big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

ДНК, РНК и белок как основные компоненты живой системы

Старая теория гена рассматривала ген как единицу структуры и единицу функции. Как мы видели, действительно, хромосома, благодаря своей специфической организации, функционально дискретна, она контролирует синтез громадного количества специфических веществ, комплекс которых определяет основы внутренних факторов, управляющих развитием.

По мере углубления в понимание природы молекулярных основ наследственных структур многие основные категории, принятые до сих пор в генетике, потребуют пересмотра, так как еще на многих идеях довлеет старый механистический подход к явлениям наследственности. Примером преодоления аналогичного этапа механистического мышления может служить история физики. В свое время было твердо установлено, что свет представляет собой электромагнитные колебания, а электрон, протон и другие элементы атома являются частицами. В явлениях интерференции свет выступал как электромагнитные колебания, в явлении фотоэффекта обнаруживается квантовая теория света. По закону Эйнштейна о связи массы и энергии, квант света имеет массу. Фотон в силу этого является своего рода частицей, хотя он и не имеет массы покоя. Фотон всегда движется с огромной скоростью, не покоясь ни в какой системе координат.

С другой стороны, мы пользуемся ныне электронным микроскопом, сущность действия которого основана на волновых свойствах электрона. Громадная разрешающая способность электронного микроскопа связана с тем, что длина электронной волны меняется вслед за изменением ее направления в катодной трубке, что изменяет скорость электронов. Еще большие возможности имеет протонный микроскоп. Волновые свойства электронов, протонов, нейтронов и других частиц так же реальны, как и корпускулярные.

С. И. Вавилов, обсуждая этот этап преодоления, казалось бы, непреодолимого противоречия волновых и корпускулярных свойств, писал, что это преодоление есть новое выражение диалектики природы, реального единства противоположностей. Упрощенные механистические представления классической физики о непрерывных волнах и прерывных частицах, якобы исключающих друг друга, в действительных явлениях природы учитываются одновременно, это непривычное для нас противоречивое единство свидетельствует только о недостаточности и примитивности всей механистической картины. Материя, т. е. вещество и свет, одновременно обладает свойствами волн и частиц, но в целом это не волны и не частицы и не смесь того и другого.

Проникновение в молекулярные основы наследственности вызывает к жизни новые представления. Пересмотр старой теории гена имеет глубокий характер.

Жизнь опирается на процессы, идущие в сложном, упорядоченном в пространственном комплексе белковых веществ, являющихся субстратом обмена и проявляющих каталитические и ингибирующие свойства.

В настоящее время мы не знаем жизни вне клетки. Пример вирусов лишь доказывает это положение, так как их онтогенез возможен только в условиях клетки-хозяина, где они размножаются.

Для жизни клетки, кроме белков, необходимо также присутствие липоидов, входящих в состав внутриклеточных структур, осуществляющих такие основные процессы обмена, как дыхание и др. Необходимы углеводы в качестве основных источников энергии, макроэргические вещества, переносящие энергию, и много других веществ, без которых невозможна жизнь клетки. Однако при всем этом ведущая роль в организации всего процесса жизни принадлежит генетическому материалу, связанному с нуклеиновыми кислотами.

Преемственность жизни связана со способностью нуклеиновых кислот к удвоению своих структур.

Это удвоение должно сохранять в дочерних молекулах специфику организации исходных молекул, иначе не было бы продолжения жизни. Все, что мы знаем о жизни на всех уровнях ее организации, показывает, что такими гигантскими молекулами высокополимерных веществ являются нуклеиновые кислоты.

Явление полимеризации имеет громадное значение для жизни; без полимеров не было бы материальных основ для организации основных структур в клетке, в которых проявляется ее морфология и без которых был бы невозможен обмен веществ и размножение. Известны полимеры разной сложности. Монотонные линейные полимеры образуются повторением одной простейшей структуры. Это простые полимеры, такие, как клетчатка и каучук. Более сложными функциями обладают полимеры с ограниченно меняющейся структурной единицей, например группа комплексных полисахаридов. Наиболее сложным типом полимеров являются беспредельно варьирующие типы полимеров; в этом случае элементарные структуры, входящие в состав полимера, могут находиться в любом соотношении внутри структуры. При линейной структуре молекул в условиях достаточной длины цепи возникает практически бесконечное число молекул, отличающихся одна от другой по специфике взаимного расположения, последовательности в чередовании элементарных структурных единиц. Такими полимерами являются белки и нуклеиновые кислоты.

Полинуклеотидная цепь ДНК построена из четырех разных нуклеотидов, так же как и полипептидная цепь из 20 разных аминокислот. Они допускают появление громадного, практически неисчерпаемого разнообразия специфических молекул с глубокой гетерогенностью строения отдельных участков таких линейных структур.

Исключительно важен для проявления жизненных явлений класс комплексных полимеров. Многие белки — ферменты, липопротеиды и др.— представляют собой простейшие примеры этого класса веществ, будучи комплексом полимера с низкомолекулярными структурами.

В следующем классе мы встречаемся с комплексом двух полимеров. Однако один из полимеров представлен беспредельно варьирующей структурой — белком, а второй — полимером с ограниченно меняющейся структурной единицей — полисахаридом. Представителями этого класса комплексных полимеров служат глюкопротеиды. Значение глюкопротеидов очень велико: они определяют свойства специфичности, антигенности, вирулентности микроорганизмов и др.

Нуклеопротеиды представляют собой наиболее сложные и наиболее важные комплексные полимеры. В этом случае высокополимерная нуклеиновая кислота соединена с полимером белковой природы. Нуклеопротеиды являются единственной группой веществ, построенных из двух беспредельно варьирующих полимеров.

Структура обоих компонентов таких полимеров претерпела взаимообусловленную эволюцию. Как указано выше, Астбери обнаружил, что нуклеотиды ДНК отстоят друг от друга на 3,4 Å, та же повторность характеризует структуры белковых полимеров.

Появление нуклеопротеидов, представляющих собой класс комплексных соединений, которые по своей сложности и значению для жизни являются звеном эволюции гигантских молекул высокополимерных веществ, показывает глубокую взаимообусловленность нуклеиновых кислот и белка в явлении жизни и наследственности.

В некоторые моменты эта взаимосвязь нераздельна. Это имеет место на уровне микроскопических структур клетки, и в первую очередь в хромосомах. Организация хромосом, их циклические изменения и функции в митозе и в мейозе, преобразование их свойств в разных условиях дифференцировки и функционирования — все это идет на уровне комплексного полимера из белка и нуклеиновой кислоты.

Однако значит ли это, что белки и ДНК, входя в состав нуклеопротеидов, не имеют самостоятельного значения в жизни клетки? Очевидно, это не так. Роль белков для всех основных проявлений жизни имеет ведущее, определяющее значение. В этом отношении известное определение Энгельсом сущности жизни как «особой формы существования белковых тел, основной особенностью которых является постоянный обмен веществ с внешней средой», сохраняет и в наши дни все свое значение.

Однако необходимо дифференцировать явление жизни в целом, и одно из важнейших ее свойств — явление наследственности. Для явлений наследственности, как это доказано ныне для вирусов и некоторых бактерий, молекулярной основой служат молекулы ДНК. Молекулы ДНК могут в чистом виде переходить из одного поколения в другое, и, так как в них записана генетическая информация видовой и индивидуальной наследственности, именно эти молекулы несут в себе возможности создания определенного типа обмена веществ, в котором само осуществление обмена падает на белки. Выше было показано, что генетическая информация, записанная в ДНК, определяет само появление в клетке видоспецифических и других сложных белков. Следует ли из этого, что материальные основы наследственности, представленные молекулами ДНК, являются автономными в явлениях продолжения жизни, т. е. заключают в себе потенции всех свойств жизни? Имеются все основания полагать, что это не так.

Выше было показано, что вирусы не могут размножаться вне клеточной организации хозяина. Нить ДНК вируса, лишенная системы фермент — белок, не способна к воспроизведению. Только попав в клетку хозяина, используя ферменты, вирус размножается и после лизиса клетки опять представляет собой инфекционную стадию в виде нити специфической ДНК, помещенной внутри защитной белковой капсулы.

Принципиально то же мы имеем для внутриклеточных наследственных структур, представленных нуклеопротеидной организацией хромосом. Белок, определяющий все свойства жизни, не является носителем наследственного кода. Генетическая информация записана в ДНК, деление и удвоение молекулы ДНК является тем истинным процессом, в котором выражается способность живого к воспроизведению.

Однако может ли это удвоение происходить самопроизвольно и независимо от условий внутриклеточной среды? Воспроизведение молекул ДНК связано с расхождением двух цепей полинуклеотидов. Свободные нуклеотиды, которые образуют на каждой одиночной цепи вторую дополнительную цепь, притягиваются из протоплазмы. Эти нуклеотиды образуют полинуклеотидную цепь, устанавливаются связи С3— Р — С5. Синтез ДНК осуществляется под действием фермента синтетазы. Механизм образования отдельных нуклеотидов, исходных «кирпичей» полинуклеотидной цепи ДНК, также связан с действием ферментной системы как во время образования связи сахара с остатком фосфорной кислоты, так и при возникновении связи сахара с основанием. Таким образом, удвоение ДНК требует действия системы ферменты — белки, вне этих условий это удвоение не может осуществляться.

Генетическая информация записана в ДНК, ее специфика, казалось бы, односторонне контролирует образование специфических белков; тем не менее взаимообусловленность белка и ДНК такова, что даже само размножение молекул ДНК находится в зависимости от наличия определенных белковых систем.

Перед нами вырисовывается ясная взаимообусловленность ДНК, РНК и белка в клетке. Явления жизни и передача наследственной информации через молекулы ДНК возможны только на базе целостной клеточной организации, в которой ведущую роль играет взаимодействие нуклеиновых кислот и белка. При этом белок является тем субстратом, благодаря обмену которого с внешней средой становится возможным само явление жизни.

Из этого, однако, не следует, что на современном уровне проблему происхождения жизни можно рассматривать только как проблему появления молекул белка. Размножение не осуществляется без комплекса белок — нуклеиновая кислота, само появление сложных белков в клетке требует организующего влияния нуклеиновых кислот на предшественники белка. Таким образом, проблема происхождения жизни, поскольку ее анализ невозможен без понимания процессов воспроизведения живого, — это проблема происхождения комплекса белок — нуклеиновая кислота.

Из сказанного следует, что решающие успехи, достигнутые в изучении физики и химии материальных основ наследственности, подвели нас к новому этапу проблемы наследственности.

Разработка физических и химических основ хромосом вскрыла перед нами новую картину строения и функций наследственных структур в клетке. Учение о дискретности наследственности — теория гена — теряет остатки ранних, в ряде случаев неверных метафизических идей и предстает перед нами во всей материалистической вещественности. Комплекс генетики, цитологии, физики, химии и математики является залогом дальнейших успехов в изучении природы субмикроскопического мира внутриклеточных наследственных структур, единства взаимосвязей целого и частей в клетке, проблем управления, передачи и переработки информации и ее получения из внешней среды.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.