Будова нуклеїнової кислоти

Проблеми біосинтезу білка і передачі спадкової інформації цікавлять нині не тільки вузьке коло фахівців. У молекулярно-біологічних дослідженнях, як би вони не були складні або локальні, у кінцевому рахунку мова йде про розуміння природи життя, а перед цим інтересом до пізнання самих себе рівні і фахівці, і нефахівці.

Механізм передачі спадкової інформації в процесі синтезу білка зусиллями вчених різних країн в загальних рисах з’ясований. Інформація зберігається в ядрі клітини, в молекулах дезоксирибонуклеїнової кислоти — ДНК. Вона записана у них особливим кодом — чергуванням азотистих основ. Одне «слово» коду складається з трьох основ. Всього основ чотири види, і різними комбінаціями трійок можна закодувати всі двадцять амінокислот, з яких будується білок, і, таким чином, визначити їх послідовність в білковій молекулі.

Процес складання величезних білкових молекул з порівняно коротких амінокислот відбувається на клітинних фабриках білка — рибосомах. Але так як ДНК знаходиться в ядрі, а рибосоми в цитоплазмі, тобто місце зберігання інформації віддалене від місця її реалізації, зв’язок між ними здійснюють спеціальні посередники — молекули інформаційної рибонуклеїнової кислоти — і-РНК. Вони народжуються на ДНК як на шаблоні і несуть на собі точний відбиток її коду — програму білкового синтезу.

В рибосомах зустрічаються два потоки: потік інформації (і-РНК) і потік будівельних матеріалів (амінокислоти). Амінокислоти повинні прочитати зашифровані на і-РНК приписи. Але це виявляється неможливим: алфавіт РНК — чотирьохлітерний, алфавіт амінокислот — двадцятилітерний. Значить, у клітині повинна бути ще одна речовина — перекладач. Воно має «знати» обидві мови і перекладати під спадковості в реальність білка.

Вперше ідею про існування такої речовини висунув у 1855 році відомий англійський біохімік Ф. Крик, згодом лауреат Нобелівської премії. Його логічні побудови були трохи зухвалими і разом з тим переконливими. Він міркував так. Якщо відстань між амінокислотами — 2 — 3 ангстрема, а розмір кодових слів — близько 10 ангстрем і, отже, амінокислоти просто не в змозі прочитати те, що їм наказано, — у них для цього буквально руки короткі, значить, треба залишити їх у спокої і пошукати в клітині якісь молекули, які могли б підводити амінокислоти до місця синтезу і допомагати їм зводити власні кінці з кінцями. Що це має бути за з’єднання? Його основна прикмета: воно повинна безпомилково знаходити уготовані йому нуклеотиди в і-РНК. Це може зробити тільки одне з’єднання — сама РНК. Значить, у клітині повинна бути якийсь поки невідомий різновид РНК, який завідує транспортом амінокислот і одночасно служить перекладачем. І таких РНК повинно бути, щонайменше, двадцять, за кількістю амінокислот.

Гіпотезі Крика не довелося довго висіти в повітрі. Вже в 1957 році американський вчений М. Хоглекд повідомив, що він виявив у клітині різновид РНК, за всіма ознаками схожий на передбачений Криком. Його розмова була короткою — отже, рухомою. Він мав азотисті основи — значить, міг з’єднуватися водневими зв’язками з і-РНК. Він могла з допомогою ферменту з’єднуватися з амінокислотою. Нарешті, в 1953 році було доведено, що цих РНК дійсно багато — отже, у кожної амінокислоти може бути свій власний поводир і перекладач.

Цей різновид РНК одержав назву транспортної, або розчинної, або адапторної. Ми будемо називати її транспортною — т-РНК.

Роль т-РНК у синтезі білка дуже важлива. Вона разом з і-РНК тримає в своїх руках майбутнє білка. Помилися вона при перекладі — рибосоми випустять брак, народиться чужий, невластивий даній клітині білок.

Коли стала зрозумілою біологічна значущість цього з’єднання, вчені різних країн почали робити спроби познайомитися з ним ближче. т-РНК найменша з усіх зайнятих в клітині рибонуклеїнових кислот, і це давало основу сподіватися на успіх. Однак, коли в 1961-1962 роках стало відомо, що кожна амінокислота має не одну молекулу-поводиря, а кілька, оптимізм вчених зменшився. Тому що розділити суміш, що складається, скажімо, з 60 з’єднань, важче, ніж суміш з 20,— і не в 3 рази; труднощі зростають не в прямій пропорції.

І все ж кілька груп вчених продовжили спроби розшифрувати структуру т-РНК. Однією з перших — з 1960 — 1961 роках — в ці виснажливі пошуки включилася Лабораторія рослин, ґрунту і добрив Корнельського університету в Нью-Йорку, керована Робертом Холі. Мета, яка стояла перед вченими, була зрозуміла, не ясно було, чи виправдає вона ті засоби, які повинні були бути витрачені на її досягнення.

Робота, яку належало виконати Р. Холі і його співробітникам, була дійсно величезною. Настільки, що, починаючи її, очі не були впевнені, що кінець досяжний. Як пише сам Р. Холі, коли вони починали свою роботу, вони ще не знали, чи взагалі існує можливість виділити одну т-РНК з складної суміші нуклеїнових кислот; а коли їм все-таки вдалося пройти першу сходинку шляху і вони виділили індивідуальну т-РНК, то ніхто не міг дати гарантії, що траса другої половини шляху — визначення структури т-РНК — прохідна для наявної в їх розпорядженні техніки. Судіть самі.

У клітині три типи РНК. Їх треба розділити — випиляти одну з них — т-РНК, т-РНК принаймні двадцять видів. Їх також треба розділити — виділити один вид, відповідальний за перенесення, скажімо, аланинової амінокислоти, Аланинових т-РНК кілька сортів. І їх треба розділити виділити однорідну індивідуальну речовину, з якою і треба далі працювати. Це поки тільки перший етап.

Другий. Молекула т-РНК занадто велика, щоб в ній можна було що-небудь визначити. Її треба розбити на дрібні осколки, на окремі фрагменти. Третій етап. Треба розділити цю купу уламків, виділити кожен з них. Етап четвертий. Кожен з осколків молекули містить кілька нуклеотидів. Осколків — більше двох десятків, нуклеотидів у них від 2 до 11. Їх послідовність і треба визначити…

І, нарешті, п’ятий. Тепер треба склеїти розбиту молекулу, відновити послідовність осколків і таким чином виявити послідовність нуклеотидів вздовж всієї т-РНК.

Для більшості цих етапів стратегія експерименту в загальних рисах була відома. На озброєння були прийняті методи протитечійного поділу, іонно-обмінної хромотографії, паперової хромотографії, ферментативного розщеплення і т. д. Однак завдання ускладнювалося тим, що деякі методи на даних речовинах застосовувалися вперше. І метод ферментативного розщеплення т-РНК на фрагменти не ставав легше від того, що до того часу був добре обкатаний метод розщеплення білків на амінокислоти.

Словом, труднощі, що стоять перед вченими, були в основному не наукового характеру — відсутність ідей або методів, — а науково-організаційного. Робота вимагала часу, людей та засобів. І експериментальної майстерності.

І коли всі ці необхідні компоненти успіху були прикладені до однієї точки, зусилля виявилося достатнім, щоб пробити перший пролом в стіні неприступності т-РНК.

Влітку 1964 Р. Холлі виступав на VI Міжнародному біохімічному конгресі в Нью-Йорку. Але закінчити роботу до цього часу не встиг — він доповів лише про встановлення структури великих фрагментів т-РНК. Як тепер ми дізналися, йому не вистачило всього 5 місяців. 8 січня 1965 року редакція журналу «Саєнс» отримала статтю, підписану Р. Холі і його співробітниками, де вперше було приведено те, чого з нетерпінням чекали уми всього світу,— повністю розшифрована структура першої нуклеїнової кислоти — т-РНК, яка переносить аланін.

Що ховається за цією монотонною послідовністю декількох нуклеотидів? Що дає молекулярній біології це видатне досягнення? Багато. І перш за все оптимізм. Доведено; мета, якою б складною не здавалася вона спочатку, досяжна.

Автор: В. Азеринков.