Біохімія та інформація

Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.

Основні зусилля біохіміків в останні кілька років були спрямовані на вивчення питання, яке ніби б абсолютно не має відношення до біохімії. Дійсно: біохімія та інформація! Який між ними зв’язок? Відомо, що інформація важлива при польоті космічного корабля, в багатьох галузях техніки, комп’ютерних технологіях, але причому тут біохімія? Тим часом, як це не дивно на перший погляд, подальший розвиток біохімії впирається у вирішення питань, пов’язаних з інформацією.

Як в комп’ютер закладена вихідна інформація, вихідні дані, які спричиняють напрямок його роботи, так і в живому організмі – клітині – є інформація, що визначає і спрямовуює її «роботу», тобто її життя. У комп’ютер вихідну інформацію заклала людина, в клітину – природа. У комп’ютер інформація вводиться у вигляді міріадов байт комп’ютерної пам’яті (втім, рахунок вже давно пішов на гігабайти і терабайти), в клітині вона знаходиться у вигляді речовини, званої дезоксирибонуклеїновою кислотою (скорочено ДНК).

ДНК, зараз це можна сказати майже з повною впевненістю, містить всю необхідну для життя клітини інформацію, яка визначає і направляє основні біохімічні процеси, що відбуваються в клітині. Але яким чином вона передає цю інформацію всій клітині? Адже ДНК знаходиться в клітинному ядрі, а цілий ряд найважливіших біохімічних процесів, таких, як синтез білка, відбувається в рідкій частини клітини, та й у самому ядрі вони йдуть без всякого безпосереднього контакту з ДНК. Яким чином і чому нова ДНК, втілившись у тіло мікроба, наприклад, переробляє його, незважаючи на те, що у нього є своя ДНК? Чому інформація, отримана від нової ДНК, «забуває» інформацію від старої?

Почнемо з другого питання: чому нова інформація, що потрапила в мікроб, у ряді випадків викликає переробку його властивостей? Чому в якійсь мірі пригнічується подача інформації зі старої, що знаходиться в мікробі ДНК? На це питання часткову відповідь дають наступні досліди.

МОЛЕКУЛИ ГІБРИДИ

Як відомо, ДНК утворена двома спіральними ланцюгами. Можна підібрати такі умови, при яких молекула ДНК, що знаходиться в розчині, розійдеться на дві половинки. Потім можна змусити ці односпіральні ланцюги знову з’єднатися. Навіщо це потрібно?

Виявилося, якщо в розчин помістити дві різні ДНК, отримані, скажімо, з різних мікроорганізмів, і провести з ними описаний дослід, то в результаті деяка кількість односпіральних молекул одного «сорту» з’єднається з односпіральними молекулами іншого «сорту». Отримана молекула двохспіральної ДНК буде гібридною, тобто такою, що складається з ланцюгів, що належать різним ДНК.

Правда, ці досліди вдаються тільки тоді, коли обидва сорти ДНК близькі один до одного за складом і виділені з близьких за властивостями мікроорганізмів. Але ж і переробка мікробів вдається тільки в тому випадку, коли для цього береться ДНК з «родинних» мікробів. Досить імовірно, що в цьому випадку відбувається утворення гібридної ДНК. Вона володітиме вже частиною нової інформації, що потрапила в її молекули разом з однією спіраллю чужої ДНК, і властивості мікроба, звичайно, частково зміняться, що ми і спостерігаємо в дійсності.

Добре, скажете ви, але якими шляхами ДНК, що містить інформацію, таки передає її всім іншим частинам клітини, керуючи таким чином її життєдіяльністю? Отже, ми повернулися до нашого першого питання.

ТАЄМНИЧИЙ ПОСРЕДНИК

Французькі вчені з Пастерівського інституту Жакоб і Моно спробували теоретично проаналізувати все відоме про передачу інформації в бактеріальній клітині. На їх думку, ця передача повинна здійснюватися через якусь проміжну речовину, яка отримує інформацію від ДНК і переносить її в ті місця клітини, де відбувається синтез білка.

Таку ж думку висловлювали й інші вчені, але жодна з відомих речовин не могла виконувати цієї ролі, так як не мала відповідних для цього властивостей. Пошуки загадкової речовини до останнього часу не давали результату. А незалежно від цього широко ставилися досліди, в яких бактерій заражали бактеріофагом.

Це крихітне створіння у багато разів менше бактерії, воно являє собою своєрідну пляшечку, стінки якої складаються з білка, а вміст з ДНК. Ця пляшечка «присмоктується» горлом до стінки бактерії і як би впорскує свій вміст (тобто ДНК) в бактерію. Через півгодини вся бактерія виявляється начиненою «новонародженими» бактеріофагами. Звідки вони взялися? Разом з ДНК фага в бактеріальну клітину надійшла нова інформація. Під її впливом весь обмін у клітині перебудовується, вона починає синтезувати фаги, а не речовини, потрібні клітині-господарю.

І ось Жакоб і Моно звернули увагу на останні роботи, в яких було знайдено, що відразу ж після введення фага в клітині з’являється зовсім нова нуклеїнова кислота (скорочено РНК), яка за складом дуже схожа з ДНК фага. Вона дуже рухлива: швидко синтезується і швидко руйнується. Вчені висловили припущення, що ця РНК і є тою речовиною, яка переносить інформацію від ДНК до місця синтезу білка. Так була відкрита речовина, що переносить інформацію в клітині – вона так і названа «переносна РНК». Тепер ця РНК виділена і очищена. Цілий ряд непрямих і прямих дослідів показав, що саме вона переносить інформацію. Ось один з них.

Як відомо, місце синтезу білку в клітині – крихітні частинки, рибосоми. На їх поверхні і здійснюється споруда білкової молекули. Той же досвід можна провести поза організмом в пробірці.

З кісткового мозку кролика і вівці виділяють клітини, в яких синтезується білок крові – гемоглобін (він, як відомо, і додає крові червоний колір). З них виділяють рибосоми, додають до них рідку частину – вміст клітини, потім «підсипають» амінокислоти – сировина, з якої отримують білок. І рибосоми, забезпечені сирим матеріалом і необхідною енергією, починають будувати білок. Зрозуміло, будують вони гемоглобін тої тварини, з організму якого їх взяли.

Але якщо рибосоми вівці змішати з рідкою частиною таких же клітин кролика – починає вироблятися відразу два гемоглобіни – і вівці, і кролика. Це наочно показує, що в клітинному вмісті, отриманому з організму кролика, знаходиться якась речовина, що містить інформацію про те, що необхідно синтезувати саме гемоглобін кролика. А рибосоми вівці мають інформацію про те, що слід синтезувати гемоглобін вівці. Коли ж їх змішують – утворюються обидва гемоглобіни. У рідкій частини клітини, очевидно, і міститься переносна РНК. Вона з’єднується з рибосомами, тобто з місцем, де синтезується білок, і передає йому потрібні відомості.

КЛІТИННІ МАШИНИ

Дуже важливі та цікаві матеріали були також виявлені в інших частинках, що теж знаходяться в клітині, – мітохондріях. Мітохондрії – це своєрідні біохімічні машини, що перетворюють енергію в живій клітині – енергія, яка надходить з їжею, вірніше, що утворюється при її окисленні, – в хімічну, що запасається особливою речовиною. Але як вони це роблять? Чи не підкаже відповідь їх внутрішній устрій?

Мітохондрії – досить складні тільця, що мають всередині ряд перегородок. Вдалося з’ясувати їх внутрішню структуру. Виявляється, вони складаються з частинок палочковидної форми, що містять 30 відсотків жирів і 50 відсотків білка. Це як би окремі деталі «біохімічної машини».

Якщо їх постійно руйнувати, складна структура мітохондрій спрощується; одночасно вони починають втрачати деякі свої функції. Зрештою, вдається отримати ще більш прості частинки, в яких відбувається всього одна або, у всякому разі, невелике число хімічних реакцій. Подальше вивчення цих дивовижних частинок повинно привести нас до розкриття таємниці перетворення енергії в клітині.

Автор: В. Тонгур.