| |
 |
Глава 8
От цепочки к спирали
Длина цепочки
Теперь, когда нам известно, что именно связывает воедино нуклеотиды в молекуле нуклеиновой кислоты, можно задаться вопросом о том, сколько же нуклеотидов может объединять одна молекула.
До 1940-х гг. большинство биохимиков над этим просто не задумывались. Прежде всего, само собой подразумевалось, что молекула нуклеиновой кислоты должна быть сравнительно небольшой. В пользу такого воззрения свидетельствовал тот факт, что она связывалась с белком, а ведь казалось естественным, что белок должен занимать доминирующее положение в любом соединении, в котором он присутствует.
Взять, например, гемоглобин. Кроме своих 574 аминокислот он включает в себя еще и четыре гемовых группы, каждая из которых примерно в пять раз больше средней аминокислоты; соответственно, все четыре в сумме составляют где-то около 3 процентов всей молекулы гемоглобина. Группы, подобные гемовым, называют простетическими, от греческого prosthetikos - "прибавляющий", от которого происходит и слово "протез".
Гем - это "рабочая часть" гемоглобина. В середине каждой гемовой группы содержится атом железа, к которой слабыми связями присоединяются молекулы кислорода, что и делает гемоглобин носителем кислорода в организме. Однако, функционирование гемовой группы определяет на самом деле именно белковая часть. В организме есть ферменты, которые тоже содержат гемовые группы, например - каталаза, пероксидаза, различные цитохромы. Однако выполнять функцию гемоглобина ни один из них не способен. И функции всех перечисленных белков тоже различны, и различия эти определяются именно различиями в белковой части молекулы.
Существуют и другие виды сложных белков, имеющих другие простетические группы. Например, существуют гликопротеины, простетические группы которых представляют собой модификации сахаров.
И каждый раз простетическая группа оказывается небольшим дополнением к самому белку, играющим довольно незначительную роль. Так что вполне естественно было предположить, что и нуклеиновые кислоты тоже являются сравнительно небольшими соединениями, выполняющими некие второстепенные функции в составе общей молекулы.
Наблюдения самого Левена тоже, казалось, подтверждали это "само собой разумеющееся" предположение. Он выделил из нуклеопротеинов вещества, которые по дальнейшем рассмотрении оказались нуклеотидными цепочками длиной в среднем по четыре нуклеотида. Соответственно, вещества эти были названы тетрануклеотидами. Левен решил, что они-то и представляют собой простетические группы нуклеопротеинов. Из такого решения вполне логично проистекало предположение о том, что составлять тетрануклеотид должны все четыре различных нуклеотида.
К сожалению, на основе имевшейся у Левена информации невозможно было составить истинной картины. Его методика отделения нуклеиновой кислоты от белка подразумевала использование кислот и щелочных металлов. Эти вещества помогали высвободить нуклеиновую кислоту, но нуклеотидную цепочку они при этом дробили на мелкие части. Именно эти части и мог единственно наблюдать Левен.
Со временем другие биохимики разработали более щадящие способы выделения нуклеиновой кислоты, и им удалось добиться уже других результатов. Они выделяли нуклеиновые кислоты, состоявшие из гораздо более длинных нуклеотидных цепочек. Мало-помалу тетрануклеотидная теория строения нуклеиновой кислоты зашаталась под давлением новых фактов. В течении декады 1940-х гг. химики выделяли все более и более длинные нуклеиновые кислоты, а к началу 1950-х были получены образцы РНК с молекулами, состоящими из тысячи нуклеотидов и образцы ДНК с молекулами из двадцати тысяч нуклеотидов.
Но, скорее всего, эти последние цифры являются завышенными. Вполне возможно, в процессе химической обработки для выделения случалось так, что несколько разных молекул нуклеиновой кислоты объединялись в одну с помощью слабых связей, и таким образом получались "супермолекулы", в природе не существующие.
На сегодняшний день принято считать, что в отдельный ген состоит из молекулы нуклеиновой кислоты, представляющей собой цепочку из 200 - 2000 нуклеотидов.
Разнородность цепочки
Даже после того, как стало известно, что молекула нуклеиновой кислоты может быть не меньше, или даже больше, чем молекула белка (нуклеиновая кислота, состоящая всего из 200 нуклеотидов, имеет размер не меньший, чем молекула гемоглобина), тетрануклеотидная теория не сразу отмерла, а сначала просто приобрела модифицированный характер. С тем, что молекула нуклеиновой кислоты может представлять собой нечто большее, чем цепочку из четырех различных нуклеотидов, все согласились, но было выдвинуто предположение, что в таком случае эта молекула представляет собой просто многократное повторение все той же четырехзвенной цепочки.
Если бы подобным образом "уточненная" тетрануклеотидная теория была верна, то, конечно же, нуклеиновые кислоты никак не могли бы быть носителями генетического кода. Как молекула крахмала представляет собой лишь бесконечный повтор "глюкоза-глюкоза-глюкоза…", так и нуклеиновая кислота бесконечно повторяла бы в своем составе "тетрануклеотид-тетрануклеотид-тетрануклеотид…". В этом отношении совершенно не важно, что молекула тетрануклеотида в 7,5 раз крупнее молекулы глюкозы. Фраза, выглядящая как "непобедимость-непобедимость-непобедимость…" несет в себе не больше смысла, чем фраза "вот-вот-вот-вот…", несмотря на то, что повторяющееся в нем слово длиннее и более значимо.
Однако после того, как в 1944 г. были обнародованы эксперименты Эйвери, МакЛеода и МакКарти (см. стр. 100-101), биохимики с большой неохотой стали приходить к выводу, что тетрануклеотидную теорию не в силах спасти уже никакие модификации. Нуклеиновая кислота все-таки выступает носителем генетической информации, а по тетрануклеотидной модели этого получаться не могло. Более того, в ходе изучения трансформаций бактерий было обнаружено, что нуклеиновые кислоты крайне разнообразны, что определенная нуклеиновая кислота вызывает определенные и только ей свойственные трансформации. Этого в рамках тетрануклеотидной теории объяснить было невозможно.
Теперь нуклеиновые кислоты подверглись более тщательному и интенсивному изучению.
К счастью, в том же 1944 году, когда Эйвери, МакЛеод и МакКарти полностью перевернули взгляды на нуклеиновые кислоты, Мартин и Синг разработали технологию бумажной хроматографии. Изначально эта технология была разработана для аминокислот, но адаптировать ее под пурины и пиримидины оказалось несложно. (1) Соответственно, нарисовалось четкое направление работ: разложить нуклеиновую кислоту, разделить пурины и пиримидины, проанализировать пурино-пиримидиновую смесь с помощью бумажной хроматографии и проверить, все ли вещества в ней представлены в равных количествах.
(1) На самом деле, метод бумажной хроматографии можно применять - и это с успехом делалось - практически к любой смеси близких по строению веществ, и через несколько лет после изобретения эта технология стала незаменимым инструментов всех разделов биохимии.
Если в равных, то тетрануклеотидная теория, возможно, и верна. Согласно тетрануклеотидной теории, пурины и пиримидины должны распределяться по схеме 1-2-3-4-1-2-3-4-1-2-3-4-…, соответственно, количество их будет одинаково. Однако и при одинаковом количестве самих элементов все еще остается возможность их неравномерного распределения.
С другой стороны, если бы анализ пуриново-пиримидиновой связи показал, что отдельные составляющие представлены в ней в неравных количествах, то это однозначно свидетельствовало бы о том, что тетрануклеотидная теория неверна.
Так и оказалось. Одним из самых дотошных исследователей этой проблемы был Эрвин Чаргафф. К 1947 году он добился результатов, четко свидетельствовавших не только о том, что количество пуринов и пиримидинов в нуклеиновых кислотах различно, но и от одной молекулы нуклеиновой кислоты к другой соотношение различных нуклеотидов тоже меняется. Так закончилась история тетрануклеотидной теории.
В начале 1950-х гг. Чаргафф смог еще убедительнее показать, что различные нуклеотиды, казалось бы, случайным образом разбросаны по нуклеиновой кислоте. В таком случае количество возможных вариаций полинуклеотидной цепочки представлялось огромным - хотя и не столь огромным, как количество вариаций полипептидной цепочки аналогичной длины, ведь полипептидная цепь располагает 22 элементами для распределения, а полинуклеодиная - только четырьмя.
То есть, к примеру, количество возможных вариантов полипептидной цепочки длиной в 20 аминокислот составляет чуть больше 2 400 000 000 000 000 000 (примерно два с половиной квинтиллиона), а полинуклеотидная цепочка длиной в 20 нуклеотидов, по пять каждой из четырех их разновидностей, может быть представлена лишь чуть более чем 1 100 000 000 комбинаций.
Иными словами, вариативность полипептидной цепочки более чем в два миллиарда раз превышает вариативность полинуклеотидной цепочки аналогичной длины.
Но ведь никто и не обязывает полинуклеотидные цепочки иметь не больше звеньев, чем имеют цепочки, образующие белки! Если взять некую полипептидную цепочку, содержащую определенное количество аминокислот, и полинуклеотидную цепочку, содержащую в два раза больше нуклеотидов, то их вариативность будет уже примерно одинаковой. Бедность знакового набора нуклеотидов (4 знака против 22 у белков) вполне может компенсироваться увеличением длины цепочки!
Вообще, складывается впечатление, что средняя молекула нуклеиновой кислоты не в два, а в пять раз длиннее средней белковой молекулы. Так что в итоге вариативность оказывается выше не у белка, а у нуклеиновой кислоты.
К началу 1950-х гг. уже не оставалось сомнений не только в том, что нуклеиновая кислота может выступать носителем генетического кода, но и в том, что она им действительно выступает.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
п»ї1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21
| |
| |
|
|
|
