Айзек Азимов - Кровь: река жизни. От древних легенд до научных открытий
Если среди некой популяции существует определенное количество гена S, то можно ожидать, что постепенно этот ген исчезнет. Когда у человека встретятся два таких гена, то он умрет прежде, чем успеет передать их своим детям. Это касается двух генов. Медленное, но постоянное выбывание гена истощит постепенно его количество в данной популяции. При обычных обстоятельствах так бы и произошло. Но ген S по-прежнему существует. Возможно, мутация, приведшая к появлению гена гемоглобина S, произошла не в Африке, а где-то еще, где ген полностью исчез. Возможно, она случайно возникла исключительно в Африке и там нашла подходящие условия для развития. Если так, то какие это условия?
Один ключ к разгадке был со временем найден. В регионах, где часто встречается ген S, также часты случаи малярии. Похоже, люди с одним геном S менее подвержены малярии. Возможно, малярийному вирусу, инфицирующему красные клетки людей и паразитирующему в них, приходится не по вкусу гемоглобин S. По этой причине люди с геном S в среднем живут дольше и отличаются более крепким здоровьем, тем самым у них больше времени, чтобы родить много детей.
В итоге невосприимчивость к малярии у людей с одним геном S приводит к тому, что такой ген встречается в популяции значительно чаще. Возможность умереть от двойной порции генов эту вероятность снижает. В результате образуется некоторое равновесие. Встречаемость гена S высока там, где свирепствует малярия, и низка в местах, где ее нет.
Возможно, если современной медицине удастся разработать новые способы контроля численности насекомых и поднять уровень гигиены в пораженных болезнью районах Африки, случаи заболевания малярией и рождение людей с геном S уменьшатся. Однако мы не вправе утверждать это с полной уверенностью, поскольку, возможно, дело не только в малярии.
После открытия гемоглобина S на свет появилась целая серия гемоглобинов, и трудно сказать, будет ли ей когда-нибудь конец. Возможно, что и нет. Обычно эти разновидности гемоглобина отличаются по своим электрофоретическим свойствам и обозначаются буквами. Пока кроме гемоглобина А, F и S обнаружены гемоглобины С, D, E, G, Н, I, J, К, L, М.
Гемоглобины G, Н, I, J, К, L, М обнаружены пока только у одной или двух семей, и об этих видах практически ничего не известно, кроме того, что они существуют. Так же как гемоглобин С, D, Е и S, они управляются генами — аллелями обычного гена гемоглобина. Если в вашем организме есть аномальный ген гемоглобина, то он занимает место нормального. Это несправедливо по отношению к гемоглобину F, который является аллелем гемоглобина А. Не важно, каково состояние ваших обычных генов гемоглобина, у вас все равно есть один нетронутый ген F, иначе вам бы не удалось выжить во время внутриутробного существования.
Из других аномальных видов гемоглобина у жителей северной Индии у 1 % населения встречается гемоглобин D.
Гемоглобин С чаще всего встречается у африканских негров, так же как и гемоглобин S. Однако гемоглобин С более редок и отмечен только в Западной Африке, а не в тропических ее районах, характерных для распространения гемоглобина S. Самое высокое содержание гемоглобина S выявлено в северных областях Ганы (бывший Золотой Берег). Гемоглобин С составляет там около 28 % всех генов гемоглобина.
Как и в случае с гемоглобином S, один ген С (или любой другой) не представляет опасности. Возможно, гемоглобин С даже защищает от малярии, и есть данные, что этот ген появился в результате недавней мутации и распространяется за пределы пораженных малярией районов. Встречаются редкие случаи, когда ребенок может наследовать два разных гена аномального гемоглобина: гемоглобин S и С. Это очень плохо и обычно приводит к смерти в раннем возрасте.
Гемоглобин Е чаще встречается в Юго-Восточной Азии. В Таиланде он составляет 13 % генов гемоглобина. В столице Индонезии Джакарте он составляет 6 % от всех генов. Идут споры о том, позволяют ли единичные гены D и Е организму более эффективно усваивать железо и тем самым обходиться меньшим его количеством.
Если это действительно так, то создается следующая картина. Аномальные виды гемоглобина появляются постоянно из-за случайных изменений (мутаций) генов гемоглобина. Почти всегда аномальный гемоглобин не столь эффективен, как обычный, и если не существует уравновешивающих недостатки преимуществ, а обычно их нет, то по истечении времени такой ген вымирает. Возможно, недавно обнаруженные виды аномального гемоглобина как раз из этой категории: мутации произошли недавно, и через несколько поколений такие гены могут исчезнуть.
С другой стороны, если один ген аномального гемоглобина позволяет людям более эффективно справляться с недоеданием или болезнями, как в случаях с генами С, D, Е и S, то они могут сохраниться за счет баланса своих достоинств и недостатков, если на достижение такого баланса хватит времени. Тогда аномальные гены чаще всего должны возникать в районах с низким уровнем жизни, а это так и происходит. Конечно, если аномальные гены будут проявляться чаще гена гемоглобина А, то последний может также исчезнуть.
Естественно, ученым было любопытно узнать, чем именно отличаются различные виды гемоглобина. При электрофорезе они ведут себя по-разному, следовательно, должны быть химические различия, однако выяснить это оказалось нелегким делом.
Обычные способы анализа белков показали, что химический состав гемоглобина А и S почти одинаков. Во всяком случае, не было выявлено никаких отличий. Однако каждая молекула состоит примерно из 8000 атомов. Если удалить или расположить по-другому всего несколько атомов, то в молекуле могут произойти изменения, хотя среди тысяч атомов нелегко выявить несколько расположенных в другом порядке.
Тем не менее, кажется, сейчас проблема уже решена.
Во-первых, атомы молекул белков расположены не в случайном порядке. Они располагаются маленькими группами, образуя соединения под названием аминокислоты, которые, в свою очередь (к сожалению), располагаются совершенно непредсказуемым образом. Существует девятнадцать различных аминокислот, из которых состоят почти все белки, и примерно столько же, которые встречаются только в некоторых белках. В молекуле гемоглобина нет необычных аминокислот — только девятнадцать обычных.
Молекула гемоглобина состоит примерно из шестисот аминокислот. Одна аминокислота в ней встречается около семидесяти пяти раз, другая — всего один раз, а остальные количественно представлены примерно равномерно. Поскольку они не расположены в повторяющемся порядке, проблема определения, где находится какая аминокислота, кажется неразрешимой. Число возможных комбинаций аминокислот в молекуле гемоглобина более чем 10619, то есть единица с 619 нулями. Это порядочное количество. Как в нем разобраться?
Известно, что каждая молекула гемоглобина состоит из двух одинаковых частей, поэтому можно узнать расположение только трехсот аминокислот в половине молекулы, но и это тоже непросто. Молекулу необходимо расщепить на более мелкие части.
Вернон М. Ингрэм из Кембриджского университета сделал это, обработав молекулу гемоглобина пищеварительным ферментом — трипсином. Трипсин вызывает расщепление цепи аминокислот в тех местах, где расположены аминокислоты лизин и аргинин. В результате половина молекулы гемоглобина распадается на двадцать восемь фрагментов.
Эти фрагменты представляют собой короткие цепочки аминокислот, которые называют пептидами. Некоторые пептиды могут состоять всего из двух или трех аминокислот, другие — из дюжины или больше, в зависимости от расположения групп лизина и аргинина в исходной цепочке. Естественно, все двадцать восемь пептидов смешаны между собой, и их нужно разделить.
Для этого каплю смеси помещают на пористую бумагу (фильтровальную бумагу, которая первоначально использовалась в химических лабораториях для фильтрования — отделения твердых частиц от жидкости), которую затем смачивают нужным раствором. К ней прикрепляют два электрода и через бумагу пропускают электрический ток. Пептиды, подобно протеинам, устремляются к положительному или отрицательному электроду с разной скоростью, которая зависит от степени электрического заряда каждого пептида. Это и есть электрофорез на бумаге, о котором я уже упоминал.
В результате этого процесса пептиды делятся на несколько групп и распределяются в виде пятен по бумаге. Эти пятна нельзя рассмотреть невооруженным глазом, но их можно увидеть, если прибегнуть к некоторым манипуляциям. Бумагу можно обработать химическим составом, который вступит с пептидами в реакцию, в результате которой образуются окрашенные соединения. Или можно использовать ультрафиолетовые лучи, чтобы обычно невидимые вещества, поглотив их, проступили в виде темных пятен, стали черными или, наоборот, стали светиться. В каждом пятне локализовано несколько пептидов с одинаковыми электрическими свойствами, поэтому эти пептиды нужно разделять дальше. Это делается при помощи хроматографии, о которой стоит поговорить особо.
