Курить вредно, дышать вредно, жить вредно
Говорят, что каждая минута приближает нас к смерти. С точки зрения биохимика это не просто тривиальная фраза. ДНК всех живых организмов постоянно подвергается воздействию повреждающих факторов. Какие-то из них приходят извне — тот же ультрафиолет, радиация, тысячи химически активных веществ в нашей пище (знаете ли вы, что чашка кофе содержит несколько сотен соединений, которые в больших дозах мутагенны?).
Но гораздо важнее факторы внутренние, которых мы не можем избежать в принципе. Главных таких факторов три. Во-первых, весь наш обмен веществ основан на кислородном дыхании. Митохондрии — клеточные органеллы, в которых кислород используется для производства АТФ, «энергетической валюты» наших клеток, — работают не с абсолютной эффективностью, и промежуточные активные формы кислорода утекают из них и способны повреждать ДНК. Во-вторых, как известно, мы в среднем на 60% состоим из воды, которая, в общем, тоже очень активное соединение и постоянно гидролизует ДНК. Наконец, еще одним важным источником повреждений в ДНК служат ошибки ферментов, которые ее копируют, — ДНК-полимераз; количество неверно включенных нуклеотидов составляет около 300 000 на каждое клеточное деление.
Наглядно представить себе масштаб проблемы позволяет несложный пересчет. Если вообразить ДНК одной человеческой клетки в виде Транссибирской магистрали и свести вместе оценочные величины для всех известных видов повреждений, то получится, что количество повреждений, возникающих каждый день в ДНК каждой клетки человека, соответствует одной поломке на каждые 100 метров Транссиба. Не каждый организм был бы способен выжить при такой нагрузке.
В том, что мы до сих пор живы, заслуга репарации ДНК. Как уже говорилось, насчитывается шесть основных ее механизмов, и к четырем из них нынешние лауреаты имеют непосредственное отношение.
Репарация. Самый простой способ
Вернемся для начала к фотореактивации. Это один из частных примеров механизма реактивации, или прямого восстановления, при котором поврежденное звено ДНК превращается в нормальное без каких-то промежуточных шагов. В случае фотореактивации происходит вот что. Под влиянием ультрафиолетового света соседние основания тимина в ДНК могут сшиваться друг с другом и образовывать так называемые циклобутановыепиримидиновые димеры, которые очень сильно искажают структуру ДНК и не дают возможности ДНК-полимеразам копировать поврежденный участок. Бактерии же содержат фермент фотолиазу, который использует энергию видимого света для того, чтобы расщепить связи между основаниями в димере, превращая его опять в два тимина (рис. 1).
Рис. 1. Реакция, катализируемая фотолиазой. Фотон с длиной волны, соответствующей синему цвету, поглощается ферментом, и его энергия (hν) используется для расщепления тиминового димера на отдельные тимины |
С исследования фотолиазы началась карьера Азиза Санджара. Нет, он не открыл ее — это сделал еще в конце 1950-х годов Стэн Руперт (Claud S. (Stan) Rupert), в лабораторию которого спустя полтора десятка лет приехал молодой выпускник Стамбульского университета. Санджар впервые клонировал фотолиазу, то есть выделил кодирующий ее ген, а потом произвел генно-инженерный белок. Природной фотолиазы в бактериях очень мало, и работа эта стала переломной для исследования фотореактивации — теперь можно было производить белок в больших количествах и изучать его всесторонне, чем Санджар активно и долго занимался. Химики часто протестуют, когда премии в области химии дают биологам. Но надо сказать, что фотолиаза представляет собой прекрасный пример сложной химической системы, осуществляющейфотокатализ: путь энергии, принесенной фотоном, поглощенным 5,10-метенилтетрагидроптероилполиглутаматом — хромофором в составе белка — через второй хромофор (флавинадениндинуклеотид) к циклобутановому пиримидиновому димеру сейчас прослежен вплоть до квантовомеханического описания.