Е. Котина
Недостающее звено

О том, как швейцарец Иоганн Мишер в 1868 году выделил нуклеин из клеток гноя, мы говорили в прошлый раз. Но то, что Мишер и его последователи называли нуклеином, представляло собой не одно вещество, а как минимум два — ДНК и РНК. Известный немецкий химик Альбрехт Коссель в 1879 году начал работы по идентификации в нём азотистых оснований — гуанина, аденина, тимина и цитозина. (За эти работы в 1910 году он получил Нобелевскую премию по медицине). Углеводы нуклеина впервые выделил выдающийся биохимик Фоэбус Арон Левей (1869–1940), который родился в России, затем переехал в Америку. В 1909 году Левей получил рибозу нуклеина, а дезоксирибозу — спустя ещё двадцать лет.


Рис. 1.  Цепочка РНК (кружками обведены отличия от ДНК)
В то время учёные различали тимусную (полученную из бычьего тимуса) и дрожжевую нуклеиновую кислоту. Считалось, что дрожжевая содержит рибозу вместо дезоксирибозы и урацил вместо тимина (который, к слову, и получил своё название от тимуса). Так получалось потому, что клетки дрожжей имели обширную цитоплазму и активно росли, — теперь мы сказали бы, что „дрожжевые нуклеины“ содержали больше РНК, чем тимусные. Но тогда это считалось различием между растительным и животным миром. В 1937 году в этот вопрос внёс ясность Роберт Фельген — автор цветной реакции, окрашивающей дезоксирибозу в розовый цвет. Он показал, что ядра клеток проростков ржи, так же, как и клеток тимуса, содержат дезоксирибозу и, стало быть, разница между двумя нуклеиновыми кислотами вовсе не связана с их растительным или животным происхождением. Кстати, впервые выделил ДНК из растений А.Н. Белозерский.

После открытия двойной спирали встал вопрос а зачем нужна РНК? Было известно, что ДНК находится в ядре и что белки синтезируются в цитоплазме. Естественно, возникло предположение, что РНК и есть то самое недостающее звено, которое таскает информацию из ядра в цитоплазму. С одной стороны, она способна спирализоваться с нитью ДНК и копироваться на её матрице, а с другой стороны, замечена вне ядра. Из этого предположения Фрэнсиса Крика в конечном счете выросла центральная догма молекулярной биологии „ДНК РНК белок“.

Удивительно, всё отличие в одной гидроксигруппе и одном азотистом основании, а какие разные судьбы (рис. 1)! Цепочка РНК легко складывается петлями и шпильками (образует двойную спираль сама с собой), порождая трёхмерные структуры. Что из этого следует, мы посмотрим чуть позже, а пока пойдём с самого начала — от ДНК.


Рис. 2.  „Рождественские ели“
Синтез РНК на матрице ДНК называется транскрипцией. Этим занимаются ферменты РНК-полимеразы (у кишечной палочки такой фермент один, а у ядерных организмов, эукариот их три вида). Когда РНК, очень нужная организму, синтезируется в срочном порядке и по одному участку ДНК ползут одна за другой много РНК-полимераз, под микроскопом можно видеть поучительное зрелище так называемые „рождественские ёлки“, Christmas-trees по-английски (рис. 2). Хотя больше они похоже на хвощи самые короткие РНК — в начале гена, дальше — длиннее, в конце — полноразмерные, во всю длину кодирующей последовательности.

Итак, в цитоплазму выходят матричные РНК (мРНК), кодирующие белки. Здесь самое время вспомнить, что гены у бактерий и у высших организмов устроены по-разному. Гены бактерий (а также их вирусов — бактериофагов) организованы в опероны — расположены последовательно, один за другим, и считываются на одну мРНК. Как нетрудно догадаться, продукты генов одного оперона обычно связаны функционально. Это могут быть, например, ферменты, проводящие цепочку химических превращений от субстрата до продукта, если не будет хотя бы одного фермента, ничего не выйдет.

В фантастическом романе Сергея Лукьяненко „Геном“ рассказывается о манипуляциях с „оперонами“ генома человека. Роман замечательный, перспективы открывает захватывающие, вот только оперонная организация генов для эукариот, в том числе для человека не характерна. Опероны бывают только у прокариот, они и открыты были впервые у кишечной палочки. У нас, ядерных организмов, одна мРНК, как правило кодирует только один белок.




Рис. 4.  Транспортная РНК:
а) „клеверный лист“ — обобщённая вторичная структура (все тРНК содержат модифицированные азотистые основания, такие, как псевдоуридин („пси“) или дигидроуридин, — по ним и названы боковые ветви), квадратиками обозначены нуклеозидные остатки, занимающие одно и то же положение во всех тРНК;
б) аминоацил-тРНК — остаток аминокислоты (в прямоугольнике), ковалентно прикреплённый к акцепторной ветви тРНК;
в) трёхмерная структура дрожжевой фенилаланиновой тРНК (по: Ким и др., „Science“, 1974, т.185, с.436)
Хочется спросить, почему эволюция отказалась от такого простого и удобного „блочного“ способа регуляции? Разве плохо, если все нужные в конкретный момент гены включаются одновременно, одним сигналом, копируются на одну РНК и затем одновременно же синтезируется весь набор нужных белков? Очевидно простота не всегда удобна. Что хорошо для бактерии, не годится для человека или пшеничного колоса. Наши эукариотические гены регулируются сложными каскадами биохимических реакций, откликаются на сигналы извне и на собственные нужды клетки, причём не по принципу „да или нет“ а плавно изменяя активность. Часто мРНК включает в себя „инструкцию“ насколько интенсивно должен синтезироваться белок.

Характерная особенность эукариотической матричной РНК — то, что она содержит интроны, длинные вставки, не кодирующие никакой участок белка. Интроны ещё надо вырезать перед тем, как синтезировать белок, а кодирующие участки, экзоны, сшить (этот процесс называется сплайсингом).


Рис. 3.  Рибосома состоит из двух субчастиц — большой и малой. Белок они синтезируют вместе, практически „в обнимку“, а в свободное время могут и разъединяться
В середине века молекулярных биологов смущало одно обстоятельство. Если РНК — молекула-посредник, почему её нуклеотидный состав сильно отличается от состава ДНК? И почему он сходен у разных видов, хотя их ДНК заметно различаются? Кроме матричных РНК есть ещё две важные разновидности — рибосомные и транспортные, рРНК и тРНК. Транспортные РНК — молекулы-адапторы. Это РНК с ДНК может взаимодействовать по принципу комплементарности, основание к основанию. А вот аминокислоты на нуклеотидные триплеты по форме не очень-то похожи, так что собирать белковую цепочку просто на цепочке РНК не получится. Здесь нужен не один фермент и даже не пять или десять, а целая фабрика. Эта фабрика белкового синтеза и есть рибосома (рис. 3).

Специальные ферменты привешивают аминокислотные остатки к тРНК, которые имеют вторичную структуру „клеверного листа“ (рис. 4). В среднем „листочке“ находится антикодон — тринуклеотид, комплементарный кодону РНК, который соответствует этой аминокислоте. На самом деле „клеверный листок“ тРНК свёрнут ещё и в трёхмерную структуру, похожую на букву L, с антикодоном на одном конце и аминокислотой на другом. Аминоацил-тРНК по очереди садятся на матричную РНК, и каждая предыдущая передаёт новой соседке растущий белок — каждый раз прибавляя очередную аминокислоту. Конечно, это всё происходит не в чистом поле, а на рибосоме, которая обеспечивает правильное положение мРНК и обеих тРНК — той, которая с синтезируемой цепочкой, и новой, — а также уход освободившейся тРНК, и перемещение на её место новой, с белковой цепью, удлинившейся на одну аминокислоту, и посадку очередной аминоацил-тРНК на следующий кодон. Мини-фабрика и есть (рис. 5).

Рибосома невелика, но устроена сложно. Структура её изучена в мельчайших подробностях (здесь большой вклад внёс пущинский Институт белка РАН). Если ещё двадцать — тридцать лет назад субчастицы рибосомы рисовали в виде симпатичных гладеньких штучек, похожих на глиняные свистульки, то теперь их поверхность покрылась буграми и впадинами, и за каждым элементом рельефа — научный труд. Редкий студент бывает полностью готов к экзамену по рибосоме! Белки в составе рибосомы, белки-факторы, помогающие на различных стадиях её работы… А ещё рибосомные РНК (рРНК) — каркас внутри субчастиц. (Именно они составляют 80% суммарной клеточной РНК — вот поэтому она и отличается по составу от ДНК, ведь рибосомных генов в геноме гораздо меньше, чем их РНК-копий. Впервые это установили в 50-е годы наши соотечественники А.Н. Белозерский и А.С. Спирин.)

Что характерно — если начать „разбирать“ рибосому, отсоединяя от неё белки, она будет продолжать работать. Правда, всё хуже и хуже. Можно раздеть её практически до „голой“ РНК, но она не перестанет присоединять аминокислоты к белку. И здесь получается, РНК самая важная — белки только улучшают её свойства.


Рис. 5.  Трансляция — синтез белка на рибосоме. Субъединицы грациозно покачиваются, как бы танцуя танго, а белок растёт и растёт…
Всё это располагает к теоретизированию. Разглядывая систему репликации — транскрипции — трансляции, поневоле спросишь: как это могло возникнуть само по себе в ходе эволюции? Белок не кодирует и не воспроизводит информацию, ДНК не катализирует реакций — одно не может без другого, но, если белок и ДНК случайно появились одновременно, это уж против всякой теории вероятности! Так что же было в начале? Один из возможных ответов — в начале была РНК. Именно она — то самое таинственное недостающее звено между живым и неживым.

Гипотеза „РНКового мира“ сейчас детально разработана. Обычно её связывают с именем Л. Оргела, но она привлекает и многих других учёных. РНК хранит и воспроизводит информацию, кодирует белковые последовательности (кстати, некоторые вирусы и по сей день имеют РНКовый геном), образует трёхмерные формы, РНК катализирует реакции — причём не только в рибосоме. В начале 80-х Томас Р. Чек с соавторами, изучая РНК простейшего Tetrahymena thermophila, открыли удивительную вещь. „К своему изумлению, мы обнаружили, что эта РНК может катализировать разрезание и сплайсинг самой себя, в результате чего из неё выщепляется небольшой фрагмент, — писал Чек в журнале „Сайентифик Америкен“ — Если забыть, что РНК не белок, РНК тетрахимены удовлетворяет классическому определению фермента“ Впоследствии подтвердилось, что рибозимы (так называли РНК-ферменты, от „рибонуклеиновая кислота“ плюс „энзим“) катализируют реакции и с другими молекулами РНК. Выходит, нет ничего необходимого для жизни, чего РНК не могла бы. Так что, может быть, самая главная молекула — и не ДНК вовсе?…

Химия и жизнь — XXI век

Статьи близкой тематики:
Дезоксирибону… и так далее.  Е. Котина.
Первые, они же белые.  М. Литвинов.
Сладкое топливо, прочные конструкции и другие углеводы.  М. Клейстер.
Жидкое золото организмов.  М. Литвинов.
Малые молекулы организмов.  М. Литвинов.
«Амины» с аминогруппами и без.  Е. Котина.
Жизнь начиналась с РНК.  Валентин Власов, Александр Власов.
Вначале была РНК?  С. Григорович.
Макс Планк, сплайсинг и футбол.  Е. Лозовская.


AthleticMed магазин спортивной медицины по низким ценам!
2007 Copyright © GenDNA.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. Партнёрская программа.
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования