Биохимия и информация

Основные усилия биохимиков в последние несколько лет были направлены на изучение вопроса, как будто бы совершенно не имеющего отношения к биохимии. Действительно: биохимия и информация! Какая между ними связь? Известно, что информация важна при полете космического корабля, во многих отраслях техники, компьютерных технологиях, но причем здесь биохимия? Между тем, как это ни удивительно на первый взгляд, дальнейшее развитие биохимии упирается в разрешение вопросов, связанных с информацией.

Как в компьютер заложена исходная информация, исходные данные, предопределяющие направление его работы, так и в живом организме — клетке — есть информация, определяющая и направляющая ее «работу», то есть ее жизнь. В компьютер исходную информацию заложил человек, в клетку — природа. В компьютер информация вводится в виде мириадов байт компьютерной памяти (впрочем, счет уже давно пошел на гигабайты и терабайты), в клетке она находится в виде вещества, называемого дезоксирибонуклеиновой кислотой (сокращенно ДНК).

ДНК, сейчас это можно сказать почти с полной уверенностью, содержит всю необходимую для жизни клетки информацию, которая определяет и направляет основные биохимические процессы, происходящие в клетке. Но каким образом она передает эту информацию всей клетке? Ведь ДНК находится в клеточном ядре, а целый ряд важнейших биохимических процессов, таких, как синтез белка, происходит в жидкой части клетки, да и в самом ядре они идут без всякого непосредственного контакта с ДНК. Каким образом и почему новая ДНК, внедрившись в тело микроба, например, переделывает его, несмотря на то, что у него есть своя ДНК? Почему информация, полученная от новой ДНК, «забивает» информацию от старой?

Начнем со второго вопроса: почему новая информация, попавшая в микроб, в ряде случаев вызывает переделку его свойств? Почему в какой-то степени подавляется подача информации из старой, находящейся в микробе ДНК? На этот вопрос частичный ответ дают следующие опыты.

МОЛЕКУЛЫ ГИБРИДЫ

Как известно, ДНК образована двумя спиральными цепями. Можно подобрать такие условия, при которых молекула ДНК, находящаяся в растворе, разойдется на две половинки. Затем можно заставить эти односпиральные цепи вновь соединиться. Зачем это нужно?

Оказалось, если в раствор поместить две разные ДНК, полученные, скажем, из разных микроорганизмов, и провести с ними описанный опыт, то в результате некоторое количество односпиральных молекул одного «сорта» соединится с односпиральными молекулами другого «сорта». Получившаяся молекула двухспиральной ДНК будет гибридной, то есть состоящей из цепей, принадлежащих разным ДНК.

Правда, эти опыты удаются только тогда, когда оба сорта ДНК близки друг к другу по составу и выделены из близких по свойствам микроорганизмов. Но ведь и переделка микробов удается только в том случае, когда для этого берется ДНК из «родственных» микробов. Весьма вероятно, что в этом случае происходит образование гибридной ДНК. Она будет обладать уже частью новой информации, попавшей в ее молекулы вместе с одной спиралью чужой ДНК, и свойства микроба, конечно, частично изменятся, что мы и наблюдаем в действительности.

Хорошо, скажете вы, но какими путями ДНК, содержащая информацию, все-таки передает ее всем другим частям клетки, управляя таким образом ее жизнедеятельностью? Итак, мы вернулись к нашему первому вопросу.

ТАИНСТВЕННЫЙ ПОСРЕДНИК

Французские ученые из Пастеровского института Жакоб и Моно попытались теоретически проанализировать все известное о передаче информации в бактериальной клетке. По их мнению, эта передача должна осуществляться через какое-то промежуточное вещество, которое получает информацию от ДНК и переносит ее в те места клетки, где происходит синтез белка.

Такое же мнение высказывали и другие ученые, но ни одно из известных веществ не могло выполнять этой роли, так как не имело подходящих для этого свойств. Поиски загадочного вещества до последнего времени не давали результата. А независимо от этого широко ставились опыты, в которых бактерий заражали бактериофагом.

Это крошечное создание во много раз меньше бактерии, оно представляет собой своеобразную бутылочку, стенки которой состоят из белка, а содержимое из ДНК. Эта бутылочка «присасывается» горлом к стенке бактерии и как бы впрыскивает свое содержимое (то есть ДНК) в бактерию. Через полчаса вся бактерия оказывается начиненной «новорожденными» бактериофагами. Откуда они взялись? Вместе с ДНК фага в бактериальную клетку поступила новая информация. Под ее влиянием весь обмен в клетке перестраивается, она начинает синтезировать фаги, а не вещества, нужные клетке-хозяину.

И вот Жакоб и Моно обратили внимание на последние работы, в которых было найдено, что сразу же после введения фага в клетке появляется совершенно новая нуклеиновая кислота (сокращенно РНК), которая по составу весьма сходна с ДНК фага. Она очень подвижна: быстро синтезируется и быстро разрушается. Ученые высказали предположение, что эта РНК и является тем веществом, которое переносит информацию от ДНК к месту синтеза белка. Так было открыто вещество, переносящее информацию в клетке — оно так и названо «переносящая РНК». Теперь эта РНК выделена и очищена. Целый ряд косвенных и прямых опытов показал, что именно она переносит информацию. Вот один из них.

Как известно, место синтеза белка в клетке — крошечные частицы, рибосомы. На их поверхности и осуществляется постройка белковой молекулы. Тот же опыт можно произвести вне организма в пробирке.

Из костного мозга кролика и овцы выделяют клетки, в которых синтезируется белок крови — гемоглобин (он, как известно, и придает крови красный цвет). Из них выделяют рибосомы, добавляют к ним жидкую часть — содержимое клетки, затем «подсыпают» аминокислоты — сырье, из которого получают белок. И рибосомы, обеспеченные сырым материалом и необходимой энергией, начинают строить белок. Разумеется, строят они гемоглобин того животного, из организма которого их взяли.

Но если рибосомы овцы смешать с жидкой частью таких же клеток кролика — начинает вырабатываться сразу два гемоглобина — и овцы, и кролика. Это наглядно показывает, что в клеточном содержимом, полученном из организма кролика, находится какое-то вещество, содержащее информацию о том, что необходимо синтезировать именно гемоглобин кролика. А рибосомы овцы имеют информацию о том, что следует синтезировать гемоглобин овцы. Когда же их смешивают — образуются оба гемоглобина. В жидкой части клетки, по-видимому, и содержится переносящая РНК. Она соединяется с рибосомами, то есть с местом, где синтезируется белок, и передает ему нужные сведения.

КЛЕТОЧНЫЕ МАШИНЫ

Очень важные и интересные материалы были также обнаружены в других частицах, тоже находящихся в клетке,— митохондриях. Митохондрии — это своеобразные биохимические машины, преобразующие энергию в живой клетке — поступающую с пищей, вернее, образующуюся при ее окислении,— в химическую, запасаемую особым веществом. Но как они это делают? Не подскажет ли ответ их внутреннее устройство?

Митохондрии — довольно сложные тельца, имеющие внутри ряд перегородок. Удалось выяснить их внутреннюю структуру. Оказывается, они состоят из частиц палочковидной формы, содержащих 30 процентов жиров и 50 процентов белка. Это как бы отдельные детали «биохимической машины».

Если их постоянно разрушать, сложная структура митохондрий упрощается; одновременно они начинают утрачивать некоторые свои функции. В конце концов, удается получить еще более простые частицы, в которых происходит всего одна или, во всяком случае, небольшое число химических реакций. Дальнейшее изучение этих удивительных частиц должно привести нас к раскрытию тайны преобразования энергии в клетке.

Автор: В. Тонгур.