Основной принцип молекулярной биологии — изучать проявления жизнедеятельности в их простейшей, элементарной форме, на уровне молекул и их взаимодействий — все шире ложится в основу многочисленных исследований. Молекулярная биология прочно закрепила за собой быстро завоеванное ею место в качестве ведущей области современного экспериментального изучения загадок жизни.
Прилагательное «молекулярный» начинает все шире входить в обиход биологической терминологии, хотя еще недавно его встречали буквально в штыки представители большинства устоявшихся разделов биологического знания, предпочитавшие пользоваться привычными формами мышления и видевшие в молекулярной биологии угрозу вторжения чего-то нового в издавна принадлежавшие им области.
Осуществленный за последние годы полный синтез молекулы инсулина — достижение, знаменующее собой начало новой эпохи в науке о живом.
Для элементарных проявлений жизнедеятельности, при подходе к ним на молекулярном уровне, совершенно невозможно изолировать друг от друга химические и физические аспекты — когда речь идет о биологических функциях молекул, они составляют неразрывное единство. Тут, если придерживаться соображений логики, пришлось бы говорить о «молекулярной био-физико-химии», но это по самому существу и составляет содержание молекулярной биологии, и вряд ли есть необходимость вводить новый термин там, где уже имеется другой, прочно вошедший в употребление…
Эти терминологические поиски интересны только тем, что они служат лишним свидетельством широкого признания и высокой значимости, которую приобрел путь изучения важнейших явлений жизни, лишь наметившийся в период предыдущего Менделеевского съезда.
Он плодотворно развивался на протяжении истекших лет и является столбовой дорогой дальнейшего продвижения к одной из самых заветных целей современного естествознания — познанию природы жизни.
По этому направлению движется химия, рука об руку с физикой, в содружестве с возрастающим числом других союзников — кибернетикой и кристаллографией, математикой и квантовой теорией.
Основная предпосылка плодотворности этого направления в том, что на простейших элементарных системах и объектах удается воспроизводить, наблюдать и изучать все важнейшие проявления жизнедеятельности: размножение и наследственность, гибридизацию и иммунитет, инфекцию и патологию, даже проблемы эволюции и природу памяти.
Нереально было бы пытаться охватить все пути, которыми химия эти годы шла к указанным целям, и перечислить все успехи, которые ею достигнуты. Придется ограничиться небольшим числом примеров, подчас несколько произвольно выбранных, чтобы дать представление об основных линиях современного химического научного поиска в области коренных проблем живого мира.
При этом представляется правильным осветить преимущественно новые, специфические, своеобразные представления и подходы, новые принципы, лежащие в основе того или иного круга биологических явлений и определяющие характерные черты ряда проявлений жизнедеятельности.
Начну все же с путей классического изучения химии биополимеров, белков и нуклеиновых кислот обычными методами аналитической и синтетической химии.
Бесспорно, тут на первое место следует поставить осуществленный за последние годы первый ПОЛНЫЙ СИНТЕЗ МОЛЕКУЛЫ БЕЛКА, притом белка первостепенной биологической важности. Речь идет о ХИМИЧЕСКОМ СИНТЕЗЕ ИНСУЛИНА —гормона, управляющего углеводным обменом организма.
Синтезируя инсулин, ученым приходится вести очень сложную реакцию. Она насчитывает 228 этапов. Это занимает много времени и труда…
Сведения о достижении этого чрезвычайной важности результата получены по меньшей мере от двух групп исследователей: одной в ФРГ, возглавляемой профессором Цааном, другой — американо-канадской.
В структуре инсулина две цепи: цепь А с 21 аминокислотой и цепь В с 30 остатками. Они связаны между собой дисульфидным мостиком, и цепь А несет еще внутрицепочное дисульфидное кольцо. В общих чертах путь химиков из ФРГ был следующим: они по ступеням получали пептиды от гекса- до декапептидов, и затем сочленяли их до получения цепи требуемых размеров. Работу усложняла необходимость избегать рацемизации многих десятков оптически активных углеродов. Синтез цепи А потребовал 89, а синтез цепи В — 138 ступеней. Интересно, что некоторые из ступеней синтеза удавалось проводить с выходом до 90 — 95 процентов от теоретического!
Критическим пунктом всего синтеза явился последний этап — связывание обеих полученных цепей между собой путем создания нужным образом расположенной дисульфидной связи. Этого достигали простейшим образом — пропусканием кислорода через смесь обеих цепей, содержащих цистеиновые группы в восстановленном состоянии. Однако, по-видимому, вероятность образования дисульфидного мостика именно в нужном пункте каждой из цепей весьма невелика, и хотя удалось получить биологически активный препарат, величина его активности в пересчете на единицу веса была всего 0,2 —1 процент (в сравнении с неактивным гормоном).
Эта низкая цифра никак не компрометирует метод и осуществленную работу. Совершенно того же порядка величины активности получались при попытках регенерировать натуральный, природный инсулин из смеси двух его цепей, разъединенных в результате предшествовавшего восстановления.
В конечном счете синтез активной молекулы белка инсулина шел через 22В отдельных, последовательных этапов! Не знаю, приходилось ли когда-либо химикам прежде преодолевать подобного рода трудности; думаю, что никогда. Полученный результат мы с полным правом можем рассматривать как достижение, знаменующее собою начало новой эпохи. В настоящее время на очереди — синтез первого белка-фермента. Осуществление такого синтеза не требует преодоления каких-либо принципиальных трудностей — теперь это ЧИСТО ТЕХНИЧЕСКАЯ задача, вопрос денежных средств.
Я ни в коем случае не хочу умалять грандиозной заслуги химиков-синтетиков, осуществивших синтез инсулина. Но в то же время не могу не сделать одно сопоставление. Ученым приходится вести очень сложную реакцию, насчитывающую, как я уже говорил, 228 этапов. Любому химику ясно, какую на это надо затратить массу времени и труда. А в живой клетке синтез одной молекулы белка завершается за 2 — 3 секунды. Вот неплохой пример, насколько совершеннее работает синтетический аппарат живого организма!
Естественно возникает вопрос: а чем же обусловлена эта колоссальная разница между скоростями обычного химического синтеза и синтеза биологического? Тем, что в клетке реализуется необычайного совершенства МАТРИЧНЫЙ ПРИНЦИП СИНТЕЗА. Переход от реакции на основе статистического, вызванного тепловым движением сталкивания беспорядочно распределенных в пространстве молекул к реагированию молекул, пространственно закрепленных на матрице, не только обеспечивает КАЧЕСТВЕННО строжайше направленное протекание реакции образования колоссально длинной цепи макромолекулы, но и в миллиарды, может быть, в тысячи миллиардов раз КОЛИЧЕСТВЕННО повышает скорость синтеза.
…А в живой клетке синтез одной молекулы белка завершается за 2 — 3 секунды. Синтетический аппарат живого организма пока работает совершеннее, чем руки ученых.
Здесь есть над чем задуматься химикам и физикам, работающим в области теории каталитических процессов. А нельзя ли найти у живой природы указание для разработки новых, небывалой эффективности типов катализаторов, чтобы использовать их в технологических процессах будущего?
Аналитического изучения белков можно коснуться лишь кратко. В этой области последние годы сдвигов качественного характера не принесли. Ожидающие преодоления трудности здесь имеют преимущественно технический, а не принципиальный характер.
В химической расшифровке строения важнейшего класса биополимеров — нуклеиновых кислот ситуация долгое время складывалась довольно парадоксально: главным препятствием здесь являлась не чрезмерная сложность, а слишком большая простота их состава.
В построении огромных молекул ДНК и РНК участвуют четыре основных компонента и единичные так называемые минорные нуклеотиды (метилированные или структурно измененные дериваты тех же четырех основных). Это относительное однообразие составляющих мономеров дает меньше возможностей разбивать молекулу на такое число фрагментов, которое необходимо для получения перекрывающихся обломков, доступных для анализа их последовательностей и одновременно содержащих указания об их взаимном расположении.
Основное внимание здесь было обращено на изучение так называемых транспортных рибонуклеиновых кислот, обладающих наименьшим молекулярным весом (порядка 25 ООО) и содержащих около 75 нуклеотидных остатков. Как и при анализе белков, путь шел через использование ферментов, разрывающих строго определенные связи. Таких ферментов (рибонуклеаз) использовалось два. Рибонуклеаза поджелудочной железы — панкреатическая РНКаза расщепляет связи, в которых участвуют пиримидиловые нуклеотиды (пиримидил-РНКаза А), а РНКаза из плесеней и актиномицетов разрывает связи, в которых участвует гуанин (гуанил-РНКаза).
Исходный объект — транспортные РНК — представляют собой пеструю смесь не менее чем 20 отдельных химических индивидуумов, минимум по одному для каждой аминокислоты. Были разработаны методы изоляции тех или иных индивидуальных РНК.
Расшифровка строения нуклеиновых кислот равносильна описанию на языке химических формул всего текста генетической информации. Работы по расшифровке ведутся во многих институтах мира.
Работа шла на путях, параллельных с исследованиями в нескольких лабораториях США, в частности лаборатории Р. У. Холли. На прошлогоднем шестом Международном биохимическом конгрессе в Нью-Йорке Холли дал провизорную формулу строения т-РНК на основе имевшихся к тому времени материалов. При этом он указал, что по тогдашним сведениям это примерно одна из тысяч возможных комбинаций. Казалось, мы еще очень далеки от познания первичной структуры нуклеиновых кислот…
Однако последние два месяца заставили коренным образом изменить этот взгляд. Сейчас мы являемся свидетелями крупнейшего события такой же значимости, как упомянутый уже мною синтез инсулина или как раскрытие генетического кода. Мартовские журналы принесли нам сведения, что осуществлен очередной химический подвиг: впервые раскрыта полная первичная структура одной из нуклеиновых кислот. Это сделано в работах того же Холли и его сотрудников. Им удалось расшифровать последовательность расположения нуклеотидов в аланиновой транспортной РНК.
Решение было найдено благодаря экспериментальному приему, простому, как «колумбово яйцо». Недостатком всех предшествующих аналитических подходов (и у Холли, и у нас) было то, что ученые получали слишком мелкие олигонуклеотиды, не дававшие информации о возможном порядке их сочленения. Всем работавшим в этой области было ясно, что необходимо найти способы разбивать исходную молекулу т-РНК на значительно более крупные фрагменты. Мы пытались достичь этого на пути поиска новых типов ферментов. Но поиски пока успеха не принесли. «Колумбово яйцо» Холли состояло в том, что он использовал уже испытанный фермент — гуанил-РНКазу, но повел опыт с очень малыми количествами фермента, и при низкой температуре (0°С). Оказалось, что вместо того, чтобы разбивать связи у всех гуаниловых остатков, фермент обнаружил необычайную селективность: он разрывал только одну единственную связь в самой середине молекулы, разбивая ее на две половины. Далее путь был уже намечен: таким же регулируемым ферментативным гидролизом два полученные фрагмента еще раз разбивались на тоже достаточно крупные куски, которые подвергались анализу на последовательность расположения в них нуклеотидов. Путем несложной комбинаторики легко удалось установить всю последовательность исходной цепи.
Значение этой работы огромно. Это в подлинном смысле слова ОПЫТ, ЗНАМЕНУЮЩИЙ СОБОЮ НОВУЮ ЭПОХУ В ХИМИЧЕСКИХ ПОДХОДАХ К ЗАГАДКАМ ЖИЗНИ. Ведь расшифровка строения нуклеиновых кислот по существу говоря равносильна описанию на языке химических формул всего текста генетической информации.
Природа проявила удивительную экономичность, использовав специфическую молекулярную структуру для выполнения сразу двух независимых и притом важнейших функций.
Разумеется, не надо недооценивать трудностей, еще стоящих на пути к этой цели. Но важно то, что найдено принципиальное решение. Дальше в основном лишь технические трудности.
Если до ЧТЕНИЯ генетического текста нам еще далеко, то в отношении познания по крайней мере БУКВ этого текста (то есть, тех триплетов нуклеотидов, которые составляют код для отдельных аминокислот) познания химиков значительно уточнены.
…Это сделано путем использования реактива, модифицирующего определенный вид оснований (а именно гидроксиламина, разрушающего урациловые остатки). Оказалось, что после обработки гидроксиламином с ферментом перестают реагировать те виды транспортной РНК, которые в составе кодирующего триплета содержат несколько урацилов. Если же урацилов нет или их не больше одного, то «познавательная способность» при обработке гидроксиламином не нарушается.
Я привел эти результаты потому, что они имеют большое принципиальное значение. Одна и та же группировка из трех нуклеотидов, кодовый триплет, несет двоякую функцию, оба проявления которой в одинаковой степени важны для обеспечения специфического хода важнейшего биологического процесса — синтеза белковых молекул.
Эта группировка (кодовый триплет), специфически взаимодействуя с шифровальным ферментом, с одной стороны служит для привязывания кодовой метки к индивидуальной аминокислоте, а с другой — на следующем этапе — для привязывания данной аминокислоты к определенному месту той матрицы, информационной РНК, на которой будет осуществляться включение аминокислоты в пептидную цепь строящейся белковой молекулы. Природа проявила тут удивительную экономичность в использовании специфической молекулярной структуры для выполнения сразу двух совершенно независимых и притом важнейших функций.
Зашифровку аминокислот, осуществляемую действием фермента, следует считать узловым пунктом всего механизма биосинтеза белков. Здесь впервые скрещиваются и неразрывно переплетаются биологические функции обеих главенствующих групп биологических полимеров — белков и нуклеиновых кислот.
Матричный принцип синтеза обеспечивает предельную точность заданной химической структуры.
При глубоком различии этих биополимеров в химическом и функциональном отношении есть одна черта, которая их сближает. В обоих случаях синтез осуществляется на основе матричного принципа, и в обоих случаях можно отметить черты общности в характере химических реакций, ведущих к нарастанию цепи полимера.
Матричный принцип синтеза биополимеров заключается в том, что реакция наращивания полимерной цепи происходит не между свободно существующими в объеме молекулами, находящимся в хаотическом тепловом движении, а протекает между партнерами, строго фиксированными пространственно. Несущей подкладкой, на которой происходит эта фиксация, служит в обоих случаях (при синтезе как белков, так и нуклеиновых кислот) полинуклеотидная цепь нуклеиновой кислоты. Фиксация реагирующего мономера происходит строго специфично, и подкладка выполняет роль матрицы, определяя, в какой именно последовательности происходит соединение мономеров в синтезируемую полимерную молекулу.
Фиксация на матрице осуществляется силами слабого взаимодействия — не главновалентными силами, а за счет водородных связей; возможно, некоторое участие принимают и гидрофобные связи, но об этом мало что известно. Локализация на матрице подчиняется принципу комплементарности оснований; аденин образует водородные связи с урацилом (или соответственно с тимином), гуанин — с цитозином.
Вслед за детерминированной локализацией происходит следующий этап реакции — наращивание полимерной цепи путем замыкания главновалентной связи между начальным звеном или имевшимся участком полимерной цепи и вновь присоединяющимся звеном. В этом пункте имеется также черта общности в химическом механизме наращивания полимерной цепи в случае нуклеиновых кислот и в случае белков. Она состоит в том, что в реакции участвует не свободная молекула присоединяемого мономера, а некоторый дериват ее, в котором реагирующая группировка находится не в свободном виде, а участвует в главновалентной связи (ангидридного или сложноэфирного характера). Происходит межмолекулярная транслокализация главновалентных связей. Такого рода реакции широко распространены в биологических системах, затрагивая все главнейшие классы соединений…
Матричный синтез безраздельно господствует во всей области реакций синтеза биополимеров — постольку, поскольку необходима строго специфичная, наперед заданная последовательность расположения мономерных звеньев в полимерной цепи. Это происходит при редупликации ДНК, при синтезе матричной (информационной) РНК, синтезе индивидуально-специфичных транспортных РНК и синтезе полипептидной цепи белковых молекул.
Принцип матричного синтеза — это явление фундаментальной, принципиальной важности. Здесь, как нигде более, выступает специфика химизма живого по сравнению с неживыми системами. Разумеется, сохраняются все основные принципы обычной химии: и подчинение закону действующих масс, и законы химической кинетики, и силы химического сродства, и роль электронной структуры. Но в то же время вносится нечто совершенно новое, чего мы более нигде в природе не встречаем: возможность строжайшего, незыблемого УПОРЯДОЧЕНИЯ последовательных этапов чрезвычайно длинной реакционной цепи. Не будет ошибкой или преувеличением признать, что открытие принципа матричного синтеза — одна из самых крупных, принципиально важных достижений молекулярной биологии последних лет. Это одна из важнейших черт химизма живого (притом на самом центральном участке возникновения и существования), характерная как для всей молекулярной генетической основы наследственного постоянства в бесконечном ряду поколений, так и для процессов построения материальной основы живой массы — создания специфических белков.
Сделан решающий шаг в химическом истолковании механизма действия гормонов.
Принцип матричного синтеза имеет решающее значение для обеспечения преельной точности заданной химической структуры (последовательности расположения мономерных звеньев в цепи макромолекулы). Другой принцип — широкого и не менее важного значения — касается РЕГУЛЯЦИИ СКОРОСТЕЙ химических реакций, протекающих в биологических системах. Это принцип АЛЛОСТЕРИЧЕСКОГО контроля биологических процессов. Обоснование и формулирование его также относится к важным достижениям молекулярной биологии последних лет.
Принцип аллостерического контроля неразрывно связан с другим представлением, также сформулированным в самое последнее время и приобретающим все большее значение. Это представление о роли КОНФОРМАЦИИ МАКРОМОЛЕКУЛ, в частности каталитически активных белков (ферментов), как факторов, определяющих их биологическую активность.
В качестве аллостерических эффекторов выступают вещества, в химическом отношении не состоящие ни в каком родстве с субстратом, — низкомолекулярные продукты обмена веществ. В одних случаях — это конечные продукты цепи реакций, в которой рассматриваемый фермент стоит где-то в самом начале. В других случаях — это могут быть вещества, вообще не связанные с реакцией, катализируемой ферментом. И, наконец, что представляет совершенно особый интерес, в качестве аллостерического эффектора могут выступать те или иные ГОРМОНЫ.
Последнее означает, что сделан решающий шаг в познании конкретного химического истолкования механизма действия гормонов, этих мощных регулирующих агентов, воздействующих на множество жизненно важных функций и процессов, протекающих в высших организмах. Впервые функции гормонов оказывается возможным охарактеризовать не в терминах биологических понятий, а в формах молекулярных взаимодействий, то есть в конкретных химических представлениях. И в этом мы вправе видеть один из особенно знаменательных успехов, достигнутых химией на путях к познанию явлений жизни.
Связывание кислорода гемоглобина сопровождается сближением отдельных участков молекулы; отдача кислорода ведет к возрастанию объема молекулы.
Для последующего изложения необходимо в двух словах напомнить те различные уровни структурной организации белковых молекул, которые принято в настоящее время различать.
Под ПЕРВИЧНОЙ структурой белковой молекулы мы понимаем последовательность расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи, — то, что обозначают привычным термином «химическое строение». Последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи определяется последовательностью расположения кодирующих триплетов в молекуле матричной РНК. Эта последовательность в свою очередь в точности соответствует расположению комплементарных нуклеотидов в молекуле ДНК хромосомы клеточного ядра, т. е. «генетической информации».
Полипептидная цепь под влиянием сил, действующих между определенными группировками в ней, как правило приобретает конфигурацию, которую мы называем ВТОРИЧНОЙ структурой. Как показали классические исследования Полинга и Кори, полипептидная цепь имеет выраженную тенденцию к спирализации. Она закручивается так, что возникают водородные связи между группами СО и водородом пептидных связей.
Спирализованная вторичная структура полипептидной цепи может претерпевать и дальнейшие изменения конфигурации, свертываясь в клубок, складываясь тем или иным образом и т. д. Так возникает ТРЕТИЧНАЯ структура.
Если первичная структура определяется только главновалентными связями, а в образовании и фиксации вторичной структуры мы имеем дело с монотонным расположением водородных связей, то в возникновении третичной структуры могут участвовать связи более разнообразного характера. Это могут быть те же водородные, но могут быть и другие связи — внутримолекулярные дисульфидные, типа гидрофобных взаимодействий и т. д. Возможность возникновения связей, обусловливающих трехмерную конформацию белковой молекулы, определена тем, в каких точках первичной структуры расположены аминокислотные остатки, которые участвуют в образовании этих связей…
Совершенно ясно, что если какое-либо низкомолекулярное вещество присоединяется к одному из участков полипептидной цепи, то сейчас же нарушается та система внутримолекулярных связей, которая определяет конформацию белковой молекулы. В этом состоит первичный аллостерический эффект, а он в свою очередь ведет к изменению биологической активности макромолекулы, так как ее активность зависит именно от общей конформации.
Сделаем шаг дальше в рассмотрении пространственной структуры белковых макромолекул. Для весьма большого числа белков характерно образование структур еще более высокого порядка. Объединим их под названием ЧЕТВЕРТИЧНОЙ СТРУКТУРЫ. Характерное и широко распространенное свойство белковых молекул — их тенденция закономерным образом ассоциироваться в комплексы высокого уровня сложности, по существу надмолекулярного уровня. Впрочем, говорить о надмолекулярном уровне тут следует с осторожностью, поскольку образующиеся агрегаты имеют все свойства молекулярного индивидуума, (строго заданный состав, число компонентов, вполне определенный молекулярный вес).
Изучение ферментов — один из наиболее перспективных путей, по которым химия будущего может двигаться в познании закономерностей жизни.
Нарушая каноны этимологии и смешивая в одном термине корни из двух языков, латинского и греческого, я бы применил здесь обозначение «мультимер», или «э п и м ол е к у л а», то есть сверхмолекула — образование, выходящее за пределы молекулы в собственном, строгом смысле слова.
В природе известен близкий аналог гемоглобина — дыхательный пигмент не крови, а мышц, — миоглобин. Миоглобин по своему строению чрезвычайно близок к гемоглобину, но отличается отсутствием четвертичной структуры. Это одиночная пептидная цепь, несущая, как и гемоглобин, геминовую группировку, но не ассоциирующаяся в тетрамер. Отсутствие этой способности сильно сказывается на биологических свойствах миоглобина: характер его реакции с кислородом существенно отличается от того, что происходит в гемоглобине, так что здесь с большой отчетливостью выступает зависимость между четвертичной структурой и биологическими свойствами макромолекулярного соединения.
На примере гемоглобина мы видим совершенно уникальный пример обоюдосторонности взаимоотношений между эпимолекулярной структурой и функцией белка. Исключительные по изяществу и тонкости исследования М. Ф. Перутца показали, что при присоединении и отдаче кислорода гемоглобином его конформация претерпевает закономерные изменения: связывание кислорода сопровождается сближением отдельных участков молекулы, отдача кислорода ведет к соответствующему возрастанию объема молекулы. Можно сказать, что мы как бы воочию видим выполнение молекулой ее функций, молекула как бы дышит, сжимаясь и расширяясь, подобно тому, как сжимается и расширяется наша грудная клетка при дыхании.
Нет сомнения в том, что образование четвертичной структуры, то есть ассоциирование протомеров, белковых субъединиц, в упорядоченные образования высшего порядка, детерминировано третичной структурой — тем, что мы обозначаем как КОНФОРМАЦИЯ ПОЛИПЕПТИДНОЙ ЦЕПИ. Всякие искажения этой конформации повлекут за собою нарушение четвертичной структуры с неизбежным следствием — глубоким изменением биологической активности соответствующего белка. Как уже указывалось, аллостерические эффекторы проявляют свое действие именно через изменение конформации… Аллостерический эффект проявляется здесь уже на новом уровне, влияя в том или ином направлении на способность протомера ассоциироваться в новое высшее единство — мультимер или эпимолекулу.
Эффект целиком обусловлен обратимым конформационным изменением, происходящим в белке, когда он связывает специфический эффектор. Так открывается практически неограниченное поле возможностей воздействия со стороны веществ, которые иным, чисто химическим, взаимодействием не могли бы проявить своего влияния…
На уровне четвертичной структуры удается осуществлять гибридизацию молекул разных типов. Полученный гибрид проявляет свойства своих «предков».
Мы вправе усматривать здесь особенно мощный и разносторонний механизм восприятия химических сигналов биологически активными системами, в первую очередь фактическими двигателями всей химической динамики живых объектов — ФЕРМЕНТАМИ. Через посредство этих химических сигналов осуществляется важнейшее свойство живого — способность к строгому упорядочению всей совокупности химических превращений. Дальнейшее изучение относящихся сюда явлений несомненно представляет собою один из наиболее перспективных и увлекательных путей, которыми химия ближайшего времени может двигаться в познании важнейших закономерностей жизни.
В научный обиход прочно вошло представление о том, что первичная структура белковой молекулы начертана в генетической информации. Эта информация содержится в нуклеотидной последовательности ядерной ДНК и передается через посредство информационной или матричной РНК в рибосомы, где на основе матричного синтеза совершается построение белковой полипептидной цепи.
Законен вопрос: а участвует ли (и если да, то в какой форме, на каких этапах) генетическая информация в последующих стадиях становления макромолекулы белка — при приобретении ею вторичной, третичной и четвертичной структуры?
В такой стремительно меняющейся и развивающейся области, какой является молекулярная биология, трудно и рискованно делать слишком широкие и далеко идущие предсказания. Во всяком случае определенно можно сказать, что вплоть до тех уровней, которые здесь рассматривались (уровней мультимеров или эпимолекулы), сейчас нет никаких указаний на то, что генетическая информация в какой-либо форме вмешивается в этапы, следующие за построением первичной структуры синтезируемой полипептидной цепи молекулы белка.
Мы вправе полагать, что вся информация, определяющая характер третичной, трехмерной, пространственной конфигурации макромолекулы, уже содержится в первичной структуре, в последовательности расположения аминокислотных остатков в полипептидной цепи белковой молекулы.
Мультимерная архитектура обнаружена и у молекул имунных антител, этих защитных веществ, обусловливающих невосприимчивость к инфекциям. И в этой архитектурной конструкции мы имеем компоненты различного рода, строго закономерно соединенные между собою. Удается произвести их «анатомическое» расчленение. Оказывается, что из расчлененных фрагментов при их смешивании (в надлежащих условиях) восстанавливается исходная конструкция. Больше того, как показал сотрудник нашего института Р. С. Незлин в совместной работе с чешским ученым Франеком, удается соединить между собою части, полученные из РАЗЛИЧНЫХ исходных антител. Другими словами, на уровне четвертичной структуры удается осуществлять ГИБРИДИЗАЦИЮ молекул разных типов, и полученный гибрид проявляет теперь в известной мере свойства то одного, то другого из своих двух «предков».
Неотъемлемое свойство всякого живого образования — структурная упорядоченность.
Способность к образованию закономерно построенных комплексов более высокого уровня сложности оказывается, по-видимому, широко распространенным свойством макромолекул. Это можно проиллюстрировать несколькими примерами, взятыми из совсем разных областей.
Из ресничек, служащих органом движения низших организмов, удается выделить белок флагеллин, который может быть получен в виде обычного бесструктурного раствора. При создании надлежащих условий молекулы белка начинают агрегироваться строго упорядоченным образом, так что возникают образования, не отличимые от исходных ресничек.
Новый уровень сложности в подобной самопроизвольной агрегации белковых протомеров был обнаружен сотрудником нашего института Б. Ф. Поглазовым на белке, выделенном из бактериофага.
Напомню общую структуру бактериофага. В ней различают головку, состоящую из белковой оболочки, в которой находится ДНК, ответственная за инфективность фага; ножку, представляющую собой белковый чехол, содержащий 144 протомера и образующий канал, через который ДНК поступает в бактериальную клетку при ее заражении; наконец, концевую пластинку, от которой отходят длинные жгуты, по-видимому, служащие для прикрепления к поверхности бактерии.
Б. Ф. Поглазов расчленял фаг анатомически. Его интересовал белок, из которого построены «чехлы» ножек фага. Этому белку приписываются сократительные свойства, в какой-то мере сближающие его со свойствами сократительного белка мышц миозина. При построении чехла он образует высокоупорядоченную структуру: 144 структурных элемента располагаются спирально, по 12 элементов в витке при 12 витках. По-видимому, природа любит считать как же, как английские купцы — на дюжины. Мы тут имеем дюжину дюжин, так называемый грос.
Белковый чехол ножки фага очень трудно растворим. Однако в сильно щелочной среде он переходит в раствор. В электронном микроскопе мы наблюдаем в этом случае бесструктурную массу, подобную слизи. Если подвергнуть такой раствор диализу, постепенно удаляя щелочь, то наблюдается его помутнение, и обнаруживаются образования, в точности напоминающие изолированные чехлы. Мы их назовем мономерами. При продолжении диализа происходит ассоциация, агрегация этих мономеров, прежде всего попарно, концом к концу. Образуются димеры.
Но процесс идет и дальше. Вслед за димеризацией происходит дальнейшее удлинение агрегатов путем присоединения новых мономеров конец к концу и агрегаций бок о бок, опять-таки строго упорядоченно. Образуются плоскостные, двумерные кристаллы. Наконец, наступает образование трехмерных структур, и получается трехмерный кристалл.
Даже такие высокие уровни упорядоченности возникают спонтанно, самопроизвольно, без всякого участия какого-либо направляющего фактора, который играл бы роль шаблона или матрицы. Из этого можно заключить, что вся информация, определяющая собою упорядоченную сборку белковых молекул в образования все возрастающей сложности, заключена в первичной структуре полипептидной цепи белковой молекулы. Последовательностью расположения аминокислотных остатков в этой цепи определяется вторичная структура. Вторичная структура определяет третичную конформацию молекулы, третичная в свою очередь предопределяет возникновение четвертичной структуры, то есть возникновение эпимолекулярных образований, достигающих, как мы могли видеть на примере бактериофага, весьма высоких степеней упорядоченности.
На более высоком уровне передается качественно новая информация.
Структурная упорядоченность — характернейшее, неотъемлемое свойство всякого живого образования. Она простирается от самых примитивных до самых высших форм организации, проходя через бесконечную иерархию градаций. Проникнуть в химические законы, участвующие в создании этой упорядоченности, — одна из коренных, наиболее увлекательных задач химии в познании живого.
Как же далеко распространяется автономность образования эпимолекулярных структур? И в первую очередь — как осуществляется сборка структур, содержащих компоненты не одного, а разных родов?
Широко распространенный тип таких структур — мембраны, участвующие в построении множества структурных образований клетки (клеточного ядра, митохондрий и т. д.). В простейшей форме такие мембраны построены из белков и липидов. Изучение мембран приводит к заключению, что их «сборка» не может происходить автономно, самопроизвольно. Тут требуется участие некоего направляющего фактора. В качестве такового предполагается участие специального белка, выполняющего в этом случае матричные функции…
На этом уровне усложненности термодинамически невозможно ожидать правильного пространственного расположения всех разнородных компонентов. Это делает необходимым участие матричного механизма. Разумеется, строго заданная структура матричного белка, как и всякой иной специфической белковой молекулы, предопределена генетической информацией. Но теперь она заключена не в нуклеотидной последовательности, как это было при матричных синтезах, а определяется участием молекул белка. Это, так сказать, МАТРИЦА ВЫСШЕГО ПОРЯДКА.
Обобщая то, что говорилось в самом начале, и то, к чему мы пришли теперь, мы вправе ставить вопрос о разных уровнях реализации матричного принципа в биологических системах, о разных формах проявления этого принципа.
ДНК — это матрица первого порядка. На ней идет только так называемая транскрипция, т. е. процесс, аналогичный переписке на машинке рукописного текста. Язык текста остается тем же, это язык нуклеотидного четырехбуквенного алфавита.
Далее идет матрица второго порядка — информационная или матричная РНК. На ней происходит перевод с четырехбуквенного, нуклеотидного языка на двадцатибуквенный аминокислотный язык.
А при конструировании мембран мы имеем матрицу третьего порядка. Она уже не нуклеотидная, как две первые, она сама имеет белковую природу. Ей переданы информации матриц первого и второго порядка — а она передает качественно новую информацию.
Первая и вторая матрицы участвуют в процессе матричного синтеза. Белковая матрица вносит матричный принцип не в синтез, не в образование главновалентных связей, а главным образом в формирование связей гидрофобных, определяющих супрамолекулярную конструкцию.
Так генетическая информация вносится в механизмы супрамолекулярных архитектур.
Но мы вышли за пределы молекулярного, то есть собственно химического уровня.
Директор Института молекулярной биологии АН СССР академик В. А. Энгельгардт