Три тайны жизни
Шрифт:
Сейчас уже можно считать окончательно установленным, что каждая из аминокислот, входящих в состав белков любого организма, действительно изображается комбинацией из трех нуклеотидов в молекулярной цепочке нуклеиновой кислоты.
Это открытие, как его принято называть — «расшифровка кода наследственности», — по праву считается одним из величайших научных достижений последних десятилетий в познании тайн живой природы.
Итак, молекулы белка образуются путем соединения в сложные цепи молекул аминокислот. Для образования нужного белка (способного в данном организме выполнять определенную функцию) аминокислоты должны соединяться между собой в строго определенной последовательности. Поэтому синтез конкретного, требуемого белка не может быть осуществлен простым перемешиванием аминокислот в присутствии катализаторов (в организме их роль выполняют ферменты) и других условий, обеспечивающих осуществление реакции. Необходим очень сложный физиологический «механизм», обеспечивающий своего рода «сборку» молекул белка из имеющихся в клетке в большом количестве разнообразных аминокислот по заранее определенному плану, закодированному в молекулах ДНК. Подобную «сборку» весьма сложной молекулы белка из отдельных аминокислот ни одна химическая технология пока еще осуществлять не может: такой процесс наблюдается исключительно только в живых клетках, почему он и получил название «биосинтез», то есть синтез с помощью живого организма.
Живая клетка любого организма содержит полный набор нуклеиновых кислот, в которых закодирована последовательность всех без исключения белков, какие только могут быть синтезированы в данном организме. Например, в клетках печени человека синтезируется около ста различных белков. Но этим не исчерпываются возможности синтеза белков клеток. Обычно в определенной клетке при данных условиях синтезируется всего лишь несколько видов белков. Так, в любой клетке человеческого тела имеется план «сборки» молекулы инсулина, гемоглобина, рибонуклеазы и других белков, но в действительности гормон инсулин образуется только в некоторых клетках поджелудочной железы, гемоглобин — в клетках мозга, рибонуклеаза — в клетках слюнных желез и некоторых других клетках.
Биосинтез белков осуществляется в рибосомах каждой клетки организма. Эти мельчайшие органоиды, видимые лишь в электронный микроскоп, являются своего рода «сборочным цехом» специфических белковых молекул. Рибосомы содержат большое количество так называемой рибосомальной рибонуклеиновой кислоты (сокращенно обозначают R-PHK). Кроме того, в цитоплазме клеток содержится другая форма рибонуклеиновой кислоты: ее назвали транспортной, или воднорастворимой, кислотой (сокращенно обозначают Т-РНК, или S-РНК). В ядре клетки образуется третья форма рибонуклеиновой кислоты — информационная (сокращенно обозначают И-, или М-РНК, то есть «мессенджер»-РНК [12] . Все три формы РНК отличаются между собой как по выполняемой ими функции, так и по сложности строения.
12
«Мессенджер» — по-английски означает курьер.
План строения белковой цепочки закодирован в ядре, в молекуле ДНК, а фактическая «сборка» белка осуществляется в рибосомах. Каким же образом передается из ядра в рибосомы информация об этом плане?
Оказывается, переносчиком этой информации является информационная РНК, которая образуется в ядре клетки во время биосинтеза белков. Молекула ДНК обладает как бы двумя свойствами: она строит на себе свои копии и молекулы информационной РНК. Во время деления клеток происходит удвоение ДНК, а в перерыве между делениями синтезируется М-РНК. Процесс удвоения ДНК происходит не сразу по всей длине ее молекулы. Двойная спираль расплетается постепенно с помощью особого фермента — ДНК-полимеразы, и по мере освобождения ее цепей на каждой из них достраивается вторая недостающая половинка.
Вторая функция ДНК — синтез М-РНК — осуществляется на разных участках молекулы ДНК, в зависимости от того, какой белок требуется в данный момент клетке. Эти участки, где происходят образования М-, или И-РНК, называются генами. Синтез М-РНК происходит с помощью другого специального фермента — РНК-полимеразы. При этом ДНК расплетается, по-видимому, только в небольшом участке, обнажая лишь несколько своих оснований. «Текст предписаний» о синтезе белка выдается не сразу, а по «буквам» или «словам», примерно так, как мы видим строку, когда читаем мелкий текст с лупой.
Считанная таким путем М-РНК отваливается от соответствующего локуса (или гена) молекулы ДНК и доставляется в рибосомы. Каждая рибосома состоит из двух неравных частей. Через меньшую проходит М-РНК, а в большей осуществляется образование полипептидных цепей и синтез белков.
Рибосому можно представить как станок с программным управлением. Работа такого автоматического станка зависит от информационной РНК, которая имеет определенную программу. Через молекулу М-РНК сразу проходит несколько рибосом. Иногда М-РНК может синтезировать не один, а несколько типов белков, в зависимости от того, со скольких генов была считана ее информация. Предполагают, что одна молекула М-РНК существует не более четырех-шести минут и за это время успевает наштамповать около двадцати однотипных белков (если РНК несет информацию только одного гена). Значит, специфика белка зависит от структуры информационной РНК, а не от рибосом. В одних и тех же рибосомах, например, кишечной палочки, в искусственных условиях синтезируют белки различных животных и даже человека, в зависимости от того, какая ДНК была задана в этот искусственно созданный синтезирующий комплекс.
Каким же образом доставляется необходимое «сырье»— различные аминокислоты — к месту «сборки» белковой молекулы? Доставка аминокислот в рибосомы производится с помощью сравнительно небольших молекул так называемой транспортной, или воднорастворимой, формы РНК. Эта РНК присоединяет на время аминокислоту и доставляет ее в рибосому. Освободившись от груза, она возвращается в цитоплазму за следующей аминокислотой. Наблюдения показывают, что каждая аминокислота имеет свою определенную транспортную РНК. Следовательно, транспортных РНК в протоплазме каждой клетки любого организма не менее двадцати — по числу важнейших аминокислот.
Молекула информационной РНК как бы пронизывает одну, чаще сразу несколько рибосом. Внутри каждой рибосомы находится сравнительно небольшое число нуклеотидных троек (триплетов). В этот момент молекулы транспортной РНК с «навешенными» на них аминокислотами приближаются к триплетам информационной РНК внутри рибосомы. При контакте кодового конца транспортной молекулы РНК, несущего определенную аминокислоту, с соответствующим ему триплетом информационной РНК происходит присоединение аминокислот к этим триплетам. То есть, к определенному участку информационной РНК внутри рибосомы может «прикрепиться» с помощью транспортной молекулы РНК только определенная аминокислота, закодированная данной тройкой нуклеотидов.
Схема синтеза белка в клетке.
Как только присоединение произошло, молекула информационной РНК продвигается сквозь рибосому на расстояние, равное заполнившей ее аминокислоте, и тем самым представляет следующий триплет для новой аминокислоты строящейся молекулы белка. При этом молекула транспортной РНК, отдавшая свою аминокислоту, уходит снова в цитоплазму за следующей свойственной ей аминокислотой. Таким образом, транспортные РНК совершают постоянный круговорот между цитоплазмой и рибосомами, доставляя исходное «сырье»— аминокислоты — для сборки определенных цепей белковых молекул.
Так синтезируются важнейшие белки — ферменты, которые ускоряют все химические реакции обмена веществ в организме.
Предполагают, что в каждой хромосоме человека содержится не менее пяти тысяч молекул ДНК, следовательно, в сорока шести хромосомах в каждой клетке, как минимум, может быть около трехсот тысяч молекул ДНК.
Каждая хромосома — это цепь линейно расположенных молекул ДНК, которые в свою очередь представляют собой цепочки генов. А каждый ген слагается из множества еще более мелких линейно расположенных единиц — нуклеотидов.
Весь этот сложнейший агрегат в ядре клеток работает очень точно, благодаря чему и осуществляется наследственность организмов из поколения в поколение.
Однако иногда случаются и «ошибки» в воспроизводстве молекул ДНК. Они могут произойти вследствие изменения отдельных нуклеотидов, а следовательно и генов, в молекулах ДНК. Подобные изменения называются молекулярными мутациями. Они происходят как вследствие внутренних перестроек нуклеотидных оснований в молекулах ДНК, так и под влиянием различных внешних физико-химических факторов (излучений и сильнодействующих химических веществ). Если молекулярные мутации происходят в молекулах ДНК половых клеток (мужских или женских гаметах), они передаются потомству, так как новый организм развивается из слившихся гамет зиготы. Причины появления подобных мутаций в настоящее время уже выяснены.