| |
 |
Глава 10
Вестники ядра
Использование РНК
Когда теории Уотсона-Крика еще не существовало, значение РНК никак нельзя было назвать недооцененным. Конечно, уже было известно, что это не основная составляющая хромосом, но очевидная связь между РНК и синтезом белков заставляла, пожалуй, даже переоценивать ее значение в глазах биохимиков.
Концентрация ДНК в различных клетках отдельного организма казалась величиной постоянной. Каждая клетка, неважно, растущая или нет, имеет одно и то же содержание ДНК. Это неудивительно, поскольку набор хромосом во всех клетках одинаков, а ДНК располагается именно в них. Единственным исключением являются половые клетки - яйцеклетки и сперматозоиды. В них имеется только по одной хромосоме из каждой пары, то есть - половина набора, так что не стоит удивляться, что и ДНК в них содержится вдвое меньше, чем в обычных, соматических, клетках.
Что же касается РНК, то ее концентрация в различных клетках одного и того же организма может быть совершенно разной. Эксперименты начала 1940-х гг. неизменно показывали, что концентрация РНК выше там, где интенсивнее ведется синтез белков. Растущие клетки более насыщены РНК, чем прекратившие рост - ведь растущей клетке требуется удвоить свое белковое содержание за срок от возникновения до готовности к новому делению. Если часть ткани растет, а часть - нет, то концентрация РНК выше в растущей половине.
Богаты РНК и ткани, занимающиеся секрецией веществ с повышенным белковым содержанием - например, печень и поджелудочная железа. Более того, если в окружение клетки добавить ферменты, приводящие к расщеплению РНК (но не влияющие на ДНК), так, что молекулы РНК распадаются, от этого останавливается и производство белков.
В целом становится ясно, что РНК имеет самое непосредственное отношение к синтезу белков. Важность синтеза белков для процесса жизнедеятельности столь велика, что в начале 1950-х гг. не могло не возникнуть общепринятого воззрения, что именно РНК является наиболее фундаментальной и жизненно важной разновидностью нуклеиновой кислоты.
Однако, эти РНК-приоритетные взгляды продержались недолго. Весь накопленный опыт свелся, наконец, к тому, что ДНК первична, а РНК - вторична по отношению к ней. Это предположение подтверждается и тем, что присутствующая в хромосомах РНК составляет менее 10 процентов общего количества содержащихся в ней нуклеиновых кислот, хотя внутри ядра существует небольшая структура, получившая название "ядрышко", и состоящая, похоже, только из РНК. Логично предположить, что РНК постоянно формируется около ДНК хромосом, а затем направляется на хранение в ядрышко.
Поскольку белок находится главным образом в цитоплазме, то и РНК стали искать именно там - и действительно обнаружили. На самом деле, в цитоплазме находится большая часть РНК клетки, а ДНК там нет вообще. Это значит, что РНК должна каким-то образом переходить из ядра клетки в цитоплазму после формирования. Под электронным микроскопом удалось сфотографировать, как некое вещество начинает в виде пузырьков выпирать из ядра и выталкивается из него в цитоплазму. Выяснилось, что эти пузырьки действительно содержат РНК.
Получается, что РНК считывает генетический код с находящейся в хромосомах ДНК и передает его в цитоплазму, где и управляет формированием белков на основе полученных от ДНК данных. Ранее я уже упоминал, описывая теорию "один ген - один белок", что создавалось впечатление, будто каждый ген управляет созданием одного определенного фермента. В принципе, это так и есть (1) , только делается не напрямую. На самом деле некий определенный ген (ДНК) создает определенную РНК, которая, в свою очередь, уже создает определенный фермент. Так что полностью схема звучит так: "одна ДНК - одна РНК - одна полипептидная цепочка".
(1) Такое мнение было общепринятым на время написания книги, но напомним, что последние исследования свидетельствуют о том, что один ген может управлять, за счет особого механизма, в тонкости которого мы здесь вдаваться не будем, синтезом не одного, а нескольких полипептидов. По крайней мере, у сложных организмов каждый ген кодирует в среднем по три полипептида, хотя у простых бактерий это соотношение действительно близко к классическому "один ген - один белок" - прим. пер.
Понять эту систему будет проще, если найти аналог в технологиях, используемых человеком. Примерно полтораста лет назад была введена метрическая система, и наука впервые за всю свою историю обрела действительно логическую систему измерений.
Одной из фундаментальных единиц метрической системы является метр - изначально определенный, как одна десятимиллионная расстояния от экватора до Северного Полюса по Парижскому меридиану. Однако, вскоре выяснилось, что это расстояние лишь приблизительно соответствует десяти миллионам метров, и в итоге сошлись на том, что эталоном метра будет платино-иридиевый брус, хранящийся в тщательно кондиционируемом помещении в одном из пригородов Парижа.
Сейчас этот металлический брус именуется "международным эталоном метра". Каждая страна, присоединившаяся к метрической системе измерений, получила копию этого эталона, являющуюся в данной стране "национальным эталоном метра". А в каждой стране этот национальный эталон уже используется, в свою очередь, для создания мерных линеек для промышленных, торговых и технологических целей.
Национальные эталоны хранятся в особых условиях, поскольку если что-то случится с обычной линейкой (или, что хуже, с откалиброванными механизмами, такие линейки производящими), обращение к национальному эталону всегда поможет эту ошибку исправить. А если что-то произойдет с национальным эталоном, то даже эту ошибку можно будет исправить с помощью международного эталона. (1)
(1) Теоретически, что-то может произойти и с международным эталоном, поэтому в 1960 году было принято соглашение окончательно определить метр через длину волны света, испускаемого атомами редкого газа криптона при нагревании до определенной температуры. Так что теперь все единицы измерений привязаны к неизменной природной константе (по крайней мере, в это хочется верить).
С нуклеиновой кислотой дела обстоят именно таким образом. ДНК - это "ядерный эталон", соответствующий международному эталону метрической системы. Поэтому он хранится в безопасном ядре, вдали от грубого и агрессивного мира цитоплазмы. Молекулы РНК - это "цитоплазменные эталоны", имеющие меньшее значение, соответствующие национальным эталонам, или даже обычным линейкам. Ими не жалко рисковать ради важного дела синтеза белков.
Можно даже выдвинуть правдоподобное предположение о том, почему в состав ДНК входит тимин, а в состав РНК - урацил. Разница между этими двумя пиримидинами минимальна и заключается в одной-единственной метиловой группе. Более того, эта метиловая группа находится в таком положении (см. рис. 48), что не может влиять на образование водородной связи с аденином, так что в ДНК аденин спокойно связывается с тимином, а в РНК - с урацилом. Никаких видимых различий между этими связями нет. Более того, в процессе репликации молекулы ДНК, к аденинам крепятся тимины, а когда та же самая ДНК образовывает РНК, то на то же самое место крепятся урацилы. В общем, смена одного на другое кажется технически очень простым делом.
Моя личная спекуляция на этот счет такова: урацил служит не более, чем "пометкой" РНК. Ведь обе нуклеиновые кислоты имеют разное предназначение. ДНК всегда остается в хромосомах, а РНК покидает не только хромосомы, где она создается, но и вообще все ядро. Каков бы ни был механизм, выпускающий из ядра РНК и удерживающий в нем ДНК, он должен включать в себя некий способ различать эти два вещества, и фактор различия должен быть при этом таким, чтобы не влиять на свойства нуклеиновой кислоты. Почему бы хотя бы часть этого фактора не может заключаться в отсутствии в РНК простенькой метиловой группы, периодически встречающейся в составе ДНК?
Место синтеза
Давайте рассмотрим поподробнее цитоплазму - место синтеза белка с помощью РНК. Цитоплазма - это ни в коем случае не однородная спокойная жидкость; это сложная система, содержащая тысячи тысяч различных телец всех размеров, форм и функций.
Самое известное из этих телец называется митохондрией (от греч. "митос" - нить, "хондриос" - зерно). Митохондрии имеют вытянутую форму длиной до 7 микронов и диаметром в поперечнике от 0,5 до одного микрона (микрон - это одна миллионная метра). В среднем в цитоплазме каждой клетки равномерно распределено около 2000 митохондрий.
В конце 1940-х и начале 1950-х гг. были разработаны методы для разделения клеток на ядро и цитоплазму и выделения из цитоплазмы различных составляющих. Добравшись до выделенных из цитоплазмы митохондрий ученые обнаружили, что они являются "электростанциями" клетки. Так и есть, практически все химические реакции, при которых производится энергия за счет распада молекул углеводов или жиров, происходят именно в митохондриях, в которых содержатся для этого все необходимые ферменты и коферменты.
За 1950-е гг. было проделано много работы с использованием электронных микроскопов. Обеспечиваемого ими увеличения оказалось достаточно, чтобы ученые поняли, что митохондрии - весьма сложные тела. Интерес к ним все возрастал, затмевая интерес к любым другим тельцам, имеющимся в клетке.
А среди этих других есть, например, микросомы (от греч. "малые тела"), размером в 10 000 раз меньше митохондрий. Ученые их достаточно долго игнорировали, считая отколовшимися при выделении митохондрий частицами последних.
Правда, один момент свидетельствовал против такого предположения и подстегнул интерес к микросомам. Дело в химическом составе веществ.
В митохондриях содержатся белки и определенные фосфорсодержащие жирные вещества, именуемые фосфолипидами. Из веществ этих двух групп и строится практически вся митохондрия. В митохондрии содержится очень мало нуклеиновой кислоты - лишь пол-процента митохондрии составляет РНК.
Для производства энергии, чем и занимаются митохондрии, РНК не нужна, так что это неудивительно. Удивительно другое - в цитоплазме-то РНК очень много, так где же она в таком случае, содержится, если не в митохондриях?
Оказалось, что РНК находится как раз в микросомах, причем в очень большом количестве. Соответственно, у ученых возникли сомнения в том, что микросомы - это лишь "обломки" митохондрий. Логичнее было предположить, что это какие-то самостоятельные тельца, имеющие собственную функцию. А наличие в них множества РНК подтолкнуло к догадке - не в них ли происходит синтез белков?
Вскоре эта догадка получила и экспериментальное подтверждение. В подопытные клетки были внедрены радиоактивные аминокислоты; клетки включили эти аминокислоты в свои полипептидные цепочки, и образовавшиеся в них белки оказались, таким образом, радиоактивно помеченными. Контакт клеток с радиоактивными кислотами был очень коротким, а затем сразу же после этого состав клеток был проверен на радиоактивность, чтобы радиоактивными оказались только те белки, которые только что синтезированы и не успели далеко отойти от места своего синтеза. Результаты эксперимента показали, что радиоактивными оказались только участки с микросомами. Микросомы действительно являются "белковыми фабриками" клеток.
Теперь ученые навели свои электронные микроскопы на микросомы. В 1953 году американский химик румынского происхождения Джордж Паладе открыл крошечные тельца, плотно распределенные по сети мембран фракций микросом. К 1956 году он выделил эти крошечные (в 10 миллионов раз меньше митохондрий - размером, наверное, чуть больше отдельного гена) тельца, и выяснил, что практически вся РНК микросом содержится именно в них. У некоторых клеток именно в этих многочисленных тельцах находится 90 процентов всей клеточной РНК. Сами эти тельца состоят на 50 процентов из белков и на 50 - из РНК. Они получили название "рибосомы", и, начиная с конца 1950-х гг., интерес ученых к ним все возрастает; собственно, рибосомы затмили по популярности даже митохондрии.
РНК на месте
В конце 1950-х биохимики радостно решили, что в лице рибосом им представлен ключ к разгадке тайны синтеза белков. Считалось, что каждый ген производит РНК по схеме Уотсона-Крика, а эта РНК, в свою очередь, перебравшись в цитоплазму, собирается в отдельные рибосомы.
По такой логике, каждый конкретный фермент клетки будет синтезироваться отдельной рибосомой, сформированной, в свою очередь, определенным геном. При этом не считалось, что каждая рибосома должна производить свой уникальный фермент - рибосом в клетке для этого слишком много. Скорее, предполагалось, что одна группа рибосом производит один фермент, другая - другой, и так далее.
Такая схема казалась весьма правдоподобной, поскольку было известно, что в разных обстоятельствах клетки производят ферменты с разной скоростью. Вполне логично было предположить, что обычно клетка задействует для синтеза лишь часть предназначенных для определенного фермента рибосом, а в особо важных случаях - подключает все свои мощности.
Но, к сожалению, все оказалось не так просто. Иногда фермент синтезируется с такой скоростью, что очевидна работа очень большого количества рибосом - настолько большого, что крайне сложно поверить, что такая значительная часть рибосом клетки предназначена для выработки лишь одного фермента.
Какие еще предположения можно выдвинуть? Ну, допустим, что для синтеза некоего фермента предназначено лишь немного рибосом, тогда придется сделать вывод, что в некоторых обстоятельствах, когда требуется особо быстрая выработка белка, каждая из этих рибосом каким-то образом увеличивает свои производительные способности до невероятных величин.
Обе гипотезы звучат неубедительно.
К тому же, новый вопрос возник в связи с процессом инфицирования клетки вирусом. Зараженная клетка производит белки с такой же скоростью, что и здоровая, но характер производимых белков при этом меняется. Проникновение в клетку вируса прекращает производство белков самой клетки и вместо этого запускает процесс формирования белков вируса. Согласно теории рибосом, это могло означать, что вирус, попадая в клетку, заменяет рибосомы клетки на свои собственные. Но если вспомнить о малых размерах вируса, придется признать что на такое он не способен физически. В вирусе может поместиться очень мало рибосом, и они никак не могут заместить все тысячи рибосом клетки.
И, наконец, некоторое недоумение вызвало строение самой РНК, из которой состоят рибосомы. Они имеют особый состав, делающий описываемую теорию еще менее правдоподобной.
Как вам уже известно, ДНК различных видов живых существ очень сильно различаются между собой. В ДНК одних видов содержится много аденина и мало гуанина, вплоть до соотношения 3:1; в других же - наоборот, могут наблюдаться такие же пропорции, но уже в пользу гуанина.
Если рибосомная РНК формируется с помощью ДНК хромосом, то она тоже должна отражать эти базовые пропорции. По крайней мере, если модель репликации Уотсона-Крика верна. Однако, рибосомная РНК не повторяет соотношения нуклеотидов, свойственного ДНК данного вида живых существ. Эксперименты с тканями всех живых существ показали, что соотношение всех четырех нуклеотидов в их рибосомной РНК примерно равно.
Так что же, модель Уотсона-Крика неверна? Неужели верна все-таки тетрануклеотидная теория? Биохимики отказывались в это верить. Они усиленно искали объяснения имеющимся данным, и нашли их к 1960 г. Оказалось, что последние года три-четыре они шли по ложному следу.
Да, рибосомы - действительно то место, где создаются белки, но средство их создания - не рибосомная ДНК. Рибосомная ДНК не является носителем генетического кода - она служит лишь основой для формирования рибосом. Они - как заготовка для ключа, готовая открыть любой замок, стоит только придать ей правильную форму.
Значит, должна существовать еще какая-то разновидность РНК, созданная путем репликации гена по Уотсону-Крику. Эта РНК должна выступать носителем генетического кода и передавать его от гена в рибосому.
Эта разновидность РНК получила название "информационная РНК", или "матричная РНК".
Настройка ключа
Свидетельства о существовании матричной РНК стали убедительными только в 1960 г. В этом году в парижском Институте Пастера были выделены образцы РНК с ДНК-образным распределением пуринов и пиримидинов.
О ДНК-образном распределении свидетельствовал тот факт, что эта РНК оказалась способна связываться с нитями ДНК той же самой бактерии, из которой была получена и РНК, но не с нитями ДНК бактерий других видов. Соединение путем водородных связей нити ДНК с нитью РНК (получившаяся в результате молекула называется "гибридной нуклеиновой кислотой") возможна только в том случае, когда обе нити являются "парными". Логично предположить, что раз исследуемая РНК оказалась парной к нити ДНК бактерий своего вида, то, значит, и создана она была именно методом репликации данной нити ДНК.
Очевидно, ДНК формирует матричную РНК с очень большой скоростью, потому что, если пометить клетку радиоактивными атомами, то они сразу же обнаруживаются в матричной РНК, а через какое-то время - по всей клетке. Напрашивается вывод, что после своего формирования матричная РНК быстро распадается на нуклеотиды, которые затем используются клеткой в различных целях.
Впервые матричную РНК обнаружили у бактерий. Вообще, очень много последних открытий молекулярной биологии было сделано в ходе экспериментов на микроорганизмах. Однако, ученые считают, что результаты их открытий в равной мере распространяются и на другие организмы. Так, в 1962 году матричная РНК была впервые выделена и из клеток млекопитающих. Альфред Мирски и Винсент Олфри из института Рокфеллера получили ее из бычьей зобной железы, и в количестве, многократно превышающем то, в котором ее можно было бы выделить из бактерий.
Итак, вот какая картина считается сегодня общепринятой:
1. ДНК определенного гена формирует матричную РНК по модели репликации Уотсона-Крика. Получившаяся нить матричной РНК обретает пару, соответствующую создавшей ее ДНК (за исключением того, что у этой пары урацил там, где у ДНК - тимин). Таким образом, состоящая примерно из 1500 нуклеотидов матричная РНК несет в себе генетический код создавшего ее гена.
2. Молекула матричной РНК перебирается в цитоплазму и прикрепляется к незанятой рибосоме. Рибосомная РНК-"заготовка", объединившись с матричной РНК, обретает свою форму, а с ней - и способность производить нужный белок. Мне кажется, что при соединении с рибосомной РНК, матричная РНК должна каким-то образом высвободить свои пурины и пиримидины для образования водородных связей в процессе строительства белка, который мы подробнее рассмотрим в следующей главе. Поэтому я считаю, что матричная РНК может крепиться к рибосомной РНК "с хвоста" - то есть, образовывая водородные связи с гидроксильной группой остатков рибозы по всей цепочке рибосомной РНК. Может быть, именно поэтому в состав РНК входит рибоза, а не дезоксирибоза. В дезоксирибозе, а следовательно, и в ДНК, такого свободного гидроксила нет, как уже было сказано в главе 7, и возможно, что РНК была "изобретена" именно ради этого дополнительного гидроксила. Только с его помощью РНК может выступать "курьером".
3. После того, как сформировано несколько молекул белка (а может быть, и всего одна молекула), матричная РНК распадается, и рибосома снова становится "чистым листом" для выработки в дальнейшем другого белка, может быть - аналогичного предыдущему, а может быть, и нет.
Весь этот процесс занимает две-три минуты максимум - что просто поразительно, особенно если учесть, что в ходе этого процесса необходимо точно расположить сотни нуклеотидов для формирования матричной РНК, а затем - сотни аминокислот для формирования белка. С другой стороны, у вас может вызывать недоумение тот факт, что для создания одного-единственного белка требуется несколько минут, в то время, как потребность организма в белках просто неимоверна. Остается только вспомнить о том, что в каждой клетке имеются миллионы рибосом, и за те же несколько минут все они в совокупности выработают миллионы белковых молекул.
Теория матричной РНК решила загадки, мучавшие ученые умы в процессе долгого изолированного изучения рибосом.
Во-первых, больше нет необходимости считать, что у каждой клетки имеются особые рибосомы для каждого белка, который она способна синтезировать. Теперь рибосомы стали в глазах ученых универсальным материалом, готовым для временного использования любой молекулой ДНК. Соответственно, пурино-пиримидиновое строение рибосомной РНК перестало кого-либо волновать.
Далее - данная теория убедительно объясняет, почему скорость формирования ферментов в клетке может быть различной. Если некий ген производит множество молекул матричной РНК, то их посредством он задействует такое же множество рибосом, и развернет широкомасштабное производство фермента. Когда необходимость в ферменте проходит, матричная РНК легко рассыпается, оставляя рибосомные молекулы в полной готовности к выполнению новой задачи.
Механизм вирусного заражения и производства белков тоже становится в свете этой теории более понятным. Вирусу нет необходимости производить собственные рибосомы - он использует уже имеющиеся в клетке. Эксперименты с радиоактивно помеченными атомами, проведенные в 1960 г., убедительно показали, что после заражения вирусом никакие новые рибосомы не формируются. На самом деле вирус лишь каким-то образом прекращает производство матричных ДНК в РНК зараженной бактерии. Уже выработанные клеткой на момент заражения матричные РНК распадаются с обычной быстротой, рибосомы освобождаются, и их занимает матричная РНК вируса.
После заражения белковый синтез в клетке продолжает идти по-прежнему, поскольку рибосомы продолжают работать, но их работой управляют теперь матричные РНК не бактерии-хозяина, а вируса.
Разумеется, перед биохимиками продолжает оставаться множество вопросов. Откуда некая молекула ДНК "узнает", когда надо вырабатывать множество молекул матричной РНК, а когда - чуть-чуть? Очевидно, ДНК каким-то образом постоянно получает информацию о состоянии клетки.
Если клетке не хватает того или иного компонента, каким-то образом стимулируется именно та ДНК, которая отвечает за фермент, необходимый для образования этого компонента. В результате производится больше необходимой матричной РНК, следовательно - больше нужного фермента, а в итоге - больше самого необходимого вещества. Если же некоего вещества в клетке избыток, то деятельность соответствующей ДНК должна подавляться.
Это поразительный пример системы с обратной связью. Совершенно очевидно, что клетка обеспечивает сложную систему всевозможных обратных связей. Раскрыть всю схему взаимодействия ДНК, РНК, ферментов и продуктов катализируемых ими реакций будет непросто. Однако решением этой задачи биохимики занялись с таким рвением, что мы вполне можем в некотором будущем надеяться на победу.
<<... 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
| |
| |
|
|
|
