Страницы истории науки и техники

К началу 60-х годов сложилось уже четкое понимание основных процессов передачи информации в клетке при синтезе белка. К понятию репликации прибавились понятия транскрипции и трансляции. При раздвоении молекулы ДНК последовательность ее оснований переводится в комплементарную последовательность оснований информационной РНК (РНК, как и ДНК построена с помощью четырех оснований, лишь вместо тимина в ней используется урацил — вещество, близкое ему по свойствам). Этот процесс передачи информации от гена к матричной РНК называется транскрипцией. Затем РНК перемещается из ядра в цитоплазму, где она соединяется с рибосомой — субмикроскопической структурой, в которой происходит белковый синтез. В рибосоме происходит считывание генетической информации, т. е. последовательность оснований, содержащихся в РНК, переводится в последовательность аминокислот. Этот процесс называется трансляцией. Аминокислоты захватываются небольшими участками транспортной РНК и переносятся в нужное место к информационной РНК, находящейся в рибосоме. Для каждой аминокислоты есть своя транспортная РНК, состоящая приблизительно из 80 нуклеотидов. Так как насчитывается 20 аминокислот, то существует и 20 транспортных РНК, каждая из которых соответствует кодону — тройке нуклеотидов в кодовой последовательности информационной (матричной) РНК. Когда все кодовые элементы информационной РНК соответствуют своим дополнительным элементам, аминокислоты располагаются в требуемом порядке, соединяясь через пептидные связи в цепь. Образовавшийся белок сходит с матрицы, и процесс повторяется.

В результате исследований, проведенных в 1936–1970 гг. рядом ученых, стало известно, что в процессе трансляции принимает участие множество разнообразных компонент, помимо рибосом, а сам процесс трансляции включает три стадии — инициацию, собственно трансляцию и терминацию. При наличии всех необходимых компонент, синтез белка может протекать и вне клетки, причем с помощью меченых атомов удалось показать, что белки синтезируются именно постадийно; начало синтеза приходится на свободные аминоокончания, а конец — на свободные карбоксильные группы в последней аминокислоте.

Наряду с изучением нуклеиновых кислот и процесса синтеза белка в молекулярной биологии большое значение с самого начала имели исследования структуры и свойств самих белков. Здесь следует отметить открытие Л. Полингом в 1940 г. дефектного гемоглобина S, выделенного из эритроцитов людей, страдающих наследственной болезнью — серповидной анемией. Полинг выдвинул предположение, что эта ненормальность имеет молекулярную природу, и его догадка была подтверждена в 1961 г., когда было обнаружено, что дефектный гемоглобин полностью аналогичен нормальному, за исключением того, что в его молекуле глутаминовая кислота заменена валином. Открытие Полинга, указавшее исключительную важность молекулярных представлений в биологии, в значительной степени обусловило расширение фронта исследований, и к настоящему времени определена структура многих белков.

В 1953 г. в результате десятилетних исследований Ф. Сенгер расшифровал аминокислотную последовательность инсулина, разработав для этого эффективный метод определения N-концевых аминокислотных остатков содержащих свободную аминогруппу, Этот метод оказался весьма плодотворным в процессе дальнейшего развития анализа белков, и в 1958 г. Сегнеру была присуждена Нобелевская премия но химии. Дальнейший прогресс аналитических методов был обусловлен созданием в 1957 г. автоматического анализатора аминокислот. Создатели анализатора — американские биохимики В. Стейн и С. Мур занялись с его помощью определением структуры рибонуклеазы, которая и была расшифрована в 1960 г, — она представляет собой полипептидную цепь из 124 аминокислотных остатков. За раскрытие строения рибонуклеазы В. Стейну и С. Муру была присуждена в 1972 г. Нобелевская премия по химии (совместно с К. Анфинсеном).

Рибонуклеаза была первым ферментом, строение которого было расшифровано, однако то, что ферменты имеют белковую природу, было известно еще с довоенных лет. В 1940 г. М. Куниц получил РНК в кристаллическом виде, особенно удобном для исследования рентгеноструктуриыми методами, а к концу 50-х годов химики располагали сотнями препаратов ферментов, полученных как в кристаллическом, так и в некристаллическом виде.

Мощное развитие аналитических методов в биохимии привело к расшифровке строения многих белков — к началу 60-х годов была определена аминокислотная последовательность белка вируса табачной мозаики, миоглобина, α- и β-цепей гемоглобина человека, а также ряда других белков.