Поиск в базе сайта:
А. С. Спирин анализ современного состояния развития биологии показывает, что наибольшее внимание приковано сейчас к вопросам, так или иначе свя­занным с проблемой биосинтеза белков. И это вполне закон icon

А. С. Спирин анализ современного состояния развития биологии показывает, что наибольшее внимание приковано сейчас к вопросам, так или иначе свя­занным с проблемой биосинтеза белков. И это вполне закон




Скачать 340.87 Kb.
НазваниеА. С. Спирин анализ современного состояния развития биологии показывает, что наибольшее внимание приковано сейчас к вопросам, так или иначе свя­занным с проблемой биосинтеза белков. И это вполне закон
А. С. СПИРИН Анализ современного состояния развития биологии по
Дата конвертации11.05.2015
Вес340.87 Kb.
КатегорияЗакон

ПРОБЛЕМА БИОСИНТЕЗА БЕЛКОВ

Доктор биологических наук А. С. СПИРИН

Анализ современного состояния развития биологии показывает, что наибольшее внимание приковано сейчас к вопросам, так или иначе свя­занным с проблемой биосинтеза белков. И это вполне закономерно, так как белки играют решающую роль во всех без исключения проявлениях жизнедеятельности.

В любом живом организме, в любой его клетке каждая биохимическая реакция катализируется специальным белком. Соответственно вся сово­купность биохимических реакций, называемая в целом обменом веществ, катализируется сложной совокупностью специфических белков (фермен­тов). Биосинтез белков в клетках определяет набор специфических фер­ментов и, следовательно, характер, направленность и скорость биохими­ческих реакций и всего обмена веществ в целом.

Функция белков в живом организме далеко не ограничивается этой биохимической (ферментативной) стороной. Все виды механических дви­жений, к которым способны живые организмы, и в первую очередь работа мышц, осуществляются особыми, «двигательными», или сократимыми, бел­ками. Перенос веществ в клетке и в организме — так называемая перме-азвая функция — тоже осуществляется молекулами белков, и прежде все­го здесь можно указать на белок крови — гемоглобин, являющийся пере­носчиком кислорода.

Характерные морфологические признаки каждого организма или его отдельных клеток и внутриклеточных образований обусловлены в конеч­ном счете специфичностью строения белков. Наследование свойств и признаков из поколения в поколение определяется способностью потом­ков синтезировать те же самые белки, которые синтезировали их роди­тели. С биосинтезом белков прямо связаны рост и развитие организмов. Другими словами, белки определяют все те свойства живой материи, ко­торые делают ее живой и которые составляют предмет изучения различ­ных отраслей биологии.

Поэтому развитие и углубление каждой из этих отраслей с неизбеж­ностью упирается в решение проблемы биосинтеза белков в организме. Именно на этой проблеме, понимаемой в широком смысле, сейчас кон­центрируются основные интересы современной генетики, биохимии, био­физики, цитологии, эмбриологии, микробиологии, вирусологии, онкологии и других биологическх наук. Можно утверждать, что проблема биосинтеза белков на современном этапе стала центральной проблемой биологии в целом.

Ключевое значение проблемы биосинтеза белков в решении важней­ших биологических вопросов и ее специфика, требующая в основном био­химического и биофизического подходов, обусловили то положение, что за последнее десятилетие эта проблема привлекла к себе исключительное внимание не только биологов различных специальностей, но и исследова­телей из других областей знаний, в первую очередь физиков и химиков. С другой стороны, поток физических и химических методов исследова­ния и привлечение людей с соответствующим новым для биологии образом мышления привели к бурному прогрессу в решении проблемы. Изучение биосинтеза белка в живой клетке и связанные с ним исследования молеку­лярной структуры самого белка и высокомолекулярных компонентов, уча-

4*

52

^ А. С. СПИРИН

ствующих в его биосинтезе, получили за последние годы столь широкое развитие, что выкристаллизовались в специальную отрасль биологии, на­зываемую молекулярной биологией.

Общая схема биосинтеза белков. Одним из основополагающих дости­жений биологии на заре развития наших представлений о биосинтезе бел­ка явилось утверждение того, что решающая роль в осуществлении этого процесса принадлежит нуклеиновым кислотам. С тех пор, как в начале 40-х годов нашего столетия была высказана эта мысль, изучение проблемы биосинтеза белков и исследования нуклеиновых кислот шли неразрывно. Начало и развитие этих исследований связано прежде всего с именами Т. Касперсона и Ж. Браше, а у нас в стране — А. Н. Белозерского. Ра­боты этих ученых по нуклеиновым кислотам создали необходимые пред­посылки для последующей экспериментальной разработки проблемы био­синтеза белков и для возникновения современной молекулярной биоло­гии.

Не останавливаясь более на истории вопроса, перейдем сразу к совре­менным представлениям о биосинтезе белков и приведем принципиаль­ную схему этого сложнейшего и многоступенчатого процесса, как он вы­рисовывается нам сегодня (рис. 1).

Главная, «командная» роль в определении специфической структуры белков принадлежит так называемой дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК). Молекула ДНК представляет собой чрезвычайно длинную линей­ную структуру, состоящую из двух взаимозакрученных полимерных це­пей. Составными элементами — мономерами — этих цепей являются четы­ре сорта дезоксирибонуклеотидов, чередование или последовательность ко­торых вдоль цепи уникальна и специфична для каждой молекулы ДНК и каждого ее участка. Различные, достаточно длинные участки молекулы ДНК ответственны за синтез разных белков. Тем самым одна молекула ДНК может определять синтез большого числа функционально и хими­чески различных белков клетки.

За синтез каждого типа белков ответствен лишь определенный участок молекулы ДНК. Такой участок, связанный с синтезом одного какого-либо белка в клетке, в настоящее время рассматривают как ген. В уникальной структуре гена — в определенном последовательном расположении его нуклеотидов вдоль цепи — заключена вся информация о структуре одного соответствующего белка.

Однако ДНК и отдельные ее функциональные участки, несущие ин­формацию о структуре белков, сами не принимают непосредственного уча­стия в процессе создания белковых молекул. Первым этапом на пути к реа­лизации этой информации, записанной в цепях ДНК, является так называе­мый процесс транскрипции, или «переписывания». В этом процессе на цепи ДНК, как на матрице, синтезируется химически родственный поли­мер — рибонуклеиновая кислота (РНК). Молекула РНК представляет собой одну цепь, мономерами которой являются четыре сорта рибонуклео-тидов. Эти мономеры можно рассматривать как небольшую модификацию четырех сортов дезоксирибонуклеотидов ДНК. Последовательность распо­ложения четырех сортов рибонуклеотидов в образующейся цепи РНК в точности повторяет последовательность расположения соответствующих дезоксирибонуклеотидов в одной из двух цепей ДНК. Таким нутем нуклео тидная последовательность каждого гена копируется в виде молекулы РНК, т. е. информация, записанная в структуре данного гена, целиком пе­реписывается на РНК.

С каждого гена может сниматься теоретически неограниченное ко­личество таких «копий» — молекул РНК. Эти молекулы, являющиеся пе­реписанными во многих экземплярах "копиями» генов и, следовательно, несущие ту же информацию, что и гены, расходятся по клетке, непосред-

^ ПРОБЛЕМА БИОСИНТЕЗА БЕЛКОВ

53

ствспно входят в связь с белоксинтезирующими частицами клетки и при­нимают «личное» участие в процессах создания белковых молекул. Дру­гими словами, они являются переносчиками информации от места, где она хранится, в места ее реализации. Такие РНК обозначают соответственно как информационные РНК или мРНК.

Таким образом, рассмотренная часть схемы описывает поток инфор­мации, идущий от ДНК в виде молекул мРНК к внутриклеточным час­тицам, синтезирующим белки.

Обратимся теперь к потоку того материала, из которого должен созда­ваться белок. Элементарными единицами — мономерами — белковой мо­лекулы являются аминокислоты, которых имеется 20 различных сортов. Для создания (синтеза) белковой молекулы свободные аминокислоты, присутствующие в клетке, вовлекаются в соответствующий поток, посту­пающий в белоксинтезирующую частицу, и уже там расставляются в це­почку определенным уникальным образом, диктуемым информационной РНК. Такое вовлечение аминокислот — строительного материала для соз­дания белка — осуществляется через присоединение свободных амино­кислот к особым молекулам РНК относительно небольшого размера. Эти РНК, служащие для присоединения к ним свободных аминокислот, не являются информационными, а выполняют иную, адапторную функцию, смысл которой будет виден дальше. Аминокислоты присоединяются к од­ному из концов небольших цепочек адапторных РНК (сРНК), по одной аминокислоте на одну молекулу РНК. Для каждого сорта аминокислоты в клетке существуют свои, специфические, присоединяющие только этот сорт аминокислот молекулы адапторных РНК. В таком навешенном на РНК виде аминокислоты и поступают в белоксинтезирующие частицы. Центральным моментом процесса биосинтеза белка является слияние этих двух внутриклеточных потоков (потока информации и потока мате­риала) в белоксинтезирующих частицах клетки. Эти частицы называ­ются рибосомами. Рибосомы представляют собой как бы ультрамикроскоп пические «фабрики» или «машины» молекулярных размеров, где из по­ступающих аминокислот согласно плану, заключенному в информацион­ной РНК, собираются специфические белки. Хотя на приведенной схеме (см. рис. 1) изображена лишь одна частица, каждая клетка содержит тысячи и десятки тысяч рибосом. Количество рибосом определяет общую интенсивность белкового синтеза в клетке. Диаметр одной рибосомной ча­стицы — около 200 А. По своей химической природе рибосома явля­ется рибонуклеопротеидом; она состоит из особой рибосомальной РНК (это — третий известный нам класс РНК, в дополнение к информацион­ным и адапторным РНК) и структурного рибосомального белка. Это со­четание нескольких десятков макромолекул образует идеально организо­ванную и надежную «машину», обладающую свойством прочитывать информацию, заключенную в цепи мРНК, и реализовать ее в виде гото­вой белковой молекулы специфического строения.

Поскольку существо этого процесса состоит в том, что линейная рас­становка 20 сортов аминокислот в цепи белка однозначно детерминируется расположением четырех сортов нуклеотидов в цепи химически совсем иного полимера — нуклеиновой кислоты (мРНК), то этот процесс, проис­ходящий в рибосоме, в настоящее время принято обозначать термином трансляция или «перевод» (перевод как бы с 4-буквенного алфавита цепей нуклеиновых кислот на 20-буквенный алфавит белковых цепей).

Как видно, в этом процессе трансляции участвуют все три известные класса РНК — информационная РНК, являющаяся объектом трансляции, рибосомальные РНК, играющие пока непонятную роль организаторов про­цесса, и адапторные РНК, выполняющие функцию переводчика. Рибосома

54

^ А. С. СПИРИН

в целом является той минимальной биологической частицей, в пределах которой осуществляется необходимая организация всех ступеней процесса синтеза в пространстве и времени. Вслед за этим общим описанием прин­ципиальной схемы биосинтеза белков в целом можно перейти к более детальной характеристике современного состояния знаний по каждо­му из затронутых здесь узловых вопросов, по каждой из более частных проблем.

Кодирование информации (генетический код). Для начала в качестве первой частной проблемы можно рассмотреть проблему генетического кода. Решение ее за последние годы шло исключительно быстрыми тем­пами и сопровождалось поистине сенсационными открытиями. Эта проблема встает из того простого факта, что белки состоят из аминокис­лот, а нуклеиновые кислоты — из нуклеотидов, мономеров совсем другой химической природы. Вместе с тем последовательность расположения нуклеотидов в цепи нуклеиновой кислоты однозначно детерминирует по­следовательность расположения аминокислот в цепи белка. Аминокислот в белке при этом 20 разных сортов, а нуклеотидов в нуклеиновых кисло­тах всего четыре сорта. В ДНК этими четырьмя сортами нуклеотидов являются адениловый, гуаниловый, цитидиловый и тимидиловый — сокра­щенно их обозначают соответственно как А, Г, Ц и Т (рис. 2). В РНК присутствуют подобные же нуклеотиды, но вместо Т — его производное — уридиловая кислота (У). Вопрос заключается в следующем: каким же образом линейная последовательность из четырех сортов элементов (нук­леотидов) определяет линейную последовательность из 20 сортов элемен­тов совсем другой химической природы?

Еще в 50-х годах было выдвинуто представление, которое сейчас на­шло всестороннее подтверждение, что определенные различные сочетания из нескольких нуклеотидов соответствуют различным аминокислотам. Дру­гими словами, для каждой аминокислоты есть свое определенное сочета­ние нескольких нуклеотидов, химически не имеющее ничего общего и ами­нокислотой. Получается своего рода код, в котором каждой букве 20-бук-венного алфавита соответствует определенное сочетание нескольких букв 4-буквенного. В настоящее время с достаточной достоверностью показано, что каждой аминокислоте в белке соответствует именно триплет нуклео­тидов (три последовательно связанных нуклеотида) в цепи нуклеиновой кислоты. Количество различных возможных сочетаний из четырех сор­тов нуклеотидов по три равно 64. А различных аминокислот всего 20. Таким образом, количества возможных триплетов вполне достаточно (и даже есть большой избыток) для кодирования 20 аминокислот.

Одним из наиболее крупных достижений биологии последних трех-че-тырех лет, продемонстрировавших всю мощь современных методов биохи­мии и генетики, явилось завершение первого этапа экспериментальной расшифровки генетического кода. Благодаря колоссальному сосредоточе­нию сил на этом направлении, в основном американских биохимиков, к настоящему времени для каждой из 20 аминокислот, входящих в состав белков, удалось установить реальный состав кодирующих их триплетов нуклеотидов. Первый эксперимент в этом направлении, проведенный аме­риканским биохимиком М. Ниренбергом и доложенный им впервые на V международном биохимическом съезде в Москве в 1961 г., показал, что если в белковом синтезе в качестве информационной РНК присутствует цепочка только из уридиловых нуклеотидов — поли-У,— то синтезируе­мая белковая цепочка состоит только из одного сорта аминокислоты ж именно только из аминокислоты фенилаланина. Это схематически изобра­жено в нижней части рис. 2. Отсюда стало ясно, что в принципе триплет нуклеотидов УУУ кодирует именно данную аминокислоту — фенилала-

^ ПРОБЛЕМА БИОСИНТЕЗА БЕЛКОВ

55

нин. Благодаря дальнейшему стремительному развитию этих работ соот­ветствующие конкретные триплеты нуклеотидов были найдены для всех 20 аминокислот.

В связи с этими замечательными успехами многим, вероятно, не раз приходилось слышать утверждение, что в течение 1961—1963 гг. амери­канскими биохимиками был расшифрован генетический код. Это утверж­дение, конечно, не соответствует истинному положению вещей. К настоя­щему времени успешно завершается лишь первый этап эксперименталь­ной расшифровки кода. Основное достижение этого этапа — установле­ние состава кодирующих триплетов (или, как их сейчас называют, кодо-нов). Но это лишь начало. Полученные данные еще ничего не говорят о взаиморасположении нуклеотидов в триплетах, о их последовательности, т. е. об истинной структуре кодона — кодирующего сочетания нуклеоти­дов в цепи нуклеиновой кислоты. Было, например, показано, что лейцин кодируется триплетом, состоящим из двух У и одного Г. Но при этом оставалось неизвестным, какой же реальный кодон такого состава коди­рует лейцин — УУГ, УГУ или ГУУ. Было показано, что триплет того же состава, т. е. состоящий из двух У и одного Г, кодирует также аминокис­лоты валин и цистеин. Очевидно, что каждая из трех перечисленных ами­нокислот — лейцин, валин и цистеин — кодируется различными кодонами, но имеющими один и тот же состав — два У и один Г. Оставалось неиз­вестным, какую из перечисленных аминокислот кодирует каждый из трех возможных триплетов данного состава.

Лишь недавно в 1964 г. были найдены методические подходы для ре­шения вопроса о порядке расположения нуклеотидов в кодирующих триплетах, и этот момент знаменует собой переход ко второму, решаю­щему этапу экспериментальной расшифровки генетического кода. Пока получены лишь самые первые данные и, в частности, для триплетов того состава, который был приведен в качестве примера. В лаборатории М. Ни-ренберга найдено, что последовательность нуклеотидов ГУУ кодирует аминокислоту валин. Одновременно в лаборатории немецкого ученого Г. Шрамма показано, что последовательность УУГ кодирует аминокислоту лейцин. Методом исключения однозначно устанавливается, что триплет УГУ кодирует аминокислоту цистеин. Некоторые реальные, уже разгадан­ные кодирующие сочетания нуклеотидов (кодоны) и соответствующие им аминокислоты представлены на схеме (см. рис. 2). Дальнейшая расшиф­ровка интенсивно продолжается в различных лабораториях мира и, види­мо, в ближайшие годы будет завершена.

В целом в связи с вопросами кодирования и роли нуклеотидной пос­ледовательности нуклеиновых кислот в биосинтезе белков громадное зна­чение приобретают работы по определению нуклеотидной последователь­ности ДНК и различных классов РНК. Эти работы в случае их успешного завершения должны в конечном счете иметь даже большее значение, чем просто расшифровка генетического кода; изучение полной последователь­ности нуклеотидов в адапторных и рибосомальных РНК, в реально су­ществующих природных мРНК должно открыть путь к пониманию многих других, пока еще неясных сторон функционирования нуклеиновых кислот в процессе белкового синтеза. Например, от разгадки нуклеотидной после­довательности адапторных РНК зависит понимание самого механизма, по­средством которого аминокислоты оказываются однозначно «приписанны­ми» своим нуклеотидным триплетам.

В нашей стране интенсивные исследования структуры сРНК начаты и успешно ведутся объединенными усилиями больших коллективов лабора­торий В. А. Энгельгардта (Институт радиационной и физико-химиче­ской биологии АН СССР), Н. К. Кочеткова (Институт химии природных

56

^ А. С. СПИРИН

соединений АН СССР) и Д. Г. Кнорре (Институт органической химии Сибирского отделения АН СССР).

Хранение и воспроизведение закодированной информации. Вторая проблема, связанная с «кибернетической» стороной биосинтеза белков, есть проблема хранения и воспроизведения закодированной генетической информации. Из общей схемы белкового синтеза можно видеть, что пунк­том, с которого начинается поток информации для биосинтеза белков в клетке, является ДНК. Следовательно, именно ДНК содержит ту первич­ную запись, которая должна сохраняться и воспроизводиться от клетки к клетке, из поколения в поколение.

Кратко касаясь вопроса о месте хранения генетической информации, т. е. о локализации ДНК в клетке, можно сказать следующее. Уже давно хорошо известно, что в отличие от всех прочих компонентов белоксин-тезирующего аппарата, универсально распределенных по всем частям жи­вой клетки, ДНК имеет особую, весьма ограниченную локализацию: обыч­но принимается, что место ее нахождения в клетке — клеточное ядро. В полном соответствии с этим ядро издавна рассматривается как вмести­лище генов, как уникальный клеточный органоид, контролирующий реа­лизацию наследственных признаков организмов и их передачу в поко­лениях.

Генетические данные о «единоначалии» ядра в клетке всегда непосред­ственно объединялись с биохимическими данными об уникальной лока­лизации ДНК в ядре. Однако исследования последнего времени, целиком подтверждая это представление в общем, все больше и больше свидетель­ствуют против его безусловной абсолютизации. Благодаря развитию тон­чайших методов молекулярной биологии сейчас окончательно доказано, что такие множественные клеточные органоиды, как митохондрии и рас­тительные хлоропласты, содержат свою собственную (отличную от ядер­ной) ДНК и, таким образом, представляют собой до известной степени генетически «автономные» системы внутри единой клетки, которая в це­лом ^подчиняется» ядру. Вопрос о наличии своей ДНК и автономного белоксинтезирующего аппарата в свое время был поставлен в отношении хлоропластов растительной клетки Н. М. Сисакяном и сейчас интенсивно разрабатывается в руководимой им лаборатории (Институт биохимии им. А. Н. Баха АН СССР) и в ряде других лабораторий мира.

Один из кардинальных вопросов генетики на молекулярном уровне — воспроизведение генетической информации. Разгадка молекулярного ме­ханизма точного воспроизведения наследственной информации пришла в 1953 г., когда Дж. Уотсоном и Ф. Криком в Англии, на основании обоб­щения химических данных Э. Чаргаффа и рентгеноструктурных иссле­дований Р. Франклин и М. Уилкинса была сформулирована модель макро-молекулярной структуры ДНК. Этот момент считается «официальной» датой рождения молекулярной биологии. Действительно, впервые на ос­новании чисто структурных соображений, исходя только из структуры молекулы ДНК, удалось понять механизм одного из фундаментальных биологических явлений — воспроизведения себе подобного.

Основной принцип, лежащий в основе макромолекулярной структуры ДНК,— это так называемый принцип комплементарное™. Схематически сущность этого принципа показана на рис. 3. Как уже упоминалось, мо­лекула ДНК состоит из двух взаимозакрученных цепей. Эти цепи связаны друг с другом посредством взаимодействия их противолежащих нуклео-тидов. По структурным соображениям существование такой двутяжной структуры оказывается возможным только в том случае, если противоле­жащие нуклеотиды обеих цепей окажутся стерически комплементарными, т. е. будут своей пространственной структурой дополнять друг друга. Та-

























^ ПРОБЛЕМА БИОСИНТЕЗА БЕЛКОВ $J

кими взаимодополняющими — комплементарными — парами нуклеоти-дов являются лишь пары А — Т и Г — Ц. Другие варианты взаимодейст­вия между четырьмя сортами противолежащих нуклеотидов невозможны. Следовательно, согласно принципу комплементарности, если в одной цепи молекулы ДНК имеется некая последовательность четырех сортов нуклео­тидов, то во второй цепи последовательность нуклеотидов будет однознач­но детерминирована: каждому А первой цепи будет соответствовать Т во второй цепи, каждому Т первой цепи — А во второй цепи, каждому Г пер­вой цепи — Ц во второй цепи и каждому Ц первой цепи — Г во второй цепи (см. рис. 3).

Указанный структурный принцип, лежащий в основе двутяжного строения молекулы ДНК, позволяет легко понять точное воспроизведение исходной структуры, т. е. точное воспроизведение информации, записан­ной в цепях молекулы в виде определенной последовательности из четырех сортов нуклеотидов. Действительно, синтез новых молекул ДНК в клетке происходит только на базе уже имеющихся молекул ДНК. При этом две цепи исходной молекулы ДНК начинают с одного из концов расходиться, и на каждом из разошедшихся однотяжных участков из присутствующих в среде свободных нуклеотидов начинает собираться в точном соответст­вии с принципом комплементарности вторая цепь (см. рис. 3). Процесс расхождения двух цепочек исходной молекулы ДНК продолжается, и со­ответственно обе цепи дополняются комплементарными цепями. В ре­зультате, как видно на схеме, вместо одной возникают две молекулы ДНК, совершенно идентичные исходной. В каждой получившейся «дочерней» молекуле ДНК одна цепь целиком происходит от исходной, а другая является заново синтезированной. Необходимо еще раз подчеркнуть, что потенциальная способность к точному воспроизведению заложена в самой двутяжной комплементарной структуре ДНК как таковой, и открытие этого безусловно составляет одно из главных достижений современной биологии.

Однако проблема воспроизведения (редупликации) ДНК не исчерпы­вается констатацией потенциальной способности ее структуры к точному воспроизведению своей нуклеотидной последовательности. Дело в том, что сама ДНК ни в коем случае не является самовоспроизводящейся молеку­лой, как это иногда неверно представляют. Для осуществления процесса синтеза — воспроизведения — ДНК по описанной выше схеме необходима деятельность специального белка-фермента, носящего название ДНК-по-лимеразы. По-видимому, именно фермент осуществляет последовательно ждущий от одного конца молекулы ДНК к другому процесс расхождения двух цепей с одновременной полимеризацией на них свободных нуклео­тидов по комплементарному принципу.

Таким образом, ДНК, подобно матрице, лишь задает порядок распо­ложения нуклеотидов в синтезирующихся цепях, а сам процесс ведет бе­лок. Работа белка-фермента в ходе редупликации ДНК представляет собой одну из наиболее интересных современных проблем. По-видимому, белок как бы активно ползет вдоль двутяжной молекулы ДНК от одного ее конца к другому, оставляя позади себя раздвоенный редуплицированный «хвост». Физические принципы такой работы данного белка пока неясны. Передача информации (транскрипция). Следующей узловой проблемой, определяющей одну из важнейших сторон биосинтеза белков, является проблема передачи информации от ДНК к белоксинтезирующим части­цам — рибосомам. Первый и основной момент этой передачи информа­ции—синтез информационных РНК на участках цепей ДНК (генах). Сама идея, что ДНК не является непосредственным участником про­цесса биосинтеза белков, а осуществляет свою «направляющую» функцию

58

^ А. С. СПИРИН

через посредство РНК, возникла сравнительно давно, будучи впервые вы­сказана еще в 40-х годах Т. Касперсоном. Так родилась знаменитая иерархическая схема «ДНК — РНК — белок». Впервые эксперименталь­ное указание на то, что таким посредником, «копирующим» ДНК, слу­жит далеко не вся клеточная РНК, а лишь какая-то ее .особая фракция, количественно составляющая небольшую долю всей РНК, было получено в 1957 г. нами в лаборатории А. Н. Белозерского. На основании этих дан­ных было предсказано существование информационной РНК за несколько лет до ее окончательной и однозначной идентификации в клетках в 1961 г. объединенными усилиями нескольких лабораторий США, Фран­ции и Англии.

В настоящее время выяснено, что цепь* информационной РНК синте­зируется путем прямого использования соответствующего участка ДНК в качестве матрицы. Причем синтезируемая цепь мРНК точно копирует по своей нуклеотидной последовательности одну из двух цепей ДНК, если принять, что У в РНК соответствует его производное Т в ДНК (см. рис. 2). Показано, что это происходит на основе того же структурного принципа комплементарное™, который определяет редупликацию ДНК. Оказалось, что когда происходит синтез мРНК на ДНК в клетке, то в качестве матрицы для образования цепи мРНК используется лишь одна цепь ДНК. Тогда каждому Г этой цепи ДНК будет соответствовать Ц в строящейся цепи РНК, каждому Ц цепи ДНК — Г в цепи РНК, каждо­му Т цепи ДНК — А в цепи РНК и каждому А цепи ДНК — У в цепи РНК. В итоге получающаяся цепь РНК будет строго комплементарна матричной цепи ДНК и, следовательно, идентична по последовательности нуклеотидов (принимая Т = У) второй цепи ДНК. Таким образом, про­исходит «переписывание» информации с ДНК на РНК, т. е. транскрип­ция. «Переписанные» сочетания нуклеотидов в цепи РНК уже непосред­ственно определяют расстановку соответствующих, кодируемых ими ами­нокислот в цепи белка.

И снова, как и при рассмотрении редупликации ДНК, в качестве од­ного из наиболее существенных моментов процесса транскрипции необ­ходимо указать на его ферментативный характер. ДНК, являющаяся здесь матрицей, целиком определяет расположение нуклеотидов в синтезирую­щейся цепи мРНК, всю специфичность образуемой РНК, но сам ход про­цесса осуществляется особым белком-ферментом. Этот фермент назы­вается РНК-полимеразой. Его молекула имеет сложную организацию, ка­ким-то неизвестным пока образом позволяющую ему активно продвигаться вдоль молекулы ДНК, одновременно синтезируя цепочку РНК, комплемен­тарную к одной из цепей ДНК.

Молекула ДНК, служащая матрицей, при этом не расходуется и не изменяется, сохраняясь в прежнем виде и будучи всегда готова для такого переписывания с нее неограниченного количества «копий» — мРНК. Поток этих мРНК от ДНК к рибосомам и составляет тот поток информации, который обеспечивает все программирование белоксинтезирующего аппа­рата клетки, всей совокупности ее рибосом.

Вовлечение аминокислот в биосинтез белков. Среди разбираемых уз­ловых проблем биосинтеза белков в живой клетке особое место принад-. лежит вопросам, связанным не с «генетическим» или («программным» обес­печением белкового синтеза, а с вовлечением и потоком самого материала и энергии для построения белков. Очевидно, что эта «материальная» сто­рона белкового синтеза является не менее важной и решающей, чем его «кибернетическая» сторона, хотя за самые последние годы в силу ряда причин последняя безусловно привлекала к себе большее внимание, осо­бенно небиологов. Между тем, именно на уровне подготовки и вовлечения

^ ПРОБЛЕМА БИОСИНТЕЗА БЕЛКОВ

59

аминокислот в процесс белкового синтеза решаются две самые главные задачи биосинтеза: энергетическое обеспечение процесса и первичное «уз­навание» аминокислотами соответствующих им нуклеотидных сочетаний.

Обе эти задачи решаются через образование соединений аминокислот с молекулами адапторных РНК, или сРНК (рис. 4). При этом сначала происходит энергетическая «активация» аминокислоты за счет ее фермен­тативной реакции с молекулой аденозинтрифосфата, а затем «активиро­ванная» аминокислота соединяется с концом относительно недлинной цепочки сРНК; приращение свободной энергии активированной амино­кислоты запасается при этом в виде свободной энергии химической связи между аминокислотой и сРНК. Количества этой свободной энергии до­статочно для последующего образования пептидной связи между амино­кислотами при построении белка в рибосоме. Таким путем обеспечивается энергетическая сторона процесса полимеризации аминокислот в белковую цепь.

Одновременно решается и вторая задача. Дело в том, что реакцию между активированной аминокислотой и молекулой сРНК ведет фермент. Для каждого из 20 сортов аминокислот существует свой особый фермент, осуществляющий реакцию с участием только данной аминокислоты. Сле­довательно, существует не менее 20 различных ферментов, каждый из ко­торых специфичен для одного сорта аминокислоты. В то же время каждый из этих ферментов может вести реакцию взаимодействия не с любой мо­лекулой сРНК, а лишь с теми, в цепи которых имеется строго определен­ное сочетание нуклеотидов. Для каждого фермента эти необходимые соче­тания нуклеотидов в цепи сРНК различны. Таким образом, получается, что, например, некий фермент «а» ведет реакцию лишь с участием ами­нокислоты лейцина и сРНК, несущей сочетание нуклеотидов ААЦ; поэто­му фермент может присоединить лейцин только к этой и ни к какой другой сРНК. Точно так же некий фермент «б» ведет реакцию лишь с участием аминокислоты пролина и сРНК, несущей сочетание ГГГ. Соответственно в ферментативной реакции будет образовываться лишь соединение пролина с данной сРНК. Эти однозначные соотношения, обу­словленные субстратной специфичностью соответствующих белков-фер­ментов, схематически представлены в нижней части рис. 4.

Таким образом, благодаря существованию набора столь специфиче­ских ферментов, различающих, с одной стороны, природу аминокислоты, а с другой — нуклеотидную последовательность сРНК, каждый из 20 сор­тов аминокислот оказывается «приписанным» только определенным сРНК с данным характерным нуклеотидным сочетанием.

Синтез белка в рибосоме (трансляция). Именно благодаря специфи­ческой «посадке» аминокислот на сРНК перед вхождением в рибосому ока­зывается возможным выполнение молекулами сРНК их функций адап­теров при взаимодействии с триплетами информационной РНК в процессе трансляции в рибосоме. Здесь мы переходим к центральной проблеме бел­кового синтеза — механизму синтеза белковой цепи при участии рибосомы, информационной РНК и адапторных РНК с присоединенными аминокис­лотами. Схематически некоторые моменты этого процесса, насколько мы их представляем сегодня, даны на рис. 5.

На рисунке прежде всего видно, что молекулы информационной РНК соединены с рибосомой или, как говорят, рибосома «запрограммирована» информационной РНК. В каждый данный момент непосредственно в са­мой рибосоме находится лишь относительно короткий отрезок цепи мРНК. Но именно этот отрезок при участщт. рибосомы может взаимодействовать с молекулами адапторных РНК. И здесь главную роль снова играет уже дважды разбиравшийся выше принцип комплементарности. Так, если отре-

60

^ А. С. СПИРИН

зок цепи мРНК, располагающийся в соответствующем месте рибосомы, имеет нуклеотидную последовательность ГУУ, то к этому триплету авто­матически присоединится цепь сРНК, несущая в своем «контактном» участке комплементарный триплет ЦАА. Но поскольку, как уже выше ука­зывалось, на молекулу сРНК с таким триплетом ЦАА может быть наве­шена лишь аминокислота валин, то стало быть триплет ГУУ информаци­онной РНК определит вхождение в рибосому и связывание по комплемен­тарному принципу именно сРНК с валином. Этим и объясняется, почему данному триплету цепи мРНК соответствует строго определенная амино­кислота. Видно, что необходимым промежуточным звеном, или адаптером, при «узнавании» каждой аминокислотой своего триплета на мРНК явля­ется адапторная РНК (сРНК).

Далее, на схеме видно, что в рибосоме, помимо молекулы сРНК с на­вешенной аминокислотой, находится еще одна молекула сРНК, которая своим концом присоединена к концу находящейся в процессе синтеза бел­ковой цепочке. Таким образом, в работающей рибосоме в каждый данный момент имеется две молекулы сРНК — одна с навешенной аминокислотой, только что вошедшая в рибосому и прикрепившаяся к триплету цепи мРНК, и другая, пришедшая перед ней и теперь уже присоединенная своей аминокислотой к растущему концу недостроенной белковой моле­кулы. Такое положение прямо отражает динамику событий, происходящих в рибосоме в процессе синтеза белковой молекулы. Эту динамику можно представить, себе следующим образом.

Начнем с некоего промежуточного момента, отраженного на схеме и ха­рактеризующегося наличием уже начавшей строиться белковой цепочки, присоединенной к ней сРНК и только что вошедшей в рибосому и связав­шейся с триплетом новой молекулы сРНК с соответствующей ей амино­кислотой. По-видимому, сам акт присоединения молекулы сРНК к распо­ложенному в данном месте рибосомы триплету мРНК индуцирует некое конформационное изменение структуры рибосомы, приводящее к продви­жению цепи мРНК относительно рибосомы на один триплет вправо. В ре­зультате такой протяжки цепи мРНК соответственно переместится и сРНК с аминокислотой, присоединенная к «своему» триплету на мРНК.

При этом данная молекула сРНК поставит свою аминокислоту точно к концу растущей белковой цепи, и соответствующий «полимеризирующий» фермент свяжет эту аминокислоту с белковой цепью, а сидевшая здесь прежняя молекула сРНК окажется вытесненной и уйдет из рибосомы, оста­вив свою аминокислоту в составе белковой цепочки.

В результате продвижения цепи мРНК на один триплет вправо в ри­босоме появится следующий вакантный триплет (на схеме — AAA) и к нему немедленно по комплементарному принципу присоединится соответ­ствующая сРНК с аминокислотой (лизил — сРЙК). Это опять вызовет продвижение цепи мРНК на один триплет вправо, со всеми вытекающими отсюда последствиями. Таким путем осуществляется последовательное, триплет за триплетом, протягивание цепи информационной РНК через рибосому, в результате чего цепь мРНК «прочитывается» рибосомой цели­ком, от начала до конца.

Одновременно и сопряженно с этим происходит последовательное (ами­нокислота за аминокислотой) наращивание белковой цепочки. Соответст­венно, в рибосому одна за другой поступают молекулы сРНК с амино­кислотами и выходят молекулы сРНК без аминокислот. Оказываясь в растворе вне рибосомы, свободные молекулы сРНК снова соединяются с аминокислотами и опять несут их в рибосому, сами же, таким образом, цик­лично обращаясь без изменения и разрушения.

^ ПРОБЛЕМА БИОСИНТЕЗА БЕЛКОВ

61

Конечно, наиболее поразительным и таинственным моментом в опи­санной динамической модели трансляции, да, пожалуй, и во всей проблеме биосинтеза белков, является координированная, надежная и многогран­ная работа маленькой частицы, называемой рибосомой и состоящей всего из нескольких десятков макромолекул. По сложности и характеру выпол­няемых операций уже даже в том объеме, как мы их знаем, рибосома может быть сравнена с современным магнитофоном, где магнитная лента с записью может быть сравнена с лентой мРНК, а воспроизведение звука может рассматриваться как та же трансляция. Это, безусловно, не очень серьезное сравнение, но оно заставляет серьезно задуматься над теми но­выми, неизвестными нам структурными принципами, которые лежат в основе организации рибосомы, этой удивительной молекулярной «ма­шины».

За последнее время рибосома привлекла к себе внимание и еще одним, недавно открытым фактом, указавшим на ее решающую роль не только в осуществлении самого процесса трансляции, но и в определении одно­значности ирочитывания кода. Так, оказалось, что некоторые воздействия на структуру самой рибосомы, не затрагивающие ни мРНК, ни адапторной РНК, могут приводить к изменению состава синтезируемой белковой це­почки. Например, при добавлении к рибосомам в качестве мРНК цепочки из нуклеотидов У в нормальных условиях, как уже говорилось выше, син­тезируется цепочка из аминокислот одного сорта — фенилаланина; трип­лет УУУ кодирует фенилаланин. Но если на структуру рибосомы воздей­ствовать стрептомицином, или повышенной температурой, или другими факторами, то при наличии той же цепочки из У в синтез начинают вовле­каться и другие аминокислоты — изолейцин, лейцин, серии; однознач­ность триплета УУУ исчезает или уменьшается, система трансляции на­чинает «врать». Такое «вранье» в трансляции оказалось свойственным рибосомам, помещенным в любые не оптимальные для них условия, и чем больше отклонение от оптимальности, тем больше степень «вранья».

На основании сказанного мы приходим к выводу, что отнюдь не сама по себе нуклеотидная запись в цепи информационной РНК автоматически, с абсолютной однозначностью, определяет постановку соответствующих аминокислот в белке, а лишь надлежащая структурная организация рибо­сомы обеспечивает правильное декодирование триплетов.

О структуре рибосом. Из сказанного о работе рибосомы видно, что хотя в настоящее время уже можно констатировать некоторые процессы, про­исходящие при трансляции, например передвижение цепи мРНК, после­довательное наращивание белковой цепи и т. д., но те молекулярные механизмы и те принципы динамической работы рибосомы, которые и со­ставляют существо процесса трансляции, пока еще совершенно не ясны. И прежде всего понимание этого центрального процесса упирается в наше незнание конкретной структурной организации рибосомы.

О структуре рибосомы до недавнего времени было известно лишь то, что она слагается из двух неравных частиц — субъединиц,— соединенных всегда определенным образом, и что каждая из них состоит из одной мо­лекулы рибосомальной РНК и нескольких десятков молекул особого струк­турного белка. В остальном рибосома представлялась как компактная, имеющая характерные очертания частица неизвестного строения. Опре­делить внутреннее молекулярное строение частиц оказывалось невозмож­ным ни одним, из существующих физических методов из-за малых раз­меров и главным образом вследствие их лабильности. Попытка пробить брешь в этой «непознаваемости» рибосом и была одной из основных задач нашей лаборатории в течение последних четырех лет. С помощью неко­торых новых подходов нам удалось это сделать.

62

^ А. С. СПИРИН

Одним из первых результатов было обнаружение того, что каждая-компактная рибосомная частица — субъединица — по своей структурной организации представляет собой один свернутый и сложенный определен­ным образом рибонуклеопротеидный тяж. Соответственно, каждую рибо-сомную частицу можно легко и обратимо развернуть в такой тяж. Его можно представить как непрерывный тяж рибосомальной РНК с нани­занными на него многочисленными молекулами структурного рибосомаль-ного белка. Мы считаем, что обнаружением этого факта вскрыт один иг основных принципов структуры рибосомы.

Формирование компактной рибосомной частипы из такого тяжа дости­гается за счет его весьма специфического способа складывания. Способ самой укладки этого тяжа в рибосоме изучается в нашей лаборатории сов­местно с группой электронной микроскопии Н. А. Киселева в Лаборато­рии структуры белка Института кристаллографии АН СССР. Первые ре­зультаты позволяют предположить, что основным элементом такой уклад­ки являются закономерные перегибы тяжа на 180° с взаимодействием образующихся колен бок о бок — так, как показано на рис. 6, вверху.

На основании полученных данных нами впервые была предложена приближенная гипотетическая модель строения рибосомной частицы, сум­мирующая полученные экспериментальные результаты. Фотография этой модели приведена в нижней части рис. 6. Работа по расшифровке молеку­лярной структуры рибосом и структурных основ их функционирования продолжается.

Регуляторные аспекты биосинтеза белков. Теперь мы переходим к заключительной, и в то же время имеющей самое общее значение проб­леме в круге узловых проблем биосинтеза белков. Это — проблема регу­ляции биосинтеза белков в живой клетке.

Известно, что потенциальные возможности, заключенные в суммарной клеточной ДНК, огромны и никогда в каждый данный момент не реали­зованы полностью. Клетка никогда не синтезирует всех белков, какие она может синтезировать в принципе, а лишь те, которые ей «требуются» в данный момент. При перемене условий существования синтез одних ферментов прекращается и начинается синтез других. В процессе развития, созревания и дифференцировки клеток каждая фаза разви­тия характеризуется своим набором синтезируемых белков. У бак­териальных и других клеток хорошо известны случаи, когда тот или иной фермент начинает синтезироваться только тогда, когда они получат субстрат, на который должен действовать фермент (индукция фермента). В то же время ряд ферментов, синтезирующих те или иные необходимые для клетки вещества, перестает образовываться, когда клет­ка получает эти вещества извне уже в готовом виде (репрессия фермента). Все это свидетельствует о тонкой и целесообразной регуляции синтеза различных белков в клетке. Те или иные белки синтезируются как бы «по мере надобности» и их синтез прекращается за «ненадобностью».

За последние годы, главным образом благодаря замечательным работам французских ученых Ф. Жакоба и Ж. Моно по изучению явлений индук­ции и репрессии синтеза ферментов у микроорганизмов, удалось подойти к пониманию одного из важнейших элементов регуляции синтеза белков. На рис. 7 представлена схема регуляции синтеза индуцируемых фермен­тов у бактерий. В этой системе ферменты, контролируемые генами А, Б и В, призваны осуществлять последовательные биохимические превра­щения некоего вещества, названного на схеме метаболитом. Оказывается, что если в клетке нет этого метаболита (например, он не поступает из среды), то данные ферменты «за ненадобностью» не синтезируются. По­явление метаболита в клетке индуцирует их синтез.

^ ПРОБЛЕМА БИОСИНТЕЗА БЕЛКОВ

63

Механизм такой регуляции оказывается следующим. В составе моле­кул ДНК, помимо генов, ответственных за синтез белков-ферментов или иных функциональных белков, имеются также особые гены-регуляторы. Последние контролируют синтез так называемых репрессоров, которые по своей химической природе, по-видимому, тоже являются своеобразны­ми белками. Характерным для этих белков-репрессоров является то, что» они активно связываются с начальной точкой транскрипции определен­ных генов; такое связывание, схематически изображенное на рис. 7 стрелкой, приводит к неспособности гена продуцировать мРНК, т. е. к репрессии гена. В таких условиях из-за отсутствия синтеза мРНК не происходит синтеза и соответствующих белковнферментов. В то же время репрессор обладает способностью специфически взаимодействовать с ме­таболитом и в его присутствии утрачивает активность в связывании с генами. Следовательно, появление метаболита в клетке инактивирует репрессор, а значит начальная точка транскрипции генов А, Б и В стано­вится теперь несвязанной. Это приводит к немедленному началу тран­скрипции — на генах А, Б и В синтезируются соответствующие мРНК. Последние поступают в рибосомы и обуславливают там синтез соответ­ствующих белков-ферментов, нужных клетке для проведения биохими­ческих превращений данного метаболита. Как только метаболит из клетки исчезает, репрессор снова активируется и связывает гены; синтез мРНК прекращается. Соответственно прекращается и синтез белков-ферментов, которые при отсутствии метаболита более не нужны. Разработка этой схемы явилась одним из крупнейших достижений современной молекуляр­ной биологии.

Однако уже сейчас становится ясным, что предложенная Ф. Жакобом и Ж. Моно схема регуляции биосинтеза белков через регуляцию генной активности не может объяснить всего многообразия явлений, связанных с целесообразной регуляцией белкового синтеза в клетке. Прежде всего это касается многочисленных фактов стабильной, уже не зависящей от присутствия или отсутствия метаболита активации или инактивации генов.

Согласно предположениям ряда зарубежных и наших авторов, на роль, стабильных репрессоров, которые, будучи раз посажены на ген, уже не слезают с него и которые, очевидно, играют важную роль в поступатель­ном необратимом развитии организмов и дифференцировке клеток, мо­гут претендовать гистоны — специфические ядерные белки с пока неиз­вестными функциями.

Далее, как было показано в лаборатории, руководимой Р. Б. Хесиным (Институт атомной энергии им. И. В. Курчатова), активность одних генов и неактивность других может быть связана с каким-то состоянием самой молекулы ДНК, а не обязательно с репрессирующим действием белков. Все эти вопросы в настоящее время являются предметом поисковых ис­следований во многих лабораториях мира.

Наконец, в течение самого последнего года начали появляться данные о том, что проблема регуляции биосинтеза белков в клетке не ограничи­вается регуляцией генной активности, регуляцией синтеза мРНК на ДНК. В нашей лаборатории при изучении белкового синтеза в эмбриональных клетках недавно был открыт новый тип внутриклеточных рибонуклеопро-теидных частиц, которые были названы информосомами. Они оказались комплексами информационной РНК с белком. В виде таких комплексов. мРНК может выходить из ядра в цитоплазму. Полученные нами предва­рительные данные показывают, что мРНК таких частиц не активна в белковом синтезе до тех пор, пока она под действием определенных метаболитов не освободится от информосомного белка. Это явление можно рассматривать как новый тип внутриклеточной регуляции белкового син-

64

^ А. С. СПИРИН

теза — регуляции уже не на генном уровне, не на уровне транскрицпии, а на уровне рибосом, на уровне трансляции. Информосомный белок здесь играет роль своеобразного стопора на цепи мРНК, не дающего рибосоме протаскивать сквозь себя цепь мРНК, «прочитывать» ее (рис. 8). Тем самым наличие или отсутствие белка на мРНК регулирует ее активность в белковом синтезе. Есть основания надеяться, что изучение такого типа регуляции откроет новые возможности для исследования и понимания мно­гих процессов эмбрионального развития, действия гормонов, злокачествен­ного перерождения и других.

Заключение. Итак, из представленного рассмотрения узловых проблем биосинтеза белков в клетке видна вся сложность, многоэтапность и взаи­мозависимость отдельных звеньев этого процесса. Особенно хотелось бы подчеркнуть следующий момент. С одной стороны, нуклеиновые кислоты определяют специфичность всех синтезируемых белков; с другой сторо­ны, на каждом этапе функционирования нуклеиновых кислот в белковом синтезе нужны соответствующие белки-ферменты. Получается замкнутая «на себя» взаимозависимость отношений нуклеиновых кислот, кодирую­щих структуру белков и обеспечивающих их синтез, и белков, необходи­мых для того, чтобы эти функции нуклеиновых кислот могли осуществ­ляться. В такой круговой взаимосвязанности, очевидно, уже начинают проявляться общие свойства клетки как единой взаимосогласованной кооперативной системы. А это в свою очередь выдвигает новые вопросы. В дополнение к чисто аналитическому подходу к изучению процессов биосинтеза белков в клетке — основному в современной молекулярной биологии — все более начинает ощущаться необходимость и «целостного» подхода к этой проблеме. По-видимому, дальнейшее всестороннее изуче­ние биосинтеза белка как одного из основных жизненных процессов пред­ставляет собой наиболее верный путь к уяснению некоторых общих био­логических закономерностей, включая те неизвестные принципы само­регуляции, самосохранения и самоподдержания, которые характеризуют любую живую систему как целое. Достигнутый современной молекуляр­ной биологией и еще продолжающийся детальный анализ всех звеньев процесса биосинтеза белков может рассматриваться как решающая фун­даментальная подготовка к тому гигантскому научному скачку, кото­рый должен привести к разгадке основных принципов и законов живых систем,— скачку, все будущие теоретические и практические последствия которого сегодня невозможно даже предугадать.

Похожие:




©fs.nashaucheba.ru НашаУчеба.РУ
При копировании материала укажите ссылку.
свазаться с администрацией