Строения нуклеиновой кислоты
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Проблемы биосинтеза белка и передачи наследственной информации интересуют ныне не только узкий круг специалистов. В молекулярно-биологических исследованиях, как бы они ни были сложны или локальны, в конечном счете речь идет о понимании природы жизни, а перед этим интересом к познанию самих себя равны и специалисты и неспециалисты.
Механизм передачи наследственной информации в процессе синтеза белка усилиями ученых разных стран в общих чертах выяснен. Информация хранится в ядре клетки, в молекулах дезоксирибонуклеиновой кислоты — ДНК. Она записана в них особым кодом — чередованием азотистых оснований. Одно «слово» кода состоит из трех оснований. Всего оснований четыре вида, и различными комбинациями троек можно закодировать все двадцать аминокислот, из которых строится белок, и, таким образом, определить их последовательность в белковой молекуле.
Процесс сборки огромных белковых молекул из сравнительно коротких аминокислот происходит на клеточных фабриках белка — рибосомах. Но так как ДНК находится в ядре, а рибосомы в цитоплазме, то есть место хранения информации удалено от места ее реализации, связь между ними осуществляют специальные посредники — молекулы информационной рибонуклеиновой кислоты — и-РНК. Они рождаются на ДНК как на шаблоне и несут на себе точный отпечаток ее кода — программу белкового синтеза.
В рибосомах встречаются два потока: поток информации (и-РНК) и поток строительных материалов (аминокислоты). Аминокислоты должны прочесть зашифрованные на и-РНК предписания. Но это оказывается невозможным: алфавит РНК — четырехбуквенный, алфавит аминокислот — двадцатибуквенный. Значит, в клетке должно быть еще одно вещество — переводчик. Оно должно «знать» оба языка и переводить под наследственности в реальность белка.
Впервые идею о существовании такого вещества выдвинул в 1855 году известный английский биохимик Ф. Крик, впоследствии лауреат Нобелевской премии. Его логические построения были несколько вызывающими и вместе с тем убедительными. Он рассуждал так. Если расстояние между аминокислотами — 2 — 3 ангстрема, а размер кодовых слов — около 10 ангстрем и, следовательно, аминокислоты просто не в состоянии прочесть то, что им предписано, — у них для этого буквально руки коротки, значит, надо оставить их в покое и поискать в клетке какие-то молекулы, которые могли бы подводить аминокислоты к месту синтеза и помогать им сводить собственные концы с концами. Что это должно быть за соединение? Его основная примета: оно должно безошибочно находить уготованные ему нуклеотиды в и-РНК. Это может сделать только одно соединение — сама РНК. Значит, в клетке должна быть какая-то пока неизвестная разновидность РНК, которая заведует транспортом аминокислот и одновременно служит переводчиком. И таких РНК должно быть, по меньшей мере, двадцать, по числу аминокислот.
Гипотезе Крика не пришлось долго висеть в воздухе. Уже в 1957 году американский ученый М. Хоглекд сообщил, что он обнаружил в клетке разновидность РНК, по всем признакам похожую на предсказанную Криком. Ее цепочка была короткой — следовательно, подвижной. Она имела азотистые основания — значит, могла соединяться водородными связями с и-РНК. Она могла с помощью фермента соединяться с аминокислотой. Наконец, в 1953 году было доказано, что этих РНК действительно много — следовательно, у каждой аминокислоты может быть свой собственный поводырь и переводчик.
Эта разновидность РНК получила название транспортной, либо растворимой, либо адапторной. Мы будем называть ее транспортной — т-РНК.
Роль т-РНК в синтезе белка очень важна. Она вместе с и-РНК держит в своих руках будущее белка. Ошибись она при переводе — рибосомы выпустят брак, родится чужой, несвойственный данной клетке белок.
Когда стала ясна биологическая значимость этого соединения, ученые разных стран начали предпринимать попытки познакомиться с ним поближе. т-РНК самая маленькая из всех занятых в клетке рибонуклеиновых кислот, и это давало основание надеяться на успех. Однако, когда в 1961—1962 годах стало известно, что каждая аминокислота имеет не одну молекулу-поводыря, а несколько, оптимизм ученых поуменьшился. Потому что разделить смесь, состоящую, скажем, из 60 соединений, труднее, чем смесь из 20,— и не в 3 раза; трудности возрастают не в прямой пропорции.
И все же несколько групп ученых продолжили попытки расшифровать структуру т-РНК. Одной из первых — с 1960 — 1961 годах — эти изнурительные поиски включилась Лаборатория растений, почвы и удобрений Корнельского университета в Нью-Йорке, руководимая Робертом Холи. Цель, которая стояла перед учеными, была ясна, не ясно только было, оправдает ли она те средства, которые должны были быть потрачены на ее достижение.
Работа, которую предстояло проделать Р. Холи и его сотрудникам, была действительно огромной. Настолько, что, начиная ее, очи не были уверены, что конец достижим. Как пишет сам Р. Холли, когда они начинали свою работу, они еще не знали, существует ли вообще возможность выделить одну т-РНК из сложной смеси нуклеиновых кислот; а когда им все-таки удалось пройти первую половику пути и они выделили индивидуальную т-РНК, то никто не мог дать гарантии, что трасса второй половины пути — определение структуры т-РНК — проходима для имевшейся в их распоряжении техники. Судите сами.
В клетке три типа РНК. Их надо разделить — выпилить одну из них — т-РНК, т-РНК по крайней мере двадцать видов. Их также надо разделить — выделить один вид, ответственный за перенос, скажем, аланиновой аминокислоты, Аланиновых т-РНК несколько сортов. И их надо разделить — выделить однородное индивидуальное вещество, с которым и предстоит дальше работать. Это пока только первый этап.
Второй. Молекула т-РНК слишком велика, чтобы в ней можно было что-нибудь определить. Ее надо разбить на мелкие осколки, на отдельные фрагменты. Третий этап. Надо разделить эту груду осколков, выделить каждый из них. Этап четвертый. Каждый из осколков молекулы содержит несколько нуклеотидов. Осколков — больше двух десятков, нуклеотидов в них от 2 до 11. Их последовательность и надо определить…
И, наконец, пятый. Теперь надо склеить разбитую молекулу, восстановить последовательность осколков и таким образом выявить последовательность нуклеотидов вдоль всей т-РНК.
Для большинства этих этапов стратегия эксперимента в общих чертах была известна. На вооружение были приняты методы противоточного разделения, ионно-обменной хромотографии, бумажной хромотографии, ферментативного расщепления и т. д. Однако задача осложнялась тем, что некоторые методы на данных веществах применялись впервые. И метод ферментативного расщепления т-РНК на фрагменты не становился легче оттого, что к тому времени был хорошо обкатан метод расщепления белка на аминокислоты.
Словом, трудности, стоящие перед учеными, были в основном не научного характера — отсутствие идей или методов, — а научно-организационного. Работа требовала времени, людей и средств. И экспериментального мастерства.
И когда все эти необходимые компоненты успеха были приложены к одной точке, усилие оказалось достаточным, чтобы пробить первую брешь в стене неприступности т-РНК.
Летом 1964 года Р. Холли выступал на VI Международном биохимическом конгрессе в Нью-Йорке. Но закончить работу к этому времени не успел — он доложил лишь об установлении структуры крупных фрагментов т-РНК. Как теперь мы узнали, ему не хватило всего 5 месяцев. 8 января 1965 года редакция журнала «Сайенс» получила статью, подписанную Р. Холли и его сотрудниками, где впервые было приведено то, чего с нетерпением ждали умы всего мира,— полностью расшифрованная структура первой нуклеиновой кислоты — т-РНК, переносящей аланин.
Что скрывается за этой монотонной последовательностью нескольких нуклеотидов? Что дает молекулярной биологии это выдающееся достижение? Многое. И прежде всего оптимизм. Доказано; цель, какой бы сложной ни представлялась она вначале, достижима.
Автор: В. Азеринков.