Эволюционизм. Том первый: История природы и общая теория эволюции - Лев Кривицкий

Белки-регуляторы, способные ускорять, замедлять и даже подавлять транскрипцию, получили название гистонов. Гистоны, которых некоторых время исследователи считали всего лишь упаковочной «тарой» для структур ДНК, являются на самом деле многофункциональными. Они в соединении с цепями ДНК образуют хроматин – материал, из которого сформированы хромосомы. Из гистонов формируются своеобразные стержни с положительным электрическим зарядом. На них туго наматывается спираль ДНК, чтобы быть упакованной в микроскопическом пространстве хромосом.

В начале 90-х годов была выявлена попарная связка гистонов, образуемая зубцами из аминокислоты лейцина и напоминающая что-то вроде зубчатой передачи или замка-молнии. Есть основания предполагать, что эти «застёжки» могут активизировать или подавлять работу генов. Вполне возможно, что именно через регуляторные белки осуществляется влияние на геном приобретенных в течение жизни признаков.

Генная активность была исследована французскими микробиологами Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1960 г. Они выделили гены-регуляторы, которые содержат инструкции по структуре белков, и структурные гены, содержащие инструкции по структуре ферментов. Чем более активным является ген, тем активнее он осуществляет информационное обеспечение синтеза ферментов.

Белки представляют собой высокомолекулярные биополимеры, состоящие из мономеров, именуемых аминокислотами. Макромолекулы белков состоят из последовательности 20 аминокислот. В клетках и тканях живых существ находятся более 170 аминокислот, но только 20 из них составляют структуры белков. Как отмечалось ранее, синтез белков происходит при значительном расходе энергии, но их распад сопровождается не менее значительными выделениями энергии, утилизируемыми организмом. Так, при распаде 1 грамма белка извлекается около 17,6 килоджоуля энергии.

Пространственная структура молекулы белка была определена в теории спирали, разработанной Э. Полингом и Р. Кори в 1951 г. Белковые полимеры завиваются в виде одинарной спирали, а нуклеиновые полимеры – в виде двойной. Форма белковых макромолекул была выявлена Полингом с помощью рентгеноструктурного анализа. Эта форма очень сложна и включает четыре вида структур, функционирующих на четырёх уровнях организации. Первичная структура составлена из аминокислотных звеньев, сцепление которых в единую цепь обеспечивается прочными ковалентными связями. Вторичная структура обеспечивает закрутку по спирали, витки которой расположены настолько близко, что между их структурными компонентами образуются водородные связи. Эти связи слабее ковалентных, но их многократное повторение образует прочное и надёжное сцепление витков. Третичная структура состоит в специфической укладке спирали, очень сложной по своей конфигурации, но строго определённой для каждого белка. Четвертичная структура состоит в образовании некоторыми белковыми молекулами сложнейших агрегатов путём их сцепления между собой.

Все молекулы белков построены как бы по единому плану, что обусловливает, как и у нуклеиновых кислот, универсальность их строения для всего живого на Земле. В то же время они и уникальны, поскольку их структуры строятся в строго определённом порядке на основе последовательности аминокислот и обладают в связи с этим строго определёнными биологическими свойствами. Различные белки, включая наборы различных последовательностей аминокислот, образуют неисчерпаемое количество вариантов. Каждый из таких вариантов, образуемый распределением аминокислот, составляет определённый белок.

Комбинации аминокислот и круговорот белков в биосфере обеспечивают её воспроизводимость, живые существа пожирают друг друга и используют белок пожираемых существ для построения белков собственного организма. Видимо, стабильность биосферы обеспечивается законом сохранения в ней белка, напоминающим закон сохранения энергии. В процессе пищеварения белки других организмов расщепляются в организме данной особи до отдельных аминокислот, а после их усвоения попадают в клетки, где снова выстраиваются в строго определённом порядке, соответствующем потребностям данного организма. Первоисточником белков в биосфере выступают растения, которые синтезируют все виды аминокислот из более простых веществ, извлекаемых из земной природы. Вторичным источником белков являются животные, они способны синтезировать большую часть видов аминокислот, а оставшаяся часть, относящаяся к числу так называемых «незаменимых», может быть усвоена ими только в процессе расщепления пищи.

Функции белков весьма многообразны. Ряд источников выделяет 8 функций, выполняемых белками в организмах – строительную, энергетическую, каталитическую, двигательную, транспортную, защитную, регуляторную и информационную. Строительная функция связана с выполнением белками роли строительного материала для формирования различных элементов клеток, костных, роговых и соединительных тканей, волос и шерсти, кожных и других покровов и оболочек, кровеносных сосудов и т. д.

Энергетическая функция осуществляется при активном участии белков путём преобразования и усвоения энергии, поступающей через утилизацию питания или излучения Солнца, а также при расщеплении собственных белков на аминокислоты.

Каталитическая функция выполняется особым видом белков, именуемых ферментами. Белковую природу ферментов ещё в 1926 г. доказал американский биохимик Дж. Самнер, получивший в связи с этим нобелевскую премию только через 20 лет, в 1946 году. Он выделил фермент уреазу из соевых бобов и определил ее белковое строение. Ферменты представляют собой биоорганические катализаторы, которые значительно более эффективны и избирательны, чем неорганические катализаторы химических реакций. Ферменты могут ускорять реакции в сотни тысяч раз. и каждый из тысячи ферментов, известных науке, действует на строго определённую реакцию, совершенно не изменяя ход реакций, к интенсификации которых он не предназначен. Ферменты способствуют извлечению из запутанной смеси необходимого для превращения вещества и преобразованию его в строго определённый продукт. Ферменты участвуют в выполнении белками строительной, энергетической и защитной функций, в синтезе нуклеиновых кислот, других ферментов и белков. Они осуществляют обратную связь от белковых структур к наследственному аппарату.

Двигательная функция осуществляется сократительными белками, входящими в состав мышц у животных, двигательных механизмов у растений, мерцательных ресничек у одноклеточных организмов.

Транспортная функция выполняется прежде всего гемоглобином, обеспечивающим перенос с кровотоком у животных ионов, сахаров, кислорода и т. д. Молекулярный агрегат гемоглобина состоит из четырёх белковых макромолекул, связанных в строго определённом порядке. Любое нарушение этого порядка приводит к потере способности гемоглобина к транспортировке кислорода от органов дыхания к тканям и углекислого газа от тканей к дыхательным органам. Наряду с белками транспортную функцию выполняют и молекулы РНК, предназначенные для доставки аминокислот в процессе синтеза белков.

Защитную функцию выполняют белки – иммуноглобулины, входящие в состав антител, подавляющие и расщепляющие любые вредные для организма микроорганизмы и вещества после их распознавания клетками иммунитета.

Регуляторная функция осуществляется особыми белками, к числу которых относятся и вышеупомянутые гистоны. Они регулируют синтез белков через воздействие на нуклеиновые кислоты, синтез самих нуклеиновых кислот. Белки-гормоны, вырабатываемые эндокринными железами, регулируют рост организма, его развитие, обмен веществ, размножение и т. д.

Информационная функция возлагается эволюцией на рецепторные белки, предназначенные для получения, обработки и распознавания информации о состоянии внешней среды и самого организма, наличии существ, представляющих опасность или способных стать пищей и т. д. Информационные белки развились в процессе эволюции путём специализации из белков, составляющих покровы, защитные оболочки организмов, функционирование которых обеспечивало осуществление защитной функции.

Наконец, в научной литературе почему-то не выделяется девятая, управленческая функция, которая выполняется белками, из которых состоит мозг высших животных и человека, нервные пути и окончания, обеспечивающие приём и переработку информации, поведенческие реакции и управление всеми процессами жизнедеятельности.

В свете вышесказанного очевидно, что гены представляют собой не что иное, как мобилизационные структуры, формирующиеся на базе нитей ДНК и управляющее мобилизационной периферией, состоящей из матричных и транспортных РНК. Они выполняют определённую эволюционную работу, направленную на синтез белков и максимально точное, насколько позволяют обстоятельства, копирование устройства предшествующих структур при всех их разнообразных комбинациях и перекомбинациях. Ошибки и изменения условий копирования, именуемые мутациями, приводят к изменению характера и содержания эволюционной работы, отклонениям от нормы. Химическая работа кислотных структур в живых клетках приобретает биологический характер, поскольку она приводит к формированию мобилизационных структур в белковом субстрате, состоящем из одинарных спиралей на молекулярном уровне.