Три тайны жизни
Шрифт:
Микрофотографии, полученные с помощью электронного микроскопа, дают представление о форме некоторых вирусов. Вирусные частицы способны склеиваться между собой, превращаясь при этом в кристаллоподобные образования. В кристаллическом состоянии вирусы могут сохраняться сотни лет и не проявлять признаков живой материи. Но стоит вирусной частице попасть в восприимчивую к нему живую клетку, и она начинает там стремительно размножаться. В этом одна из причин трудности борьбы с вирусными заболеваниями.
Все известные в настоящее время вирусы подразделяются на три большие группы в зависимости от того, с какими клетками способны они взаимодействовать: с бактериальными, растительными или животными.
Каждая вирусная частица (вирион) состоит из одной молекулы нуклеиновой кислоты и многих молекул белков. Нуклеиновая кислота является как бы сердцевиной,
Различные вирусы в электронном микроскопе: а) вирус оспы; б) вирус герпеса; в) вирус гриппа; г) бактериофаг; д) вирус мозаики табака; е) вирус картофеля. Большой круг, в котором помещены вирусы, — это размер эритроцита (красного кровяного шарика при том же увеличении), черный кружок в центре — размер самой маленькой бактерии.
При встрече с клеткой, восприимчивой к данному вирусу, вирусная частица прикрепляется снаружи к ее поверхности. В оболочке клетки проделывается отверстие, что нередко осуществляется ферментами вируса, вызывающими распад веществ клеточной оболочки. (Например, во внешней оболочке вируса гриппа имеется особый фермент, вызывающий распад сложных белков, находящихся на поверхности клеточных стенок эпителиальной ткани дыхательных органов человека). В проделанное отверстие клетки-«хозяина» «впрыскивается» молекула нуклеиновой кислоты вируса. Белки же вирусной частицы лишь способствуют проникновению молекулы нуклеиновой кислоты в клетку, а сами остаются за пределами пораженной клетки.
Проникнув внутрь, молекула нуклеиновой кислоты вируса, не встречая сопротивления со стороны протоплазмы клетки, начинает быстро размножаться путем самоудвоения. Вначале она «штампует» несколько сот своих копий, затем эти копии начинают синтез белков, при этом синтез собственных белков пораженной клетки подавляется. Из только что созданных белков и ранее возникших копий молекулы вирусной нуклеиновой кислоты образуются новые вирусные частицы. Через несколько минут после проникновения в клетку одной молекулы вирусной нуклеиновой кислоты клетка-«хозяин» разрушается. Наружу выходят сотни вирусных частиц, являющихся точными копиями вируса, вначале поразившего клетку, и принимаются за разрушение еще здоровых клеток организма.
Механизм такого образования белков и целых вирусных частиц можно понять только в том случае, когда допустим, что последовательность аминокислот в белке, синтезируемом клеткой, определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты. Ведь точными опытами доказано, что вирусные белки в пораженную клетку не проникают. Единственным носителем информации о строении этих белков может быть только проникшая в клетку нуклеиновая кислота вируса. Остается только разгадать тайну, каким образом в молекуле нуклеиновой кислоты зашифрован план строения белка и как этот план синтеза видоспецифических белков осуществляется. Каким образом обеспечивается в клетке соединение аминокислот в длиннейшей цепи белка как раз в нужной последовательности?
Свойства белковой молекулы, как уже было отмечено, зависят от последовательности аминокислот в ее цепочке. Достаточно изменить порядок расположения хотя бы нескольких аминокислот в цепочке, как изменяются свойства всей молекулы белка. Это убедительно доказано на белке крови гемоглобина: при замене в молекуле гемоглобина электрически заряженной глутаминовой кислоты на электрически нейтральную аминокислоту валин белок крови теряет способность присоединять к себе кислород, появляется болезнь серповидноклеточная анемия.
Цепочки молекул нуклеиновых кислот тоже состоят из определенного порядка нуклеотидов. Данные, полученные на вирусах и других объектах, говорят о том, что в молекуле нуклеиновой кислоты «записано», или закодировано, химическое строение белковых молекул, то есть каждый белок «описывается» определенным участком нуклеиновой кислоты. Это означает, что последовательность аминокислот в данной белковой молекуле каким-то образом изображается последовательностью нуклеотидов соответствующего участка молекулы нуклеиновой кислоты.
10
Кибернетика — греческое слово, что означает искусство управления. Это наука об общих закономерностях процессов управления и связи в организованных системах — машинах и живых организмах.
Так как белки определяют наследственные особенности организма, то синтез видоспецифических белков с помощью нуклеиновых кислот можно назвать кодированием наследственной информации.
Если бы количество различных типов нуклеотидов, встречающихся в нуклеиновых кислотах, соответствовало количеству различных аминокислот, входящих в состав белков, то можно предположить, что при наследственном кодировании каждая из аминокислот изображается определенным, соответствующим ей нуклеотидом. Например, валин — аденином, аланин — гуанином и т. д. Но такое предположение не соответствует действительности, потому что различных типов аминокислот десятки, а важнейших из них двадцать, тогда как различных видов нуклеотидов — всего четыре. Учитывая это обстоятельство, ученые вначале теоретически стали подыскивать такие комбинации, с помощью которых четыре вида нуклеотидов могли бы кодировать все аминокислоты. В технике имеются такие примеры. Например, в связи осуществляется передача разнообразных букв посредством всего двух электрических сигналов: положительным (+) и отрицательным (-) импульсами [11] .
11
Комбинации импульсов называются кодами.
Ученые высказали мысль о том, не основано ли и кодирование наследственной информации на сходном принципе? Не изображается ли каждая аминокислота белка определенной комбинацией нескольких нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты? Вскоре эти предположения подтвердились: каждая аминокислота в клетке управляется тремя нуклеотидами из четырех существующих. Эти четыре нуклеотида — тимин (Т), аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г), сочетаясь по три, могут дать шестьдесят четыре комбинации (или триплета), а важнейших аминокислот всего двадцать. Следовательно, одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Эти триплеты, или кодовые обозначения, носят название «синонимов». Очень важно отметить, что триплеты могут «работать» во всех системах независимо от принадлежности их к организмам, то есть они синтезируют белки в препаратах, полученных из бактерий, из клеток различных растений или млекопитающих животных. Это обстоятельство еще раз, уже не на клеточном, а на молекулярном уровне, доказывает единство живой природы.
Сейчас уже можно считать окончательно установленным, что каждая из аминокислот, входящих в состав белков любого организма, действительно изображается комбинацией из трех нуклеотидов в молекулярной цепочке нуклеиновой кислоты.
Это открытие, как его принято называть — «расшифровка кода наследственности», — по праву считается одним из величайших научных достижений последних десятилетий в познании тайн живой природы.
Итак, молекулы белка образуются путем соединения в сложные цепи молекул аминокислот. Для образования нужного белка (способного в данном организме выполнять определенную функцию) аминокислоты должны соединяться между собой в строго определенной последовательности. Поэтому синтез конкретного, требуемого белка не может быть осуществлен простым перемешиванием аминокислот в присутствии катализаторов (в организме их роль выполняют ферменты) и других условий, обеспечивающих осуществление реакции. Необходим очень сложный физиологический «механизм», обеспечивающий своего рода «сборку» молекул белка из имеющихся в клетке в большом количестве разнообразных аминокислот по заранее определенному плану, закодированному в молекулах ДНК. Подобную «сборку» весьма сложной молекулы белка из отдельных аминокислот ни одна химическая технология пока еще осуществлять не может: такой процесс наблюдается исключительно только в живых клетках, почему он и получил название «биосинтез», то есть синтез с помощью живого организма.