Итак, новые белковые молекулы образуются в цитоплазме клетки.
Если ввести животному меченую аминокислоту, а затем произвести анализ на радиоактивность различных компонентов клеток живого, то основную часть радиоактивных импульсов будет давать самая «легкая» фракция клеток — рибосомная. Чтобы доказать участие рибосом в синтезе специфического белка, ученым пришлось проделать очень большую работу по созданию системы из важнейших биологических соединений, в которой бы очищенные рибосомы синтезировали белок, в пробирке.
В такой системе присутствуют все 20 аминокислот, источники энергии и субстраты тканевого дыхания и растворимые виды РНК, специфичные всем присутствующим аминокислотам.
Но, как всегда бывает в науке, решение одних вопросов сразу же порождает новые. Какова скорость синтеза белка? В скольких рибосомах синтезируется молекула специфического белка и как этот процесс можно представить себе в пространстве?
Прежде всего, необходимо исследовать структуру самих рибосом. Рибосомные частицы очень малы по размерам — 15—20 миллимикрон, меньше бактериофага более чем в 10 раз. Их молекулярный вес также относительно невелик — порядка 4 миллионов; из них 1,6 миллиона приходится на РНК. Но, несмотря на очень малые размеры рибосом, ученые получили представление об их структуре.
С помощью электронных микроскопов ученые обнаружили, что рибосомы состоят из двух частей и по форме напоминают маленький грибок со шляпкой на толстенькой и короткой ножке.
Первые опыты, поставленные, чтобы определить скорость и направление синтеза белковых молекул на рибосомах, дали очень интересные результаты. Оказалось, что в животных клетках (исследовался синтез дыхательного пигмента — гемоглобина) белок синтезируется со скоростью 1—2 молекулы в минуту, причем полипептидная цепь начинает строиться всегда с одного конца. Этот факт хорошо укладывается в представление об И-РНК как вытянутой матрицы для штамповки белковых молекул, в которой информация записана с одного конца до другого. В бактериальных клетках скорость синтеза оказалась значительно выше и измерялась не минутами, а секундами. Последние данные указывают, что молекулы специфического белка в микробных клетках синтезируются на рибосомах за 3—5 секунд.
Сложный процесс синтеза белка в рибосомных частицах еще очень мало изучен. Поиски в этом направлении приносят все новые результаты. В самое последнее время ученые обнаружили в клетках целые «сообщества» рибосом — полисомы, вместе синтезирующие одну белковую молекулу. Количество рибосом в полисоме зависит от величины синтезируемой молекулы и колеблется от нескольких штук до сотен. Может быть, скорость синтеза на одной рибосоме всегда постоянна, а при необходимости быстро синтезировать белковую молекулу мобилизуется много рибосомных частиц?
Подобных вопросов перед молекулярной биологией стоит еще много. До окончательной разгадки всех тайн живой природы еще далеко. Только сейчас начинаются работы, в которых ученые исследуют молекулярные основы клеточной дифференцирован. В организме животного много различных типов клеток — клетки мозга, нервные, мышечные, покровные, кроветворные. Отдельные органы выполняют чисто специализированные функции, например глаз с его роговицей, хрусталиком, свето — и цветочувствительным элементом — сетчаткой. И все это развивается путем деления из одной единственной оплодотворенной яйцеклетки. Проблема причинности дифференцировки в процессе развития высокоорганизованного организма чрезвычайно трудна, но при современном очень высоком уровне, на котором ведутся исследования в молекулярной биологии, разгадку сущности этого явления можно ожидать в недалеком будущем.
Труды ученых, работающих в молекулярной биологии, уже сейчас приносят ощутимые практические результаты. До недавнего времени казалось, что невозможно синтезировать белок, минуя все живые системы. Речь идет не о синтезе белка в пробирке, где участвуют рибосомы, активированные аминокислоты и транспортная РНК, а об органическом синтезе путем чисто химических реакций. Однако в конце 1963 года такой синтез был осуществлен. Синтезированный белок инсулин обладал ярко выраженной биологической активностью.
Пока инсулин для больных диабетом по-прежнему получают из поджелудочной железы животных, но скоро его будут синтезировать в химических лабораториях.
Работы по синтезу белка химическим путем имеют очень большое значение. В разделе, посвященном функциям белков, говорилось об активнейшей способности белковых молекул ускорять и направлять химические реакции. Разработка методов синтеза ферментов в промышленном масштабе упростит и удешевит производство ценного химического сырья и удобрений.
Нет сомнения, что дальнейшее развитие молекулярной биологии будет поставлять все новые и новые факты, знание которых даст в руки человечеству ключи к активному управлению процессами жизнедеятельности.