книги из ГПНТБ / Камшилов, М. М. Эволюция биосферы

руются белки в рибосомах — цитоплазматических гра­ нулах.

Другая группа соединении — нуклеиновые кислоты. Это сравнительно просто устроенные биополимеры. Струк­ турная единица полимерной цепи нуклеиновой кислоты — нуклеотид — соединение азотистого основания, сахара и

Ф-------

Рис. 29. Строение нити нукленповон кислоты: остаток фосфорпой (Ф) кислоты, сахар (С), азотистые осповання — адсшш (А), гуанин (Г), цнтознп (Ц)

остатка фосфорной кислоты (рис. 29). Различают два ос­ новных класса нуклеиновых кислот; дезоксирибонуклеи­ новая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК ). ДНК имеется у всех организмов; лишь у- некоторых рас­ тительных вирусов ее функции выполняет РНК.

ДНК состоит из цепи чередующихся остатков фосфорной кислоты и сахара дпзоксирибозы. К сахару присо­ единены в разной последовательностп по одному из че­ тырех азотистых оснований — два пурина (адеипн и гуа­ нин) и два ппрамидпна (тимин и цптозпн). Молекуляр­ ный вес ДНК достигает 107, т. е. превосходит молеку­ лярный вес белковых молекул.

Молекула РНК состоит из остатков фосфорной кис­ лоты, чередующихся с сахаром рибозой, к каждому са­ хару присоединено по одному азотистому основанию: адении, гуанин (пурины) или урацил, цитозин (пиримидины). Молекулярный вес РНК 6-105—106. Следователь­ но, ДНК и РНК различаются по составу сахаров (дезоксирибоза или рибоза) и одному пиримидину (тимин или урацил).

Нуклеиновые кислоты давно привлекали внимание ис­ следователей как составная часть хромосом. Однако дол­ гое время считалось, что они представляют собой скорее футляр, защищающий белковую основу хромосомы от дс-

100

структивных воздействий со стороны окружающих хро­ мосому веществ, чем аппарат, обеспечивающий воспроиз­ ведение белка. Перелом в воззрениях произошел после того, как американские исследователи О. Эвери, С. Маклеод и М. Маккарти в 1944 г. наблюдали трансформацию одного наследственного тина возбудителей пневмонии — пневмококка — в другой наследственный тип под влия­ нием препарата ДНК, выделенного нз второго типа. Было обнаружено, что ДЫК обладает свойством передавать на­ следственные особенности от одних клеток другим.

Развитие техники электронной микроскопии позволи­ ло получить новые замечательные факты. Оказалось, что частицы фага, заражая бактерии, вводят в них только нуклеиновую кислоту; белковая оболочка бактериофага остается вне бактерии и в размножении частиц фага роли не играет. Нуклеиновая кислота фага перестраивает весь метаболизм бактериальной клетки, превращая его в меха­ низм репродукции новых частиц фага. Эти факты, а так­ же многие другие, аналогичные им, показывают что высокополимеризованные нуклеиновые кислоты обладают способностью навязывать клетке специфический ход син­ тетических процессов.

Все большее подтверждение получает гипотеза, со­ гласно которой нуклеиновые кислоты — вещества, в кото­ рых посредством чередования четырех азотистых основа­ ний записана основпая программа биосинтезов. Особая роль принадлежит ДНК, первоначально обнаруженной в хромосомах высших организмов.

Если проследить за изменением сложности ДНК в ряду, начинающемся с вирусов и оканчивающемся че­ ловеком, выявляются весьма интересные закономерности. Один из самых мелких бактериофагов — фаг лямбда — имеет 4,8-104 пар нуклеотидов; у несколько более сложно­ го бактериофага Т-4 их число уже 1,8 • 10s; бактерия ки­ шечной палочки имеет — 4,5-106 пар нуклеотидов; плес­ невый грибок невроспора — 4,5-107; мушка дрозофила — 2,0 ■108; человек — 2,0 • 10э. Длина всех цепочек ДНК из одной клетки человека около 3 м.

■В 1953 г. английские ученые Д. Уотсон и Ф.. Крик, изучив строение ДНК с помощью рентгеноструктурного анализа, показали, что это вещество встречается в виде двух спаренных нитей, закрученных в форме спирали (рис. 30). Нити соединены между собой водородными

101

связями, связывающими попарно каждый пурин одной цепи с пиримидином другой. Адении всегда связан с ти­ мином, а гуанин с цитозином, поэтому сумма пуринов ДНК равна сумме пиримидиыов. Спираль Уотсона и Кри­ ка закручена вправо. Это зависит от свойств дезоксириоозы, имеющей асимметрическую правую структуру.

В соответствии с современными представлениями вос­ произведение (репликация) ДНК осуществляется следую­ щим образом. Витки спирали ДНК расходятся, каждый пурин притягивает из среды нуклеотид с парным к дан­ ному пурину пиримидином, каждый пиримидин притягива­ ет соответствующих! пурин. Затем присоединенные нукле­ отиды объединяются в дочернюю цепь, комплементарную по отношению к материнской (т. е. в которой на месте пуринов материнских цепи стоят парные с ними пиримидины, а на месте гшримпдинов — парные пурины). Про­ цесс осуществляется с помощью особого фермента ДНК — полимеразы. Так как другая материнская нить также ре­

плицирует комплементарную дочершою, то в итоге образуют­

(рис. 31).

ДНК имеет две основные функции:

1) сохранение и передача по наследству генетической ип-

Рис. 30. Схема строения ДНК пз двух спирально закрученных полинуклеоти­ дов (по Уотсону н Крику)

Ц — азотистые основания. Вертикаль­ ный стержень — ось симметрии

102

формации, т. е. функцию филогенетической памяти, осуществляемую посредством репликации дочерних иптей;

2)придание специфичности синтезу клеточных белков

спомощью процессов, получивших название транскрип­ ции и трансляции.

Наиболее интересна роль ДНК как кода, определяю­ щего специфику белковых синтезов. Мысль о том, что в структуре ДНК закодирован способ синтеза белков, пер­ воначально была высказана в 1954 г. американским фи­ зиком Г. Гамовым. Белки построены из 20 аминокислот, ДНК содержит четыре азотистых основания. Каждой ами­ нокислоте отвечает определенное сочетание азотистых ос­ нований. По-видимому каждой аминокислоте не может со­ ответствовать сочетание из двух азотистых оснований. Чи­ сло возможных сочетаний из четырех по два в этом случае составило бы всего 16, т. е. меньше количества основных аминокислот. Минимальное число сочетаний — три из четырех, т. е. триплет. Число возможных ком­ бинаций (64) значительно превышает число аминокислот.

паре нуклеотидов (репликация)

В1961 г. амерйкаискпм биохимикам М. Ниренбергу

иДж. Маттеи, работавшим с синтетическими полинуклео­ тидами известного строения, удалось не только подтвер­ дить эту гипотезу, но и выяснить, каким триплетам азо­ тистых оснований соответствуют те или иные аминокис­ лоты. Оказалось, что триплету из трех урацилов отве­ чает аминокислота фенилаланин. В последних работах Нирепберга и других исследователей выяснен триплетный кор; всех 20 аминокислот. Это очень важное открытие,

ЮЗ

КоМйлекулярпая нуклейиовая кислота (молекулярный вес около 25 000). Ее роль — присоединение и перенос от­ дельных аминокислот к месту синтеза белка в рибосомах.

Аминокислоты в клетке связаны с полииуклеотидными цепочками т-РНК таким образом, что каждой амино­ кислоте соответствует своя цепочка т-РНК. Следователь­ но, в клетке имеется по крайней мере 20 различных ти­ пов т-РНК. Присоединение аминокислот к полинуклеотидной цепочке т-РНК осуществляется в несколько этапов.

т-РНК-Ак

Рис. 33. Схема синтеза белка

На ДНК образуется и-РНК; она выходит из ядра п поступает в рибосо­ мы; в рибосомах происходит сборка белковой молекулы из аминокислот (Лк), переносимых транспортной РНК (т-РНК) — трансляция

Сначала аминокислота активизируется путем реакции с АТФ и ферментом. В итоге образуется комплекс АМФ — аминокислота и отцепляющаяся от АТФ пирофосфорная кислота. Затем активизированная аминокислота под влия­ нием фермента присоединяется к т-РНК. Цепочка из амит нокислоты и т-РНК направляется к рибосоме, «узнает» соответствующий ей триплет азотистых оснований в нити т-РНК и присоединяется к нему. Таким путем амино­ кислота оказывается на должном месте. Затем аминокис­ лоты объединяются в полппептидную нить. Происходит перевод (траисляция) информации с языка, записанного при помощи чередований азотистых оснований в и-РНК, на язык аминокислотной последовательности (рис. 33). Таким образом ДНК определяет специфичность РНК, ко­ торая в свою очередь придает специфичность белковым синтезам7_3.

?- 8 В последнее время обнаружены факты, доказывающие, что в некото­ рых случаях имеет место так называемая обратная транскрипция, т. е. ДНК синтезируется па основе РНК.

105

Обсуждая проблему синтеза белка, Н. К. Кольцов Ь 1927 г. пришел к выводу о малой вероятности возник­ новения сложных белковых молекул, содержащих тысячи аминокислотных остатков, расположенных в определен­ ной последовательиостп, путем обычных химических ре­ акций. Новые молекулы белка должны, по мнению Коль­ цова, штамповаться на каком-то шаблоне, на матрице. Новейшие исследования полностью подтвердили идею Коль­ цова. Действительно, синтез белка осуществляется по матричному принципу. В качестве матрицы выступает нить ДНК. Последовательность азотистых оснований нити ДНК обусловливает последовательность азотистых основа­ ний в различных классах РНК, что в свою очередь стро­ го детерминирует последовательность аминокислотных ос­ татков в синтезируемых белках. Матричный принцип обеспечивает упорядоченность синтетических процессов, строгую специфичность синтезируемых продуктов и боль­ шую скорость спитеза. «Принцип матричного синтеза,— пишет одни из основателей молекулярной биологии в на­ шей стране, В. А. Энгельгардт,— это явление фундамен­ тальной, принципиальной важности. Здесь, как нигде бо­ лее, выступает специфика химизма живого по сравнению с неживыми системами» 9. Не отменяя принцип обычной химии, матричный принцип вносит нечто совершенно но­ вое, «что мы более нигде в природе не встретим: возмож­ ность строжайшего незыблемого упорядочения последова­ тельных этапов чрезвычайно длинной реакционной цепи» 101.

Многие исследователи склонны преувеличивать значе­ ние нуклеиновых кислот, противопоставляя их всем дру­ гим соединениям. В 1961 г. крупный бельгийский ис­ следователь Ж. Браше писал: «Роль ДИК и РНК можно сравнить -с ролью архитектора и ииженера-строителя, в результате совместных усилий которых из груды кир­ пича, камня и черепицы вырастает красивый дом» и.

Если, следуя Браше, сравнить развитие организма с постройкой дома, нуклеиновые кислоты скорее следует отождествлять с планом постройки и строительными ме­ ханизмами, чем с архитектором и инженером-строителем.

"В. А. Энгельгардт. Пути химии в познаиип явлении жизни. «Химия и жизнь». 19G5, J* 7-8, отр. 102.

10 Там же, стр. 103.

11Ж. Браше. Живая клетка. Сб. «Живая клетка». М., «Мир», 1066, отр. 15.

106

«Несомненно, молекула ДНК является химической осно­ вой специфичности развития каждого данного организма. Однако сама по себе она не определяет ии самовоспро­ изведения, ни развития организмов и ие может рассмат­ риваться как основа жизни» 12. Ипаче говоря, нуклеино­ вые кислоты выполняют свою важную функцию лишь как части системы клетки, «...только клетка представляет со­ бой единственную известную нам материальную систему, обладающую всей полнотой свойств жизни. Только целая клетка обладает свойством саморегуляции и самовоспро­ изведения. Она несет в себе запись генетической информа­ ции, представляющей собой итог эволюционного разви­ тия вида и основу всей его будущей эволюции»'13*.

«Клетка как живой организм по самому определе­ нию этого понятия немыслима иначе как целостная ор­ ганизованная система... Ни один из элементов клетки не автономен полностью, а постоянно подчинен системе в це­ лом... Интеграция клетки выражается ие только в ее структурной целостности, но и в характере ее деятель­ ности. При каждом функциональном акте клетка опери­ рует не одним каким-либо органоидом, а всей совокуп­ ностью своих элементов» и .

С 1944 г., после того как Эвери Маклеод и Мак­ карти доказали роль ДНК в передаче наследственных свойств у пневмококков, ученые считали, что ДНК содер­ жится только в • хромосомах высших организмов или в их аналогах у низших. Но с 1963 г. стали накапли­ ваться данные о наличии ДНК в хлоропластах расте­ ний, в митохондриях, в тельцах, лежащих в основаниях жгутиков и ресничек (кинетосомы животных клеток и кииетобласты одноклеточных), и даже, по-видимому, в клеточной оболочке. По своим физико-химическим свой­ ствам и по составу азотистых оснований ДНК митохонд­ рий и хлоропластов высших организмов отличается от ДНК хромосом и имеет больше сходства с ДНК бакте­ рий. Митохондрии, хлоропласты, кинетосомы, обладаю­ щие собственной ДНК, имеют возможность репродуциро­

,а И. И. Шмалъгаузен. Кибернетические вопросы биологии. Новосибирск, «Наука», 1968, стр. 209.

”Н. Л. Дубинин. Общая генетика. М., «Наука», 1970, стр. 8.

иС. А. Нейфах. Предисловие к сборнику «Механизмы клеточного обмена».

М., «Наука», 1967, стр. 3—4.

107

ваться независимо от ДНК ядра. По-вндимому, так и про­ исходит, хотя механизм подобной саморепродукции пока еще остается неясным. Важно, однако, отметить, что, не­ смотря на возможность автономии, деятельность всех ор­ ганоидов клетки строго координирована. Они связаны между собой сетью прямых и обратных связей, обуслов­ ливающих саморегуляцию, устойчивость и развитие. На­ лицо сложная система взаимодействующих компонентов, а не конгломерат независимых частей.

Исследование структуры ДНК у различных организ­ мов (от вирусов и бактерий до высших животных и рас­ тений) позволило обнаружить много новых и весьма ин­ тересных фактов. Огромная работа в этом направлении проведена советскими исследователями под руководством А. Н. Белозерского 15.

Как уже говорилось, у всех изученных организмов ДНК построена преимущественно из чередования четырех нуклеотидов, содержащих азотистые основания: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). Поскольку аденип в двойной спирали ДНК всегда спаривается с тимином, а гуанин с цитозином, соблюдаются следую­ щие правила, получившпе по имени открывшего их уче­

Отношение Г +Ц варьирует и может в ряде случаев слу­

А + Т

жить показателем положения организма в системе. Обыч­ но используется несколько иной показатель — процентное отношение Г + Ц ко всей сумме нуклеотидов, т. е.

(Г + Ц) 100

А + Т + Г + Ц ’

коротко процент ГЦ. Организмы, у которых процент ГЦ превышает 50, принадлежат к ГЦ типу; организмы, имею­ щие ГЦ менее 50%, относят к противоположному типу, т. е. к типу АТ.

15 Сб. «Строение ДНК п положение организмов в системе». M., «Наука», 1972.

108

Анализ процентного содержания ГЦ у различных ор­ ганизмов позволил обнаружить интересные закономерно­ сти (рис. 34). Наиболее изменчив этот показатель у бак­ терий, простейших и грибов. Кривая, характеризующая изменчивость процента ГЦ у этих трех групп, имеет две вершины. Иначе говоря, среди бактерий, простейших и

I )

■ . l i b -- 1---1--:--

20 30 40 50 RO 70 80% ГЦ -пар

грибов присутствуют организмы ГЦ и АТ типов; к явно выраженному ГЦ типу относятся зеленые водоросли и актиномицеты. Сииезеленые водоросли, вирусы, высшие растения и высшие животные (беспозвоночные и хордо­ вые) относятся к АТ типу. У высших животных н рас­ тений, несмотря на исключительное разнообразие морфо­ логических признаков, обнаруживается минимальная из­ менчивость процента ГЦ. Следовательно, этот показатель не может быть достаточным критерием для суждения о филогенетическом родстве среди высших организмов'

В последнее время ведется поиск других методов, позволяющих анализировать специфику последовательно­ сти газотистых оснований в нити ДНК. Особенный инте­ рес^0представляет метод молекулярной гибридизации

109