РНК — однонитевые полимеры с массой до 4 миллионов дальтон

В начале 60-х годов появились и первые сведения об участниках самого процесса белкового синтеза. В цитоплазме клеток были обнаружены молекулы рибонукленовой кислоты («РНК»), очень похожие по своему составу и строению на ДНК. Они представляют собой тоже цепочки чередования четырех нуклеотидов — таких же, как в ДНК, за исключением одного из них, впрочем, отличающегося лишь незначительно. Главное отличие заключается в том, что в состав нуклеотидов ДНК входит некий «сахар» — дезоксирибоза, а в нуклеотидах РНК его место занимает рибоза, имеющая на одну ОН-группу больше.

Часть молекул цитоплазменных РНК оказались довольно крупными и нестабильными («короткоживущими»). Притом определенно однонитевыми. Поскольку в клетке синтез одних ферментов может сменять синтез других (рост, изменение питания и пр.), в этих нестабильных молекулах РНК заподозрили переносчиков наследственной информации от ДНК к белку. Их назвали «информационными» (иРНК). Гипотеза о механизме редупликации ДНК подсказывала возможный способ считывания и переноса этой информации. Можно было предположить, что на участке ДНК, кодирующем синтез определенного белка (на участке «гена»), по шаблону нити, которую мы ранее назвали «защитной», синтезируется молекула иРНК. Очевидно, что последовательность нуклеотидов в ней будет точно повторять последовательность кодирующей нити. Таким образом, информация на синтез определенного белка перейдет на иРНК, и вместе с ней может быть из ядра перенесена в цитоплазму. Разумеется, в этом случае нити ДНК тоже должны разойтись, хотя бы на участке гена.

Кроме крупных молекул иРНК (ген может насчитывать несколько тысяч нуклеотидов) в цитоплазме были найдены малые (длиной менее сотни нуклеотдиов) и стабильные молекулы РНК. Им приписали роль переносчиков аминокислот к месту синтеза белка и потому назвали «транспортными» (тРНК).

Само место синтеза были основания связать с обнаруженными в цитоплазме с помощью электронного микроскопа довольно крупными, — порядка 25 тр. в диаметре, — частицами, которые были названы «рибосомами». (В их составе оказались и белки, и какие-то еще специфические РНК.) Однако до ясного понимания механизмов ферментативного катализа, редупликации ДНК и белкового синтеза было еще очень далеко.

Впрочем, одно поразительное открытие было уже сделано. Хотя описанные выше представления об основных процессах жизнедеятельности еще были только рабочими гипотезами, обоснование этих гипотез можно было с равным успехом почерпнуть из изучения любых живых организмов от бактерий до человека. Во всех случаях белки, ДНК и РНК имеют примерно одинаковый элементарный состав и представляют из себя одинаково построенные цепи соответственно из 20-ти свободно чередующихся аминокислот или 4-х нуклеотидов. Даже размеры белков, несмотря на различие размеров целых организмов, оказались одного порядка величины. (Чего нельзя сказать о ДНК, что и понятно, поскольку необходимое количество наследственной информации напрямую связано со сложностью организма). Было показано, что целый ряд ферментов, катализирующих одни и те же реакции в клетках высших и низших организмов, по своим физическим и химическим параметрам похожи друг на друга. И даже порой оказывались взаимозаменяемыми в реакциях, осуществляемых «in vitro» (в пробирке). Имелись также достаточные основания предполагать, что редупликация ДНК и синтез белка в любых живых клетках происходят сходным образом. Природа оказалась очень экономной в отборе средств реализации жизни!

Все изложенное выше показывает, что хотя к середине прошлого века наука о молекулярной природе жизни («молекулярная биология») достигла немалых успехов, перед ней встал целый ряд трудных проблем. Для понимания работы ферментов надо было найти способы выделения и очистки индивидуальных белков, затем расшифровать всю последовательность образующих эти белки аминокислот. Для каждого из ферментов определить его пространственную структуру, состав и конфигурацию активного центра. Для проверки гипотезы генетического кода необходимо было найти способы тщательной очистки ДНК, определения последовательности нуклеотидов в ней и границ генов. Еще более сложные задачи предстояло решить для понимания механизмов редупликации ДНК, считывания наследственной информации, зашифрованной в генах, способа передачи ее к местам синтеза белка (рибосомам?) и, наконец, самого механизма этого синтеза, управляемого последовательностью кодирующих троек (?) нуклеотидов в гене. При этом следовало ожидать обнаружения целой гаммы специальных ферментов и регуляторных факторов, осуществляющих все эти процессы. Их предстояло выделить, очистить и всесторонне охарактеризовать.

Вскоре стало ясно, что для разрешения этих сложных проблем арсенала чисто химических методов исследования явно недостаточно. Биологам и биохимикам необходимо было воспользоваться современными физическими методами исследования. Такими, как электрофорез, ультрацентрифугирование, гель-фильтрация, жидкостная хроматография, использование флуо-ресцентных меток, радиоактивных изотопов, рентгеноструктур-ного анализа. Все это — названия тем и разделов предлагаемого курса. Исторические обстоятельства сложились так удачно, что как раз в начале 50-х годов многие выдающиеся физики, не желавшие из гуманных соображений продолжать работать в области совершенствования атомного оружия, пришли в биологию. Этот процесс начался в США и вскоре продолжился в Западной Европе и Советском Союзе.

Историю развития физических методов исследования в биологии за вторую половину XX века можно условно разбить на два этапа, 1-й этап — до 1980 года. В это время физические методы развивались и модифицировались для нужд молекулярной биологии. Количества исходного биологического материала, которые требовались для применения этих методов, измерялись граммами или, в лучшем случае, миллиграммами, 2-й этап — с 1980 г. до конца века. Бурное развитие «генной инженерии», как методического подхода, потребовало перехода на работу с микрограммовыми количествами биологического материала. А также — автоматизации и роботизации рутинных исследований, требующих подчас одновременного проведения сотен однотипных операций. Для обработки тысяч экспериментальных данных были созданы специальные компьютерные программы.

Плодотворное использование в биологических экспериментах современных физических методов не терпит бездумного копирования описанных в научной литературе процедур. Результаты, получаемые этими методами, слишком сильно зависят от выбора биологического объекта, качества химических реактивов, рабочих характеристик имеющихся в наличии приборов и множества других объективных факторов. Для их учета и осмысленного выбора условий эксперимента необходимо понимание физической сущности каждого используемого метода.