Три тайны жизни

Вторая функция ДНК — синтез М-РНК — осуществляется на разных участках молекулы ДНК, в зависимости от того, какой белок требуется в данный момент клетке. Эти участки, где происходят образования М-, или И-РНК, называются генами. Синтез М-РНК происходит с помощью другого специального фермента — РНК-полимеразы. При этом ДНК расплетается, по-видимому, только в небольшом участке, обнажая лишь несколько своих оснований. «Текст предписаний» о синтезе белка выдается не сразу, а по «буквам» или «словам», примерно так, как мы видим строку, когда читаем мелкий текст с лупой.

Считанная таким путем М-РНК отваливается от соответствующего локуса (или гена) молекулы ДНК и доставляется в рибосомы. Каждая рибосома состоит из двух неравных частей. Через меньшую проходит М-РНК, а в большей осуществляется образование полипептидных цепей и синтез белков.

Рибосому можно представить как станок с программным управлением. Работа такого автоматического станка зависит от информационной РНК, которая имеет определенную программу. Через молекулу М-РНК сразу проходит несколько рибосом. Иногда М-РНК может синтезировать не один, а несколько типов белков, в зависимости от того, со скольких генов была считана ее информация. Предполагают, что одна молекула М-РНК существует не более четырех-шести минут и за это время успевает наштамповать около двадцати однотипных белков (если РНК несет информацию только одного гена). Значит, специфика белка зависит от структуры информационной РНК, а не от рибосом. В одних и тех же рибосомах, например, кишечной палочки, в искусственных условиях синтезируют белки различных животных и даже человека, в зависимости от того, какая ДНК была задана в этот искусственно созданный синтезирующий комплекс.

Каким же образом доставляется необходимое «сырье»— различные аминокислоты — к месту «сборки» белковой молекулы? Доставка аминокислот в рибосомы производится с помощью сравнительно небольших молекул так называемой транспортной, или воднорастворимой, формы РНК. Эта РНК присоединяет на время аминокислоту и доставляет ее в рибосому. Освободившись от груза, она возвращается в цитоплазму за следующей аминокислотой. Наблюдения показывают, что каждая аминокислота имеет свою определенную транспортную РНК. Следовательно, транспортных РНК в протоплазме каждой клетки любого организма не менее двадцати — по числу важнейших аминокислот.

Молекула информационной РНК как бы пронизывает одну, чаще сразу несколько рибосом. Внутри каждой рибосомы находится сравнительно небольшое число нуклеотидных троек (триплетов). В этот момент молекулы транспортной РНК с «навешенными» на них аминокислотами приближаются к триплетам информационной РНК внутри рибосомы. При контакте кодового конца транспортной молекулы РНК, несущего определенную аминокислоту, с соответствующим ему триплетом информационной РНК происходит присоединение аминокислот к этим триплетам. То есть, к определенному участку информационной РНК внутри рибосомы может «прикрепиться» с помощью транспортной молекулы РНК только определенная аминокислота, закодированная данной тройкой нуклеотидов.

Схема синтеза белка в клетке.

Как только присоединение произошло, молекула информационной РНК продвигается сквозь рибосому на расстояние, равное заполнившей ее аминокислоте, и тем самым представляет следующий триплет для новой аминокислоты строящейся молекулы белка. При этом молекула транспортной РНК, отдавшая свою аминокислоту, уходит снова в цитоплазму за следующей свойственной ей аминокислотой. Таким образом, транспортные РНК совершают постоянный круговорот между цитоплазмой и рибосомами, доставляя исходное «сырье»— аминокислоты — для сборки определенных цепей белковых молекул.

Так синтезируются важнейшие белки — ферменты, которые ускоряют все химические реакции обмена веществ в организме.

Предполагают, что в каждой хромосоме человека содержится не менее пяти тысяч молекул ДНК, следовательно, в сорока шести хромосомах в каждой клетке, как минимум, может быть около трехсот тысяч молекул ДНК.

Каждая хромосома — это цепь линейно расположенных молекул ДНК, которые в свою очередь представляют собой цепочки генов. А каждый ген слагается из множества еще более мелких линейно расположенных единиц — нуклеотидов.

Весь этот сложнейший агрегат в ядре клеток работает очень точно, благодаря чему и осуществляется наследственность организмов из поколения в поколение.

Однако иногда случаются и «ошибки» в воспроизводстве молекул ДНК. Они могут произойти вследствие изменения отдельных нуклеотидов, а следовательно и генов, в молекулах ДНК. Подобные изменения называются молекулярными мутациями. Они происходят как вследствие внутренних перестроек нуклеотидных оснований в молекулах ДНК, так и под влиянием различных внешних физико-химических факторов (излучений и сильнодействующих химических веществ). Если молекулярные мутации происходят в молекулах ДНК половых клеток (мужских или женских гаметах), они передаются потомству, так как новый организм развивается из слившихся гамет зиготы. Причины появления подобных мутаций в настоящее время уже выяснены.

Установлено, что каждый ген управляет синтезом одной молекулы белка. Если произойдет химическое (мутационное) изменение в том или ином гене, то соответственно изменится аминокислотное звено в цепи синтезируемого белка. У вновь образованного белка исказятся ферментативные свойства, что может нарушить цепь тех реакций, в которых данный фермент принимает участие. В результате — нарушение обмена веществ со всеми вытекающими отсюда, иногда катастрофическими для организма, последствиями.

Современной медицине известны молекулярные наследственные болезни, связанные с нарушением обмена углеводов, аминокислот, жиров, пиримидинового обмена металлов, наследственные болезни крови и т. п. Но освещение этих вопросов не входит в нашу задачу.

Итак, вот и все, что мы собирались рассказать в этой маленькой брошюре о трех величайших открытиях биологической науки. Читатель, вероятно, уловил связь между ними и значение каждого из этих достижений для дальнейшего развития науки о жизни.

И действительно, ведь клеточная теория и эволюционное учение Дарвина явились решающими условиями, которые способствовали созданию диалектико-материалистического взгляда на живую природу. Именно эти два открытия, сделанные в прошлом веке, легли в основу грандиозных событий, которые ныне совершаются в биологической науке. Всестороннее и углубленное изучение клетки и ее содержимого породило новую отрасль в науке о жизни — молекулярную биологию.

За каких-нибудь десять-пятнадцать лет своего существования молекулярная биология добилась исключительных успехов: выяснены природа вирусов и механизм вирусных инфекций, расшифрованы основные этапы биосинтеза белка, раскрыта сущность генетического кода, основанного на молекулярной структуре ДНК, а это в свою очередь позволило уяснить природу наследственных изменений (мутаций), лежащих в основе эволюции и изменчивости живого мира. Исследования на молекулярном уровне привели к выводу о том, что синтез белка в живой клетке связан со свойством наследственности, то есть, что наследственность любого организма реализуется в процессе синтеза белка.

Достижения молекулярной биологии начинают входить и в практику. В настоящее время ведется успешная профилактическая и лечебная работа, направленная на борьбу с вирусными инфекциями, раковыми заболеваниями, а также с наследственными болезнями человека.

Расшифровка первичной структуры ряда белков позволила искусственно создать некоторые ценные ферменты и гормоны, причем, что особенно важно, синтезируемые белки обладают той же биологической активностью, что и природные.

Изучение проблемы биосинтеза белка в клетке открывает широчайшие перспективы. Получение синтетических белков позволит не только экспериментально создать материальные основы жизни, о чем мечтал еще Ф. Энгельс, но и получать необходимые продукты для пищевых, кормовых и лечебных целей. Решение последней проблемы навсегда избавит человечество от капризов природы, которая еще оказывает существенное влияние на экономику общества. Поэтому вполне справедливо наше столетие называется веком биологии.