Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Некоторое время спустя другой ученый, Мэтью Мезельсон, начал изучение процесса спонтанной коррекции бактериями введенных извне поврежденных ДНК. Мезельсону удалось сконструировать бактериальный вирус, содержащий поврежденную ДНК, с перепутанными соединениями; однако когда этим вирусом заражали клетки бактерий, последние исправляли ошибки, специально сделанные Мезельсоном.
Этот феномен был поразителен: по какой причине бактериям пришлось развить в себе подобный механизм? Наиболее очевидным было предположение, что он возник для исправления ошибок при воспроизводстве собственной ДНК. Проблема заключалась в том, чтобы понять, как бактерия может распознавать в ДНК, состоящей из двух цепей, которая цепь правильная, а которая с ошибкой? С химической точки зрения обе нити совершенно нормальны, в них нет испорченных нуклеотидов. Представим себе отрезок ДНК, состоящий из последовательности ACA, парной к TAT. Мы понимаем, что в ней есть ошибка, поскольку цитозин (С) связывается с гуанином (G), а не с аденином, который в свою очередь соединяется с тимином (Т), а не с цитозином. Но откуда мы узнаем, какая из версий правильная – ACA-TGT или ATA-TAT?
По мнению Мезельсона, решением проблемы как раз и служит метилирование, модификация, позволяющая различать исходную нить от той, что образуется при репликации.
Ученые начали совместное исследование, которое как раз и подтвердило гипотезу, что именно метилирование позволяет понять, какая из цепей оригинальная, а какая подлежит исправлению.
Результаты этой работы привели к открытию ферментов, вовлеченных в процесс репарации ошибочно спаренных нуклеотидов, и к концу восьмидесятых годов его удалось воспроизвести in vitro.
Метилирование ДНК заключается в присоединении метильной группы (-CH3, производное метана) в определенных местах, и этот процесс используется в основном для активации определенных генов. Если ДНК – книга, в которой записаны все инструкции, необходимые клетке для выполнения ею ее задачи, то точно так же каждая клетка имеет собственную задачу, и даже должна иметь возможность изменять свое поведение в зависимости от стимулов. Короче говоря, она в любой момент должна понимать, какую «информацию» ей использовать. Метилирование служит одним из процессов, позволяющих различить разные участки ДНК, какие клетке игнорировать, а на какие обращать внимание. Это очень любопытный процесс – один из способов воздействия внешней среды на наш генетический код.
Скотт и Марк Келли – близнецы и астронавты НАСА. Они решили принять участие в эксперименте[58], названном соответственно «Twins Study» (исследование близнецов). Пока один из братьев оставался на Земле, второй отправился в космический полет. Скотт провел в космосе в сумме 520 дней (из них 340 – в одном полете), а Марк летал всего 54 дня. Оба брата-близнеца прошли специальное медицинское обследование перед миссией, в марте 2015 года, и повторное обследование после возвращения Скотта в марте 2016 года.
После серии анализов генома братьев оказалось, что к концу миссии метилирование ДНК Скотта временно снизилось, в то время как тот же процесс у Марка усилился. Учитывая, что последние исследования показали, что метилирование представляет собой важнейший процесс для опухолевых клеток, можно представить важность этих экспериментов.
Но, возвращаясь к нашей основной теме, следует отметить, что эта стратегия защиты нашего генетического наследства не самая надежная, и может случиться так, что некое повреждение не будет исправлено и удалено. В этих случаях, как правило, либо клетка самоуничтожается посредством механизма, называемого апоптозом, либо иммунная система ее идентифицирует и атакует. Хотя в большинстве случаев этих двух мер предосторожности достаточно, чтобы избежать проблем, наследственная предрасположенность, заражение некоторыми вирусами или воздействие определенных химических веществ могут привести к мутациям, превращающимся в опухоль. Сегодня мы знаем, что, помимо генетической предрасположенности, самым важным фактором становится воздействие окружающей среды, и многие онкологические заболевания связаны так или иначе с загрязнением природы и с воздействием канцерогенных веществ, таких как асбест, алкоголь, продукты курения. Кроме того, важную роль играет и питание, хотя, как мы уже говорили ранее, не стоит демонизировать или обожествлять тот или иной продукт: известно, что несбалансированное питание может повысить риск заболеть раком пищеварительной системы.
Опухоли, pH и щелочные диеты
Среди многих слухов, которые сопровождают тему опухолей, одним из самых распространенных можно назвать убежденность в том, что раковые клетки размножаются в кислой среде, и поэтому процесс «подщелачивания» организма путем потребления соответствующих продуктов или другими методами может служить профилактикой.
Это правда? И да, и нет.
Прежде чем погрузиться в эту тему, попробуем поговорить о pH и понять, что такое кислота и щелочь.
Чистая вода, H2O, представляет собой среду, в которой царит равновесие диссоциации:
H2O ←→ H+ + OH-
В ходе обычной химической реакции реагенты превращаются в продукты реакции навсегда, а в ходе обратимой реакции продукты реакции и реагенты находятся в равновесии между собой. В дистиллированной воде, как уже было сказано, равновесие диссоциации, когда молекула воды распадается на ион водорода H+ и водный остаток, гидроксил OH-, смещается в сторону реагентов, то есть очень незначительное количество молекул воды распадается на микроскопические, равные количества ионов H+ и OH-. Когда мы растворяем в воде кислоту, это приводит к увеличению концентрации ионов Н+ и уменьшению концентрации гидроксилов, а если мы растворим щелочь – получится, наоборот, концентрация ОН- возрастет, а Н+ снизится.
По определению, рН водного раствора равен отрицательному значению десятичного логарифма концентрации ионов Н+ в растворе. Стоит отметить, что обозначение рН состоит из двух латинских букв – строчной «р» и заглавной «Н» – и произошло от латинского pondus Hydrogenii, буквально «вес водорода», то есть водородный показатель.
Не углубляясь в математические подробности, можно сказать, что логарифм – это математический оператор, с помощью которого удобно выражать очень большие или очень малые числа: можно сказать, что чем ниже концентрация ионов водорода, тем больше рН. Когда мы называем раствор кислотным (то есть его рН меньше семи), то просто сообщаем, что концентрация ионов водорода выше, чем в чистой воде (у воды рН=7), а если говорим, что он щелочной (pH больше семи) – значит в нем выше концентрация ионов гидроксилов, а концентрация ионов водорода ниже, чем в дистиллированной воде. Известные примеры кислотного раствора – это лимонный сок, содержащий лимонную кислоту, уксус, содержащий уксусную кислоту,
