РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (1113566)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

РИБОНУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
КАК ЦЕНТРАЛЬНОЕ ЗВЕНО ЖИВОЙ МАТЕРИИ

А. С. Спирин
Спирин Александр Сергеевич - академик, советник РАН.

В 30-х годах прошлого столетия моему учителю Андрею Николаевичу Белозерскому удалось поставить последнюю точку в затянувшихся спорах о принадлежности двух разных типов нуклеиновых кислот - рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) - растительному или животному царствам живого мира. Тогда о генетических функциях обеих нуклеиновых кислот еще ничего не знали. Долгое время РНК считалась компонентом растений, включая грибы, а ДНК рассматривалась как типичный компонент животных клеток, как "животная нуклеиновая кислота", чаще всего называвшаяся тогда "тимонуклеиновой кислотой" (от thymus - латинского названия зобной железы, из которой ее выделяли). Затем оказалось, что РНК, наряду с ДНК, широко распространена у животных. Однако относительно наличия ДНК в растительных клетках существовали большие сомнения: прямых данных не было, а единственное косвенное указание - положительная цветная цитохимическая реакция Фейльгена, которую обнаруживали ядра растительных клеток, - не могло считаться надежным свидетельством. А.Н. Белозерским был сначала выделен и идентифицирован тимин - самый характерный компонент ДНК - из семян гороха [1], а затем сама ДНК была препаративно выделена из семян конского каштана [2]. Так установилось окончательное понимание того, что и РНК, и ДНК - два универсальных типа нуклеиновых кислот, присущих всем царствам живого мира.

В 40-х годах на основе различных цитологических и биохимических наблюдений и анализов стало складываться представление, что ДНК, постоянно локализующаяся в ядрах клеток, в их хромосомах, самым тесным образом связана с аппаратом наследственности, а РНК - это обязательный компонент клеточной цитоплазмы, ответственный за биосинтез белка [3, 4]. Прямые эксперименты Т.Эйвери с сотрудниками [5] доказали, что чистая, изолированная ДНК может быть носителем наследственных признаков организма. (Более подробно об этих экспериментах, а также о составе и строении ДНК см. в обзоре [6]). Все большее число исследователей, в первую очередь биохимиков и цитологов, начинали склоняться к мысли, что ДНК или ее комплексы с белками могут быть основными носителями генетической информации, а РНК - посредником, воспринимающим эту информацию от ДНК и реализующим ее в виде биосинтеза белков.

Рис. 1. Полинуклеотидные цепи нуклеиновых кислот ДНК и РНК (фрагменты)

К началу 50-х годов Э. Чаргафф установил факт видовой специфичности состава ДНК, показав, что соотношения четырех сортов ее мономеров - гуанилового (G), аденилового (А), цитидилового (С) и тимидилового (Т) - различаются у разных видов организмов [7, 8]. Этот факт прямо соответствовал предполагавшейся генетической роли ДНК. При этом были найдены также удивительные закономерности в нуклеотидном составе ДНК, названные "правилами Чаргаффа": независимо от видовых различий, во всех ДНК количество G было равно количеству С, а количество А -количеству Т (G = С, А = Т). В 1953 г. Дж. Уотсон и Ф. Крик, используя эти экспериментальные данные по химическому составу ДНК, а также результаты рентгеноструктурных анализов ориентированных нитей ДНК, указавших на спиральный характер укладки полимерных молекул ДНК [9, 10], предложили модель макромолекулярной структуры ДНК [11]. Это была двойная спираль, где две полимерные нити ДНК закручены друг относительно друга вокруг общей оси и удерживаются вместе за счет парных взаимодействий G с С и А с Т. Их догадка оказалась гениальной: непосредственно из структуры вытекал механизм ее точного воспроизведения [12], что впервые дало объяснение воспроизведению себе подобных структур в процессах размножения и наследственности. Так полвека назад родилась новая наука - молекулярная биология.

Рис. 2. Репликация РНК на матрице ДНК (транскрипция)

Естественно, что молекулярная биология началась с эры ДНК. ДНК была провозглашена "главной молекулой жизни", "нитью жизни", началом начал и основой всего живого. Белки, ранее рассматриваемые как основной компонент живых систем, теперь "увольнялись" со всех руководящих позиций и "назначались" на второстепенные роли катализаторов, обслуживающих существование ДНК. Роль другого типа нуклеиновых кислот - РНК - сводилась к функции посредников, производимых на матрицах ДНК и направляющих синтез белков. Схема "ДНК—>РНК —> белок" с необратимостью процессов передачи информации, обозначаемых стрелками, получила название "центральной догмы молекулярной биологии" (подробнее см. [6,13]).

Рис. 3. Корреляция нуклеотидного состава РНК с нуклеотидным составом ДНК [15]

РНК: РЕПЛИКАЦИЯ НА ДНК И ГЕНЕТИЧЕСКАЯ ФУНКЦИЯ

В основе воспроизведения (репликации) структуры ДНК лежит так называемый принцип комплементарности: в двойной спирали две полимерные цепи ДНК связаны бок о бок водородными связями за счет образования пар G-C, C-G, А-Т и Т-А (см. [6], рис. 2 и 3). Если две цепи двойной спирали расходятся, то на каждой из них может строиться (полимеризоваться) новая комплементарная цепь, так что напротив G исходной цепи установится С новой цепи, напротив С старой цепи - G новой цепи, напротив А-Т, а напротив Т-А; в результате получатся две дочерние двойные спирали, полностью идентичные исходной - материнской (см. [6], рис. 4).

РНК химически подобна ДНК. В обоих случаях это линейные, неразветвленные полимеры нуклеотидов с пентозо-фосфатным остовом и четырьмя типами азотистых (пуриновых и пиримидиновых) оснований в качестве боковых групп (рис. 1). Существует только два небольших отличия цепи РНК от одиночной цепи ДНК:

1) пятиуглеродный сахар (пентоза) в РНК представлен рибозой, а в ДНК - его производным 2'-дезоксирибозой;

2) один из двух пиримидиновых нуклеотидов в РНК представлен уридиловым остатком (U) вместо его метилированного производного Т в ДНК.

Тот же вышеупомянутый принцип комплемен-тарности обеспечивает механизм репликации РНК на матрице ДНК. Разница лишь в том, что РНК полимеризуется только на одной из двух разошедшихся цепей двойной спирали ДНК (рис. 2). Разумеется, при синтезе РНК напротив А цепи ДНК становится уридиловый рибонуклеотид (U) вместо тимидилового дезоксирибонуклеотида (Т) при синтезе ДНК. Реплицирующаяся цепь РНК, таким образом, является точной копией противоположной цепи ДНК, с заменой Т на U. Процесс репликации сопровождается отделением цепи РНК от ДНК. В результате такой репликации РНК образуется как гибкий одноцепочечный полимер в отличие от жесткой двойной спирали ДНК.

Будучи копиями определенных функциональных отрезков цепи ДНК - генов, цепи РНК призваны служить матрицами для синтеза другого типа полимеров - полипептидных цепей белков. Так как белки состоят из двадцати разных сортов мономеров (аминокислот), а РНК - только из четырех сортов мономеров (нуклеотидов), детерминация аминокислотной последовательности полипептидной цепи нуклеотидной последовательностью РНК требует того, чтобы каждая аминокислота кодировалась комбинацией из нескольких - не менее трех - нуклеотидов. Именно триплетный код был сначала постулирован на основании теоретических соображений, а затем и доказан экспериментально. За РНК прочно закрепилась генетическая роль посредника между генами и белками: с одной стороны, РНК представлялась как совокупность копий генов, то есть копий отрезков ДНК, а с другой - как непосредственные матрицы, последовательности нуклеотидных триплетов которых декодируются в аминокислотные последовательности полипептидных цепей в процессе синтеза белков.

Исходя из этих представлений, в 1956 г. мной, тогда аспирантом А.Н. Белозерского в Институте биохимии АН СССР, была начата работа по экспериментальной проверке соответствия ДНК и РНК. Сначала мы показали, что нуклеотидный состав (соотношение четырех сортов нуклеотидов) ДНК может очень сильно различаться у разных видов организмов, в частности у бактерий разных таксономических групп. Далее мы исходили из того, что если РНК - копия ДНК, то нуклеотидный состав этих двух типов нуклеиновых кислот должен совпадать или, по крайней мере, быть сходным. Наши анализы дали совершенно неожиданный результат: при сильных вариациях состава ДНК соотношения нуклеотидов в тотальной РНК разных видов оказались удивительно консервативны (табл.) [14]. Вместе с тем статистический анализ этих данных показал, что имеется надежная положительная корреляция состава РНК с составом ДНК, хотя и при малой величине регрессии (рис. 3) [15]. Данные были интерпретированы так, что на фоне основной массы эволюционно консервативной, похожей у разных видов РНК существует относительно малая фракция видоспецифической РНК, копирующей ДНК.

В 1959 г. Ф. Крик так описал этот ранний период истории молекулярной биологии:

"Проблема кодирования прошла к настоящему времени три фазы. На первой - фазе блужданий - были сделаны различные предположения, но ни одно не было достаточно точным, чтобы подвергнуться опровержению. Вторая фаза - оптимистическая - была инициирована в 1954 году Гамовым, который был достаточно смелым, чтобы предложить довольно точный код. Это стимулировало целый ряд исследователей, стремившихся показать, что его предположения неверны, и тем самым они несколько подняли точность мышления в этой области. Третья фаза - фаза замешательства - была инициирована статьей Белозерского и Спирина в 1958 году... Данные, представленные там, показывали, что наши представления по многим важным аспектам были чересчур упрощенными" [16].

Таким образом, в работе 1956-1958 гг. нами были получены указания на два новых обстоятельства: во-первых, на наличие в клетках основной массы РНК, не являющейся посредником между генами и белками, то есть, по-видимому, негенетической РНК, и, во-вторых, на существование ДНК-подобной - генетической - РНК в виде сравнительно небольшой фракции, которой и могла быть приписана роль посредника между генами и белками.

Несколько ранее было установлено, что ДНК-подобная РНК образуется при заражении бактерий вирусом (бактериофагом): внедрение нового генетического материала - ДНК вируса - в клетку индуцировало синтез РНК, подобной по составу вирусной ДНК и, очевидно, определяющей синтез вирусных белков [17]. В нашей работе было впервые показано, что фракция ДНК-подобной РНК есть нормальный компонент обычных, не зараженных клеток, где она, по-видимому, выполняет функцию переноса генетической информации от своей ДНК, чтобы определять синтез своих белков. Позднее эта фракция РНК получила название messenger RNA [18], матричной РНК (мРНК), или информационной РНК.

Дальнейшие исследования мРНК в моей группе (с 1960 г. - лаборатории) в Институте биохимии АН СССР и переход от изучения микроорганизмов к высшим организмам привели еще к одному открытию. Оказалось, что в клетках высших организмов - животных и высших растений - мРНК в свободном виде не существует, она представлена в виде рибонуклеопротеидных частиц (мРНП-частиц), названных нами информосомами [19, 20].

Этот новый тип внутриклеточных частиц характеризовался рядом уникальных физико-химических свойств, и в частности, постоянным соотношением структурного белка и мРНК со значительным преобладанием белкового компонента. Роль нуклеопротеидной формы существования мРНК в клетках высших организмов в дальнейшем изучалась многими исследователями в связи с механизмами регуляции белкового синтеза на уровне трансляции. Эти работы дали ключ к пониманию ряда молекулярных механизмов оогенеза, сперматогенеза и раннего эмбриогенеза, клеточной дифференцировки и морфогенеза, эритропоэза и других процессов в жизнедеятельности многоклеточных существ, включая человека (см. обзоры [21, 22]).

СТРУКТУРНАЯ РНК

После 1958 г. главные усилия моей группы были направлены на изучение консервативной, негенетической РНК, составляющей основную часть тотальной клеточной РНК. Быстро выяснилось, что преобладающая ее часть (около 90%) представляет собой компонент рибосом - внутриклеточных рибонуклеопротеидных частиц, являющихся молекулярными "фабриками" по производству белков. В серии блестящих работ английских, французских и американских исследователей [23-25] было доказано, что рибосомы и РНК рибосом сами не несут генетической информации для синтеза белков, а служат универсальным, неспецифическим аппаратом, который должен быть программирован информационной РНК (мРНК), чтобы синтезировать специфические, детерминированные соответствующими генами белки.

Рис. 4. Схема конформаций и конформационных переходов ("развернутая цепь - стопка двуспиральных участков - компактная глобула") молекулы высокополимерной РНК в растворе как функция ионной силы, температуры и концентрации водородных ионов [26,27,29,30]

Первые же исследования рибосомных РНК в нашей лаборатории показали, что это - крупные макромолекулы (молекулярный вес порядка 10⁶), каждая из которых представляет собой одну ковалентно-непрерывную полинуклеотидную цепь [26, 27] в противоположность выдвинутому ранее представлению о субъединичном характере строения молекул рибосомных РНК [28]. Несколько ранее при изучении высокополимерной биологически активной (инфекционной) РНК из вируса табачной мозаики нам удалось обнаружить ее способность к формированию вторичной и третичной структур, то есть к складыванию и сворачиванию ее полинуклеотидной цепи в структуры с ближними и дальними внутрицепными взаимодействиями [29,30]. Подобное же поведение оказалось возможным продемонстрировать и в случае рибосомных РНК в растворе [26, 27]. В совокупности исследования физико-химических свойств и структурных характеристик изолированных высокополимерных РНК в растворе, выполненные в 1958-1962 гг., привели к формулированию следующих общих принципов их пространственной организации:

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов учебной работы