Дорога внешнего сигнала
Нет ничего проще, чем дать схематический план многоклеточного организма, воспользовавшись для этого добрым советом из детского стишка: «Точка, точка, запятая, минус — рожица кривая» и т. д. Любое пространство, ограниченное движением нашего карандаша,— часть тела. Произвольные штрихи — органы и ткани. В каждом из ник — многомиллиардные сообщества клеток, специализированных на выполнении определенных функций. Миллиарды, триллионы клеток, и тем не менее никакого разобщения — четкая и согласованная работа, рождающая десятки различных функций. И внешне различимые, хорошо нам известные функции подчинены одной цели — координированному ответу на разнообразные сигналы, поступающие из вечно изменяющейся внешней окружающей среды. А внутренние, уже не столь заметно различимые функции клеток? Это тысячи биохимических реакций, также согласованно решающие общие задачи обмена веществ. Небольшая ошибка в каком-либо звене — и хаос.
Вслед за хаосом-смерть, а жизнь -это борьба с хаосом, мощное противодействие разрушительным силам энтропии. Отсюда- обусловленная эволюцией неизбежность регуляции клеточной активности. Ее дороги -от внешнего сигнала к внутриклеточным биохимическим процессам.
А теперь попытаемся разбить этот путь на отдельные этапы. Идентификация этих этапов и «лиц», ответственных за их выполнение, очевидно, и воспроизведет логику исследований принципиальных сторон механизма регуляции клеточной активности. Каким же образом можно обуздать беспокойную внутреннюю жизнь клетки? Давно уже стало ясно, что главный способ регуляции — фосфорилирование  белковых молекул, присоединение к ним фосфатной группировки, которая поставляется  хорошо нам известной аденозинтрифосфорной  кислотой (АТФ). Фосфорилирование  белков вызовет активацию одних и подавление других клеточных процессов.
Однако, изучая еще в 1955 году обмен фосфорилированных белков, выдающийся советский ученый академик В. А. Энгельгардт обратил внимание на то, что наличие АТФ в клетке является необходимым, но не достаточным условием для обеспечения фосфорилирования. В некоторых условиях содержание АТФ в клетках оставалось высоким, а присоединение фосфатной группы к белкам сильно замедлялось. Было высказано предположение, что в системе фосфорилирования белковых молекул существует некое звено, без которого энергия АТФ, необходимая для фосфорилирования, не используется. Пожалуй, именно это предположение мы сейчас можем назвать отправным пунктом в исследованиях, относящихся к механизмам регуляции клеточной активности.
А дальше было так...
Перенесем наше модельное, рисованное существо хотя бы ненадолго из современного города с его гастрономами и развитой системой общественного питания в пустыню. И, кроме того, преднамеренно лишим его сухого пайка. Так мы смоделируем в жестоком, конечно, эксперименте неблагоприятные факторы окружающей среды. Отсутствие трехразового питания и вместе с тем появление чувства голода, очевидно, не могут не вызвать соответствующие реакции организма, который теперь уже просто вынужден мобилизовать свои резервы, накопленные в виде углеводов и жиров.
Как он это сделает? Через систему гормональной регуляции. Отсутствие пищи явится внешним сигналом для гормональной системы. И как результат этого — активное повышение в крови гормона коры надпочечников, адреналина. Гормон подействует на клетки- мишени, соответствующие ферменты активизируются, и из внутриклеточных фондов начнется потребление гликогена — запасной формы углеводов. Дальнейшее преобразование углеводов даст клеткам энергию. А это значит, что жизнь может продолжаться!
Очевидно, что где-то на этом пути, на пути передачи информации oт гормона к ферментам, контролирующим распад гликогена, и должен находиться в нашем случае тот таинственный фактор, обладающий столь сильным влиянием на поведение ферментов.
Примерно такой логикой и воспользовался американский биохимик Э. Сазерленд и в  1957 году обнаружил некий фактор, усиливающий воздействие адреналина на реакцию распада гликогена в кусочках печени. Экстракт ткани, содержащий это мощное вещество можно кипятить до полной деградации содержащихся в нем белков, без уменьшения его активирующих свойств. Этот простой прием привел к заключению, что обнаруженный фактор не белковой природы, а скорее какое-то низкомолекулярное соединение.

Предположение вскоре подтвердилось. Другой американский исследователь  Липкин, химическим путем получает из АТФ неизвестное до этого вещество — циклический аденозинмонофосфат (циклический АМФ). В различных физиологических испытаниях синтезированного соединения было неожиданно обнаружено, что термостабильный фактор Сазерленда и вещество Липкина обладают одинаковой физиологической активностью. Без циклического АМФ не происходило фосфорилирования белков, столь необходимого для проявления их активности.
Вот так и было опознано неизвестное звено в системе регуляции клеточной деятельности, наличие  которого  постулировал   В. А. Энгельгардт.

«Разменная монета» регуляции
Каково же «семейное положение» открытого вещества? Оно — из класса нуклеотидов. Из того самого клана, к которому принадлежит и АТФ. Циклический АМФ — ближайший ее родственник. Но не только сходство в химической структуре сближает циклический АМФ и АТФ. Еще более заметно родство их «биохимических душ», Каждому из них не свойственны второстепенные роли: АТФ — прима в энергетике клетки, ее разменная монета; циклический АМФ — премьер в регуляции клеточных функций, разменная монета регуляции. Своеобразие их наклонностей определилось незначительными, на непросвещенный взгляд, различиями их структуры.
Функциональный портрет циклического АМФ чрезвычайно выразителен. При изменении концентрации циклического АМФ в клетках нервная ткань меняет свою биоэлектрическую активность, сердечная мышца ускоряет или снижает ритм своих сокращений, а секреторная клетка выбрасывает или, наоборот, задерживает подготовленный ею секрет. Циклический АМФ регулирует форму и структуру, подвижность и пигментацию клеток, синтез ДНК  и считывание с неё наследственной информации.
На циклический АМФ реагирует и такой внутриклеточный паразит, как вирус. Содержание циклического АМФ дает команду вирусу задержать свое развитие или перейти от скрытого состояния к активному и начать синтез собственных белков и нуклеиновых кислот. И что пожалуй, наиболее примечательно — циклический  АМФ руководит делением клетки. Клетки продолжают цикл делений или задерживают его в ответ на содержания фонда циклического АМФ. И многое, многое другое.
Не устаешь поражаться умению живого решить, свои многочисленные структурные и функциональные проблемы за счет комбинаций найденных раз и навсегда компонентов. Природа — великий комбинатор! Подобно тому, как искусный строитель способен построить небоскреб любой формы из кирпичей и блоков стандартного формата, живые клетки создают все разнообразие белков из комбинаций двадцати аминокислот, а всю генетическую информацию материализуют в молекулах ДНК в основном комбинацией всего лишь четырех нуклеотидов.
Отсюда вероятно, что и регуляция клеточных функций должна подчиняться какому-то единому механизму, что существенно бы облегчило живому организму контроль активности различных клеток.
В качестве ключа на пульт регуляции природой был избран циклический АМФ. Оригинальное циклофосфатное кольцо, отличающее молекулу этого вещества от других нуклеотидов, явилось этому причиной.
Уникальность химической структуры полностью исключает возможность ошибок при узнавании циклического АМФ различными белками, подчиняющимися его воле.

Надежность его работы обеспечивается также гибкостью и согласованностью действия ферментов, на которых лежит особая ответственность за регуляцию содержания циклического АМФ в клетке: аденилагциклазе- виновнице его появления в цитоплазме  и фосфодиэстеразы — фермента его распада. Их активность чутко контролируется клеткой.
Работы Сазерленда, увенчавшиеся Нобелевской премией в 1971 году, привели к раскрытию простого и надежного механизма регуляции клеточных функций гормонами. В основе его концепции — циклический АМФ — универсальный внутриклеточный посредник при действии гормонов. Гормоны — первичные мессенджеры (проводники) при передаче информации — не могут проникать через клеточные стенки. Они снаружи действуют на аденилатциклазу и побуждают ее к действию, к преобразованию молекул АТФ внутри клеток в молекулы циклического АМФ. Появляется вторичный мессенджер передачи информации — таков устоявшийся теперь титул нашего героя. Цепь дальнейших событий нам в основном уже ясна — изменение активности ферментативных реакций и как следствие модификация функций
Итак, мы определили некоторых основных героев процесса регуляции. Чуть-чуть позже нам придется дополнить их число. А сейчас отметим, что не только адреналин, но и многие другие гормоны реализуют себя через аденилатциклаэную систему. Список их весьма обширен, как обширен список и желез внутренней секреции, ответственных за их появление, но все они в конце концов разговаривают с клеткой на универсальном языке циклического АМФ. Что же это, как не унификация механизма регуляции?
Исследования последних лет существенно дополнили функциональный портрет циклического АМФ. Называемый вторичным, этот мессенджер, как оказалось, первый по значению регулятор клеточных функций. Влияние его огромно.
Как это было
Нелегко найти в англо-русском словаре полновесный эквивалент английскому слову мессенджер. Это — и вестник, и посыльный, и курьер. И еще одно определение — предвестник. Как курьер циклический АМФ передает информацию от внешней клеточной стенки содержимому клетки. Не бессмысленно и даже символично и последнее определение. Появление циклического АМФ предвещает развитие длинной цепочки важнейших внутриклеточных событий.
Еще и 1965 году Сазерленд и его сотрудники обратили внимание на то, что повышение концентрации циклического АМФ в клетках бактерий, которым отказали в глюкозе, как-то связано с изменением активности ДНК. Становится очевидным существование еще одного этaпa передачи информации.
Этот путь проще всего проследить у низших организмов, у так называемых прокариотов, которые не имеют четко сформированного ядра— хранилища ДНК. У них все проще. Аденилатциклаза у прокариотов не связана с мембранами и свободно плавает в цитоплазме. А циклический АМФ берет на себя, уже полноправно, роль первичною мессенджера. Здесь у него нет конкурентов в соревновании за этот титул — гормонов, которые являются привилегией высших организмов.
У прокариотов циклический АМФ — ясно выраженный сигнал голода, который, с одной стороны, заставляет клетку отправиться на поиски новых источников питания, а с другой — стимулирует синтез ферментов, способных использовать найденную пищу.
А если речь заходит о новых ферментах, то, конечно, не обойтись без ДНК. Оказалось, что циклический АМФ активирует гены и тем самым запускает длинный и сложный процесс белкового синтеза. Однако он не справился бы с этой задачей, если бы ему не помогал еще один посредник, так называемый рецепторный белок. Опыты с бактериями показали, что при увеличении концентрации циклического АМФ в клетке он связывается с рецепторным белком, который в ответ на это события изменяет свою форму и приобретает способность взаимодействовать с ДНК, активируя тем самым молчавшие до сих пор гены.
Поднимаемся чуть-чуть  выше по лестнице  эволюции. Легко заметить, что на всех ее ступенях самая древняя функция циклического АМФ как сигнала голода сохраняется. Однако движение вверх, к совершенству, сопровождается появлением и новых функций у нашего нуклеотида. На его плечи ложатся более сложные обязанности. Постепенно он становится посредником при передаче информации от одной клетки к другой, несет на себе ответственность за судьбы уже целых клеточных сообществ. Вот пример — слизневик. Когда этому странному созданию природы хорошо, в теплой питательной среде он живет в виде одноклеточных миксоамеб. Удивительные события начинаются, когда наступают тяжелые времена. Эти клетки начинают активно выделять особое вещество, как вы уже верно догадались, циклический АМФ, и вслед за этим соединяться друг с другом. Так и образуется многоклеточный слизневик, который способен прогуливаться, куда ему вздумается, и искать пищу в местах уже достаточно отдаленных. Но если все резервы исчерпаны, слизневику не остается ничего более, как
АМФ выпустить из своего скользкого тела длинный шип, в вершине которого начинают образовываться споры. Они и помогают слизневику  дождаться лучших времен, преодолеть все невзгоды. Роль циклического АМФ в этом случае — подать сигнал к объединению клеток, помочь в создании более жизнестойких многоклеточных сообществ
Так трансформируется функция циклического АМФ после появления в клетке ядра, у эукариотов. На высших стадиях эволюции, при совершенствовании многоклеточных организмов, «сигнал внешней среды» — циклический АМФ занимает свое место внутри клеток как посредник при передаче информации гормонов. Теперь он — «вторичный мессенджер.
Словом, выяснилось, что, не теряя старых функций, наш герой, поднимаясь вверх no эволюционной лестнице, постепенно обретает новые.
На пути к ядру
Усложнение внутриклеточного хозяйства у счастливых обладателей ядра, у эукариотов, поставило их перед необходимостью открыть новые вакансии в своем управленческом annaрате. И главную среди них занимает протеинкиназа — фермент, весьма своевременно пополнивший список наших мессенджеров. Без протеинкиназы нам уже не обойтись при рассмотрении наиболее скрытых от постороннего глаза  «тайн мадридского двора»» — тонких процессов регуляции клеточных функций. В иерархии регуляторов протеинкиназа — непосредственный исполнитель воли циклического АМФ. После взаимодействия с ним этот фермент материализует приказ, полученный циклическим АМФ от гормонов, в конкретной биохимической реакции. Эта реакция и есть фосфорилирование внутриклеточных белков, так сильно изменяющее их активность.
Вот теперь мы уже практически полностью определили этапы нелегкой эстафеты передачи информации внешнего сигнала: от гормонов — к аденилатциклазе,от аденилатциклазы — к циклическому АМФ, от циклического АМФ — к протеинкиназе и от протеинкиназы — к различным белкам клетки. На индентификацию этих этапов потрачены многие годы упорного труда. И теперь общая, «столбовая» дорога регуляции клеточных процессов предстаёт перед нами во всей своей изящной «простоте»».
Теперь мы можем сбросить маску, скрывавшую от нас таинственный лик циклического АМФ «при дворе» внутриклеточных регуляторов. Его функция, сейчас это совершенно очевидно,— активация протеинкиназы.
К настоящему времени известны десятки различных белков, которые фосфорилируются (напомним еще раз, что это значит — присоединяют к себе фосфатную группу, поставляемую АТФ) с помощью протеинкиназы. И если представить себе, что один из этих белков — фермент, занимающий ключевую позицию на перекрестке реакций обмена веществ, то легко объяснить всю последующую цепь событий. Его модификация вызовет перестройку важнейших клеточных функций И, конечно, еще более впечатляющими могут быть результаты, если один из этих белков входит в состав генетического материала ядра.
Но прежде чем проникнуть в «святая святых»» клетки, в ядро, нам придется внимательно при¬смотреться к протеинкиназе. Она этого заслуживает.
Исследования последних лет показали,что структурный и функциональный портрет протеинкиназы довольно сложен. Он складывается из двух компонентов, или, иначе говоря, двух субъединиц — регуляторной и каталитической . Если циклический АМФ свяжется с регуляторной субъединицей, то неактивный комплекс протеинкиназы развалится и в среде окажется готовая к действию, активная каталитическая субъединица. Она и обеспечит реакцию фосфорилирования. Так происходит своеобразная регуляция... регуляторов.
Изучение механизма действия протеинкиназы — одна из актуальнейших задач современной молекулярной биологии. Своим пониманием биологической роли протеинкиназ мы во многом обязаны работам заведующего лабораторией энзиматической регуляции клеточной активности Института молекулярной биологии АН СССР профессора Е. С. Северина и его сотрудников. В процессе сложной процедуры им удалось выделить чистую протеинкиназу и разделить ее на регуляторную и каталитическую субъединицы. Этот успех и позволил исследователям подойти вплотную в решении вопроса о роли каждой отдельной субъединицы протеин¬киназы в регуляции активности генов клетки.
Мы уже знаем, что даже у прокариотов циклический АМФ вызывает усиленный синтез ферментов в трудные минуты жизни. Можно ли сомневаться в том, что клетки с ядром обойдут стороной столь мощную возможность упорядочения внутренней деятельности. Однако прокариотам проще. Проще и исследователям, избравшим их в качестве объекта изучения.
  ДНК у прокариотов  не за высокими заборами, она свободно распространяется в цитоплазме и хорошо доступна стимуляторам. А вот ядерная мембрана у эукариотов становится серьезной преградой не только для посредников передачи информации в ядро, но и для ученых.
И тем не менее  лица ,ответственные за изменение активности ДНК, должны быть названы! Вопрос слишком серьезен...
А ведь в том, что они существуют, сомнений нет. Что-то связывает циклический АМФ по «ту» сторону ядерной мембраны, и опять-таки что-то фосфорилирует белки, чехлом обволакивающие молекулы ДНК и небезразличные к их судьбе. Что это? И сколько здесь участников?
Я думаю, вы представляете себе, сколь серьезными были задачи перед началом нового этапа работы. Однако поиски начались не на пустом месте. Вы помните, в лаборатории Евгения Сергеевича Северина ждут своего часа замороженные отдельно друг от друга регуляторная и каталитическая субъединицы протеинкиназы.
Опыты, поставленные в группе Марии Валентиновны Нестеровой, решили вопрос о «профессиональной компетентности» регуляторной субъединицы протеинкиназы...
...В пробирку были добавлены хроматин (ДНК с белком) и РНК-полимераза — фермент, функция которого сродни функции коллежского асессора, каллиграфическим почерком переписывающего информацию, в данном случае с ДНК на РНК. Оказалось, что после добавления субрегуляторной единицы в этой системе происходит мощная стимуляция синтеза РНК — новых ферментов. После опыта содержимое пробирок обычно выливается в  раковину. Остается знание. Теперь ясно, что регуляторная субъединица протеинкиназы сама по себе, без участия своей каталитической спутницы, способна влиять на свойства хроматина. Она как бы пробивает брешь в белковом чехле ДНК и тем самым увеличивает количество мест посадки РНК-полимеразы на ДНК.
Однако, если так, то для чего нужен традиционный путь фосфорилирования, осуществляемого, как мы уже знаем, каталитической субъединицей нашей героини? Какова его роль в данном случае? Кроме того, еще надо понять механизм проникновения протеинкиназы в ядро. Да и проникает ли она туда вообще? Характерная особенность познания живого: стоит получить ответ на один вопрос, как рождаются десятки новых.
Ответ на последний вопрос был получен М. В. Нестеровой совместно с учеными Института биохимии АН Узбекской ССР А. Абдукармовым и А. Арибджановым с помощью изотопов. Отдельные субъединицы протеинкиназы были помечены изотопами и, оставаясь невидимыми, давали о себе знать посредством радиоактивного излучения. Расследование по делу протеинкиназы намного упростилось. Более того, дело пополнилось и прямыми доказательствами своеобразия ее поведения — фотодокументами, поскольку изотопы можно фотографировать. Так и было показано, что протеинкиназа распадается на субъединицы в цитоплазме и проникает в ядро по частям. Части эти — субъединицы — переходят через ядерную мембрану независимо друг от друга и усаживаются на предназначенные места на хромосомах.
Почти вся цепь дальнейших событий тоже стала ясна. Регуляторная субьединица при соучастии обязательно действующего лица, о котором не следует забывать,— циклического АМФ — помогает РНК-полимеразе взаимодействовать с ДНК.К этому же итогу приводит и деятельность каталитической субъединицы протеинкиназы, только механизм ее действий принципиально другой — фосфорилирование белков хроматина. Итоги работы прекрасные, регулирование деятельности наследственного аппарата в клетке перестало быть секретом за семью замками. Однако осталось неясным, какова же роль как раз главного регулятора циклического АМФ именно в этом сложном процессе. Наш герой пока оказался словно бы без четких обязанностей- А ведь без их уточнения не обойтись. И вот почему...
Откуда придет свет!
Действительно, откуда придет свет, которого так долго ждет все человечество? Интонация высказывания Сазерленда, взятого для нашего эпиграфа, не пессимистична, она скорее выражает предположение, что он может прийти с самой неожиданной стороны. В том, что он придет, нет сомнений, не могут пропасть даром усилия тысяч ученых различных направлении и специальностей, посвятивших себя исследованию раковой проблемы. И наибольшие надежды в понимании природы рака мы связываем с работами молекулярных биологов, изучающих процессы регуляции жизни и деления клеток.
Подобно тому, как разрушение внутренних коммуникаций, средств связи и управления при-водит к распаду социального механизма, так и нарушение регуляции внутриклеточных процессов, в особенности имеющих отношение к размножению клеток, приводит к их хаотическому не контролируемому росту, раку и гибели организма.
Американский ученый Пастан обратил внимание на то, что определенные типы раковых клеток возвращаются к нормальному состоянию, если в среду их обитания дать циклический АМФ. Более того, клеткам рака крови-лимфомы, в этих условиях становится ещё более неуютно и они гибнут. Сходным образом отзываются на изменение концентрации циклического АМФ и трансформированные клетки соединительной ткани, которые отличаются стремлением к бурному размножению. Добавление циклического АМФ к ним приводит к резкому замедлению их деления, а их внешний облик становится похожим на своих здоровых собратьев. Превращение на уровне чудес! Но столь ли оно чудесно? Результаты многих исследований свидетельствуют о том, что во всех типах клеток, способных к активному делению, содержание ЦАМФ  значительно ниже , чем в норме.
. Не ключ ли это к загадке рака? Значит, не напрасно мы уделили столько внимания мессенджерам и, в частности, главному из них — циклическому АМФ. Не напрасно, если простое понижение его концентрации о клетке приводит к таким фатальным последствиям. Становится очевидным, что в раковых клетках нарушается согласованная работа ферментов, регулирующих содержание циклического АМФ.
С другой стороны, при злокачественном перерождении клеток меняются свойства и протеинкиназ. Обнаружено, что в раковой опухоли возникает количественное несоответствие между субъединицами протеинкиназы: каталитической производится значительно больше. Таким образом, фосфорилирующая активность ее повышается ,но зато катастрофически падает способность связывать циклический АМФ, а значит, и воспринимать, в конечном счёте  информацию  внешнего сигнала. И посмотрите, какая подмечена закономерность: способность протеинкиназы взаимодействовать с циклическим АМФ тем ниже, чем выше скорость безудержного деления клеток, чем злокачественнее раковая опухоль!
Несомненно, что без исследования механизмов регуляции генетического аппарата клетки невозможно приблизиться к пониманию причин возникновения рака. Проблема комплексная, и тем более в ней должно быть четко определено место циклического АМФ и протеинкиназы — основных участников событий. И напомним еще раз: одно из самых таинственных сейчас звеньев на пути передачи информации — транспорт протеинкиназы через ядерную мембрану.
Несколько поубавил здесь таинственности сам рак. В лаборатории Е. С. Северина той же группой авторов были использованы клетки соединительной ткани, которые стали опухолевыми после их обработки раковым вирусом. Если к таким клеткам добавить меченную изотопами регуляторную субъединицу протеинкиназы, то... ничего не происходит. А вот если клетки обработать и регуляторной субъединицей, и циклическим АМФ, то наблюдается полное восстановление их нормального функционирования: регуляторная субъединица проникает в ядро и находит свои места посадки на хроматине. Так получены по крайней мере два вывода: циклический АМФ необходим для транспорта регуляторной субъединицы протеинкиназы в ядро. И второй: в опухолях, которые индуцируются раковым вирусом, генетический материал ядра не изменяется, но полностью нарушается система транспорта «регуляторки» через ядерную
А теперь — другой тип опухоли, рак эпителиальной ткани гортани. Оказалось, что добавление циклического АМФ к клеткам такого рака не прекращает развития фатальных событий, и это значит, что в опухоли гортани произошли изменения не только системы транспорта, но и самого генетического аппарата. Налицо нарушение  в   структуре «посадочных мест» регуляторной субъединицы протеинкиназы - ей нет теперь места на хроматине, и последний  выходит из-под ее контроля.
Вот и расставлены по местам все наши мессенджеры. Определены их функции и обязанности. Увы, еще не полностью. Далеко не все возникшие в ходе исследований «почему» получили ответ. Читатель, верно, держит некоторые из них в памяти.
Нужны новые множества ответов, новые подтверждения новых предположений, пока вся цепочка событий и все до единого их участники окажутся полностью в наших руках.
Сомнений, однако, быть не может — свет при решении раковой проблемы обязательно придет! Успехи в исследовании регуляции клеточных процессов — тому свидетельство. Человек скорее рано, чем поздно, научится управлять сообществами клеток, из которых складывается его организм, научится держать их под своим контролем. Он научится корректировать, подправлять работу генетического аппарата клеток, если вдруг по какой-либо причине произойдет поломка регулирующих устройств. Для этого необходимо «немногое» — полное понимание механизмов регуляции клеточных функций и как можно более полное — причин, вызывающих их расстройство.

А.Александров