| |
 |
Как использовать матричную РНК
Теперь мы имеем представление о том, что матричная РНК покрывает рибосому и управляет синтезом определенной полипептидной цепочки через последовательность триплетов. Но каков механизм этого синтеза? Легко сказать, что некий триплет "соответствует" некоей аминокислоте; но что именно заставляет аминокислоты формироваться по триплетным инструкциям?
В конце 1950-х гг. ответ начал вырисовываться, главным образом благодаря трудам американского биохимика Мэлона Хоагленда. В 1955 году он обнаружил, что перед тем, как включиться в полипептидную цепочку, аминокислоты присоединяются к адениловой кислоте. Это соединение получается особенно богатым энергией и его можно считать "активированной аминокислотой".
Хоагленд пошел дальше, и обнаружил в клетках присутствие относительно небольших фрагментов РНК, настолько маленьких, что они свободно растворялись во внутриклеточной жидкости. Они получили название "растворимой РНК", но по причинам, которые я сейчас вкратце изложу, чаще их упоминают, как "транспортную РНК".
Оказывается, существует несколько видов транспортной РНК, и каждый из них способен прикрепляться к адениловой части определенной активированной аминокислоты - каждая разновидность транспортной РНК присоединяется только к одной, "своей", активированной аминокислоте! Ход дальнейших событий понятен.
Предположим, что некая определенная транспортная РНК присоединяется к активированному гистидину и только к нему. Тогда транспортная РНК "подгоняет" активированный гистидин к матричной РНК (именно за это она и удостоилась названия "транспортная"). Однако она подгоняет белок не к матричной РНК вообще, а именно к конкретному ее участку.
Транспортная РНК имеет "место для крепления", очевидно, представленное соответствующим триплетом, и этот триплет соединяется только с парным ему триплетом матричной РНК. Другими словами, если в транспортирующей гистидин молекуле РНК для крепления подготовлен триплет АУГ, то он соединится только с триплетом УАЦ матричной РНК. Таким образом, триплет УАЦ матричной РНК посредством транспортной РНК оказывается соединенным с гистидином, и только с ним. И везде на протяжении нити матричной РНК, где в ней присутствует триплет УАЦ, будет прикрепляться гистидин - именно таким образом реализуется "соответствие" белка и триплета в генетическом коде.
Проведенный в 1962 году эксперимент убедительно доказал именно такую схему. Ученые взяли молекулу транспортной РНК, которая обычно связывается с аминокислотой цистеином. Затем, после того, как связь уже осуществилась, исследователи с помощью специальной методики сделали из цистеина другую, похожую аминокислоту - аланин. Транспортная РНК, не реагируя на изменения, доставила аланин туда, где должен был оказаться цистеин. Таким образом было доказано, что для осуществления связи между транспортной и матричной РНК сущность белка не имеет значения, а важна лишь парность пуринов и пиримидинов соответствующих триплетов обеих кислот.
После того, как все транспортные РНК занимают свои места в нуклеотидной цепочке матричной РНК, все аминокислоты в ней "свисают вниз" рядом друг с другом в том порядке, который диктуется последовательностью триплетов матричной РНК (скопированной, в свою очередь, с ДНК гена). А после того, как все аминокислоты собраны воедино и выстроены в правильном порядке, уже несложно с помощью различных биокаталитических процессов вызвать реакцию, которая объединит их в единую цепочку.
В 1962 году Говард Динцис из Массачусетского Технологического Института, работая с помеченными радиоактивными атомами аминокислотами, провел ряд экспериментов, позволивших проследить переход радиоактивности в белки. Оказалось, что транспортная РНК присоединяет аминокислоты к матричной РНК строго по порядку, как будто нанизывает бусины на нить.
Таким образом устраняется вероятность нестыковок. Предположим, у нас имеется последовательность АУУЦГЦУАГ. Если начинать отсчитывать триплеты с любого места, то мы можем насчитать в ней: АУУ, УУЦ, УЦГ, ЦГЦ, ГЦУ, ЦУА и УАГ. Если бы транспортные РНК могли прикрепляться куда угодно, то какой из семи триплетов был бы использован? Одна транспортная РНК стремилась бы занять триплет УУЦ, а другая - УЦГ, претендуя тем самым на одно и то же место.
На самом деле происходит так: одна транспортная РНК прикрепляется к АУУ. Только после этого следующая крепится к ЦГЦ, затем - третья к УАГ. Остальные четыре теоретически возможных триплета в расчет, таким образом, не принимаются.
Заодно Динцис установил, что все аминокислоты молекулы гемоглобина занимают свои места и связываются воедино за 90 секунд.
Описанная схема была воспроизведена в лабораторных условиях на материале не целых клеток, а клеточных фрагментов. В 1961 году Джерард Хьюрвиц из Медицинского Центра Нью-Йоркского Университета выстроил систему, в которой содержались ДНК, нуклеотиды, и необходимые ферменты, и смог с ее помощью добиться формирования матричной РНК в пробирке.
И в том же году Девид Новелли из Оак Ридж Нейшнл Лабораториз провел эксперименты не только с ДНК и нуклеотидами, но и с рибосомами и аминокислотами. В ходе этих экспериментов ему удалось заставить матричную РНК не только сформироваться, но и покрыть рибосомы и стать рабочей моделью для формирования определенного фермента - бетагалактозидазы.
Словарь триплетов
Теперь осталось установить конкретику кодирования: какой триплет какой аминокислоте соответствует?
Первые достижения на этом поприще были провозглашены в 1961 году, и это было, пожалуй, важнейшее открытие за все восемь лет, прошедших с момента провозглашения теории Уотсона-Крика. Авторами этих эпохальных экспериментов были Маршалл Ниренберг и Генрих Маттей из Национального Института Здравоохранения.
Они здраво предположили, что для того, чтобы получить ключ, начинать надо с простейшей ситуации - с нуклеиновой кислоты, состоящей из повторов одного и того же нуклеотида. К тому времени благодаря трудам Очоа уже был разработан механизм образования таких цепочек с помощью нужного фермента, так что создание и использование в экспериментах, скажем, полиуридиловой кислоты стало делом несложным.
Так вот, Ниренберг и Маттей ввели полиуридиловую кислоту в систему, где содержались различные аминокислоты, ферменты, рибосомы и все необходимые компоненты для формирования белков. И из этой смеси им удалось получить белок, столь же простой, как и использованная учеными РНК. Последняя представляла собой цепочку уридиловых кислот, а первый - цепочку фенилаланинов.
Это было очень важное достижение. Полиуридиловую кислоту можно представить, как УУУУУУУУ… Соответственно, в такой цепочке в на любом участке может иметься только один триплет - УУУ. Единственной аминокислотой, использованной при строительстве полипептидной цепочки, стал фенилаланин, хотя в системе было полно и других аминокислот. Осталось сделать только закономерный вывод о том, что триплет УУУ соответствует аминокислоте фенилаланину.
Так был сделан первый шаг к расшифровке генетического кода: "УУУ означает фенилаланин", гласила первая запись в "словаре триплетов".
Следующий шаг был сделан уже дружно - к делу подключилось множество исследовательских групп. Допустим, полинуклеотид создается с помощью ферментов на основе раствора уридиловой кислоты, к которому добавлено чуть-чуть адениловой. Тогда полинуклеотидная цепочка будет состоять в основном из У, со случайными вкраплениями А, то есть вид она будет иметь приблизительно такой: УУУУУУУУАУУУАУУУУУУУУУУУАУУУУУАУУУ…
Такая цепочка состоит в основном из триплета УУУ со случайными вкраплениями АУУ, УАУ и УУА. Соответственно, и формируемый на основе такой "нечистой" полиуридиловой кислоты белок состоит по большей части из фенилаланина со случайными вкраплениями других аминокислот. Эти вкрапления оказались, после должного изучения, лейцином, изолейцином и тирозином. Стало ясно, что из триплетов АУУ, УАУ и УУА один соответствует лейцину, другой - изолейцину, а третий - тирозину. Более точное определение - дело пока что недалекого будущего. (1)
(1) Прим. пер: Разумеется, на сегодняшний момент словарь кодонов (соответствий триплетов и аминокислот) давно уже составлен. Вот он:
1. УУУ, УУЦ = фенилаланин
2. УУА, УУГ, ЦУУ, ЦУЦ, ЦУА, ЦУГ = лейцин
3. АУУ, УАЦ, УУА = изолейцин
4. ГУУ, ГУЦ, ГУА, ГУГ = валин
5. УЦУ, УЦЦ, УЦА, УЦГ, АГУ, АГЦ = серин
6. ЦЦУ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ = пролин
7. АЦУ, АЦЦ, АЦА, АЦГ = треонин
8. ГЦУ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ = аланин
9. УАУ, УАЦ = тирозин
10. ЦАУ, ЦАЦ = гистидин
11. ЦАА, ЦАГ = глютамин
12. ААУ, ААЦ = аспарагин
13. ААА, ААГ = лизин
14. ГАУ, ГАЦ = аспарагиновая кислота
15. ГАА, ГАГ = глютаминовая кислота
16. УГУ, УГЦ = цистеин
17. УГГ = триптофан
18. ЦГУ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ, АГА, АГГ = аргинин
19. ГГУ, ГГЦ, ГГА, ГГГ= глицин
20. АУГ - метионин
21. УАА, УАГ, УГА - стоп-кодоны
Если вместо адениловой кислоты добавить в изначально однородный раствор уридиловой кислоты, немного кислоты цитидиловой или гуаниловой, то мы получим полинуклеотиды с некоторым содержанием триплетов УУЦ и УУГ (с плавающим положением Ц и Г соответственно в триплете). В обоих случаях в фенилаланиновой по преимуществу среде будут обнаруживаться молекулы лейцина. В данном случае мы видим перед собой явный пример вырожденности генетического кода - один и тот же лейцин кодируется в двух случаях разными триплетами.
Если добавить в уже "загрязненный" нами раствор уридиловой кислоты еще немного адениловой кислоты, так, чтобы в итоговом полинуклеотиде среди У было разбросано еще и немного А, то вероятность попадания двух А рядом все еще крайне мала, но тем не менее, в полинуклеотидной цепочке могут оказаться и триплеты ААУ, АУА и УАА. Обозначим их все для простоты, как УАА.
Чем больше мы будем добавлять адениловой кислоты, тем чаще в итоговом полинуклеотиде будет встречаться УАА по сравнению с УУА. Сначала только триплеты типа УУА будут представлены в достаточном количестве, чтобы соответствующие им аминокислоты можно было определить, но по мере возрастания процента триплетов типа УАА можно будет распознавать новые аминокислоты, относящиеся каждая к одному из трех вариантов УАА. То же самое можно сказать и в отношении добавления в возрастающем количестве цитидиловой или гуаниловой кислот. В итоговом белке будут обнаруживаться аминокислоты, соответствующие вариациям УГГ или УЦЦ.
А если одновременно добавлять и гуаниловую, и адениловую кислоты? Сначала в достаточном количестве для распознавания соответствующих им аминокислот будут представлены только УУА и УУГ, но затем появятся и триплеты из сочетания УАГ - а их будет уже шесть! Значит, следует ожидать и появления соответствующих им аминокислот.
Биохимики уверены, что в обозримом будущем генетический код будет полностью раскрыт путем составления полного словаря соответствий триплетов и аминокислот.
<<... 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
| |
| |
|
|
|
