Химия и биология белков - Ф. Гауровитц 1953
Синтез белка
Нуклеиновые кислоты и синтез белка
Нуклеиновые кислоты присутствуют во всех клетках организма, и им приписывается большое значение в процессах роста и передачи наследственных признаков. Поскольку оба эти процесса тесно связаны с синтезом клеточных белков, необходимо кратко остановиться на локализации нуклеиновых кислот в клетках и выяснить их отношение к клеточным белкам. Что же касается вопроса о возможной роли нуклеиновых кислот в синтезе белка, то он будет обсуждаться в следующем разделе.
Первоначально существовало мнение, что нуклеиновые кислоты присутствуют только в клеточных ядрах и отсутствуют в цитоплазме; отсюда и произошло их название. В дальнейшем, однако, было установлено, что значительная часть рибонуклеиновой кислоты (см. гл. XI) находится в цитоплазме. В отличие от рибонуклеиновой кислоты дезоксирибонуклеиновая кислота присутствует главным образом в ядре. Если исходить из старых представлений и считать, что рост клеток определяется исключительно ядрами, то следует ожидать, что в процессах роста и синтеза белка будет принимать участие только дезоксирибонуклеиновая кислота. Это, однако, совершенно не соответствует действительности. Опыты, проведенные в течение последних лет, показали, что синтез белка идет особенно интенсивно именно в тех частях клетки, которые наиболее богаты рибонуклеиновой кислотой, т. е. в ядрышке и в гранулах цитоплазмы.
Несмотря на то, что ядрышко по своим размерам составляет лишь небольшую часть ядра, в нем или около него образуются, повидимому, значительные количества белка [61].
В то время как большую часть хроматинового ядра составляет эвхроматин, содержащий дезоксирибонуклеиновую кислоту, хроматин ядрышка, называемый гетерохроматином, содержит главным образом рибонуклеиновую кислоту. Образующийся в области ядрышка белок мигрирует по направлению к ядерной мембране, по ту сторону которой синтезируются рибонуклеотиды и белки цитоплазмы [61]. Большое количество рибонуклеотидов было найдено в растущих и в секретирующих органах, т. е. там, где биосинтез белка протекает с особенно большой скоростью. В органах же взрослого организма, медленно растущих или совершенно не растущих, содержание рибонуклеиновой кислоты очень невелико, даже если эти органы биологически весьма активны [62].
Гистохимические методы, при помощи которых можно отдифференцировать рибонуклеотиды от дезоксирибонуклеотидов, основаны на обработке клеток рибонуклеазой. До обработки клеток рибонуклеазой выявляют при помощи окрашивания или ультрафиолетовой микроскопии места расположения обеих нуклеиновых кислот. После обработки рибонуклеазой те же методы обнаруживают в клетках только не доступную действию рибонуклеазы дезоксирибонуклеиновую кислоту [62].
Проведенные в последние годы эксперименты показали, что обновление рибонуклеиновой кислоты происходит значительно быстрее, чем обновление дезоксирибонуклеиновой кислоты. Через 2 часа после инъекции радиоактивного фосфора 3,3% рибонуклеотидов печени содержат Р32; за этот же самый промежуток времени успевает обменить свой фосфор на Р32 лишь 0,1% дезоксирибонуклеотидов [63]. Нуклеиновые кислоты необходимы также для роста культур тканей; присутствующий в эмбриональных экстрактах и необходимый для роста культур тканей лабильный фактор роста, по всей вероятности, является нуклеопротеидом [64].
Нуклеиновые кислоты содержат многочисленные остатки фосфорной кислоты, в связи с чем они обладают отчетливо выраженными кислотными свойствами и могут образовывать с белками солеобразные соединения. Вопрос об образовании и свойствах искусственных нуклеопротеидов уже обсуждался в гл. XI. Благодаря наличию кислотных свойств нуклеиновые кислоты соединяются в первую очередь с основными белками, в частности с протаминами и гистонами. И те и другие найдены главным образом в ядрах, и до сих пор еще неясно, содержатся ли они также и в цитоплазме. Интерес представляет тот факт, что ядра содержат либо протамины, либо гистоны, но никогда не содержат оба этих белка одновременно [65].
Протамины были найдены в клетках спермы рыб, а гистоны — в ядрах ядерных эритроцитов [66]. Соединения этих веществ с нуклеиновыми кислотами экстрагируются из клеток 1 М раствором хлористого натрия. При диализе полученных экстрактов протамины диффундируют через полупроницаемую мембрану, а нуклеиновые кислоты остаются внутри диализатора [67]. В состав соединений нуклеиновых кислот с протаминами и гистонами в большинстве случаев входит дезоксирибонуклеиновая кислота. Рибонуклеиновая кислота была найдена в той части ядра, которая не растворяется в 1 М растворе хлористого натрия. Эта рибонуклеиновая кислота связана не с протаминами или гистонами, а с истинными белками [68, 69].
Ни нуклеазы, ни протеолитические ферменты неспособны в отдельности разрушить структуру хромосом, однако эта структура может быть разрушена при последовательном воздействии на хромосомы нуклеаз и протеолитических ферментов [70].
Рибонуклеиновая кислота участвует, вероятно, в процессах синтеза белков, тогда как дезоксирибонуклеиновая кислота, по-видимому, в какой-то степени определяет специфичность клеток. Как уже указывалось, большая часть дезоксирибонуклеиновой кислоты находится в ядре. Основную массу хромосом составляет дезоксирибонуклеиновая кислота. Так, например, хромосомы зобной железы теленка содержат 90—92% дезоксирибонуклеиновой кислоты. В той же фракции экстракта клеток, которая нерастворима в 1М растворе хлористого натрия, содержание дезоксирибонуклеиновой кислоты составляет лишь 2—3% [68].
Содержание дезоксирибонуклеиновой кислоты в яйце морского ежа (Arbacta) увеличивается в 10—15 раз после оплодотворения яйца, количество же рибонуклеиновой кислоты остается при этом неизменным [71].
Дезоксирибонуклеиновая кислота считается важной составной частью ядерного хроматина [72]. Ей приписывается роль агента, обладающего способностью изменять тип пневмококков [74] и других бактерий [75]. Действием дезоксирибонуклеиновой кислоты объясняют также изменение ферментных свойств отдельных штаммов дрожжей, происходящее под влиянием добавления к этим штаммам экстрактов из других штаммов [76]. Дезоксирибонуклеиновая кислота была обнаружена в составе парамецина — токсического вещества, выделенного из Paramecium aurelia [77]. Она же входит в состав так называемых структурных белков клетки, которые содержатся в клетках в виде удлиненных нитевидных частичек, нерастворимых в концентрированных растворах хлористого натрия, но растворяющихся в щелочных растворах мочевины [78, 79].
Как в структурных белках, так и в хромосомах молекулы нуклеиновой кислоты ориентированы параллельно белковым нитям [80], а не перпендикулярно их длинной оси, как предполагали раньше.
До сих пор еще не известно, могут ли рибонуклеиновая и дезоксирибонуклеиновая кислоты переходить друг в друга, хотя на возможность подобного процесса указывали многие исследователи [62].
Большинство исследователей в области цитохимии приписывают ядерному дезоксирибонуклеопротеиду роль носителя наследственных признаков и рассматривают положительную реакцию Фейльгена (см. гл. XI) как доказательство присутствия этого вещества. Эта точка зрения отвергается Стедманом и Стедман [81], которые объясняют базофильные свойства клеточного ядра присутствием в нем белка кислотного характера, называемого хромосомином. Аргументация этих авторов основывается на том, что красный пигмент, образующийся при действии реактива Фейльгена на дезоксирибонуклеиновую кислоту, растворим в воде, а пигмент, получающийся при обработке тем же реактивом клеточных ядер, или нерастворим, или адсорбирован на ядрах. Кроме того, согласно данным Стедмана, хромосомы содержат лишь 12—24% гистона и 28—44% нуклеиновой кислоты, тогда как содержание хромосомина достигает в них 33—60%; последний представляет собой белок, изоэлектрическая точка которого лежит вблизи pH 3—4. Стедман возражает против широко распространенного взгляда относительно важной роли нуклеопротаминов и нуклеогистонов в передаче наследственных признаков. По его мнению, структура протаминов настолько проста, что эти вещества вряд ли могут выполнять приписываемую им роль переносчика наследственных свойств. Исходя из этого, Стедман считает, что только большая белковая молекула в состоянии передать сложную мозаику наследственных черт. Нельзя не признать вполне законными эти рассуждения, как нельзя не признать и обоснованность критики общепринятых взглядов относительно роли нуклеопротеидов в передаче наследственных признаков. Трудно себе представить, однако, каким образом может давать положительную реакцию Фейльгена белок, не содержащий дезоксирибозы. Для разрешения этого вопроса необходима дальнейшая экспериментальная работа и широкое обсуждение полученных данных.