Позднюю стадию рака груди победили с помощью иммунотерапии

Искусственный интеллект превзошел дерматологов в диагностике меланомы

Из-за контакта с зараженным скотом люди начали болеть корью с VI века до н.э.

Москиты послужат прототипом для безболезненной иглы

Три губительных эпидемии в XVI веке в Мексике сократившие коренное население более чем в десять раз

Разработчики портативного детектора меланомы получили премию Дайсона

Создана искусственная кровь, способная 48 часов заменять настоящую




Лекарство от диабета может защитить от радиации

Вакцина от болезни Альцгеймера стала ближе

Открыт новый класс антибиотиков

Адреналин помогает при остановке сердца и вредит мозгу

FDA одобрило первый препарат, подавляющий гены

Инсулин «в таблетках» прошел проверку на крысах

Ученый изобрел аспирин для своего больного отца




Приём больших доз витамина D для борьбы со старением был признан бесполезным

Ученые доказали, что «часики тикают» не только у женщин

Ученые нашли «рыбный» способ продления жизни

Городские пенсионеры оказались менее подвержены деменции

Рождение детей может замедлять старение женщины

Объявлено имя самого пожилого человека на планете

Игра в шахматы продлевают жизнь на несколько лет


НОВОСТИ    БИБЛИОТЕКА    СЛОВАРЬ-СПРАВОЧНИК    КАРТА САЙТА    ССЫЛКИ    О САЙТЕ

предыдущая главасодержаниеследующая глава

Фабрика жизни

Котлы высокого давления, большие температуры, десятки сложнейших агрегатов составляют "лицо" фабрики по производству полимеров. А живая клетка, невидимый сгусток жизни, справляется с задачей синтеза нужных ей полимеров - белков-куда проще и успешнее. Хотя эта ее "простота" пока еще совершенно недоступна химии.

Волшебная палочка, вызывающая чудо синтеза в клетке, - ее ферменты. Но как они работают? С какой стороны подступиться к решению загадки?

Прежде всего было самое простое предположение: синтез белка идет в ядре, на ДНК. Белок должен строиться там, где заложена его информация. Но очень скоро ученые убедились в том, что этот процесс совершается вовсе не в ядре, а... в цитоплазме.

В 1943 году Клодт обнаружил в цитоплазме клеток, помещенных под линзы электронного микроскопа, многочисленные гранулы. Потом оказалось, что они сидят на стенках бесчисленных канальцев и мембран цитоплазмы, как птицы на ветках.

Тайну гранул раскрыл в 1953 году американец Паладе. Он предположил, что именно в них клетка строит свои белки. Но как это доказать? В то время уже знали, что синтез белка не может проходить без участия рибонуклеиновых кислот. А если промыть клетку рибонуклеазой - ферментом, разрушающим эту кислоту? В результате такой процедуры гранулы исчезли, значит, они состояли из рибонуклеиновой кислоты. Обнаружили в них также и белки. И еще: меченные изотопами аминокислоты прежде всего появлялись в белках, находящихся на гранулах, а потом уже в цитоплазме. Значит, место синтеза белка должно быть именно здесь.

Гранулы назвали рибосомами. Теперь уже известно, что диаметр их равен примерно 150-200 ангстрем.

Стало ясно - синтез белка идет в цитоплазме, на рибосомах. Но кто же в таком случае передает им план построения белка с ДНК? Так появилась на свет гипотеза, которую считали классической, ибо она жила в науке 4-5 лет (а это при семимильных шагах биологии двадцатого века не так уж мало для гипотезы).

Каждый цистрон на ДНК - матрица для синтеза молекул РНК, в которых с точностью копируется информационный код цистрона. Новорожденная РНК направляется в цитоплазму и оседает на рибосомах. Там она в свою очередь служит стационарной матрицей для синтеза белка. Каждый цистрон имеет определенный тип рибосом, управляющий синтезом одного-единственного белка. Итак: один ген (цистрон) - одна рибосома - один белок.

Эта гипотеза победно шествовала по биологии, пока не споткнулась на одной "мелочи": молекулы рибосомной РНК во всех почти рибосомах клетки оказались "на одно лицо" как по размерам, так и по набору нуклеотидов.

Белки - разные, а рибосомная РНК - одинаковая! Как же построенная из одних и тех же нуклеотидов, по одному и тому же плану рибосомная РНК синтезирует столь отличающиеся друг от друга белки? Очень серьезная неувязка! И еще. Рибосомы бактерий, у которых уничтожена ДНК, перестают строить белки (а этого не случилось бы с автономными рибосомами). Почва под классической гипотезой стала колебаться.

Именно тогда французские ученые Жакоб и Моно заподозрили существование какого-то постоянно действующего химического посредника между ДНК ядра и РНК рибосом. Рибосомы клетки действительно похожи друг на друга. Вот почему Жакоб и Моно предположили, что сами рибосомы не могут строить белки. Это чудесное свойство им "прививает" особая РНК, рождающаяся на матрицах цистронов. ДНК каждого цистрона создает свою, неповторимую по составу РНК, в которой, как в зеркале, отражается код белка. Значит, в этой РНК любое основание комплементарно основанию в ДНК: против гуанина в ДНК - в РНК цитозин, против тимина - аденин, против аденина - урацил (в РНК он включен вместо тимина). Из всего этого следует, что такая РНК должна строиться в ядре клетки. Но ведь это были только предположения. Факты пришли позднее и не сразу.

В 1953 году Херши и Чейз обратили внимание на то, что после заражения фагом Т4 в теле кишечной палочки появляется небольшое количество новой РНК. Позднее ее исследовали американцы Волкин и Астрахан.

В то время никому, в том числе и самим исследователям, не могло прийти в голову, что эта РНК несет генетическую информацию, переписанную с ДНК-матрицы. Напротив, Волкин и Астрахан думали, что эта РНК - не что иное, как предшественница фаговой ДНК, так как по своему составу она приближалась к ней.

Говоря об этом, не следует забывать, что это были лишь первые шаги изучения ДНК. Всего лишь два года назад Уотсон и Крик предложили свою двуспиральную модель. И только несколько лет спустя, оглянувшись назад, наука поняла: Волкин и Астрахан впервые обнаружили РНК-копию ДНК-матрицы. Ее стали называть информационной РНК - сокращенно иРНК.

Позднее в теле бактерий обнаружили "обнявшиеся" друг с другом две цепи фаговых ДНК и иРНК. Выяснилось, что природа позаботилась даже об особой устойчивости таких гибридных цепей: они не разрушаются ни рибонуклеазой, ни дезоксирибонуклеазой. Советский ученый Хесин учел это качество гибридных спиралей для выделения иРНК фага из зараженной им клетки.

В 1961 году в пробирке был осуществлен... синтез РНК на матрице ДНК. Это сделали американец Очоа с сотрудниками. Для опыта они взяли фермент РНК-полимеразу. В присутствии ДНК-затравки и четырех оснований он строил РНК с той же последовательностью нуклеотидов, как и в ДНК. Экспериментаторы сделали вывод, что именно этот фермент в живой клетке собирает информационную РНК. Ее молекулы из ядра текут на рибосому, где вместе с рибосомной РНК строят нужный белок, чертеж которого она принесла с собой. Следовательно, рибосома - это мастерская белкового синтеза, а иРНК - чертеж, по которому она работает.

Еще Жакоб и Моно предположили: жизнь иРНК недолговечна. И это подтвердили опыты. Недавно стало известно, что иРНК сенной палочки живет не более 2 минут. Ее жизнь коротка, но работоспособность колоссальна! За 2 минуты одна молекула строит... до 20 одинаковых молекул белка!

Однако окончательно утвердилась гипотеза биосинтеза белка Жакоба и Моно после опытов с кишечной палочкой, пораженной фагом Т4. Микробов вырастили на особой питательной среде: вместо обычных атомов азота и углерода им предложили их тяжелые изотопы C14 и N15. В итоге все тело бактерий насыщалось только тяжелыми атомами, которые входили в состав белков, углеводов, нуклеиновых кислот... Рибосомы, естественно, тоже становились "тяжелыми".

На "поднявшихся в весе" бактерий пускали фаг Т4 и, подождав 5-10 минут, пока он проникнет внутрь, всех вместе переселяли в среду с обычными, "легкими" изотопами. После этого и фаговая РНК, и фаговая ДНК, и белки фага оказывались "легкими".

Как известно, в бактериях, пораженных фагами, синтезируются только фаговые белки и ДНК. Отделить легкие фракции от тяжелых было нетрудно при центрифугировании в градиенте плотности концентрированного раствора хлористого цезия. И вот что выяснилось: новая фаговая РНК связалась с рибосомами, но сами рибосомы не изменились: они по-прежнему были "тяжелыми". Ни одной "легкой"!

Тогда какие же рибосомы синтезировали фаговый белок? Очевидно, старые, бактериальные. Но ведь фаговый белок не похож на белок бактерии? Вывод мог быть только один - старые рибосомы строили фаговый белок, получая новую информацию от фаговой ДНК. А ее могла передать им только фаговая иРНК. И действительно, с помощью атомной метки ее нашли на микробных рибосомах. Так была развенчана "классическая" гипотеза.

Процесс считывания информации с ДНК на иРНК был назван транскрипцией, а передача информации с иРНК на полипептид (биосинтез белка) - трансляцией.

Лабиринт загадок уводил ученых все дальше и дальше. С какой из двух цепей ДНК, например, считывает иРНК информацию?

- С обеих! - ответили опыты по синтезу РНК в пробирке.

Они проводились с большой тщательностью, и все-таки ученые сомневались: ведь уже было известно, что синтез в пробирке далеко не то, что в живой клетке.

В 1960 году в лаборатории американца Мармура сделали важное открытие: исследователи научились соединять разорванные нити ДНК в двунитчатую структуру. Теперь стало возможным получать гибридные цепи ДНК, объединять цепь ДНК и РНК и т. д. Через три года этот метод помог экспериментаторам доказать, что в живой клетке иРНК снимает информацию только с одной нити ДНК. Вот как это было.

У сенной палочки есть бактериофаг, нити ДНК которого легко различить: в одной резко преобладают пиримидины, в другой - пурины. Нить пиримидиновая значительно легче, чем пуриновая, и они отделяются после длительного центрифугирования в хлористом цезии. Вот эта-то уникальная ДНК фага сенной палочки и послужила ключиком к раскрытию загадки транскрипции.

В зараженной фагом бактерии появляется фаговая иРНК. Она передает информацию с ДНК на рибосомы бактерии, которые строят фаговый белок. Теперь представим себе, что информация считывается с обеих нитей ДНК. Тогда в клетке возникнет фаговая иРНК двух сортов - легкая и тяжелая. А если код ДНК читается только с одной нити? Тогда и иРНК должна быть только одна - либо легкая, либо тяжелая.

Бактерии заразили чудесным фагом и выделили из них иРНК. Это могла быть и фаговая, и бактериальная иРНК. Как же отличить их друг от друга? Попытаться соединить с обеими разрозненными нитями фаговой ДНК. Фаговая иРНК комплементарна фаговой ДНК и обязательно соединится с ее нитями...

С нитями или с нитью?

Надо ли говорить, что в ответе на этот вопрос заключалась вся суть опыта. Фаговая иРНК объединилась в гибридный комплекс только с легкой нитью ДНК, содержащей большое количество пиримидинов. Значит, в живой клетке транскрибируется только одна, "осмысленная" нить. Другая "бессмысленна" и нужна лишь для репликации.

И вот что удивительно: в пробирке с той же ДНК фага иРНК синтезировалась "на обеих нитях"! Какой механизм регулирует "осмысленность" транскрипции в клетке? Этого еще никто не знает.

Транскрипция заканчивается "рождением" иРНК, которая направляется на рибосому, где служит матрицей для синтеза белка. Так наступает фаза трансляции, фаза передачи информации с иРНК на белок. Вспомним, что последовательность оснований в иРНК кодирует последовательность аминокислот в белке. Они должны располагаться в соответствии с расположением кодонов на иРНК, то есть попадать только в свое место. Но кто "подвозит" и ставит на место нужные аминокислоты? Этим не могут заниматься ни иРНК (она не "отлучается" с рибосомы, пока белок не будет собран), ни уж, конечно, рибосомальная РНК (она накрепко "пришита" к месту). Так родилась гипотеза о молекулах-перевозчицах.

Примерно в то время, когда идеи эти еще только зарождались у Крика и его сотрудников, ученый Хогленд открыл в цитоплазме клеток печени крыс особую РНК, которую стали называть растворимой, или транспортной (сокращенно тРНК). Среди своих сестер она была легчайшей по молекулярному весу (27-28 тысяч), ее молекулы содержали всего по 70-90 нуклеотидов.

Исследования установили, что каждая аминокислота связывалась только со специальной тРНК. Они отличались многоликостью по набору нуклеотидов: одна, другая, третья...

Модель молекулы транспортной РНК
Модель молекулы транспортной РНК

- Видимо, молекул-перевозчиц столько же, сколько седоков-аминокислот, - предположили биохимики. Это оказалось верным. Вскоре число известных тРНК подошло к 20. Но какова конструкция "экипажа"?

Рентгеноструктурный и химический анализы помогли создать портрет тРНК. В 1962 году ученый Спенсер изобразил ее в виде простой модели. тРНК - это полинуклеотидная цепь. Она похожа на согнутую пополам и потом закрученную винтом шпильку. Половинки - ряды комплементарных оснований - соединялись друг с другом, как в ДНК, водородными связями. Конец одной половинки оставался свободным.

Как узнают молекулы транспортной РНК место на рибосоме? Видимо, у них на станции назначения есть свой "пароль". Какой он? Один для аминокислот мы уже знаем - это код, записанный на ДНК и переписанный на иРНК. Вряд ли природа стала бы выдумывать что-то новое для молекул-перевозчиц. Очевидно, они подчиняются тому же нуклеотидному триплетному коду. Только, разумеется, комплементарному для иРНК. Например, если на ДНК код ЦЦГ, то на иРНК он будет ГГЦ, на тРНК-ЦЦГ.

Опыты подтвердили эту гипотезу. Ведь если в обоих "плечах" шпильки основания комплементарны, то аденина должно быть столько же, сколько урацила, а цитозина - столько же, сколько гуанина. Это было почти так. Но с этого "почти" все и началось. Химики обнаружили в тРНК неспаренные основания, так называемые минорные. Среди них и нашли новый "пароль".

Это были неспаренные нуклеотиды, комплементарные кодовым нуклеотидам на иРНК. Стало очевидно: молекулы- перевозчицы, доставив аминокислоту к РНК-матрице, где идет синтез белка, прикрепляются к ней комплементарным триплетом в том гнезде, где комплементарным триплетом иРНК закодирована именно эта аминокислота. И так, выстраивая одну аминокислоту за другой, иРНК строит белковую цепь. Как только аминокислоты соединяются друг с другом пептидной связью, тРНК пускается в обратный путь, за новым "пассажиром".

Факты укрепляли эту гипотезу со всех сторон. Но вот одно маленькое упущение, грозящее обрушить целый угол в стройном здании гипотезы. Если тРНК использует код-пароль для "узнавания" квартиры своего пассажира на иРНК, то как, вернее, чем она "узнает" аминокислоту?

Сами создатели гипотезы задумывались над этим. И знаете, в чем тут секрет? Ведь свободный конец транспортной РНК, где, как выяснилось, присоединяется нужная аминокислота, у всех 20 молекул-перевозчиц... одинаков. Он построен из трех нуклеотидов: два цитозина и аденин (ЦЦА). Как же молекулы-перевозчицы узнают того единственного пассажира, которого они перевозят? Очевидно, не обходится без помощников.

Справедливо решив, что в природе самые опытные следопыты по молекулам-ферменты, ученые возложили "узнавание" аминокислот на них. Тем более, что первые сообщения об особых ферментах-активаторах аминокислот - уже появлялись на страницах журналов. Вскоре стало очевидно, что таких ферментов двадцать, ровно столько же, сколько аминокислот. Именно они находят нужную аминокислоту, самое главное - каждый фермент "усаживает" "свою" аминокислоту на ее "персональную" тРНК.

Итак, место на строящейся полипептидной цепи узнается не самой аминокислотой, а транспортной РНК, которая "везет" аминокислоту на рибосому. Аминокислота "глуха" к коду иРНК, а иРНК "слепа" к аминокислоте. Как об этом узнали? Оказалось, что молекулу тРНК можно "обмануть". Такую шутку сыграли с ней американские ученые Липпман, Шепевил и другие. Они выделили в чистом виде комплекс цистеиновой тРНК со своей аминокислотой (цистеином) - "перевозчика с пассажиром". А затем, отцепив от цистеина группу молекул (SH), подменили "седока". Цистеин, "не вылезая из экипажа", превратился в другую аминокислоту - аланин. При этом тРНК "не заметила" подмены и благополучно доставила аланин на рибонуклеиновую матрицу, в то место, где должен был включаться цистеин. Вы думаете, иРНК заподозрила ошибку? Нет! Она узнала только тРНК и допустила неправильную аминокислоту в белок.

Итак, РНК-матрица "узнает" только тРНК, а не несомую ею аминокислоту. Перенос аминокислоты с тРНК на иРНК активируется специальными ферментами переноса.

А теперь посмотрим на рисунок. Так Маршалл Ниренберг в 1963 году нарисовал процесс транскрипции и трансляции. Справа - цистрон двунитчатой ДНК, с которой иРНК считывает код для белка. Вот иРНК осела на рибосомы. Транспортные РНК подвозят нужные аминокислоты (обозначены цифрами), которые притягиваются на иРНК ферментами переноса. Пептидные связи между аминокислотами замыкаются, а тРНК уходят за новыми. Так строится белок.

Важно отметить, что информация, видимо, всегда считывается с определенной начальной точки. На ДНК ее считывает иРНК, на рибосомах последовательность оснований с иРНК считывается тРНК. Синтез белка - тоже поляризованный процесс: он начинается на определенном конце полипептидной цепи и идет к другому ее концу.

Поначалу думали, что белок строит одна рибосома. Но в электронном микроскопе эти микроверфи оказались размером в каких-то 230 ангстрем, а длина одной иРНК - до 20 000 ангстрем. Нечего и думать о том, чтобы разместить ее на одной рибосоме, даже если бы пришлось обвить ее как нить вокруг шара. И теперь считают, что фабрика белка - это объединения рибосом, полисомы.

Белок собирается на конвейере из нескольких рибосом, которые катятся вдоль нити иРНК и, когда полипептид (белковый блок) построен, а ненужная иРНК разрушается, рибосома свободно падает с нее в цитоплазму. В 1962 году такие полисомы увидели в электронный микроскоп. При увеличении в 400 000 раз они предстали перед учеными подобно обрывкам разорванных бус.

Схема построения белка, по Ниренбергу, Цифры - различные аминокислоты
Схема построения белка, по Ниренбергу, Цифры - различные аминокислоты

Итак, белки рождаются в клетках под контролем нуклеиновых кислот. Только их молекулы могут построить первичную цепь полипептидов. Но ведь белок, не свернутый в третичную структуру, - это мертвый белок. Кто вдохнет в него жизнь? Этого не знали.

Когда десять лет тому назад Френкель-Конрат начинал свои опыты по реконструкции вируса табачной мозаики, он и не предполагал, к каким поразительным выводам они приведут.

Но не будем забегать вперед.

Вирус мозаичной болезни табака ВТМ - это микроскопическая изящная палочка, состоящая из нуклеинового стержня, завернутого в белковую оболочку. Самый стержень - одна длинная молекула РНК весом в 2•107, а белковый чехол - ткань из 2•130 молекул белка.

РНК и белок можно отделить друг от друга. Мало того, белок можно растворить в щелочи, разбить на молекулы или небольшие агрегаты молекул.

Если осколки некогда стройного белкового футляра поместить в мешок - полупроницаемую мембрану и опустить его в воду, щелочь уйдет из раствора. И тогда обломки белка... воссоединяются. Они собираются точно так, как стояли до разрушения. Но ведь в мембранном мешочке никого не было. Значит, молекулы белка "помнят" свое прежнее место" структура чехла заложена в них самих. И чтобы в клетке образовалась четвертичная структура белка, клетке не нужно ничего, кроме самого белка в определенной концентрации. Когда его соберется достаточно - это служит сигналом к сборке четвертичной структуры.


А теперь вернемся еще раз к загадке кода.

Повествуя об этапах биосинтеза белка в живой клетке, мы приводили примеры кодонов на ДНК и РНК. Но все они были произвольные. А что можно сказать о конкретных кодонах для каждой аминокислоты?

До 1961 года они оставались для биологии тайной. Но в 1961 году...

предыдущая главасодержаниеследующая глава







ДНК человека, умершего в 1827 году, восстановили без его останков

Ученые с помощью CRISPR-технологии впервые повлияли на наследование генетических признаков у мышей

Генетики изучили жителей Новой Гвинеи

Расшифровка генома ячменя принесла больше вопросов, чем ответов

На остров попадёшь — пигмеем станешь!

В генетический алфавит добавили 4 новые буквы: З, Б, С, П

Александр Баев – один из пионеров исследований генома человека



Нейробиологи обнаружили ранее скрытый участок в человеческом мозге

Дневной сон помогает «перезагрузить» мозг

Мужской и женский мозг становятся разными еще в утробе

Неандерталец дышал носом вдвое эффективнее, чем сапиенс

Десять функций тела, которые человек не может контролировать

Учёные утверждают, что у современных людей стала вырастать кость древних предков

Жители острова Флорес становились карликами дважды



Ученые построили модель нервной системы головастика

Бактерии в организме человека обмениваются генами быстрее, чем это наблюдается в природе

Предок энтерококков появился 450 миллионов лет назад

Земной микроорганизм способен питаться метеоритами

Интерфероны запускают раннее самоубийство клеток в ответ на инфекцию

Для появления новых видов млекопитающих достаточно острова площадью 10000 квадратных километров

Открыт новый вид фотосинтеза, использующий ближний инфракрасный свет


© GENETIKU.RU, 2013-2022
При использовании материалов активная ссылка обязательна:
http://genetiku.ru/ 'Генетика'

Рейтинг@Mail.ru

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной
1500+ квалифицированных специалистов готовы вам помочь