Химия и биология белков - Ф. Гауровитц 1953

Синтез белка
Белок структурных элементов клетки

Прежде чем перейти к обсуждению вопросов, касающихся механизма синтеза белков, необходимо рассмотреть современные представления о физико-химическом состоянии белков в живой клетке. Одна часть этих белков находится в растворимом состоянии в клеточной жидкости, другая часть присутствует в структурных образованиях клетки, например в волокнах или гранулах [84].

Высокая вязкость клеточного сока указывает на то, что растворенные в этой жидкости белки имеют удлиненные, нитевидной формы молекулы. Используя поляризационный микроскоп, удается иногда определить ориентацию этих белковых нитей [80].

Этот же метод используется для изучения фибриллярных белков в клеточных мембранах, мышцах, нервах и других тканях. Во многих клеточных мембранах белки находятся в соединении с липидами, образуя ориентированные слои. Исследование кортикального слоя яйца морского ежа [82], а также изучение нервной ткани [83] показало, что молекулы липидов расположены радиально, таким образом, что их длинная ось направлена от центра клетки к ее поверхности. В отличие от липидов белковые волокна ориентированы в тангенциальном направлении и образуют сеть параллельно поверхности клетки [83, 85]. Подобное же расположение липидов и белков было обнаружено и в пластидах зеленых растений. Если исследовать пластиды в поляризованном свете, то они обнаруживают двойное лучепреломление слоев [86].

Способностью образовывать в клетках продолговатые частички обладают не только липопротеиды, но также и глюкопротеиды. Фертилизин, вещество, принимающее участие в процессе оплодотворения яйца морского ежа [87], представляет собой пример подобного волокнистого глюкопротеида.

Небольшие изменения физико-химического состояния волокнистых белков очень трудно обнаружить при помощи имеющихся в настоящее время в нашем распоряжении приборов. Эти приборы могут служить только для исследования ориентации волокон, а в некоторых случаях для определения их формы. Одной из немногих тканей, где сравнительно легко обнаруживаются изменения в состоянии белковых волокон, является прозрачная ткань хрусталика глаза. Физико-химические изменения белковых волокон хрусталика, вызванные действием солевых растворов или кислот, приводят к помутнению ткани [88]. При этом были установлены определенные различия в действии указанных агентов на хрусталик теленка и взрослого быка. Если хрусталик теленка подвергнуть действию гипертонического солевого раствора или низкой температуры, то в нем развивается центральная катаракта, в хрусталике же быка образуется периферическое помутнение [88].

От физико-химического состояния структурных белков зависит проницаемость и возбудимость клеток [89], их способность образовывать комплексы с другими клетками [90] и ряд других их свойств [91]. Фибриллярные белковые частицы можно изучать при помощи электронной микрографии. Электронные микрограммы мышечных белков [92, 93], белков кожи [94] и других органов [95] показали наличие отчетливой фибриллярной структуры белковых частиц этих органов. Следует, однако, помнить, что, с одной стороны, фибриллярная структура присуща далеко не всем белкам, с другой же, иногда и такие глобулярные белки, как инсулин, гемоцианин или вирусные белки, также могут образовывать фибриллярные частицы. Подобное превращение из глобулярного состояния в фибриллярное часто оказывается обратимым [96].

Внимание биохимиков и цитологов в течение последних нескольких лет направлено на изучение субмикроскопических гранул в клетках. Эти гранулы экстрагируются из клеток водой и обусловливают мутность экстрактов.

Для получения гранул в виде осадка, который можно подвергнуть анализу, производят фракционированное центрифугирование этих экстрактов, прибавив к ним предварительно раствор солей или сахарозы соответствующей концентрации и удельного веса. В результате непродолжительного центрифугирования при небольших скоростях из экстрактов удаляются оставшиеся целыми клетки, клеточные ядра и большие гранулы, называемые митохондриями. Дальнейшее центрифугирование при больших скоростях приводит к осаждению субмикроскопических гранул, называемых микросомами [97—100]. Для разделения цитоплазматических гранул можно применить также хроматографию [101].

Химический анализ митохондрий показал, что они содержат большое количество рибонуклеиновой кислоты, белка и липидов [102]. Присутствие рибонуклеиновой кислоты в митохондриях было подтверждено многими исследователями [103—105], тогда как дезоксирибонуклеиновая кислота никогда не была в них обнаружена. Митохондрии содержат большое число важных ферментов, например цитохромоксидазу, пероксидазу [103], дегидразу жирных кислот [106], ферменты, участвующие в трикарбоновом цикле [107], а также гидролитические ферменты: трипсин, катепсин, амилазу и рибонуклеазу [62]. Особенно богаты ферментами, повидимому, малые гранулы [97].

Все приведенные выше данные дали основание предположить, что субмикроскопические гранулы цитоплазмы являются основными структурными единицами живых организмов и что они обладают способностью к размножению [108, 109]. Величина и свойства этих гранул напоминают величину и свойства вирусов, и часто очень трудно решить, имеем ли мы дело с вирусом или субклеточной гранулой [110]. В связи с этим, прежде чем перейти к обсуждению основного вопроса, т. е. вопроса о самовоспроизведении и, следовательно, о синтезе специфических белков живой клетки, необходимо дать краткий обзор современных данных о вирусах — самых маленьких из всех известных в настоящий момент живых единиц.