24. Какова роль гена?

На рис. 80 видно, что гены управляют отдельными этапами синтеза аминокислот. Можно думать, что здесь наш анализ тесно приблизился к непосредственному действию генов, и с точки зрения современной генетики это на самом деле так и есть.

Вещества, управляющие отдельными этапами синтеза или разрушения органической молекулы, например аминокислоты или сахара, называются ферментами, или энзимами. Они представляют собой белки особого рода. В отличие от других белков в живой клетке они не используются в качестве строительного материала для образования новых живых тканей или для замещения разрушенных молекул; они также не расходуются в качестве источника энергии, необходимой для поддержания жизни. Тем не менее ни одно из типичных проявлений живого организма - рост, обмен веществ и даже его распад - не может осуществляться без участия ферментов. Биохимические реакции, которые сами по себе протекают настолько медленно, что их подчас можно и не заметить, резко ускоряются в присутствии соответствующих ферментов. В этих реакциях сам фермент не расходуется и поэтому может действовать в ничтожно малых количествах. Ферменты высокоспецифичны в отношении реакций, которыми они управляют. Подобно тому как антитело "подходит" только к определенному антигену (см. гл. 10, рис. 23), так и фермент ускоряет только определенную биохимическую реакцию, к которой приспособлена его химическая структура. Каждая ступень - этап синтеза (см. рис. 80) или разрушения (см. рис. 81) определенной аминокислоты, управляется специфическим, свойственным только ей ферментом, и различные аминокислоты требуют наборов специфических ферментов для их синтеза или разрушения. Если удастся показать, что данный ген управляет специфической биохимической реакцией, вероятнее всего он делает это путем управления образованием необходимого фермента. В ряде случаев это действительно было так. Очень часто можно убедиться, что у мутантных линий с какой-нибудь блокированной ступенью цепной биохимической реакции либо отсутствует определенный фермент или, наоборот, имеется фермент ненормальный.

Несколько интересных примеров генетического управления ферментами можно наблюдать при изучении "врожденных заболеваний обмена веществ человека" (см. гл. 23).

При алкаптонурическом или фенилпировиноградном слабоумии отсутствует либо один, либо другой из двух ферментов, участвующих в разрушении фенилаланина. Другим врожденным заболеванием, наблюдаемым по схеме аутосомного рецессивного гена, является неспособность переваривать галактозу, один из компонентов молочного сахара. Дети, гомозиготные по соответствующему мутантному гену, напоминают мутантные штаммы дрожжей, которые не растут на галактозе, но хорошо растут на глюкозе (см. гл. 5). Пораженные заболеванием дети не только не могут усваивать молоко, но у них в связи с этим развиваются серьезные расстройства: увеличивается печень, появляются катаракты и отстает умственное развитие. Их состояние быстро улучшается при безмолочной диете, но если эта перемена в пище несколько запаздывает, могут наступить необратимые изменения. Обнаружено, что у этих детей не хватает одного из ферментов, с помощью которого галактоза переводится в глюкозу. Каким образом это приводит не только к задержке роста, но к появлению некоторых ненормальностей, пока еще неизвестно; вероятно, играет роль недостаток глюкозы и накопление токсических веществ. Родители больных детей, которые предположительно являются носителями гена, образуют значительно меньше фермента по сравнению с нормальными людьми. Это может помочь сотрудникам генетических консультационных пунктов предупреждать рождение больных детей в семьях, являющихся носительницами мутантного гена¹. Большое сходство биохимических систем у всех живых организмов подтверждается тем, что у больных детей не хватает того же фермента, который отсутствует у определенных штаммов бактерий, неспособных расти на среде с галактозой. Имеются штаммы бактерий, не растущие на галактозе, так как им не хватает другого фермента, необходимого для перевода галактозы в глюкозу.

¹ (Правильнее было бы сказать не о предупреждении появления, а об особом внимании к диете детей, рождающихся в таких семьях. - Прим, ред.)

Фермент, контролируемый геном, был открыт недавно в связи с введением в медицинскую практику новых противомалярийных препаратов. Оказалось, что у некоторых людей под влиянием этих препаратов развивается сильная анемия; удивительно, что употребление в пищу конских бобов (бобы faba) вызывает у этих лиц такие же симптомы. Это последнее явление открыли несколько раньше в Израиле, чем в Европе, и назвали его фавизмом. Наследование такой извращенной реакции на бобы и некоторые лекарственные вещества оказалось сцепленным с полом и с частичным доминированием у гетерозиготных женщин. Корни этого отклонения заключаются в необычно низкой активности фермента, содержащегося в красных кровяных тельцах. Это, в свою очередь, изменяет химический состав эритроцитов, в итоге они легче разрушаются под Действием некоторых лекарств и пищевых продуктов.

Ферменты представляют собой одну группу белков и имеют очень важное значение. Другие белки столь же существенны для жизни; например, белки совместно с нуклеиновыми кислотами (см. гл. 25) являются особо важными компонентами живой материи. Очень убедительное доказательство роли генов в синтезе белков дает не наблюдение над ферментами, а исследования наследственных различий по гемоглобину - белку красных кровяных телец. В главе 23 мы познакомились с мутантным геном S, вызывающим серповидность эритроцитов. Люди с этим геном также характеризуются особым гемоглобином. Химическую природу этого отклонения выявили благодаря одному остроумному методу исследования. Крупная молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых полумолекул. Каждая полумолекула, в свою очередь, состоит из двух цепей аминокислот, одна из которых называется альфа-цепью, другая - бета-цепью (рис. 83).

Рис. 83. Схематическое изображение структуры гемоглобина

Каждая цепь содержит около 140 аминокислот, причем порядок их расположения в альфа- и бета-цепях неодинаков. Обнаружили, что разница между нормальным и мутантным гемоглобином S обусловлена одной аминокислотой в определенном месте бета-цепей. Еще один ненормальный гемоглобин С также управляется одним геном и отличается от нормального тем, что несет другую аминокислоту в том же самом месте бета-цепей. Как и следовало ожидать, генетические доводы говорят в пользу того, что гены гемоглобина S и гемоглобина C относятся друг к другу как аллели. Другие ненормальные гемоглобины зависят от изменений в одной-единственной аминокислоте в каком-нибудь ином месте альфа- или бета-цепей. Генетическое обследование семей, в которых наследуются два ненормальных типа гемоглобина, показало, что изменения в альфа- и бета-цепях регулируются различными парами генов. Таким образом, оказывается, что образование гемоглобина находится под контролем двух серий генных пар, одна из которых предопределяет последовательность расположения аминокислот в альфа-цепях, а другая - в бета-цепях.

Эти данные позволяют строить гораздо более точную картину влияния генов, чем изучение наследственных различий по ферментам. Если последнее указывает лишь на участие генов в образовании ферментных белков, то данные по различным нормам гемоглобина указывают на то, что ген управляет формированием определенных белков или их частей, влияя на последовательность аминокислот. Если обозначим 20 обычных аминокислот двадцатью первыми буквами алфавита, то один ген может, например, определять начало следующей цепи аминокислот: RED, а его аллель может давать в другой идентичной цепи расположение аминокислот, начинающееся с букв ROD. Если эта система действия генов или по крайней мере некоторых из них правильна, мы можем считать эти гены носителями кода формирования синтеза белка, и первая ступень действия генов заключается в декодировании этой информации и передаче ее в буквах, выражающих аминокислоты. Все это пока гипотеза, но она согласуется со многими экспериментальными данными. В этой главе мы разобрали некоторые доказательства, получаемые из рассмотрения веществ, возникающих под действием генов; в следующей главе мы рассмотрим данные по химической природе генов.