Соответствие пуринов и пиримидинов

Две спиралевидные нити молекулы нуклеиновой кислоты удерживаются воедино с помощью водородных связей между пуринами и пиримидинами в той точке, где они сходятся в центре спирали.

Соответственно, возможны три варианта таких водородных связей: связь между двумя пуринами, связь между двумя пиримидинами и связь между пурином и пиримидином.

Поскольку пурин состоит из двух колец, а пиримидин — из одного, то сочетание «пурин-пурин» означало бы появление длинной цепочки из четырех колец от одной нити основы до второй, сочетание «пиримидин-пиримидин» — короткой цепочки из двух колец, а сочетание «пурин-пиримидин» — «средней» цепочки из трех колец.

Если бы в двойной спирали имели место все три варианта, то для осуществления каждого из них требовались бы разные расстояния между нитями. В модели Уотсона-Крика, построенной на основе данных, полученных в результате дифракции рентгеновских лучей, такая организация невозможна. По всей протяженности двойной спирали нити разделяет одно и то же расстояние. Соответственно, все связи должны принадлежать к одному из трех типов — либо «пурин-пурин», либо «пиримидин-пиримидин», либо «пурин-пиримидин».

Но если бы все связи в молекуле принадлежали исключительно к виду «пурин-пурин», то в ней не оставалось бы места пиримидинам, а если бы исключительно к виду «пиримидин-пиримидин», то куда деваться пуринам? Поскольку в природе еще не было обнаружено ни одной молекулы нуклеиновой кислоты, которая не содержала бы и пурины, и пиримидины, то оставалось только исключить вероятность наличия между нитями связей типа «пурин-пурин» и «пиримидин-пиримидин».

Соответственно единственно допустимым осталось сочетание «пурин-пиримидин». По всей длине спиралевидных нитей торчащему внутрь спирали пурину одной из них должен был соответствовать пиримидин другой, чтобы в середине молекулы их объединила водородная связь.

После этого уже легко было ответить на вопрос, какой именно из двух пуринов соединяется с каким именно из двух пиримидинов. Раз во всех исследованных молекулах нуклеиновой кислоты количество аденинов оказывается равным количеству тиминов (или урацилов), а количество гуанинов — равным количеству цитозинов, то понятно, что аденин всегда должен образовывать водородную связь с тимином или урацилом, а гуанин — с цитозином. Только это могло бы объяснить столь точные количественные соответствия веществ друг другу. Сочетание аденин-тимин приведено на рис. 48; сочетание гуанин-цитозин — на рис. 49.

Интересно, что и в сочетании аденин-тимин, и в сочетании гуанин-цитозин одна из двух водородных связей соединяет азот (N) и кислород (О). Если бы тимин связывался с гуанином, образовалась бы одна связь азот-азот (N-N) и одна связь кислород-кислород (О-О); если бы цитозин связывался с аденином, образовалось бы две связи N-N. То есть ни в одном из этих «неправильных» соединений не оказалось бы водородной связи N-O.

 

 

 

Рис. 48. Сочетание аденин-тимин

 

В итоге можно сказать, что поскольку расстояние между двумя сахаро-фосфатными нитями постоянно на всем протяжении молекулы, а пурины и пиримидины являются необходимыми ее составляющими, при этом существуют водородные связи типа N-O, то мы можем быть уверенными, что в молекуле имеются только сочетания аденин-тимин (или урацил) и гуанин-цитозин, и больше никаких.

 

 

Рис. 49. Сочетание гуанин-цитозин

 

Соответственно две спирали, объединенные в молекуле нуклеиновой кислоты, являются взаимодополняющими. Они не одинаковы — напротив, они являют друг другу, так сказать, «подходящие противоположности». Если нам удастся точно установить порядок нуклеотидов нити 1 некоей молекулы нуклеиновой кислоты, то мы сразу же сможем установить и порядок нуклеотидов нити 2 той же молекулы. Аденину нити 1 будет соответствовать тимин нити 2 и наоборот (в случае РНК вместо тимина будет урацил). Гуанину нити 1 будет соответствовать цитозин нити 2 и наоборот.

Для простоты давайте обозначим аденин как А, тимин — как Т, гуанин — как Г, а цитозин — как Ц. Тогда, если мы будем знать, что одна нить в цепочке ДНК будет иметь на некоем участке нуклеотидный рисунок АТТТГТЦЦАЦАГАТАЦГГ, то мы уже будем знать, что нуклеотидный рисунок второй нити на этом участке будет выглядеть так: ТАААЦАГГТГТЦТФТГЦЦ[28]. В этом отношении природа не менее разумна, чем мы с вами.

 

 

ДВА ЗА ОДИН

Модель двойной спирали, представленная Уотсоном-Криком, немедленно принесла свои плоды. Уотсон и Крик выдвинули идею о том, что при клеточном делении молекулы нуклеиновой кислоты, составляющие гены и хромосомы, реплицируются путем процесса, в котором каждая из двух имеющихся нитей служит моделью для своей пары.

Для простоты представьте себе молекулу ДНК, состоящую из двух нитей, в каждой их которых имеется только четыре нуклеотида. Так, нить А содержит: аденин, цитозин, аденин и гуанин — АЦАГ.

Тогда, естественным образом, получаем следующую нить В: тимин, гуанин, тимин, цитозин — ТГТЦ.

И вот они разделяются. Нить А выступает теперь как модель. Она подхватывает свободные нуклеотиды, легко вырабатываемые клеткой и всегда находящиеся под рукой в необходимом количестве и ассортименте.

Первый нуклеотид нити А — аденин, и он автоматически образовывает водородную связь с молекулой тимиловой кислоты. Это происходит само собой. Все молекулы клетки — участники хаотического бесцельного движения, и, влекомые этим движением, они то и дело сталкиваются с получившимся свободно торчащим аденином. С некоторыми из них у аденина в таких случаях может образоваться водородная связь. Однако наиболее стойкой такая связь окажется лишь в том случае, если на аденин наткнется именно тимин. Тимин вытеснит любую другую молекулу, если к тому времени та уже успеет связаться с аденином, а сам уже не будет вытеснен ничем. По прошествии промежутка времени, крайне малого по нашим человеческим меркам (порядка одной тысячной секунды или даже меньше), но достаточно долгого, чтобы за него успели произойти миллионы столкновений на молекулярном уровне, тиминовая часть тимидиловой кислоты будет прочно закреплена на освободившемся аденине.

Таким же образом и второй нуклеотид нити, цитозин, свяжется с гуаниловой кислотой. Короче говоря, последовательность АГАЦ отделившейся нити А сама поспособствует формированию последовательности ТГТЦ вдоль себя. Тем временем отделившаяся нить В сформирует вдоль себя последовательность АГАЦ, аналогичную нити А. И вместо изначальной двойной спирали мы получим две точно такие же, как это изображено на рис. 50.

 

 

Рис. 50. Репликация

 

Модель строения и репликации нуклеиновой кислоты, предложенная Уотсоном и Криком, оказалась столь четкой и простой (ученые используют в таких случаях слово «элегантная») и при этом столь много объясняющей, что биохимическая общественность восприняла ее с восторгом. Ученые, в конце концов, ведь тоже люди — и если теория достаточно привлекательна, то она так и просится стать общепринятой.

И все же, сколь привлекательной ни была бы теория, необходимо иметь факты, свидетельствующие в ее поддержку.

Так вот, по модели репликации нуклеиновой кислоты, предложенной Уотсоном-Криком, получается, что сами отдельные Полинуклеотидные нити ДНК никогда не распадаются. Пара нитей может распадаться, и каждая нить начинает тогда ловить свободные нуклеотиды, чтобы построить из них себе пару, но сама она все время остается неизменной. Конечно, когда клетка умирает, все ее полинуклеотиды распадаются, но пока клетка жива — этого не происходит.

Соответственно, осталось поставить эксперимент, результат которого будет одним в том случае, если нить распадается, и другим — если она остается нетронутой. Такой эксперимент и был проведен в 1958 году. Была выращена линия бактерий в среде, содержащей в большом количестве тяжелый изомер атома азота (так называемый азот-15, в противоположность обычному азоту-14). Этот изомер легко обнаруживается современными средствами. Бактерии постепенно внедряли азот-15 в различные синтезируемые ими вещества, и в частности — в новые полинуклеотидные цепочки. После очень долгого периода культивирования этих бактерий уже практически все их полинуклеотидные цепочки содержали азот-15. Обозначим каждую молекулу нуклеиновой кислоты, содержащую две нити с азотом-15, как «15-15».

Наконец, некоторое количество бактерий с ДНК «15-15» перенесли в среду, содержащую обычный азот-14, и дали прожить там ровно два поколения. Что же должно было по идее произойти?

Если полинуклеотидные нити расщепляются на мелкие фрагменты, вплоть до отдельных нуклеотидов, а затем объединяются заново, то все полинуклеотидные нити, образованные в течение этих двух поколений, должны содержать азот-15. Разумеется, его содержание будет разбавлено притоком обычных атомов азота-14, так что в каждой из нитей азота-15 будет меньше, но присутствовать он должен в каждой. Нуклеиновые кислоты должны оставаться такими же — «15-15», и никаких различий между ними наблюдаться не должно.

Если же представление Уотсона-Крика верно и нити не распадаются, то при первой репликации нуклеиновые кислоты «15-15» распадутся на две нити «15». Каждая из них построит себе в пару новую нить; однако эти новые нити будут содержать уже не азот-15, а азот-14, так что нуклеиновые кислоты нового поколения будут состоять из одной старой нити и одной новой, то есть все будут выглядеть как «15-14».

При второй репликации две нити новой нуклеиновой кислоты опять разделятся. На этот раз половина из них будет «15», а вторая половина — «14». Так что третье поколение нуклеиновых кислот будет наполовину состоять из кислот «15-14», а наполовину — из «14-14».

По прошествии двух поколений нуклеиновые кислоты были подвергнуты внимательному изучению, и действительно обнаружилось, что они делятся на две группы — в молекулах одной имеется азот-15, а в молекулах второй — нет. Такие же результаты были получены и в экспериментах, проведенных в Национальной лаборатории в Брукхевене, только там в качестве подопытных материалов использовались клетки растений и радиоактивный водород. В итоге опять же одни хромосомы оказались радиоактивными, другие — нет.

Все это, конечно, не может однозначно доказать правоту гипотезы Уотсона-Крика, но определенно говорит в ее пользу. Если бы результаты оказа-лись иными — скажем, все вновь создаваемые нуклеиновые кислоты оказались бы «15-15», — то на схеме репликации, предложенной Уотсоном-Криком, можно было бы ставить крест.

На самом деле все исследования, проводимые с тех пор, как Уотсон и Крик выдвинули свою теорию, только подтверждали ее, и вряд ли сейчас найдется биохимик, все еще не согласный с этой теорией.

Правда, известно несколько вирусов, которые содержат молекулы нуклеиновой кислоты, состоящие из единой полинуклеотидной нити, и они тоже каким-то образом реплицируются. Видимо, их репликация происходит в два этапа: сначала эта единая нить создает свою пару, а потом уже эта пара формирует дубликат изначальной нити.

Это явно менее эффективный способ, чем использование стандартных двойных спиралей, поскольку половина образуемых при нем нитей не идет в дело. Так что метод единой нити, хоть и вполне рабочий, используется лишь крайне ограниченным числом вирусов. У большей части вирусов и, насколько известно, у всех клеточных организмов спираль двойная.

Одним из следствий репликационной модели Уотсона-Крика является то, что в течение всей жизни организма полинуклеотидная нить не подвергается никаким изменениям. Той или иной нити повезет оказаться в яйцеклетке или сперматозоиде, откуда она продолжит движение в новый организм, где проживет еще одну жизнь. По этой теории вполне возможно, что сейчас где-то на земле существуют полинуклеотидные нити, прошедшие через бесчисленное количество поколений с самого момента зарождения жизни.

Хотя это, конечно, маловероятно. Большинство полинуклеотидных нитей прекращают свое существование вместе с организмом; лишь незначительное меньшинство их попадают в оплодотворенную яйцеклетку, чтобы прожить еще одну жизнь. С большой вероятностью все полинуклеотидные нити этого меньшинства — вторичные, сформировавшиеся уже по ходу жизни родителя. Так что, скорее всего, на земле сейчас существует очень мало полинуклеотидов старше ста лет.

Тем не менее сама теоретическая возможность существования прямо сейчас нити-партриарха, помнящей еще молодость Земли, представляет собой завораживающий пример неразрывного единства всего живого.

 

 

ОШИБКИ

Всегда ли репликация происходит идеально? А есть ли вообще что-нибудь, что всегда происходило бы идеально? Предположим, есть нить А, у которой в определенном месте находится тимин, и похоже, что сейчас сюда будет присоединен аденин. Но вдруг вместо него появляется соответствующим образом ориентированный гуанин и образовывает водородную связь. Остается вероятность, что аденин не успеет появиться достаточно быстро, чтобы выбить его, и линия нуклеотидов раньше объединится в новую нить, прочно закрепив гуанин на не предназначенном для него месте.

В этом случае нити пары будут не совсем соответствовать друг другу, вместо A-В мы будем иметь А -В'.

При следующей репликации пара нитей разделится. Нить А сформирует другую нить, на этот раз полностью соответствующую образцу, поскольку ошибки встречаются редко, и практически никогда два раза подряд. И В' тоже сформирует нить, соответствующую своему образцу — А' где

новообретенный гуанин вставит себе в пару цитозин вместо положенного в А тимина.

Это означает, что при репликации нуклеиновой кислоты А-В' будут созданы две разных нуклеиновых кислоты, A-В и В'-А'. В дальнейшем и та и другая будут размножаться путем новых репликаций — не учитывая, естественно, возникновения новых ошибок.

Нуклеиновая кислота В'-А' будет способствовать выработке не того же фермента, что A-В. Это уже, строго говоря, другой шаблон — генетический код подвергся изменению. Присутствие нового фермента внесет помехи в работу химического механизма клетки, и мы будем иметь дело с мутацией — наличием у дочерней клетки характеристик, не свойственных родительской. По мнению некоторых специалистов, именно мутациям мы обязаны появлению клеток с нарушенной регуляцией клеточного деления. Такие дефектные клетки делятся безостановочно, их количество бесконечно возрастает — такое явление мы называем раком.

Если эта новая нуклеиновая кислота А'-В' окажется в сперматозоиде или яйцеклетке, а впоследствии — в оплодотворенной яйцеклетке, то она будет присутствовать во всех клетках нового организма (не учитывая возникновения новых ошибок), так что мутация коснется не отдельных клеток, а всего организма в целом.

Мутацию может вызывать и «закольцовывание» нитей в процессе репликации. Для идеальной репликации нужно, чтобы все нуклеотиды каждой из нитей были открыты для бомбардировки свободными нуклеотидами, чтобы каждое звено цепочки могло найти для себя соответствие.

Однако предположим, что нить «закольцевалась» таким образом, что замкнутые в петлю звенья цепочки вышли из строя. В норме нить, имеющая секцию, скажем, ЦТАГ, должна выстроить соответствующую ей секцию ГАТЦ. Однако же если часть ТА замкнулась в кольцо, а находящиеся по краям от нее Ц и Г сошлись рядом, то будет образована часть второй нити, составляющая всего лишь ГЦ. И опять же, эта дефектная нить при следующей репликации сформирует себе столь же дефектную пару; в получившейся таким образом молекуле нуклеиновой кислоты часть ТА будет безвозвратно утеряна.

Еще одной причиной возникновения мутации может стать изменение нуклеотидов отделившейся нити нуклеиновой кислоты под воздействием определенных химически активных веществ, оказавшихся в зоне репликации. В ходе репликации нуклеотиды окажутся увековеченными именно в таком измененном виде — снова мутация!

Любой фактор окружающей среды, приводящий к мутации, называется мутагеном. Нагревание — мутаген, поскольку на материале бактерий и плодовых мух было обнаружено, что с повышением температуры повышается и процент мутаций. Возможно, причиной тому ослабление с увеличением температуры и без того не очень сильных водородных связей. Разница в силе водородных связей, образовываемых нуклеотидом со своей положенной парой и другим веществом, таким образом, оказывается менее значительной. Тогда увеличивается вероятность, что «положенный» аденин не сможет выбить с предназначенного ему места застрявший там гуанин, — а следовательно, И вероятность мутации.

Еще один сильный мутаген — радиация. Сюда входит и солнечный ультрафиолет, и рентгеновское излучение, а также множество видов излучения, испускаемого радиоактивными веществами. Воздействие любой из этих радиаций приводит к образованию в клетке свободных радикалов — фрагментов разрушенных молекул, чаще всего — молекул воды, поскольку их количество сильно превышает количество всех остальных молекул в организме.

Свободные радикалы очень агрессивны, они соединяются практически с любой молекулой, которая окажется на их пути, изменяя ее при этом. Если их образуется много, то возрастает и вероятность того, что один из них наткнется и на молекулу нуклеиновой кислоты и изменит ее. Результатом будет опять мутация.

Если доза облучения чересчур велика, то генетический код жизненно важных клеток может оказаться поврежденным до такой степени, что клетки перестанут выполнять жизненно важные функции. Это приводит к лучевой болезни и смерти. Именно такую опасность несут в себе радиоактивные осадки.

Существуют и химические вещества, которые увеличивают риск мутации, соединяясь с нуклеиновой кислотой и изменяя ее структуру. Самым известным из химических мутагенов является печально известный после Первой мировой войны газ иприт и родственные ему газы класса «азотистые иприты».

Мутации будут случаться даже в самой мягкой и заботливой среде, поскольку полное устранение мутагенов невозможно. Солнце постоянно облучает все живое ультрафиолетом; земля, море и воздух имеют естественный радиационный фон; извне Земля постоянно подвергается бомбардировке космическими лучами. И в каждый процесс репликации всегда может вмешаться случай.

Иными словами, ошибки будут происходит всегда, и мутации будут случаться. Есть, к примеру, такая болезнь — гемофилия, при которой кровь не сворачивается, так что больной может истечь кровью от малейшей царапины. Причина ее — «врожденный порок», ошибка химической фабрики организма. Больной гемофилией с рождения не способен производить некий фермент или ферменты, необходимые для того или иного этапа крайне сложного процесса образования тромбов. Как правило, подобная неспособность к выработке фермента по причине дефектной молекулы нуклеиновой кислоты в хромосоме является наследственной. Тем не менее, мутация может привести к развитию такого заболевания и у ребенка здоровых родителей. В среднем вероятность подобной мутации — один случай на тридцать тысяч родов. Кстати, мутация может и не проявляться — так, по причинам, в которые я сейчас вдаваться не буду, девочки, в отличие от мальчиков, могут являться носителями гена и при этом их кровь будет нормальным образом сворачиваться.

Но мутации — это не только разрушительные ошибки. Некоторые изменения могут, в редчайших случаях, сослужить организму добрую службу, поспособствовав лучшей его адаптации к окружающей среде. Именно мутациям мы обязаны эволюционированию путем естественного отбора. Так, сто лет спустя после того, как Дарвин сформулировал свою теорию на основе усердного изучения живых организмов, ученые подтвердили ее на молекулярном уровне.

 

 

РУКОТВОРНЫЕ НИТИ

При репликации нуклеиновых кислот все разнообразные свободные нуклеотиды должны соединиться воедино, чтобы занять свои места по цепочке. Очевидно, это происходит в два этапа. Сначала к нуклеотиду присоединяется второй фосфат — так сказать, довеском к первому фосфату. В результате получается «дифосфат». Затем этот второй фосфат замещается соседним нуклеотидом, и таким образом два нуклеотида оказываются связанными воедино вторичной фосфатной группой. По мере того как подобное происходит по всей линии, образуется полинуклеотидная цепочка. Такую реакцию должен катализировать какой-то фермент. В 1955 году американский физик испанского происхождения Северо Очоа выделил из бактериальной ткани именно такой фермент. Добавление этого фермента в раствор дифосфатной разновидности нуклеотидов привело к сильному увеличению вязкости всего раствора. Он загустел и из раствора превратился скорее в желе — хороший признак формирования в веществе длинных и тонких молекул.

Если изначально взять соединения только одного типа, скажем, аденозиндифосфат (так называют адениловую кислоту, обладающую второй фосфатной группой), то формируется длинная полинуклеотидная цепочка адениловых кислот. Это полиадениловая кислота — ААААААА... Если изначально взять уридиндифосфат, будет синтезирована полиуридиловая кислота — УУУУУУУУ... И так далее. Если изначально взять два, три или четыре различных дифосфата, то и получившиеся в итоге полинуклеотидные цепочки будут содержать два, три или четыре компонента.

Сначала цепочки строятся медленно — имеется некоторый латентный период. Через некоторое время, когда часть цепочки сформирована, она выступает в качестве некоего ядра, вокруг которого цепочка формируется дальше, и реакция в целом ускоряется. Если в изначальный раствор добавить «для затравки» немного уже готового полинуклеотида, то латентного периода вообще не будет.

Если добавить в раствор аденозиндифосфата полиадениловую кислоту, быстро начинает формироваться новая полиадениловая кислота. Однако если в тот же раствор аденозиндифосфата добавить кислоту полиуридиловую, то это не ускорит процесса образования полиадениловой кислоты. Полиуриди-ловая кислота является в данном случае неправильным примером.

Очоа работал с РНК. Годом позже, в 1956 году, американский биохимик Артур Корнберг проделал то же самое в отношении ДНК. Он выделил фермент, способствующий формированию длинных полинуклеотидных цепочек из отдельных дезоксинуклеотидов, имеющих три (а не две) фосфатные группы. Такие нуклеотиды называют трифосфатами (примером трифосфата является уже упоминавшийся АТФ — аденозинтрифосфат. Однако он в своих экспериментах не создавал разновидностей ДНК из единого типа нуклеотидов (по крайней мере, в эксперименте с данным конкретным ферментом). Вместо этого цепочки ДНК создавались только тогда, когда в растворе были представлены все четыре различных нуклеотида. Более того, ДНК формировалась только тогда, когда в растворе, помимо трифосфатов, уже присутствовал пример ДНК с длинной цепочкой[29].

Очевидно, в лабораторных пробирках образование двух различных видов нуклеиновой кислоты проходит по-разному. РНК создается путем последовательного пристраивания нуклеотидов одного за другим, и строгой необходимости в шаблоне при этом нет. Образцы РНК способствуют лишь тем, что становятся ядрами, к которым могут крепиться новые нуклеотиды, а новые создаваемые цепочки являются копиями образцов, а не их «химическими парами». ДНК же, по всей видимости, даже в лабораторной пробирке размножаются с помощью репликации.

Такие различия кажутся вполне правдоподобными, поскольку это именно ДНК, а не РНК, является нуклеиновой кислотой, несущей характеризующие свойства генов и хромосом. Именно ДНК, а не РНК, является реплицирующимся материалом в клетках.

Неверно было бы утверждать, что молекула РНК не может реплицироваться, — может. Доказательством тому ряд простейших вирусов, в составе которых имеется только РНК, а ДНК нет вообще. Пример такого вируса — уже упоминавшийся вирус табачной мозаики, первый вирус, который удалось кристаллизовать. Проникнув в клетку листа табака, вирус принимается бурно размножаться внутри клетки, сотнями формируя новые молекулы вируса, каждая их которых содержит молекулу РНК, не похожую ни на одну из молекул РНК, имеющихся в клетке листа, но в точности повторяющую молекулу РНК проникшего в клетку вируса. Эти новые молекулы РНК могли сформироваться только в результате репликации.

Тем не менее очевидно, что формы жизни, в основе которых лежит репликация РНК, оказались не столь успешными, как те, что используют репликацию ДНК. Кроме простейших вирусов, примеров первых наука не знает; более сложные вирусы, а тем более — клеточные организмы все имеют в основе своей жизнедеятельности репликацию ДНК.

Однако, тем не менее, РНК, как и ДНК, тоже имеется во всех клетках живых организмов, и свойства РНК у каждого вида живых существ свои. Как же специфические молекулы РНК могут передаваться из поколения в поколение без репликации?

Кажется, ответ заключается в том, что молекулы РНК могут формироваться с использованием в качестве модели молекулы ДНК. Годами биохимики принимали это предположение за наиболее вероятное, но четкие свидетельства в его пользу были получены только в 1960 году. Тогда было обнаружено, что молекулы ДНК могут служить образцами для формирования молекул РНК из рибонуклеотидов и даже для формирования молекулы РНК, парной для представленной молекулы ДНК. Если в качестве образца представлена ДНК, составленная из однородных нуклеотидов, например, полиокситимидиловая кислота (ТТТТТТ...), то формируется молекула РНК, также состоящая из однородных нуклеотидов. В данном примере это будет полиадениловая кислота (ААААААА...), поскольку парным элементом к тимину является аденин.

Если в качестве образца взята ДНК, имеющая в своем составе и дезокситимидиловую и дезоксиадениловую кислоты, то будет сформирована РНК, состоящая из парных к ним адениловой и уридиловой кислот. Насколько нам известно, адениловая кислота всегда формирует пару к дезокситимидиловой, а уридиловая — к дезоксиадениловой.

Подобное формирование парной РНК происходит в даже тех случаях, когда в среде имеются и другие нуклеотиды, не являющиеся химическими парами нуклеотидов образца. Иными словами, если в растворе имеются в наличии все четыре нуклеотида, то образец ДНК, составленный только из дезокситимидиловой кислоты, все равно будет выбирать из среды только адениловую кислоту.

Приведенные данные свидетельствуют не только в пользу гипотезы о производстве РНК по ДНК-образцам, но и лишний раз подтверждают правоту модели репликации по Уотсону-Крику в целом.

Соответственно наш вывод: ДНК является единственным носителем генетического кода клеточных организмов. Если РНК и несет в себе тот же код, то только потому, что получила его от ДНК.

В таком случае возникает вопрос: а зачем вообще живым организмам РНК? Если это — просто имитация, то для чего она сохраняется? Давайте рассмотрим этот момент поподробнее.

 

 

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, не важно, 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 годов 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, в которых происходит секреция 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 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[30], 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».

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[31].

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.

Мое личное рассуждение на этот счет таково: урацил служит не более чем «пометкой» РНК. Ведь обе нуклеиновых 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. «mitos» — нить, «chondrios» — 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 — начале 1950-х годов 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 годы 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 с

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: