Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 3 - Д. Мецлер 1980

Биохимическая генетика и синтез нуклеиновых кислот и белков
Как возникла настоящая концепции
Рибонуклеиновые кислоты и белки

К 1942 г. благодаря данным, полученным при помощи разработанного Касперсоном [30] метода ультрафиолетовой цитофотометрии, а также результатам цитохимических исследований Браше [31] стало ясно, что РНК имеет какое-то отношение к синтезу белка. Радиоавтографические исследования с использованием ³Н-уридина показали, что в эукариотических клетках РНК синтезируется в ядрах, а оттуда транспортируется в цитоплазму [32, 33]. Существование рибосом было открыто электронными микроскопистами, изучавшими строение эндоплазматического ретикулума цитоплазмы методом ультратонких срезов. Их наличие в клетке было точно установлено в 1956 г., а в 1957 г. был предложен термин рибосомы. В течение нескольких лет выделенные рибосомы стали объектом интенсивных исследований, целью которых было выяснение механизма биосинтеза белка. Сначала изучение синтеза белка in vitro оказалось задачей довольно сложной, поскольку не было еще метода количественной оценки новосинтезированного белка. Однако Хогленд и др. [33а] разработали такой метод. Предложенный ими метод был основан на измерении скорости включения в белок меченных 14С аминокислот. Этот чрезвычайно чувствительный метод позволил измерять крайне незначительные количества белка, синтезированного в бесклеточных препаратах печени крысы, и открыл путь к изучению синтеза белка на самих рибосомах.

Сразу же после появления в 1953 г. гипотезы Уотсона и Крика было высказано предположение, что рибосомная РНК (рРНК), на долю которой в некоторых клетках приходится до 90% общего количества РНК, является переносчиком генетической информации из ядер в цитоплазму. Однако к 1960 г. было показано, что это предположение неправильно. Так, в частности, несмотря на значительные различия нуклеотидного состава ДНК, размер и нуклеотидный состав РНК в рибосомах различных бактерий оказались весьма близкими (гл. 2, разд. Г, 8) [34]. Кроме того, к этому времени стало ясно, что перенос информации осуществляется при помощи относительно нестабильной, короткоживущей формы РНК, тогда как рибосомная РНК оказалась очень стабильной [35].

а. Информационная РНК (мРНК)

Данные о существовании лабильной формы РНК были получены в 1956 г. Волкиным и Астраханом [35a], обнаружившими быстро метящуюся РНК в бактериальных клетках, инфицированных фагом. Важную роль в обнаружении мРНК сыграли также результаты индукции ферментов (гл. 6, разд. Е, 2), показавшие, что многие бактерии, и в том числе Е. coli, растущие на среде, содержащей в качестве единственного источника энергии глюкозу, при переносе в среду с лактозой не сразу приобретают способность к усвоению нового сахара. Однако через 2 мин после переноса в среду с лактозой у них начинают синтезироваться новые белки, необходимые для метаболизма лактозы. К числу этих новых белков относятся такие ферменты, как пермеаза для лактозы и ß-галактозидаза, расщепляющая дисахарид на глюкозу и галактозу. Когда запас лактозы в среде истощается, активность индуцируемых ферментов почти так же быстро падает. Эти результаты свидетельствовали о том, что РНК, переносящая генетическую информацию для синтеза новых ферментов, по-видимому, нестабильна. Она должна быстро синтезироваться в ответ на появление индуцирующего сахара и быстро исчезать в его отсутствие.

В 1961 г. Жакоб и Моно [36] постулировали существование короткоживущей информационной РНК (мРНК). К этому времени существовало множество других доводов, свидетельствующих в пользу такого предположения. Было обнаружено, например, что молекулы РНК, образуемые после заражения Е. coli бактериофагом Т4, гибридизируются (гл. 2, разд. Г, 10) с денатурированной ДНК бактериофага. Более того, оказалось, что эта вирусоспецифическая мРНК связывается с предсуществующими рибосомами бактерий и служит матрицей для синтеза фаговых белков [37]. Этот эксперимент уже непосредственно указывал на транскрипцию мРНК с генов вирусной ДНК.

б. Транспортная РНК

В 1957 г. Крик [37а] предположил, что для расположения аминокислот в ряд, соответствующий расположению их кодонов в транскрибированной РНК, необходимы специальные «адапторные» молекулы. Крик считал, что адапторами могут служить полинуклеотиды. К тому времени в результате химических исследований клеточной РНК было обнаружено, что в клетках на долю РНК с низким молекулярным весом приходится до 15% общего количества РНК. В том же году (1957) открытие Хоглендом ферментативной «активации» аминокислот перед их включением в состав белка позволило предположить, что молекулы именно этой низкомолекулярной РНК играют роль постулированных адапторов. Было предложено называть эту РНК транспортной РНК (тРНК, рис. 2-24).

В последние годы «армия» усердных исследователей синтеза белка значительно пополнила наши знания по этому вопросу. А теперь нам представляется более целесообразным перейти от прослеживания исторических событий, связанных с проблемой синтеза белка, к рассмотрению некоторых деталей, начиная с транскрипции РНК — процесса, изученного достаточно полно.