Евгений Романцев - Закономерные чудеса

А вот если бы удалось отыскать молекулу ДНК покороче? Наверное, тогда было бы легче понять и, главное, увидеть, как происходит самокопирование молекулы.

Несколько лет назад в биохимии произошло заметное событие. Было обнаружено, что ДНК содержится не только в ядре клетки, но и в других ее мельчайших образованиях, так называемых митохондриях. Исследователям в определенном смысле повезло. Митохондриальная ДНК из тканей животных сравнительно невелика, всего около пяти микрон. Поэтому выделить ее и приготовить для электронно-микроскопического исследования было попроще.

Вскоре обнаружили, что митохондриальная ДНК имеет форму замкнутого кольца. Каким же образом снимается "копия" с такого кольца?

Исследования в этом направлении начались практически одновременно в нескольких странах: Советском Союзе, США, Голландии... И вот совсем недавно в Москве, в Институте биологии развития Академии наук СССР, в лаборатории профессора И. Збарского удалось сфотографировать митохондриальную ДНК в процессе ее удвоения. Ученые теперь увидели собственными глазами, как снимается копия с молекулы ДНК. Иными словами, как идет процесс репликации.

"Кольцо" митохондриальной ДНК сплетено из двух нитей. На одном из снимков, полученных с помощью электронного микроскопа, было отчетливо видно, как две нити ДНК расплелись на небольшом участке и на одной из нитей идет синтез новой молекулы ДНК. Иными словами, снимается копия. На второй нити синтеза ДНК не происходит.

На других снимках видно, как со временем кольцо ДНК расплетается все больше и больше, на одной из нитей продолжает строиться новая ДНК, а вторая, свободная, нить становится все длиннее и длиннее. Так продолжается до тех пор, пока полностью не снимается копия с одной нити. После этого начинается процесс удвоения второй, свободной, нити ДНК. Процесс этот идет с помощью фермента, который называется ДНК-полимераза. Остается добавить, что митохондриальную ДНК, о которой было только что рассказано, выделили из печени лабораторных крыс.

Эпоха "великих географических открытий" в молекулярной биологии только начинается. Мы еще очень мало знаем и понимаем физико-химические механизмы функционирования ДНК. Откуда и как поступает команда молекуле начинать процесс воспроизведения? Почему некоторые бактериофаги имеют однотяжевую ДНК, а внутри бактериальной клетки эта ДНК приобретает форму двойной спирали? Можно задать десятки подобных вопросов. Одним словом, надо сказать, что только сейчас мы начинаем понимать, как мало знаем о молекуле дезоксирибонуклеиновой кислоты. Так что работы хватит на всех и не на одно поколение.

Наш короткий рассказ о структуре "самой золотой молекулы" подошел к концу. В 1962 году Д. Уотсон и Ф. Крик были удостоены Нобелевской премии за установление структуры ДНК — главного генетического материала клетки, хранящего всю информацию о наследственных признаках организма. Ученые в разных странах с глубоким удовлетворением встретили сообщение, что одновременно с этими исследователями за разгадку структуры ДНК Нобелевской премией был награжден и М. Уилкинс.

Рибонуклеиновые кислоты, безусловно, заслуживают отдельного рассказа.

По молекулярному весу РНК можно разделить на две группы: с относительно небольшим молекулярным весом и высокомолекулярные.

Низкомолекулярные РНК, их вес от 18 до 35 тысяч, сначала называли растворимыми РНК, потому что при выделении из биологического материала они оставались в надосадочной жидкости и в осадок не попадали. В настоящее время их обычно называют транспортными РНК, потому что они выполняют функции переносчиков (транспортеров) аминокислот в клетке (сокращенно т-РНК).

Высокомолекулярная РНК имеет молекулярный вес значительно больший — от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов единиц. Различают три вида высокомолекулярной РНК. Рибосомная РНК (сокращенно р-РНК) находится внутри мельчайших образований внутри клетки, называемых рибосомами. Информационная РНК переносит определенную информацию. Но что это за информация и как это делается, читатель узнает позже. И наконец, вирусная РНК, которая входит в состав вирусов.

Надо сразу признаться, что структура и физико-химические свойства РНК изучены хуже, чем у ДНК, с которой мы уже знакомы. И это не случайно. Долгое время экспериментаторы не умели получать однородные образцы РНК с высоким молекулярным весом, которые легко разрушались при "жестких" условиях выделения, а при "мягких" подвергались действию ферментов и распадались.

Фундаментальные, многолетние исследования макро-молекулярного строения рибонуклеиновых кислот были проведены талантливым советским ученым А. Спириным, его сотрудниками и учениками. Уже в 1963 году ими было доказано, что молекула такой РНК построена из единой, непрерывной цепи. Молекулы высокополимерной РНК обладают вторичной и третичной структурой. Полинуклеотидные цепи этой нуклеиновой кислоты построены по типу спиралей уже хорошо известной нам ДНК. Спиральные участки есть не только в высокополимерных вирусных и рибосомных РНК, но и в низкомолекулярных, так называемых транспортных РНК. Рентгенографические исследования показали, что в молекулах различных РНК есть двухтяжевые спирали, весьма похожие на те, которые так характерны для ДНК. Вполне возможно, что в составе молекулы РНК, помимо настоящих спирализованных участков, есть спирали с "дефектами" и петлями.

Некоторое время назад известный советский ученый и один из создателей молекулярной биологии, академик В. Энгельгардт сказал, что, по его мнению, одной из наиболее характерных черт молекулярной биологии является трехмерность.

Какова же третичная структура РНК? Есть ли в молекуле РНК четко организованная укладка спиральных участков?

По мнению известного специалиста в этой области А. Спирина, РНК может существовать в трех состояниях, или, иными словами, в трех конформациях. При одних условиях РНК может иметь форму асимметричной, но компактной палочки. Изменяя условия, можно превратить палочку РНК в плотный клубочек. Еще повысив температуру раствора или переводя РНК в бессолевую среду, можно добиться, что РНК перейдет в состояние развернутых нитей.

Путь к разгадке третичной структуры РНК оказался не менее тернистым, чем при расшифровке двухспирального строения "самой золотой молекулы" — молекулы ДНК.