Биохимия - Химические реакции в живой клетке Том 1 - Д. Мецлер 1980
Место действия
Простейшие живые организмы
Рибонуклеиновые кислоты (РНК), транскрипция и трансляция генетической информации
Генетическая информация, заключенная в ДНК, не может непосредственно передаваться белок-синтезирующей системе клетки. Сначала в соответствии с правилами, закодированными в ДНК, синтезируются молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК); этот процесс называется транскрипцией. Установлено, что молекулы РНК несут в точности ту же информацию, что и соответствующие участки ДНК. Таким образом, если ДНК — это первичная матрица, то РНК—вторичная. Эта концепция нашла свое отражение в термине матричная, или информационная, РНК (мРНК): им обозначают небольшие, быстро обновляющиеся фракции РНК, которые несут информацию, определяющую последовательность аминокислот в белках. Матричная РНК переносит генетическую информацию от генов к рибосомам, на которых собственно синтезируются белки.
Рибосомы представляют собой миниатюрные, но чрезвычайно сложные белок-синтезирующие системы. Каждая рибосома Е. coli обладает массой 2,7∙106 дальтон и состоит на ~65% из особой рибосомной РНК и на ~35% из белка. В структуру рибосомы входит около 50 различных белков. Рибосомы способны считывать генетическую информацию с мРНК и точно собирать именно такую белковую молекулу, которая детерминируется соответствующим геном (трансляция генетической информации).
Дополнение 1-В
Электронный микроскоп, ультратонкие срезы и реплики
Первые электронные микроскопы появились в продаже в 1939 г. и с тех пор стали одним из важнейших приборов, применяющихся при изучении биологии клетки. Обладая разрешением ~0,4 нм, электронный микроскоп позволяет «увидеть» молекулы белков и нуклеиновых кислот, а также детали строения клеточных органелл. Еще более широко электронный микроскоп стал использоваться с 1950 г., когда были сконструированы микротомы и ножи, позволяющие делать ультратонкие (20—200 нм) срезы тканей, предварительно залитых в пластмассу.
Исследование срезов свежей (замороженной) ткани непосредственно, без предварительной обработки, мало что дает, поскольку большая часть атомов в клетке обладает низким атомным весом и рассеивает электроны слабо и в одинаковой степени. Следовательно, ультрасрезы необходимо «окрасить» атомами с высоким атомным весом, например обработав их перманганатом калия. Ткани следует также зафиксировать, чтобы предотвратить разрушение клеточных структур в процессе обезвоживания и заливки в пластмассу. Фиксирующие вещества (например, формальдегид) реагируют с аминогруппами и другими группами белков и нуклеиновых кислот. Некоторые белки при этом преципитируют, оставаясь фиксированными на своих местах, а протеолитические ферменты, которые могли бы существенно нарушить тонкую структуру клетки, инактивируются. Широко используется также глутаральдегид (пятиуглеродный диальдегид) — прекрасное фиксирующее средство, образующее поперечные связи между молекулами белков в ткани. В качестве фиксирующего средства и окрашивающего агента часто применяют четырехокись осмия (гл. 5, разд. А.1). Следует отметить, что при работе с фиксированными тканями всегда стоит вопрос о том, не являются ли некоторые структуры, видимые на срезах, артефактами, возникающими при фиксации и окрашивании.
Из одной бактериальной клетки, скажем Е. coli, можно получить целых 10 ультратонких продольных срезов (рис. 1-2), а из клетки эукариот диаметром 10 мкм — до 100 срезов. Только с такими ультратонкими срезами получаются четко сфокусированные изображения. Для изучения трехмерных структур используют серийные срезыа.
Частицы небольшого размера, в том числе макромолекулы, выявляют методом напыления. Для этого металл — хром или платину — испаряют в вакууме и напыляют под определенным углом на поверхность исследуемого образца. Так можно «увидеть» отдельные молекулы ДНК, хотя и при сравнительно низкой разрешающей способности. Собственно, видны не сами молекулы, а только их «тени», которые в 2—3 раза шире. При исследовании белков часто применяют метод негативного контрастирования. Суть метода состоит в следующем: тонкий слой раствора, содержащего исследуемые белки и электроноплотное вещество (например, фосфовольфрамовокислый натрий в концентрации 1%), наносят на углеродную пленку-подложку и высушивают. Образуется однородный электроноплотный слой, характеризующийся тем, что в местах локализации молекул белка отсутствует соль фосфовольфрамовой кислоты; отсюда и термин «негативный контраст».
Если поверхность клетки, срез или бактерию покрыть слоем платины или углерода, а затем отделить это покрытие, мы получим негативный слепок — реплику, которую можно исследовать под электронным микроскопом. Изготовляют также тонкие реплики из пластмассы, которые дополнительно напыляют (оттеняют).
К числу важнейших методов получения реплик относится метод замораживания—скалывания и замораживания—травления. Свежую ткань (которую можно предварительно обработать глицерином, чтобы предотвратить образование больших кристаллов льда) быстро замораживают. Поскольку такие замороженные клетки нередко удается потом оживить, их можно рассматривать как живые. Замороженную ткань помещают в вакуумную камеру, где делают сколы или срезы охлажденным ножом. Иногда образец какое-то время выдерживают в вакууме при —100 °С, чтобы дать испариться молекулам воды с поверхности. В результате такого травления под вакуумом выявляется в виде четкого рельефа тонкая структура клеточных органелл и мембран. После травления тем или иным методом снимается реплика, которую и исследуют под микроскопом (рис. 1-11). Последние работы свидетельствуют, что скол проходит большей частью по липидному слою клеточных мембран.
Каждый биохимик должен обязательно ознакомиться с прекрасными электронными микрофотографиями, которые помещены в основных книгах по данном тематике б-ж, а также в ряде журналов: «Journal of Cell Biology», «Journal of Ultrastructure Research» и «Journal of Bacteriology».
а Сравнительно недавно опубликованная работа по этому вопросу: Hoffmann Н. Р., Avers С. L, Science, 181, 749—751 (1973).
б Ledbetter М. С., Porter К. R., Introduction to the Fine Structure of Plant Cells, Springer-Verlag, Berlin and New York, 1970.
в Fawcett D. W., An Atlas of Fine Structure, The Cell, its Organelles, and Inclusions, Saunders, Philadelphia, Pennsylvania, 1966.
r Haggis G. H., The Electron Microscope in Molecular Biology, Wiley (Interscience), New York, 1967.
д Porter К. Я., Bonneville M. A., The Fine Structure of Cells and Tissues, 3rd ed., Lea & Febiger, Philadelphia, Pennsylvania, 1968.
e Wischnitzer S., Introduction to Electron Microscopy, 2nd ed., Pergamon, New York, 1970.
ж Hayat M. A., Basic Electron Microscopy Techniques, 2 vols., Van Nostrand-Reinhold, Princeton, New Jersey, 1972.