...И ее родные сестры

Рибонуклеиновые кислоты, безусловно, заслуживают отдельного рассказа.

По молекулярному весу РНК можно разделить на две группы: с относительно небольшим молекулярным весом и высокомолекулярные.

Низкомолекулярные РНК, их вес от 18 до 35 тысяч, сначала называли растворимыми РНК, потому что при выделении из биологического материала они оставались в надосадочной жидкости и в осадок не попадали. В настоящее время их обычно называют транспортными РНК, потому что они выполняют функции переносчиков (транспортеров) аминокислот в клетке (сокращенно т-РНК).

Высокомолекулярная РНК имеет молекулярный вес значительно больший - от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов единиц. Различают три вида высокомолекулярной РНК. Рибосомная РНК (сокращенно р-РНК) находится внутри мельчайших образований внутри клетки, называемых рибосомами. Информационная РНК переносит определенную информацию. Но что это за информация и как это делается, читатель узнает позже. И наконец, вирусная РНК, которая входит в состав вирусов.

Надо сразу признаться, что структура и физико-химические свойства РНК изучены хуже, чем у ДНК, с которой мы уже знакомы. И это не случайно. Долгое время экспериментаторы не умели получать однородные образцы РНК с высоким молекулярным весом, которые легко разрушались при "жестких" условиях выделения, а при "мягких" подвергались действию ферментов и распадались.

Фундаментальные, многолетние исследования макро-молекулярного строения рибонуклеиновых кислот были проведены талантливым советским ученым А. Спириным, его сотрудниками и учениками. Уже в 1963 году ими было доказано, что молекула такой РНК построена из единой, непрерывной цепи. Молекулы высокополимерной РНК обладают вторичной и третичной структурой. Полинуклеотидные цепи этой нуклеиновой кислоты построены по типу спиралей уже хорошо известной нам ДНК. Спиральные участки есть не только в высокополимерных вирусных и рибосомных РНК, но и в низкомолекулярных, так называемых транспортных РНК. Рентгенографические исследования показали, что в молекулах различных РНК есть двухтяжевые спирали, весьма похожие на те, которые так характерны для ДНК. Вполне возможно, что в составе молекулы РНК, помимо настоящих спирализованных участков, есть спирали с "дефектами" и петлями.

Некоторое время назад известный советский ученый и один из создателей молекулярной биологии, академик В. Энгельгардт сказал, что, по его мнению, одной из наиболее характерных черт молекулярной биологии является трехмерность.

...И ее родные сестры

Какова же третичная структура РНК? Есть ли в молекуле РНК четко организованная укладка спиральных участков?

По мнению известного специалиста в этой области А. Спирина, РНК может существовать в трех состояниях, или, иными словами, в трех конформациях. При одних условиях РНК может иметь форму асимметричной, но компактной палочки. Изменяя условия, можно превратить палочку РНК в плотный клубочек. Еще повысив температуру раствора или переводя РНК в бессолевую среду, можно добиться, что РНК перейдет в состояние развернутых нитей.

Путь к разгадке третичной структуры РНК оказался не менее тернистым, чем при расшифровке двухспирального строения "самой золотой молекулы" - молекулы ДНК.

Несколько лет назад в Советском Союзе состоялся очередной международный симпозиум по химии природных соединений, организованный Академией наук СССР при поддержке Международного союза теоретической и прикладной химии. В его работе приняли участие более полутора тысяч ученых из сорока стран мира. Это был представительный форум специалистов.

За несколько дней до открытия международного симпозиума ученых начали работать так называемые пресимпозиумы, которые служили составной частью самого симпозиума. Одним из председателей такого заседания был академик В. Энгельгардт. Работа совещания была посвящена одному вопросу - структуре и функции РНК.

Мне часто приходилось слушать выступления и доклады В. Энгельгардта. Более того, студентом я посещал его блестящие лекции по биохимии в Московском университете, работал в его лаборатории.

Надо признаться, что и сейчас на лекции и доклады В. Энгельгардта идешь с уверенностью, что снова услышишь умную, полную интересных мыслей, гипотез и прогнозов, поражающую стройной логичностью речь одного из самых известных советских ученых.

И на этом международном симпозиуме выступление В. Энгельгардта было выслушано с огромным вниманием. "Если пять лет назад, - сказал ученый,- установление строения каждой очередной транспортной РНК было мировой сенсацией, то сегодня все методики настолько разработаны, что любой мало-мальски квалифицированной группе химиков достаточно полгода для того, чтобы выделить и очистить очередную транспортную РНК, а затем установить ее первичную структуру, то есть последовательность входящих в ее состав семи-восьми десятков нуклеотидных звеньев. Поэтому сегодня усилия направлены главным образом на то, чтобы установить третичную структуру этой транспортной РНК".

Другой видный советский биохимик, академик Ш. Спирин, отметил, что во многих лабораториях удалось получить кристаллические препараты транспортной РНК, пригодные для рентгеноструктурного анализа. "Модели-то можно придумать,- сказал тогда А. Спирин,- а вот доказать, что та или иная модель соответствует действительности, может только рентгеноструктурный анализ". К моменту работы симпозиума в некоторых лабораториях удалось закристаллизовать около пятнадцати транспортных РНК, многие из которых были вполне готовы для рентгеноструктурного анализа.

Прогнозы оказались правильными. Ранней весной 1973 года группа ученых Массачусетского технологического института в Америке опубликовала работу, в которой сообщалось: методом рентгеноструктурного анализа определено строение фрагмента двойной спирали РНК. Он состоял из двух пар азотистых оснований гуанин-цитозин: ^Г-Ц/_Ц-Г Авторам удалось закристаллизовать динуклеотид Г-Ц. И вот рентгенограммы кристаллов этого динуклеотида позволили прямым путем "увидеть" повторяющийся элемент двойной спирали.

Геометрия любой части двойной спирали практически одна и та же. А это значит, что представления о двухтяжевой модели РНК оказываются правильными. Чрезвычайно любопытно, что, по данным этих ученых, транспортная РНК представляет собой спирально сплетенную молекулу, причем сплетенную в форме Г-образного крючка. Размер восемь миллионных долей миллиметра.

А почему в природе существует столько рибонуклеиновых кислот? Не одна, не пять, не десять, а значительно больше?

Чтобы ответить на эти вопросы, надо рассказать о биологической роли нуклеиновых кислот. Открытие, которое произвело революцию в биологии в XX веке, фактически состоялось во второй половине прошлого века. Но биологическая значимость нуклеиновых кислот оставалась неясной практически до самого последнего времени.

Шли сороковые годы нашего столетия. И вот фактически одновременно в нескольких странах ученые обнаружили интересное явление. В Советском Союзе Б. Кедровский, в Бельгии - Д. Браше, в Швеции - Т. Касперсон заметили, что в тех местах ткани, где синтез белка идет более интенсивно, и нуклеиновых кислот больше. Сегодня участие нуклеиновых кислот в биосинтезе белка неопровержимо доказано.

Как известно, строительным материалом для биосинтеза белка служат аминокислоты. Но для того чтобы строительный матерлал можно было использовать, аминокислоты должны быть активированы. Этот процесс идет при обязательном участии аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), богатого свободной энергией соединения. Затем активированная аминокислота реагирует с транспортной РНК (т-РНК). Каждая индивидуальная аминокислота имеет персональную т-РНК. Из этого следует, что т-РНК должно быть никак не меньше, чем самих аминокислот. т-РНК транспортирует аминокислоту к местам синтеза белковой молекулы. Синтез белка происходит в крошечных по размеру специальных клеточных образованиях, которые называются рибосомами. Любопытно, что сами рибосомы состоят на 55-65 процентов из РНК и на 35-45 из белка. Рибосомы вполне можно уподобить настоящему конвейеру по сборке белковых молекул.

Если в молекуле ДНК "записана" наследственная информация, то при синтезе белка эта информация должна передаваться с помощью какого-то посредника. В 1961 году настоящую научную сенсацию произвело сообщение Ф. Жакоба и Ж. Моно, которые объявили о существовании такого "посредника". Им оказалась молекула РНК, которая, в свою очередь, синтезировалась на молекуле ДНК. В этом случае молекула ДНК служила настоящей матрицей, на которой строилась молекула рибонуклеиновой кислоты.

Эта РНК - посредник - получила название информационной РНК, или сокращенно м-РНК. "М" - начальная буква английского слова "месиндже" - "посыльный". Функция м-РНК состоит в том, чтобы извлекать информацию оттуда, где она хранится, и доставлять туда, где она используется.

...И ее родные сестры

М-РНК характеризуется высокой степенью метаболизма, или, иначе, высокой подвижностью. Она способна образовать с ДНК молекулярные комплексы, а ее первичная структура соответствует структуре определенных участков ДНК. Отсюда следует важный вывод: истинной матрицей для синтеза белка служит посредник, который переносит информацию от ДНК к рибосоме.

При синтезе белка из аминокислот сначала образуются полипептидные цепи. Биохимики полагают, что синтез полипептидной цепи происходит на рибосоме. Но как, пока никто сказать точно не может.

В самом общем виде процесс идет так. Первая стадия белкового синтеза - стадия активации. При этом аминокислота взаимодействует с соответствующей ей транспортной РНК за счет энергии, содержащейся в молекуле аденозинтрифосфорной кислоты. Затем подготовленная таким образом аминокислота, как баржа на буксире, транспортируется к месту сборки белковой молекулы, к рибосоме. Нос этого "буксира" непростой. Он чем-то напоминает ключ, который будет искать свою "замочную скважину" на молекуле информационной РНК. Найдя свое место на молекуле м-РНК, т-РНК прикрепляется к нему и продолжает удерживать доставленную аминокислоту. К ней подходит последнее звено строящейся полипептидной (белковой) цепи. Аминокислота "отцепляется" от транспортной РНК и присоединяется к белковой молекуле. Одновременно с этим информационная РНК перемещается по рибосоме и готовится к встрече с новой аминокислотой, которая будет доставлена другой транспортной РНК.

Рост полипептидной цепи (четвертая стадия) заканчивается, когда соответствующий "сигнал" о прекращении синтеза поступает от той же информационной РНК. Полипептидная цепь отделяется от рибосомы.

Одним из лучших доказательств любой биохимической гипотезы является возможность провести процесс, характерный для живой

клетки, в пробирке, на лабораторном столе. Сегодня удается воспроизвести биосинтез белка в бесклеточных системах. Однако если для этих целей взять аминокислоты, рибосомы, транспортную РНК, информационную РНК, некоторые активирующие ферменты и кое-какие добавки, то биосинтез будет идти в значительно меньших количествах и с меньшей скоростью, чем в живой клетке. А это свидетельствует, что наша схема биосинтеза белка, по-видимому, не является универсальной.

Всем известно, что такое код, в самом обычном значении этого слова. Когда мы говорим о "генетическом коде" ДНК, то подразумеваем последовательность нуклеотидов в ее молекуле. В конце концов, именно это определяет, почему из оплодотворенной женской яйцеклетки формируется человеческий зародыш, из яйца курицы вылупляется цыпленок, а из макового зернышка вырастает мак.

И вот что важно помнить: последовательность нуклеотидов в молекуле ДНК определяет последовательность аминокислот в любой молекуле белка. Сначала нуклеотидный код ДНК (или, иными словами, генетический код) передается на информационную РНК. По предложению Ф. Жакоба и Ж. Моно этот процесс называют транскрипцией.

Затем нуклеотидный код информационной РНК воплощается в определенной последовательности аминокислот при синтезе белка. Этот процесс специалисты по молекулярной биологии называют трансляцией. С помощью остроумных и тщательно выполненных исследований было показано, что включение молекулы аминокислоты в молекулу белка кодируется определенной комбинацией трех нуклеотидов. Нередко разные комбинации нуклеотидов кодируют включение в молекулу белка одной и той же аминокислоты.

Считают, что в каждую секунду к растущей белковой цепи присоединяются две аминокислоты. Для синтеза молекулы белка требуются минуты. А для построения гигантской молекулы ДНК необходимо несколько часов.

Возникает вопрос: а является ли схема белкового синтеза настолько универсальной, чтобы объяснить все стороны синтеза белка в организме млекопитающих и растений? Конечно, нет. Схема синтеза белка, о которой говорилось выше, получила широкое распространение. Но в то же время исследователи помнят, что она была разработана на основании экспериментов с бесклеточными, изолированными системами, полученными из микроорганизмов.

В лаборатории известного советского ученого-биохимика, вице-президента Академии наук СССР Ю. Овчинникова висит забавный, но полный глубокого смысла плакат, талантливо нарисованный кем-то из младших научных сотрудников. Первобытный человек, одетый в косматые звериные шкуры, палицей замахнулся на маленькую, хрупкую и беззащитную молекулу. Несмотря на выдающиеся успехи молекулярной биологии, исследователи считают, что работы по изучению белковой молекулы достигли в своем развитии примерно уровня охоты людей каменного века на мамонта. Так что эпоха "великих географических открытий" в молекулярной биологии только начинается.