Краткий курс биологии

Главная проблема любых попыток популяризации науки – это постоянные сбои в теории разума, theory of mind: неспособность поставить себя на место читателя или слушателя, чтобы понять, какие вещи кажутся ему самоочевидными и скучными, а какие кажутся непонятными и нуждаются в подробных объяснениях. Попытки прямого диалога между академическими учеными и широкой общественностью за редкими исключениями не пользуются популярностью, потому что в своих логических построениях ученые склонны перескакивать через два-три звена, абсолютно самоочевидных для профессионала, но непонятных без дополнительного объяснения нормальному человеку, который про ДНК последний раз слышал в школе и вообще у него голова совершенно другим занята.

Именно на этих сбоях в theory of mind и паразитирует вся научная журналистика. Успеха в этой профессии добиваются те люди, которые способны разговаривать на одном языке и с ученым, получившим новое знание в результате усилий всей своей жизни, и со зрителем, для которого это суперзнание – всего лишь сто шестьдесят четвертый за сутки элемент информационного шума. Трудность для журналиста в том, чтобы удерживать баланс между эмоциональной вовлеченностью в то, о чем он пишет (если я не люблю биологию, то мой читатель тем более не будет), и циничным равнодушием к тексту, которое позволяет помнить, что для читателя это вовсе не главное событие жизни и не главное событие дня, и поэтому он немедленно переключится на другой канал (закроет вкладку, отложит книжку), если объяснения будут недостаточно структурированными, логичными, внятными и последовательными. Главная задача научной журналистики, как мне кажется, в том, чтобы читатель чувствовал себя умным, а не глупым. Для этого, с одной стороны, нужно, чтобы все было понятно, а с другой – важно не зарыться слишком глубоко в объяснение базовых школьных вещей, чтобы читателю не показалось, что его держат за идиота. Оптимальный баланс найти совершенно невозможно. Даже если бы я была очень крутым научным журналистом и мне бы это удавалось, я все равно разбивала бы лоб о то, что все читатели разные. Но в этой книжке я решила попробовать вынести всю школьную программу в отдельный блок – на случай, если кому-то он будет интересен. Если не будет, то, я надеюсь, основной текст можно воспринять и без него.

ДНК, дезоксирибонуклеиновая кислота, – это та самая красивая двойная спираль, на которой закодирована вся информация о строении белков нашего тела. В каждой клетке хранится 46 длинных-длинных молекул ДНК – в свернутом виде они называются хромосомами. Если размотать хромосомы, то общая длина ДНК в каждой нашей клетке составит 2 метра – или 3,2 млрд нуклеотидных пар.

Молекула ДНК – это цепочка из нуклеотидов. Их обозначают четырьмя буквами – A, G, T, C (аденин, гуанин, тимин и цитозин). Именно последовательность этих букв (AAGGGTCAAGGAACCATC и так далее) определяет, могут ли ферменты прочитать данный участок ДНК и построить на его основе что-нибудь полезное: сначала молекулу-посредник, РНК, а потом, если повезет, и белок, – а если да, то какое именно. Если такое прочтение возможно, то данный участок ДНК называется ген. У человека примерно 25 тыс. генов, кодирующих белки, и каждый из них представлен в двух копиях, полученных от мамы и от папы, так что на каждую отдельную хромосому в среднем приходится чуть больше тысячи генов.

Самое ценное свойство нуклеотидов – это комплементарность, или распределение на парочки. Аденин с большим удовольствием формирует водородные связи с тимином, а гуанин – с цитозином. Двойная спираль образуется именно за счет того, что в двух цепочках ДНК напротив друг друга всегда находятся предсказуемые нуклеотиды: A-T, C-G, T-A, G-C. Именно благодаря этому свойству клетка способна удваивать ДНК: в этот момент двойная спираль расплетается, и ферменты приставляют напротив каждого аденина тимин, а напротив каждого цитозина – гуанин. В итоге получаются две новых двойных спирали, в каждой одна старая нить и одна свежедостроенная по принципу комплементарности. Их можно будет теперь свернуть в плотно упакованные хромосомы и разнести по двум новым дочерним клеткам. Это же замечательное свойство делает наш генетический материал относительно устойчивым к мутациям: если испортилась только одна нить ДНК, то ферменты всегда смогут починить ее, используя вторую в качестве справочного материала.

Комплементарность необходима и для считывания информации. В этом случае фермент ползет вдоль какого-нибудь гена и строит молекулу РНК, рибонуклеиновой кислоты. Она устроена примерно так же, как ДНК, но только она (как правило) одноцепочечная, а вместо тимина там другой нуклеотид, урацил. Но строится она именно благодаря комплементарности: напротив цитозина из ДНК ферменты ставят в новую РНК гуанин, напротив тимина – аденин, напротив гуанина – цитозин, ну а напротив аденина, что же делать, урацил. И тоже получается какая-нибудь осмысленная последовательность букв, например, из приведенного двумя абзацами выше участка ДНК ферменты построят UUCCCAGUUCCUUGGUAG. После того как РНК построена, она может выйти из ядра и сама начать делать что-нибудь полезное в клетке. Вообще сейчас считается, что именно РНК были самыми первыми сложными молекулами в живой природе и какое-то время они сами и хранили информацию, и выполняли функции белков, но потом придумали, как построить ДНК в качестве надежной библиотеки данных и как построить белки в качестве разнообразных эффективных помощников во всем клеточном домашнем хозяйстве. Но сегодня ключевой функцией РНК стал перенос информации, нужной для синтеза белков, от ДНК в цитоплазму клетки, где они будут построены.

Белки – это длинные цепочки аминокислот. От того, в какой последовательности аминокислоты соединены друг с другом, зависит, какую форму примет готовый белок, как будут распределены заряды по его поверхности и, соответственно, что он сможет делать: переносить кислород, заставлять мышцы сокращаться, уничтожать бактерии, пропускать ионы через мембрану клетки, воспринимать свет или превращать целлюлозу в сахар. В принципе любая задача, возникающая в клетке, может быть решена с помощью какого-нибудь белкового комплекса. Если бы это зачем-то понадобилось в эволюции, клетка могла бы производить белки в виде Эйфелевой башни, или белки, способные превращать газированную воду в вино, или, допустим, белки, которые превращались бы в страшный яд под воздействием гормонов стресса (если ты такой нервный, то зачем тебе жить).

Именно последовательность аминокислот и закодирована в генах. После того как из ДНК информация была переписана на РНК, начинается трансляция – строительство белка. При этом букв-нуклеотидов в РНК всего четыре, а базовых аминокислот – 20, и поэтому каждая аминокислота кодируется последовательностью из трех нуклеотидов. Этот язык расшифрован, словарик есть в каждом школьном учебнике, так что, зная последовательность нуклеотидов, можно предсказать, какой будет по следовательность аминокислот (обратная операция намного сложнее, потому что одна и та же аминокислота может кодироваться разными наборами нуклеотидов). Например, из кусочка РНК, который мы тут уже рассматривали, – UUC CCA GUU CCU UGG UAG – получится пептидная цепочка “фенилаланин – пролин – валин – пролин – триптофан”. На этом синтез оборвется, потому что последние три нуклеотида – UAG – не кодируют никакую аминокислоту, это знак препинания, он означает “конец белка”.

Каждый человек наследует эти генетические инструкции от родителей. Из тех 46 хромосом, которые есть в каждой клетке тела, ровно 23 принес сперматозоид и 23 были в яйцеклетке. За исключением генов Y-хромосомы (и, соответственно, Х-хромосомы, если вы мужчина и она у вас всего одна), вся остальная информация продублирована. Гены, необходимые для синтеза гемоглобина, коллагена, иммуноглобулинов, протеинкиназы М-зета и любого другого белка, мы получаем и от папы, и от мамы. Эти два варианта (аллели) одного и того же гена могут быть одинаковыми, а могут немного отличаться. Это очень хорошо: это означает, что если один ген сломан, то клетка будет пользоваться вторым и человек останется более или менее здоров.

Одна из важных функций белков – это способность обеспечивать обмен информацией между клеткой и внешней средой, в роли которой у многоклеточного организма выступает межклеточное пространство. В мембрану каждой клетки встроено огромное количество белков-рецепторов. На внеклеточной части рецептора есть участок, способный воспринимать поступающие сигналы. Если речь идет об органах чувств, то сигналом могут быть колебания воздуха, температура или свет, рецепторы на нейронах могут реагировать на изменения электрического потенциала, но в абсолютном большинстве случаев речь идет о взаимодействии с сигнальной молекулой (лигандом). Оно осуществляется просто за счет того, что сайт связывания – чувствительный участок данного рецептора – по своей форме и распределению зарядов совпадает именно с этой молекулой идеально, как ключ с замком (это настолько навязшая в зубах метафора, которой пользуются абсолютно все, что, когда я однажды попыталась расспросить одного из своих коллег, как же все-таки устроен дверной замок, он посмотрел на меня снисходительно и начал объяснять: “Ну, представь себе мембранный рецептор…”).

Так вот, когда происходит связывание сигнальной молекулы с рецептором, то в ответ он изменяет свою конформацию (то есть способ укладки аминокислотной цепи в трехмерную структуру), и после этого в клетке начинает происходить что-нибудь новое. Если белок одновременно и рецептор, и трансмембранный канал, то он откроется или закроется, и какие-нибудь молекулы начнут или перестанут проникать в клетку или выходить из нее. Если у рецептора есть каталитическая активность, то после активации его внутриклеточная часть начнет что-нибудь делать, например фосфорилировать проплывающие мимо белки (причем не какие попало, а те, которые нужно). Или рецептор может передать сигнал G-белку, а тот в ответ активирует свою альфа-субъединицу, и она отправится в свободное плавание, чтобы творить добро, – допустим, активирует аденилатциклазу, она превратит молекулу АТФ в сигнальную цАМФ, которая в свою очередь подействует на какую-нибудь протеинкиназу… В общем, произойдет каскад из десятка молекул, которые по принципу домино будут активировать и подавлять друг друга, и в конечном итоге это приведет к запуску какого-нибудь ответа на сигнал со стороны клетки как целого. Например, информация дойдет до ядра, там начнут считываться какие-нибудь гены, которые до этого были неактивны, и клетка начнет строить белки, которых у нее раньше не было. Или информация дойдет до каких-нибудь мембранных каналов, и они изменят свою миграционную политику – начнут впускать или выпускать что-то, чего раньше не замечали. Если речь идет о нервной клетке, то такие изменения в миграционной политике могут привести к изменению концентрации ионов внутри и снаружи клетки и, как следствие, к генерации нового нервного импульса, который в свою очередь может повлиять на поведение человека.

Я тут совершенно не ставлю себе задачу описать все возможные сигналы и все способы ответов на них. Я только хочу подчеркнуть, что все эти штуки на самом деле очень подробно изучены и с каждым годом накапливается все больше деталей. Современная молекулярная биология довольно твердо и четко представляет, что творится в клетке на уровне молекул: кто с кем связывается, почему это возможно, как они изменяются, как отрываются друг от друга, куда и почему плывут дальше. Все детали описаны в научных статьях, а все базовые принципы – в университетских учебниках (например, по цитологии), и если вы зададитесь во просом, какой именно молекулярный каскад происходит, когда молекула инсулина взаимодействует с рецептором на поверхности мышечной клетки, то найти эту информацию не составит никакого труда. Я не стала вдаваться в такие детали в книжке, потому что это никто не стал бы читать.

Рецептор не обязательно расположен именно на мембране клетки. Некоторые сигнальные молекулы, например стероидные гормоны, умеют самостоятельно просачиваться сквозь мембрану, и тогда рецепторы к ним могут находиться внутри клетки – в цитоплазме или на оболочке ядра. Но дальше происходит все то же самое: рецептор меняет конформацию, воздействует таким образом на еще какой-нибудь белок, кто-нибудь отщепляет от кого-нибудь какую-нибудь молекулярную группу, появляются какие-нибудь новые сигнальные молекулы, они воздействуют, допустим, на рецепторы ядра, внутри него появляются другие сигнальные молекулы, связываются с ДНК, запускают или подавляют считывание какого-нибудь гена, и клетка опять же изменяет какую-нибудь свою активность.

Восприятие химических сигналов клеточными рецепторами – это основа работы нервной системы. Каждая наша нервная клетка – нейрон – состоит из тела и множества отростков: дендритов (их много, и они собирают информацию) и аксона (он, как правило, один, хотя обычно разветвляется в конце и отправляет информацию дальше, к следующим нейронам). Информация – это электрический ток, который движется по отростку благодаря работе мембранных каналов, которые в нужный момент запускают внутрь клетки ионы натрия, в нужный момент выпускают из клетки ионы калия, все это приводит к изменению электрического заряда снаружи и внутри мембраны и к дальнейшему распространению сигнала. Но самое интересное начинается в тот момент, когда электрический импульс доходит до конца аксона. Просто перескочить на дендрит следующего нейрона он не может. Контакт между нейронами, синапс, устроен более сложно.

Абсолютное большинство нейронов млекопитающих общаются друг с другом с помощью нейромедиаторов. Когда электрический сигнал доходит до конца аксона, под его действием в синаптическую щель высвобождаются молекулы, заранее запасенные в пресинаптическом пространстве. Это и есть нейромедиаторы – дофамин, норадреналин, серотонин, гамма-аминомасляная кислота или любой другой из героев книжки. Они героически проплывают десятки нанометров синаптической щели и связываются с рецепторами на постсинаптической мембране – а это приводит к тому, что второй нейрон тоже начинает впускать или выпускать ионы калия и натрия и генерирует свой собственный электрический ток (или, наоборот, блокирует всякую возможность возникновения потенциала, если речь идет о тормозном нейромедиаторе).

Прелесть такой системы передачи в том, что на нее возможно влиять множеством разных способов. Первый нейрон может выпускать множество разных нейромедиаторов в любых количествах. Он может захватывать их из синаптической щели обратно. В пространстве между нейронами могут присутствовать ферменты, расщепляющие нейромедиатор. Рецепторы могут быть более или менее чувствительны к нейромедиаторам. На все эти параметры можно влиять с помощью дополнительных молекул, как вырабатываемых в организме, так и купленных в аптеке, и таким образом в широких пределах модифицировать работу нейронов, а значит, и настроение, память, обучение. Еще один очевидный пример лигандов, связывающихся с рецепторами в многоклеточном организме, – это гормоны. В узком смысле гормонами называют вещества, которые вырабатываются специализированными эндокринными железами – эпифизом, надпочечниками, щитовидной железой и т. д. Более современное определение включает любые вещества, которые вырабатываются в одних тканях и влияют на другие, например лептин, который производится жировыми клетками, или холецистокинин, вырабатывающийся в тонком кишечнике. Оба этих гормона-в-широком-смысле могут воздействовать на мозг, подавляя чувство голода.

Клетки могут принять решение о производстве гормона самостоятельно. Допустим, поджелудочная железа сама анализирует уровень сахара в крови и, если его становится много, вырабатывает больше инсулина, разрешающего клеткам забрать этот сахар и съесть его. Но присутствует и центральная регуляция: гипоталамус собирает всю информацию о составе крови, работе внутренних органов, состоянии мозга, времени суток и так далее, вырабатывает молекулярные сигналы для гипофиза, а тот в свою очередь выделяет гормоны, регулирующие работу организма как напрямую, так и за счет воздействия на все остальные эндокринные железы нашего тела.

Химическая природа гормонов разнообразна: в принципе почти любая молекула в ходе эволюции имеет шанс превратиться в посланника судьбы. В нашем случае две самые большие группы – это стероидные и пептидные гормоны. Первые производятся на базе холестерина (да, это вообще ужасно важная и нужная молекула, без нее еще и клеточные мембраны не смогут существовать; хорошая новость в том, что организм умеет синтезировать холестерин самостоятельно, так что можно не следить специально за его присутствием в пище). К стероидным гормонам относятся все главные половые гормоны (эстрадиол, тестостерон и т. д.) и все кортикостероиды, в том числе “гормон стресса” кортизол. Стероидные гормоны легко проникают сквозь клеточные мембраны, так что рецепторы к ним расположены не на поверхности клеток, а внутри. Пептидные гормоны – это цепочки аминокислот. Их не называют белками, потому что не доросли и не заслужили: белки длинные, а пептиды короткие. Например, в окситоцине всего девять аминокислот. В инсулине две цепи, А и В, первая состоит из 21, а вторая из 30 аминокислот. Впрочем, пептидные гормоны синтезируются как классические белки, и первоначально они вполне длинные, просто потом разрезаются на несколько кусочков, один из которых становится гормоном, а другие тоже на что-нибудь пригождаются. Но абсолютное большинство пептидных гормонов вырабатываются в гипоталамусе и гипофизе, и поэтому судьба побочных продуктов их производства изучена еще не полностью – тут с главными бы продуктами окончательно разобраться.

Существует много гормонов, которые не являются ни стероидами, ни пептидами. Своя особенная структура, например, у гормонов щитовидной железы, или у адреналина, или у мелатонина. Этот последний – производное триптофана, то есть аминокислоты, но одной-единственной. Триптофан превращается в серотонин, а серотонин в свою очередь в мелатонин. В популярных статьях о диетах нередко встречается утверждение, что бананы богаты триптофаном, а значит, их надо есть ради синтеза серотонина и улучшения настроения. Это сомнительно: с тем же уровнем достоверности можно предположить, что из излишков серотонина будет синтезирован мелатонин и в лучшем случае вам захочется спать, а в худшем начнется сезонная депрессия. Есть научные исследования о том, что при остром недостатке триптофана в диете настроение действительно падает, но неполноценное питание вообще не способствует личному благополучию; а вот идея о том, что надо есть именно бананы, чтобы быть счастливыми, – это, видимо, все-таки городская легенда.

^{Три регуляторные системы организма: нервная, эндокринная и иммунная}

Химическая близость серотонина (мы считаем его нейромедиатором) и мелатонина (он тоже вырабатывается в мозге и действует в том числе на мозг, но мы считаем его гормоном) лишний раз показывает, насколько условны все эти классификации. На самом деле у наших клеток множество путей обмена информацией. Для быстрых целенаправленных реакций есть нервная система, но и в ней для передачи сигналов от нейрона к нейрону используются химические вещества; для медленных реакций широкого спектра действия есть гормоны, но если рассматривать их широко, то среди них есть всякие малоизвестные молекулы, которые вырабатываются где-нибудь в кишечнике и действуют на его же соседние клетки настолько прицельно и быстро, что почти могут конкурировать с нервными сигналами. А ведь еще есть иммунная система, клетки которой тоже активнейшим образом выделяют химические сигналы для общения и друг с другом, и с другими тканями организма, и мы не называем эти сигналы гормонами только потому, что привыкли считать ими вещества, выделяющиеся в конкретных железах. Абсолютно все системы организма влияют друг на друга, слышат друг друга, контролируют друг друга, понимают друг друга – и именно благодаря этому у нас такое прекрасное тело, в котором все хорошо работает в течение многих лет. Сейчас, в начале XXI века, ученые знают о его работе фантастически много, несопоставимо больше, чем в начале XX, когда присуждались самые первые Нобелевские премии за исследования нервных и химических взаимодействий между разными клетками. Я уверена, что в течение ближайших 100 лет все молекулярные взаимодействия наконец будут описаны, и ими можно будет эффективно управлять, предотвращая само появление дисбаланса, то есть болезней. Но наука на этом не остановится, потому что она никогда не останавливается. Она начнет думать, как сделать нас еще лучше – и не только здоровее, но и счастливее и умнее, потому что это ведь тоже вопрос молекул. И я уверена, что эта задача тоже будет решена.