Страница 52 из 88
Раскрытие этих взаимосвязей не было делом теоретических абстракций — оно основывалось на экспериментальных открытиях, на тысячах фактов, установленных в сотнях лабораторий. Теория и эксперимент шли рядом, попеременно обгоняя друг друга. Вопрос о роли РНК в синтезе белков, ее детерминирующая роль в создании специфичности были уже экспериментально решены, однако тонкий механизм этого процесса несколько лет был предметом теоретических построений. Затем года два назад быстрый экспериментальный прорыв начал отбрасывать одну за другой устаревшие гипотезы и схемы — в теорию складывались реальные факты, теория превращалась в открытие фундаментального значения — в открытие механизма синтеза белков.
Молекулярный механизм мутаций
Матрица — РНК — это полимер особого рода. Он состоит из сложных химических соединений — нуклеотидов. Таких нуклеотидов всего четыре: адениловый (А), гуаниловый (Г), цитидиловый (Ц) и урациловый (У). Однако из этих четырех нуклеидов складываются длинные цепочки, хорошо видимые в электронный микроскоп. Последовательность нуклеотидов в цепях может меняться. Нуклеотиды подобны буквам алфавита. Разными комбинациями букв можно создать текст, содержащий ту или иную информацию. Это характерно и для РНК, ее нуклеотиды, чередуясь между собой, создают особый «текст», содержащий определенную структурную информацию. Эта информация управляет синтезом белков — она содержит нуклеотидный «текст», который «переводится» в «текст», составленный аминокислотами. Принцип механизма такого перевода подобен переводу какой-либо фразы с, записи, сделанной азбукой Морзе, на обычный текст. Как в азбуке Морзе, тройная комбинация из тире и точек, например: — .- соответствует одной из 30 букв русского алфавита, так и при синтезе белков на поверхности РНК каждая комбинация из трех нуклеотидов определяет положение одной из 20 аминокислот в белковой молекуле. В результате вдоль цепочки РНК с определенным составом должна создаваться молекула белка тоже определенного состава. На синтезируемую молекулу белка как бы переносится информация, «записанная» в РНК. Сейчас это уже показано в десятках экспериментов и не вызывает сомнений. Более того, ученые смогли изменять белки посредством изменения их матриц — молекул РНК. Если в длинной цепочке, допустим, вирусной РНК в каком-либо звене, например, в АГУЦАУЛАЦАУ… произвести химическое превращение какого-либо нуклеотида, допустим, А — в другой, скажем, в Г (а это легко сделать путем строго дозированного окисления), то происходит так называемая мутация, появляется мутанный вирус с измененными свойствами. При этом и во всех его белковых частицах происходит изменение какой-либо строго определенной аминокислоты, одна аминокислота заменяется другой, и это изменение имеет Наследственный характер. Изменение другого нуклеотида, например Ц в У, приводит к изменению другой аминокислоты, и это могут быть разные аминокислоты, в зависимости от того, какие нуклеотидные соседи у Ц. Соседи нуклеотида определяют и его «смысл», так как информацию несет тройка нуклеотидов. В этом направлении сделаны уже десятки экспериментальных работ и получены многие формы вирусов.
Изменение нуклеиновых кислот ведет к изменению белков — таков был основной вывод, который на молекулярном уровне отражал старую связь между изменением гена и изменением признака. Молекулярный механизм мутаций становился ясным. Постепенно был экспериментально раскрыт и способ «перевода» информации РНК, преобразование ее в структуру белковой молекулы.
Раскрытие природы кода генетической информации
Для этой цели в клетках существует двадцать разновидностей особых «мелких» форм РНК — переносчиков аминокислот. Захватывая активированные аминокислоты, поступающие в клетку извне, они переносят их на матрицу и устанавливают в строго определенном порядке — они «считывают» текст матриц и располагают аминокислоты в соответствии с «кодом» информации РНК. Таким образом на разных матрицах формируются разные белки. Но белки — это уже признаки — это ферменты, процессы-циклы реакций. Выявление этих взаимодействий и механизмов было нелегким делом. И логически оно вело к дерзновенной мечте — попытке создать искусственные матрицы и на их поверхности искусственные белки. За такую задачу взялись в 1961 году две американские лаборатории М. Ниренберга и С. Очоа, и задача была успешно и быстро решена. Это достижение стало сенсацией, быстро облетевшей весь мир. Синтез белка на предварительно искусственно созданной матрице— аналоге РНК помог и решению другой задачи — изучению нуклеотидного кода в РНК, выявлению природы «алфавита», которым записывается наследственная информация. Изменяя состав нуклеотидов, из которых создавались искусственные матрицы, ученые получали белки разного состава — сопоставление вело к раскрытию кода. Работа велась на искусственных и на бактериальных системах, но когда сопоставили полученные данные с теми, которые были выявлены на вирусах, то оказалось, что генетический код, по-видимому, универсален, одинаков, во всяком случае, для широких групп организмов.
РНК — это матрица, но ведь РНК в основном функционирует в цитоплазме. Следовательно, это еще не ген — ведь гены расположены в хромосомах.
Однако и здесь вопрос был решен в соответствии с теоретическими ожиданиями. Молекулы РНК, как оказалось, это только переносчики генетической информации. Молекулы РНК, выполняющие функции матриц белкового синтеза, образуются в хромосомах, они образуются на поверхности ДНК и копируют структуру ДНК ДНК сосредоточивает в своем составе информацию о синтезе белков. Эта информация передается РНК, и РНК создает в цитоплазме белки.
Белки же создают признаки, создают процессы, создают то, что внешне проявляется как живое тело с присущими ему свойствами. Следовательно, ДНК — это и есть субстрат наследственности, это и есть материал, из которого строятся гены. Концепция, утверждавшая, что один ген отвечает за один признак, изменилась в биохимически более осязаемую: один ген — это участок молекулы ДНК, содержащий информацию для синтеза одного белка, верняЦ, для одного полипептидного фрагмента белка.
Механизм точной ауторепродукции генетического материала хромосом
Несмотря на убедительность этих открытий, несмотря на их воспроизводимость, и здесь оставалось зерно сомнения для тех, кто не верил в существование «наследственного вещества» — вещества, управляющего индивидуальным развитием и передающего от поколения к поколению всю характерную для вида наследственную информацию.
Допустим, говорили такие скептики, что ДНК управляет синтезом белков. Но что управляет синтезом самих нуклеиновых кислот? Что определяет воспроизведение тонкой структуры и специфичности самой ДНК? Наверное, это делают какие-то особые белки, не может же ДНК сама себя воспроизводить. Однако и этот чисто полемический тезис оказался неверным. Сначала теоретически, а затем экспериментально было доказано, что молекулы ДНК действительно обладают способностью к саморепродукции. Эта саморепродукция ускоряется особым белком-ферментом, но действие фермента неспецифично, точность воспроизведения зависит от самой структуры ДНК. Природа кирпичиков-нуклеотидов, из которых состоит ДНК, такова, что они образуют между собой очень специфические пары соединений, и вся молекула ДНК создается из двух переплетающихся друг с другом цепочек, одну из которых можно сравнить с негативом, а другую с позитивом. Там, где у негатива темный участок, на позитиве он светлый, и наоборот. То же и в ДНК. Там, где на одной цепочке расположен, например, тимин, на другой стоит аденин, и там, где на первой стоит аденин — на другой может располагаться только тимин и ничто другое.
И так же, как при пропускании света через негативное изображение мы получаем позитив, через позитивную пленку — снова негатив, так и в ДНК разделение ее двойной спирали на «позитивную» и «негативную» приводит к тому, что возле «позитива» образуется «негатив», а возле «негатива» — «позитив», и получаются две идентичные молекулы. Этот процесс был не просто объяснен теоретически, он был воспроизведен в лаборатории. Искусственный синтез ДНК в лабораторных условиях полностью подтвердил теоретические модели. Открытие этого явления было, несомненно, величайшим достижением естествознания, объяснившим материальную биохимическую природу преемственности жизни на нашей планете.