже не с бактериями, а со злокачественной опухолью. ДНК из опухолевых клеток осторожно извлекли и перенесли в здоровые клетки мыши, после чего те превратились (трансформировались) в раковые. Так была выявлена генетическая природа онкологических заболеваний. Не то чтобы в этом кто-то сомневался — данных о связи генов и болезни к тому времени накопили предостаточно, но прямое доказательство было необходимо, чтобы двигаться дальше, не испытывая сомнений.
Если молекулярную биологию интересуют прежде всего закономерности устройства здоровой клетки, то молекулярная онкология пытается разобраться в том, как нарушения в тех или иных генах приводят к злокачественному перерождению и каким образом мы можем исправить эти ошибки.
Зачем клетке гены?
Если верить социологическим опросам, то многие люди до сих пор убеждены, что гены присутствуют только в генетически модифицированных (ГМО) организмах и продуктах, а в «обычных» — нет… Поэтому, прежде чем перейти к волнующей теме генетических нарушений в опухоли, давайте вспомним, как устроена живая клетка в человеческом организме и зачем ей нужны гены.
Клетка — элементарная единица живой материи (оставим споры о вирусах специалистам). В качестве минимального «атома жизни» она обладает, в той или иной степени, всеми признаками живой материи — растет, размножается (делится), обменивается веществом и энергией с окружающей средой и приспосабливается к ее изменениям. Существуют два основных типа клеток — «безъядерные» (прокариотические), например бактерии, и «ядерные» (эукариотические) — некоторые одноклеточные и все многоклеточные организмы. Нас, в контексте разговора о раке, будет интересовать главным образом второй — эукариотический — тип.
Одноклеточный организм похож на простейшее сельское домохозяйство Средневековья, которое обеспечивало себя буквально всем — от одежды и обуви до пропитания, а в обмен с «внешними» вступало только в случае крайней необходимости. (Например, крестьяне продавали часть припасов на городских рынках, чтобы на вырученные деньги купить у кузнецов железные инструменты, необходимые в хозяйстве.) Многоклеточному организму в качестве аналогии соответствует, скорее, современный индустриальный город. В мегаполисе у каждого жителя своя специальность, и водитель автобуса может не знать, как печется хлеб, а доктор — иметь весьма отдаленное представление об успехах современной астрономии. Такие же разные профессии бывают у клеток, и так же, как в человеческом обществе, процесс приобретения ими этих навыков называется «специализацией», или «дифференциацией». В теле человека насчитывается около 200 различных клеточных типов, и каждый выполняет свою функцию — эритроциты переносят кислород, клетки печени обеззараживают опасные вещества, нейроны проводят электрические импульсы.
Работая вместе, как рабочие на заводе, клетки определенного типа образуют ткани — нервную, мышечную, покровную и т. д. Ткани, в свою очередь, формируют органы, специализированные для выполнения определенных функций — например, легкие для дыхания, желудок для пищеварения. Так формируется иерархическая структура человеческого организма: тело — органы — ткани — клетки.
Живое начинается с разделения «я» и «не я» — клетка отделена тонкой мембраной, которая позволяет ей, с одной стороны, не раствориться в окружающем мире — так реализуется ее защитная, изолирующая функция, а с другой стороны, обеспечивает транспорт необходимых веществ — это свойство клеточной мембраны ученые назвали избирательной проницаемостью. Мембрана состоит из липидов (жиров) и белков. Липиды отвечают за изоляцию, белки — за перенос веществ (этим занимаются транспортные белки) и реакцию клетки на сигналы из внешнего мира (эту функцию берут на себя белки-рецепторы). Внутри мембраны содержится плотный, концентрированный раствор — цитоплазма — внутренняя среда клетки.
В клетках бактерий здесь же, в цитоплазме, плавает и ДНК, но у ядерных организмов, таких, как мы с вами, наследственная информация собрана в специальном клеточном отсеке, который называется ядром. На первый взгляд разница не слишком существенна, но в ней есть большой биологический смысл. У бактерий все этапы реализации биологической информации происходят одновременно. С активного гена считывается матричная РНК, и тут же на нее садятся рибосомы, готовые синтезировать нужный белок. В клетках ядерных организмов эти два процесса (транскрипция и трансляция) разделены во времени и в пространстве. Транскрипция (считывание РНК) происходит в ядре, а трансляция (синтез белка) — в цитоплазме. Это несколько замедляет процесс, но зато делает его гораздо более управляемым.
«Управление» или «регуляция» — два ключевых слова, которые постоянно будут встречаться вам на страницах книги. Эукариотические (ядерные) и прокариотические (безъядерные) клетки используют более-менее одни и те же молекулярные механизмы, однако лишь ядерные клетки оказались способны формировать многоклеточные организмы. Ключевым фактором подобного эволюционного успеха, скорее всего, стала способность этих клеток более точно регулировать протекающие в них молекулярные процессы.
Существование ядра — это лишь один из примеров реализации так называемого принципа компартментализации, лежащего в основе строения эукариотических клеток. С помощью сложного комплекса мембран внутреннее вещество клетки поделено на отсеки (компартменты), в которых, словно в изолированных колбах, происходят разные биохимические превращения. Такое «зонирование» также значительно повышает эффективность и управляемость работы человеческой клетки в сравнении, например, с бактериальной.
Прокариотическая клетка похожа на бедную школу старых времен, вроде той, что описана в романе «Джейн Эйр», — множество учеников разного возраста собраны в одном помещении и одновременно занимаются самыми разными предметами. В одном углу твердят французские глаголы, в другом решают арифметические примеры, в третьем учат стихи, и все отвлекают и перекрикивают друг друга. Незатратная, но и не слишком эффективная система. В ядерной клетке реакции упорядочены, как процесс обучения в современной школе, где второклассники учатся отдельно от пятиклассников, химией занимаются в химическом кабинете, а физические опыты ставят в кабинете физики.
Кроме ядра, в цитоплазме находятся разнообразные органеллы — «маленькие органы», которые позволяют клетке выполнять разные функции точно так же, как «настоящие» органы — печень, легкие, мозг — обеспечивают жизнедеятельность организма в целом. Переваривание белков в лизосомах похоже на процесс пищеварения, а сеть транспортных микротрубочек, обеспечивающих доставку молекул в разные части клетки, чем-то напоминает кровеносную систему организма. Но самыми важными органеллами (после ядра) являются, пожалуй, митохондрии. Это крупные органеллы, которые играют роль своего рода «тепловых электростанций». Они «сжигают» глюкозу и обеспечивают клетку энергией, необходимой для поддержания процессов жизнедеятельности. Одновременно митохондрии играют важную роль в регуляции запрограммированной клеточной гибели — апоптоза.
Если клетка — это строительный кирпичик организма, то органические молекулы — это, в свою очередь, стройматериал для клеток. Основные молекулы жизни — ДНК, РНК, белки — это огромные линейные полимеры, то есть молекулы-«цепочки», состоящие из нанизанных друг за другом небольших фрагментов — мономеров. Чтобы подчеркнуть размер биологических полимеров, их часто называют макромолекулами. Размер имеет значение! Химические и физические свойства больших молекул сильно отличаются от свойств их мономеров. Например, полисахарид целлюлоза — жесткий, нерастворимый, плохо перевариваемый полимер, составляющий основу древесины, — состоит из мономеров глюкозы — сладкой, легкорастворимой и питательной молекулы.
У ДНК и РНК мономерами являются органические молекулы — нуклеотиды, у белков — другие органические молекулы, аминокислоты (а точнее, аминокислотные остатки). Любой линейный полимер можно описать через последовательность составляющих его мономеров. Например: аланин — глицин — пролин — тирозин — аланин — серин (другая форма записи — AGPYAS) — это описание фрагмента белка. Порядок соединения аминокислотных остатков определяет, какую структуру будет иметь белок и какую функцию станет выполнять. Гены и молекулы РНК, в свою очередь, различаются нуклеотидными последовательностями.
Биополимеры можно сравнивать между собой и давать количественную оценку степени их сходства (или различия). Например, последовательности ААААC и ATAAC различаются между собой всего на одну букву (нуклеотид) из пяти, таким образом степень гомологии (сходства) этих двух полинуклеотидов составляет 80 %. Сопоставляя последовательности генов различных организмов, ученые получают данные о степени их родства. Чем больше сходство геномов, тем более близкими родственниками являются виды. При изучении раковых опухолей ученые таким же образом сравнивают ДНК раковых клеток и здоровых. Это помогает им обнаружить генетические причины болезни, подробнее о которых будет сказано дальше.
Аналогичный анализ позволяет делать обоснованные предположения о структуре и функциях малоизученных белков путем сопоставления их с хорошо изученными макромолекулами. Белки, у которых последовательности демонстрируют высокую степень гомологии (50 % и выше), как правило, обладают схожей структурой и свойствами.
Белки — главные «рабочие лошадки» живой клетки. В состав белков человеческого тела входит всего 20 аминокислот с различными свойствами — маленькие и массивные, «кислые» и «щелочные», водорастворимые и «жирные», но количество возможных трехмерных структур, которые можно построить из них, огромно. Это чем-то похоже на конструктор «Лего» — из небольшого количества базовых элементов можно создавать очень разные, непохожие друг на друга конструкции.
Множеству белковых структур соответствует невероятное разнообразие их функций в человеческом теле. Белки обеспечивают транспорт и движение, участвуют в процессах размножения и дыхания, защищают наш организм от инфекций и позволяют различать свет и тьму. Собственно, все основные задачи в живой клетке решаются белками. Все, кроме одной. Белки не способны к самовоспроизводству. Эта «умная» молекула не может сама себя синтезировать. Для производства белков нужны специальные молекулярные инструкции (записанные в ДНК) и особые молекулярные «синтезаторы» небелковой природы — рибосомы (основой которых является РНК), способные синтезировать белки, используя «инструкцию», написанную на другом, нуклеотидном, языке.
Генетический код — догма и руководство к действию!
Три главных типа биополимеров — ДНК, РНК и белки — существуют в организме не обособленно. Они связаны между собой отношением, которое великий ученый Фрэнсис Крик назвал «основной догмой молекулярной биологии». Суть «догмы» в том, что генетическая информация в клетке хранится в виде последовательности молекулы ДНК, а реализуется в виде последовательности белка, причем посредником в процессе переноса информации является молекула РНК. Процесс перекодирования нуклеотидной последовательности в аминокислотную происходит на специальных молекулярных машинах — рибосомах.
Используя нестрогую компьютерную аналогию, ДНК можно сравнить с программой, написанной на одном из языков программирования высокого уровня (например, С++). Аппарат трансляции, включающий в себя разнообразные РНК, работает как компилятор, переводящий (транслирующий) эту программу в машинный код, понятный компьютеру. А белок можно уподобить исполняемому файлу игры, получившейся на выходе. Если не знать о принципах компилирования, обнаружить какую-либо связь между исходным текстом программы и итоговым EХЕ-файлом практически невозможно. Именно поэтому ученые так долго не могли заметить взаимосвязь между ДНК и белками.
Другой, более бытовой, аналогией может быть связь между рецептом пирога (ДНК) и собственно пирогом (белком). Превращение информации, торопливо записанной на клочке бумаги, в праздничное блюдо происходит благодаря умелым рукам кулинара (рибосомы), который в нужной последовательности соединяет необходимые ингредиенты. Но для человека, не знакомого с письменностью, взаимосвязь между кусочком бумаги и лакомством будет выглядеть как загадка, а может быть, и колдовство.
Кусок ДНК, который кодирует последовательность того или иного белка, называется «ген». Совокупность генов в организме формирует его геном. Это первое — и очень приблизительное — определение молекулярных основ живого, которое постепенно будет уточнено (и усложнено).
Правила, устанавливающие соответствие между последовательностью ДНК и последовательностью белка, которую кодирует данный ген, называются генетическим кодом. Генетический код в основных чертах един для всех живых существ на Земле, и редкие отступления от него у некоторых бактерий и одноклеточных представляют собой исключения, лишь подтверждающие правило. Единство генетического кода является основным доказательством общего происхождения всех форм жизни, известных нам на сегодняшний день.
Генетический код триплетен. Это означает, что одна аминокислота в составе белка кодируется тремя нуклеотидами в составе ДНК. (Аналогично слова «три» и «два», по три буквы в каждом, кодируют в русском языке информацию о цифрах «3» и «2».) Четыре нуклеотида ДНК способны составить 64 триплетных кодона — основных «слов» генетического алфавита. Большая часть этих кодонов кодирует аминокислоты. Причем, поскольку аминокислот всего 20, это значит, что некоторые аминокислоты кодирует несколько разных кодонов, подобно тому как в естественном языке слова-синонимы могут обозначать один и тот же предмет. Это свойство генетического кода, когда несколько кодонов соответствуют одной и той же аминокислоте, называется вырожденностью. Три кодона из 64 не кодируют никаких аминокислот. Это так называемые стоп-кодоны. Их функция — в нужный момент прекращать синтез белка. Стоп-кодон в конце последовательности, кодирующей белок, играет ту же роль, что и точка в конце предложения в человеческих языках.
Замена (мутация) в нуклеотидной последовательности гена влечет за собой ошибку (мутацию) в аминокислотной последовательности белка или даже полное прекращение его синтеза — к такому результату может привести незапланированное появление стоп-кодона в начале гена.
Поделиться книгой: