Нуклеїнові кислоти

Замість цього Д. Уотсон зайнявся пошуками структурно-просторової відповідності між нуклеїновими кислотами і амінокислотами; ці пошуки у той час ні до чого не привели.

Ймовірно, якраз в цей  період американському фізикові і астрономові  Г. Гамову і приходить в голову ідея коди. В усякому разі з Нобелівської доповіді Ф. Кріка ми взнаємо, що влітку 1953 роки вони з Уотсоном послали Гамову лист, в якому, відповідаючи на його прохання, повідомляли список 20 амінокислот. Гамову дуже потрібна була ця цифра, вона зіграла в його логічних побудовах найважливішу роль. Цікаво, що фігурують зараз у всіх роботах і книгах 20 магічних амінокислот було вперше складено саме в цьому листі.

І ось в 1954 році на суд біологів виноситься гіпотеза чисто умоглядна, яку, поза сумнівом, можна назвати  одній з самих революційних гіпотез  в біології.

Вона свідчить: інформація, необхідна для синтезу білка, за кодована в генах. Порядок чергування 20 амінокислот в білці записаний  в молекулі ДНК кодом — чергуванням  чотирьох нуклеотидів, або, що одне і те ж, чотирьох азотистих підставах.

З чотирьох підстав можна  отримати наступну кількість груп триплетів: 4 групи з букв одного сорту, 12 груп з букв два сортів, 4 групи з  букв трьох сортів. Якщо передбачити, як це зробив Гамору, що кожна група, об'єднуюча трійки однакового складу, але з різним порядком букв усередині  трійки, кодує одну амінокислоту, то тоді виходить магічне число груп триплетів – 20.Так виглядав вперше запропонований код спадковості. Він був виведений теоретично на підставі відвернутих міркувань, причому швидше математичних, чим біологічних. І ця абстрагованість тут же дала себе знати. Вже через дуже короткий час було показано, що такий код не вірний. Дві посилки з трьох, які висунув Гамору, не витримали подальшої перевірки. Та все ж код Гамова зробив свою справу. Не поважно, що він виявився на дві третини невірним, йому можна пробачити все за те, що він був першим.

Наступний аргумент проти  перекривання триплетів був отриманий  при вивченні мутацій гемоглобіну. З перекривання виходило, що кожна підстава бере участь в кодуванні трьох сусідніх амінокислот; а з цього міркування невблаганно виходив вивід, що в разі мутації, що зачіпає навіть лише один нуклеотид в гені, в молекулі білка обов'язково станеться зміна трьох сусідніх амінокислот. Проте були виявлені порушення гемоглобіну людини, що зачіпають лише одну-єдину амінокислоту.

Нарешті, удалося отримати і безпосередній експериментальний  доказ неможливості перекривання.

Це було зроблено в роботах  два учених – Френкель - Конрата з Берклі и Г. Віттмана з Тюбінгена. Вони працювали з вірусом тютюнової мозаїки (ВТМ) - об'єктом, добре вивченим саме в цих лабораторіях. Про ВТМ було відомо, що він складається з РНК, що має близько 6500 нуклеотидів, і білкової оболонки, що складається з 2130 молекул. Кожна з молекул складається з 158 амінокислотних залишків. Їх порядок був точно встановлений. У 1958 році Г. Шустер и Г. Шрам з Тюбінгена виявили цікавий факт. Якщо на РНК ВТМ подіяти азотистою кислотою, може статися зміна деяких нуклеотидів. Цього року в цій же лабораторії А. Гирер и К. Мандрі встановили, що для мутації досить зміни лише одного нуклеотиду з 6500.

На підставі цих досліджень і була побудована робота Г. Віттмана і Г. Френкель – Конрата. Вони брали ВТМ, виділяли його РНК і обробляли її азотистою кислотою – так, щоб змінилася лише одне підстава. А потім заражали такий РНК рослина і досліджували білок, що утворився в результаті інфекції вірусу. І що ж? З 158 амінокислот пошкодженою виявлялася завжди лише одна.

Так остаточно була похована можливість існування коди, що перекривається. Але тоді – який він?

У 1957 році дотепну гіпотезу висувають Ф. Крик, Д. Гріффіт і Л. Оргель. Ф. Крик, зрозуміло, не міг залишитися в стороні від того бурхливого виру ідей, який закрутився довкола генетичної коди. Мабуть, спочатку і здавалося, що можна обійтися загальними міркуваннями, і тому в штурмі коди взяли активну участь багато математиків і фізики. Проте швидко з'ясувалося, що наскоком твердиню не візьмеш. Потрібна планомірна експериментальна облога. І ось тут, на стику теорії і експерименту, Ф. Крік зміг повною мірою проявити свої видатні здібності.

“Основна користь теорії, - писав Крик з приводу коди, - полягає  в пропозиції нових форм доказів  і у відточуванні критичного аналізу. Кінець кінцем, вирішальне значення має  якість експериментальної роботи”.

У 1957 році Ф. Крік спіткнувся на тому ж місці, що до Гамору в 1954-м, - на магічній двадцятці амінокислот. Правда, одну помилку Гамова Крик врахував: його код був таким, що не перекривається і триплетним, але як і раніше не виродженим. І тому всі зусилля Крику і його співробітників були направлені на те, аби показати, яким чином з 64 слів лише 20 можуть кодувати амінокислоти.

Коли Крик переконався  в банкротстві своїй, що здавалася  такою витонченою, гіпотези, він  не опустив руки і не став, закривши очі на нові дані, доводити свою правоту  — він почав все спочатку. І  через деякий час запропонував новий  код — триплетний, такий, що не перекривається, вироджений, без ком, з початком відліку  в певній крапці і далі — по три  підстави.

Але недостатньо запропонувати  новий код, треба запропонувати  план експерименту, в якому можна  довести правильність припущень.

Такий план був запропонований і здійснений Ф. Криком, Л. Барнет, С. Бреннером і Р. Уотс-Тобіном в Кембрітдже.

Всі свої досліди вони провели  на одному певному гені. Цей ген  належить молекулі ДНК фага Т-4, який інфікує кишкову паличку. Через 20 хвилин після початку інфекції фаг утворює усередині кишкової палички близько 100 своїх копій. Бактерія гине, а фаги виходять назовні. Перевага такого дослідного матеріалу очевидна: за короткий час можна отримати мільярди фагових часток — багато поколінь.

Мутації викликалися дією на фаг хімічної речовини – профлавіну. Учені довели, що під впливом профлавіну відбувається додавання або випадання, ймовірно, однієї з підстав.

Основною операцією в  досвіді було генетичне схрещування. Бактерійну клітку заражали відразу  двома мутантами фагами. Приблизно через 20 хвилин на місці клітки виявлялася близько сотні нових фагових часток. Деякі з них були схожі з одним батьком, деякі – з іншим, деякі несли на собі ознаки відразу обох батьків, а деякі взагалі не мали жодних змін – були схожі на фаги, що не мутували.

Будова і властивості рибонуклеїнових  кислот.

 

Рибонуклеїнові кислоти  повсюдно поширені в живій природі. Вони знаходяться у всіх мікроорганізмах, рослинних і тваринних клітках  і є носіями спадкової інформації в багатьох вірусах. З чим це пов'язано? Чому РНК, як і ДНК присутня у всіх клітках?

Біологічна функція РНК  обумовлена тим, що вони забезпечують реалізацію в клітці спадкової інформації, яка передається за допомогою  ДНК.

У клітці існує три головні  типи РНК: інформаційна РНК (іРНК), рибосомна РНК (рРНК) і транспортна РНК (тРНК). Рибосомна РНК складає близько 80—82 % від вмісту сумарної клітинної РНК, тРНК — 15-16 % і іРНК — 2-10 %. У деяких клітках вміст іРНК відносно загальної маси РНК складає тисячні долі відсотка.

На відміну від ДНК  молекули всіх трьох типів РНК одноланцюгові, що є одній з важливих особливостей РНК. Вміст РНК в клітці в перерахунку на масу в 5—10 разів вище, ніж ДНК. Кожен з типів РНК характеризується певним нуклеотидним складом, що визначає їх властивості. Вони мають також різну молекулярну масу.

У бактерійній клітці майже  вся РНК розташована в цитоплазмі. У клітках вищих організмів частина  РНК знаходиться в різних органелах.

РНК входить до складу всіх вірусів рослин, зокрема вірусу тютюнової  мозаїки, деяких вірусів бактерій, наприклад  бактеріофаг кишкової палички, і  деяких вірусів тварин, наприклад, вірусу поліомієліту.

 

 

СТРУКТУРА РИБОНУКЛЕЇНОВИХ КИСЛОТ

 

Нитка РНК — це послідовність  рибонуклеотидів, сполучених в один ланцюг. РНК має лінійну структуру молекули з величезним числом вхідних в неї складових елементів. Рибонуклеотиди сполучені так, що утворюють нерозгалужену нитку великої довжини.

Вуглеводний компонент РНК представлений рибозою. Оскільки рибоза відноситься до класу пентоз, то з цим було зв'язано і первинна назва РНК — пентозонуклеонові кислоти. У РНК же міститься зі всього класу пентоз лише рибоза.

Азотистими підставами РНК є аденін і гуанін з класу пуринових підстав і цитозин і урацил з класу піримідинових підстав.

Відмітною особливістю РНК  від ДНК є те, що для неї не характерна стійка спіральна будова.

Структура РНК визначається послідовністю рибонуклеотидів. Ця послідовність рибонуклеотидів в ланцюзі називається первинною структурою РНК. Первинна структура строго специфічна і унікальна для кожного виду РНК. Первинна структура РНК є своєрідним записом біологічної інформації, закодованим в РНК певним набором рибонуклеотидів, і визначає вторинну структуру, яка виявляється в закручуванні нитки РНК в спіраль. Третинна структура також визначається первинною структурою і є просторовим розташуванням всієї молекули РНК. Третинна структура включає вторинну структуру і ті фрагменти полінуклеотидного ланцюга, які сполучають одну ділянку вторинної структури з іншою. Це взаєморозташування і зв'язок фрагментів РНК.

Вторинна і третинна структури  РНК формуються переважно за рахунок  водневих зв'язків і гідрофобних взаємодій між азотистими рибонуклеїновими підставами. Термін “гідрофобний” означає, що дана речовина або група елементів в одній з ділянок молекули відштовхує воду. Термін “гідрофільний” застосовують по відношенню до речовини або групи елементів, що притягують воду. Молекули гідрофобної речовини впливають силами електронного тяжіння на молекули вуглеводнів. Від кількості і розташування водневих зв'язків і контактів гідрофобної взаємодії залежить просторове розташування (конфігурація) всієї молекули рибонуклеїнової кислоти.

ІНФОРМАЦІЙНА РИБОНУКЛЕЇНОВА КИСЛОТА

 

Інформаційна РНК програмує  синтез білків клітки. Не дивлячись  на відносно низький процентний вміст  в загальній масі РНК клітки, іРНК за значенням стоїть на першому місці. Інформаційна РНК здійснює безпосередню передачу коди ДНК для синтезу клітинних білків

Відповідно тому, що молекули іРНК використовуються для синтезу різних білків, вони представлені багатьма видами, які, природно, відрізняються по своїй послідовності нуклеотидів і молекулярній масі. Кожен білок клітки кодується специфічною іРНК або специфічною ділянкою цієї молекули. Кожен білок вимагає відповідної йому іРНК. Тому іРНК характеризуються значною різнорідністю. Ця група різних за розміром молекул, маса яких може вагатися від 104 до 2*106.

Біосинтез іРНК здійснюється в ядрі в процесі транскрипції. В ході транскрипції будується нуклеотидна послідовність іРНК, відповідна нуклеотидній послідовності одній з ланцюгів ДНК хромосоми. Транскрипція здійснюється ферментативною дорогою. По суті справи, транскрипцію можна представити як переклад генетичної інформації, ув'язненому в послідовності нуклеотидів ДНК, в послідовність нуклеотидів іРНК. Відмінність від біосинтезу ДНК тут полягає в тому, що будується одиночна нитка іРНК. Азотисті підстави іРНК комплементарні азотистим підставам відповідної ділянки, з якої відбувається переписування генетичної інформації. Після закінчення транскрипції іРНК переходить на рибосоми, де з неї відбувається зчитування інформації в послідовність амінокислот зростаючого поліпептидного ланцюга. Послідовність триплетів іРНК визначає послідовність амінокислот в зростаючому ланцюзі білка. Якщо спочатку матрицею для синтезу іРНК служила ДНК, то тепер іРНК сама служить матрицею для побудови білкового ланцюга. Тому існує ще одна назва іРНК – матрична РНК.

Відмітною особливістю іРНК від рРНК і тРНК є те, що іРНК володіє низькою стійкістю в процесі обміну речовин — іРНК є відносно молекулою, що мало-живе. Ще однією характерною особливістю іРНК є наявність в ній ділянки поліаденілової кислоти, що складається з десятків і навіть сотень рибонуклеотидів, у складі яких знаходиться одна і та ж азотиста підстава — аденін.

ТРАНСПОРТНА КИСЛОТА РІБОНУКЛЕНІОВАЯ

 

Транспортна РНК відноситься  до низькомолекулярних типів РНК, молекулярна  маса яких вагається від 23000 до 30000, оскільки у складі тРНК знаходиться від 75 до 90 рибонуклеотидів. Інші типи РНК мають набагато більші розміри. У зв'язку з невеликою молекулярною масою тРНК легко відділяються від інших типів РНК за допомогою різних методів франкціонувания. Зручність виділення і відносно проста структура (складається з невеликого числа рибонуклеотидів) привели до того, що тРНК є найбільш вивченою молекулою білок синтезуючої системи.

Основною функцією тРНК є транспорт амінокислоти на відповідну ділянку іРНК в полісомах.

Першою відмітною особливістю  тРНК є те, що в їх склад входить значна кількість мінорних підстав. Вміст мінорних підстав доходить до 10 % від загального числа підстав тРНК.

Другою відмітною особливістю  тРНК є те, що в їх структуру входять незвичайні мононуклеотиди, наприклад псевдоуридилова або риботімідилова кислоти.

Третьою характерною особливістю  тРНК є те, що всі вони на одному кінці мають останнім нуклеотидом залишок гуанілової кислоти, яка містить додаткову фосфатну групу. Ця група знаходиться при 5’-гидроксильной групі. На іншому кінці полінуклеотидного ланцюжка тРНК знаходяться три нуклеотиди: цитозин-цитозин-аденін. Загальна структура тРНК представлена у вигляді послідовності гуанін-цитозин-цитозин-аденін-ОН.

Як виявили тРНК і довели її функцію? Особливо тонко подрібнені клітки печінки – гомогенати розділили на чотири частини (фракції): ядерну, мітохондріальну, мікросомну, і розчинну (цитозоль). Виявилось, що мікросоми містять рибосоми, на яких здійснюється синтез білка. Але самі по собі одні рибосоми синтезувати білок не можуть. Для його синтезу потрібна обов'язкова присутність додаткових чинників, таких, як амінокислоти, АТФ, а також цитозоль — рідка складова цитоплазми разом з розчиненими в ній речовинами. Що ж знаходиться в цитоплазмі, що робить можливим синтез білка за наявності всіх останніх компонентів?

При ретельному вивченні виявилось, що в цитоплазмі присутній тРНК, яка здійснює перенесення амінокислот, транспорт їх з рідкого середовища на рибосоми, в місце безпосереднього синтезу білка.

 

 

РИБОСОМНА РИБОНУКЛЕЇНОВА КИСЛОТА

 

Рибосомна РНК, так само як і іРНК, має велику молекулярну масу, але на відміну від останньої характеризується відносною метаболічною стабільністю. Після синтезу вони існують в клітці триваліший час, ніж іРНК. Рибосомну РНК виділяють з суміші з тРНК, що вийшла після відповідної обробки гомогенів тканин. Чисті препарати рРНК отримують з очищених рибосом або із складових частин рибосом — субодиниць