Представление о рибосоме как о комплексе из двух элементов

В том, что касалось физических параметров, протеиносинтезирующие частицы продолжали изменять свою внешность. После того как их удавалось унифицировать и освободить от эндоплазматического ретикулума, они разделялись на две части. После множества опытов сотрудники вирологической лаборатории Уэнделла Стэнли в Беркли Фу‑Чуанчао и Хауард Шекман сообщили, что дрожжевые микросомы с седиментационной константой в 80S можно делить на две неравные части по 60S и 40S[130]. Двумя годами позже Мэри Питерманн и ее сотрудники диссоциировали взятые из печени рибосомы в 78Sна две части – большую (62S) и маленькую (42S)[131]. Одновременно Альфред Тиссьер и Джеймс Уотсон, которые начали в Гарварде работать с рибосомами Escherichia coli[132], сообщили, что их частицы осаждались с показателем 70S и поддавались обратимому разделению на части по 50S и 30S[133]. Постепенно, в ходе многолетних опытов, в центре которых со временем оказалась сравнительно простая процедура центрифугирования в градиентах сахарозы, царившая сначала путаница относительно размеров РНП‑частиц разъяснилась: выяснилось, что секрет стабилизации частиц заключался в концентрации ионов магния. Результаты экспериментов со множеством частиц из разных источников приводили к одним и тем же выводам: бактериальные рибосомы в 70S были всегда меньше, чем их эукариотические эквиваленты в 80S, но и те и другие поддавались обратимому разделению на две части, которые стали теперь рассматриваться как два более или менее четко очерченных элемента некоей комплексной структуры.

От эукариот к бактериям, от биохимии

К молекулярной биологии

Нашедшее широкое признание в конце 50‑х гг. представление о рибосомах как о носителях стабильной матрицы сформировалось на основе экспериментальных систем, в которых использовались животные клетки. Это было наследием онкологии, в чьих рамках осуществлялось большинство проектов по изучению протеинового синтеза в период между 1945 и 1955 гг. Это представление плохо согласовывалось с наблюдениями касательно связи нестабильной РНК с бактериальным синтезом белка[134] и с синтезом бактериофагов.[135] Однако сначала никто из ученых, занимавшихся клетками высших организмов, не мог найти применения этим наблюдениям. Рибосому они рассматривали как «стабильное производящее устройство, которое уже содержит в себе РНК‑транскрипт ДНК»[136]. Такой взгляд на вещи предполагал принятие гипотезы по принципу «одна рибосома – один энзим»: та или иная рибосома или тот или иной класс частиц отвечает за производство того или иного определенного протеина. Кроме того, среди ведущих исследователей синтеза белка бактериальные системы экспериментов in vitro считались ненадежными, неконтролируемыми, и потому результаты, полученные с их помощью, не полагалось принимать безусловно[137].

Эта ситуация резко изменилась, когда в контексте целого ряда работ с бактериями in vivo и in vitro была идентифицирована нестабильная РНК, решительно отличающаяся от рибосомной РНК и явно играющая важнейшую роль в синтезе белка. Она быстро обрела известность под названием «матричные РНК». Франсуа Жакоб и Жак Моно из Института Пастера (Institut Pasteur) в ходе своих исследований по «энзиматической индукции» у Escherichia coli пришли к гипотезе о существовании таких молекул[138]. Франсуа Гро и другие сотрудники Лаборатории Уотсона в Гарварде обнаружили их в ходе собственной работы над проблемами реализации РНК в клетках Escherichia coli[139], а Генри Маттеи и Маршалл Ниренберг в Национальном институте здоровья (National Institutes of Health, Bethesda) в Бетезде в 1961 г. продемонстрировали, что добавление искусственно синтезированных рибонуклеиновых кислот, таких, как полиуридиловая, к основанной на Escherichia coli системе in vitro приводит к синтезу монотонных полипептидов. Это дало исследователям ключ к расшифровке генетического кода.

Работы эти сопровождались разработкой и распространением надежной системы белкового синтеза в пробирке, основанной на бактериальных клеточных гомогенатах. Рибосома в процессе этих штудий снова переменила свою идентичность. Она мутировала из «матрицы» для синтеза белка в машину, которая последовательно считывает генетическую информацию, закодированную в самых различных мРНК, и реализует ее в полипептидах, подобно магнитной головке, мимо которой движется пленка в магнитофоне. Если раньше специфичную для рибосом РНК рассматривали как матрицу, то теперь ей стали приписывать функцию структурного каркаса, скрепляющего гигантский мультипротеиновый фермент, который обеспечивает образование специфических пептидных связей. Этому представлению суждено было господствовать в последовавшие затем два десятилетия. (Поколеблено оно было только тогда, когда в начале 80‑х г. ученые заметили, что рибонуклеиновые кислоты могут функционировать и в качестве ферментов. Это дало основания предполагать, что рибосомная РНК имеет не только структурное, но и функциональное значение. С тех пор стало появляться все больше указаний на ферментативную активность рибосомной РНК при образовании пептидных связей, что вызвало новый переворот в отображении этой час­тицы.)

Возможность произвольно использовать в протеиновом синтезе in vitro вирусные и, в особенности, синтетические матричные РНК дала в руки ученым важные инструменты для молекулярного анализа функции рибосом. Многие детали так называемой инициации (начала протеинового синтеза), элонгации (повторяемого цикла образования пептидных связей) и терминации (конца протеинового синтеза) были выяснены с помощью все более хитроумных и частично редуцированных парциальных систем в пробирке, в которых использовались экстракты из клеток Escherichia coli и синтетическая мРНК – полиуридиловая кислота. Параллельно с этой работой шла дешифровка генетического кода. В данном процессе рибосомные частицы играли роль не только научного объекта, но также и инструмента, при помощи которого можно было изучать другой эпистемический объект: генетический кодовый словарь.

В связи с изучением функции рибосом, после того как стала общепризнанной концепция информационной РНК, на повестке дня естественным образом встал вопрос об изоляции матрично‑рибосомных комплексов. Для этого нужно было разработать щадящие методы, создание которых стало в начале 60‑х г. новым видом спорта, в котором соревновались группы ученых. Скоро крупные частицы появились на кривых сахарозных градиентов и на электронно‑микроскопических снимках. Их называли по‑разному – то «рибосомными кластерами», то «активными комплексами», то «эргосомами», то «агрегированными рибосомами»[140], пока, наконец, не утвердилось название «полисомы»[141] Полисомы состояли, как казалось, из рибосом, насаженных, как бусины, на нить и транслировавших определенные мРНК. Особые, мягкие способы изоляции были нужны для того, чтобы не дать этим цепочкам распасться во время фракционирования. Итак, выяснилось, что установившееся представление о мономерной, состоящей из двух элементов рибосомной частице – это абстракция, которая соответствовала скорее некоему функциональному состоянию в пробирке, нежели в живой клетке.

После того как рибосома нашла свое место в функциональной сетке белкового синтеза, который, в свою очередь, нашел свое место в процессе экспрессии генов, т. е. в молекулярной генетике, она приобрела дополнительное эпистемическое значение в качестве модельного объекта для изучения молекулярных взаимодействий между белками и нуклеиновыми кислотами. Благодаря картированию генетических локусов их компонентов, выяснению их первичной, вторичной и третичной структуры и их пространственного (четвертичного) расположения, их реконституции из компонентов в пробирке рибосома наконец стала объектом заветной мечты всех, кто занимался редукционизмом в молекулярной биологии, стремясь разложить органеллы клетки на «атомы». Чтобы рассказать эту историю, потребовалась бы отдельная глава. Рассказывать пришлось бы не историю нескольких лабораторий, а историю тридцатилетних усилий всего мирового научного сообщества «рибосомологов», которые направили на эти частицы собранную в кулак силу нейтронных потоков, рентгеновских лучей, новейших электронных микроскопов и всего арсенала техник секвенирования и которые по сей день ведут дискуссии о том, с помощью какого молекулярного механизма этот предмет их интереса осуществляет свою основную задачу –создание пептидной связи.

Заключение: история эпистемических вещей

Я вернусь еще раз к тому, что говорил о научных объектах, экспериментальных системах и модельных организмах. Такие научные объекты, как описанные в этой статье цитоплазматические частицы, синхронно и диахронно включены в разные экспериментальные системы, которые со своей стороны ограничены различными инструментами и средствами, заставляющими объекты оставлять обнаруживаемые следы, и основываются на различных модельных организмах. В этих экспериментальных контекстах они приобретают свой облик, трансформируются, и значение их непрерывно изменяется. Эти контексты канализируют также появление, персистенцию и порой устаревание научных объектов. Пристальный взгляд на экспериментальные сети, в которых и благодаря которым существуют научные объекты и которые в свою очередь видоизменяются под их воздействием, демонстрирует нам динамическое значение экспериментальных культур и эпистемические практики, каковыми эти культуры конституируются. Этот взгляд отличается от традиционного взгляда, заданного оптикой дисциплинарного подхода. Цитоплазматические частицы, историю которых я в общих чертах рассказал, не принадлежат исключительно ни к области онкологии, ни к области вирологии, ни цитологии, ни биохимии, ни микробиологии, ни молекулярной биологии: их траектория проходит через все эти области и одновременно расшатывает их границы. Эти частицы суть «пограничные объекты». Они определяют пространство, не подчиняющееся дисциплинарной сетке координат, по которой ориентируются научно‑исследовательские институты. Это пространство лабораторных культур с их инструментарием, с их экспериментальными системами, с их модельными организмами. Мы только еще начинаем производить обмер этого пространства. Долгий путь отделяет историю идей, историю ученых, дисциплин, институтов от истории эпистемических вещей. Если процесс экспериментального познания представляется могучим дискурсивным потоком, порождающим современные науки, то, несомненно, стоит потратить усилия на то, чтобы попытаться рассмотреть его «объективность» под углом зрения того, какую «объектность» он придает своим предметам. Я возвращаюсь в заключение к Майклу Полани, чьи работы в области науковедения еще не оценены по достоинству. Он писал: «Эту способность вещи проявить себя в будущем неким неожиданным образом я объясняю тем обстоятельством, что наблюдаемая вещь есть лишь один аспект действительности, а обладает значением, которое не исчерпывается ни одним из этих аспектов. Быть уверенным в том, что вещь, которую мы знаем, реальна, значит предполагать, что она достаточно независима и могущественна, чтобы в будущем проявить себя таким образом, какой нам и не снился».

Новое – это результат событий, которые имеют место только в одной экспериментальной ситуации и только при определенных условиях. Экспериментальные системы как раз и являются теми устройствами, в которых могут происходить такие события. Научная действительность эпистемических вещей – это их способность содействовать непредсказуемым событиям. Изучение экспериментальных систем совместно с научными объектами, которые в них начинают и перестают существовать, должно привести нас к осознанию того, что подобные системы являют собой «аппараты для производства будущего». А эти в свою очередь суть не что иное, как, выражаясь словами Жака Деррида, инстанции «формы итерации», чью «дифференциальную типологию» еще предстоит написать.

Райнбергер Х.‑Й. Частицы в цитоплазме: пути и судьбы
одного научного объекта // Наука и научность
в ее исторической перспективе. СПб., 2007. С. 8–36.

Контрольные вопросы

1. Историческое становление клетки как объекта биологического исследования.

2. Какова история развития экспериментальных и теоретических условий изучения структуры клетки?

3. Какими путями была открыта структура рибосомы и ее функции?

Герман Хакен (род. 1927 г.)

Немецкий физик‑теоретик считается основателем синергетики. Изучал физику и математику в университетах Галле (1946–1948) и Эрлангена (1948–1950), получив степени доктора философии и доктора естественных наук. С 1960 г. является профессором теоретической физики университета Штутгарта. До ноября 1997 г. был директором Института теоретической физики и синергетики университета Штутгарта. С декабря 1997 г. является почетным профессором и возглавляет Центр синергетики в этом институте, а также ведет исследования в Центре по изучению сложных систем в университе Флориды (Бока Рэтон, США). Он является издателем шпрингеровской серии книг по синергетике, в рамках которой к настоящему времени опубликовано уже 69 томов.

СИНЕРГЕТИКА МОЗГА

Введение

Человеческий мозг – определенно наиболее сложная система из всех, которые мы знаем. Он имеет сложную структуру, составленную из приблизительно ста миллиардов нейронов, которые соединены друг с другом сложным образом. Только для того, чтобы визуализировать это число, увеличим нейроны так, чтобы каждая их сотня могла быть помещена в наперсток объемом в один кубический сантиметр. Нам понадобится здание десяти метров в длину, десяти метров в глубину и десяти метров в высоту, чтобы разместить эти наперстки в плотной упаковке.

Мозг демонстрирует сложную активность, которая появляется либо в таком поведении, как движение, речь и т. д., либо в прямых измерениях электрохимических процессов. Таким образом, мозг показывает очень много аспектов своей активности, и его исследования далеки до завершения. Поэтому мы стоим перед проблемой, какие вопросы относительно мозга являются разумными.

Вопросы, которые мы задаем, могут зависеть от нашего вкуса, компетенции, доступных экспериментальных методов, и теоретических концепций и математических инструментальных средств.

Дадим сначала краткий обзор результатов экспериментов, исследовавших структуру и функции мозга на микроскопическом и макроскопическом уровне. После коротких комментариев относительно искусственного интеллекта, мы представим синергический подход в исследованиях мозга и сопоставим его более традиционным подходам, выделим базовые понятия синергетики, такие, как неустойчивость, параметры порядка и принцип подчинения. Примеры динамики одних или нескольких параметров порядка показывают, что понятие параметра порядка является релевантным ряду функций мозга, например восприятию многозначных рисунков. Эти результаты поясняют модель распознавания образа, роль внимания, и анализ ЕЕС и МЕО в терминах синергетики. С появлением понятий параметра порядка и приципа подчинения стало возможно моделировать множество функций мозга, в которых участвуют определенным образом многие нейроны.

Мозг как черный ящик

Согласно бихевиоризму, в частности Скинеру, нас волнует не столько внутренности черного ящика под названием «мозг», сколько довольно внешнее поведение. В рамках этого подхода изучаются ответы тестового животного или человека на специфические сигналы. В соответствующих исследованиях затрагивались различные области научного знания, такие, как психология зрения, слуха и их поведенческие проявления или психиатрия в случае умственных болезней, и др.

Мозг составлен из отдельных строительных ячеек, нейронов. Каждый нейрон обладает аксоном, через который он посылает сигналы в форме нервного импульса. С другой стороны, он собирает сигналы от других клеток через дендриты. В местах контактов между клетками образуются синапсы. Когда синапс возбужден электрическим импульсом, он выпускает химические вещества, так называемые нейронные медиаторы, так, чтобы сигнал перешел через синаптическую мембрану к другой нервной клетке. Согласно тому, что нам известно на сегодняшний день, нейрон собирает входящие нервные импульсы, суммирует их и выпускает новый импульс к другим клеткам, когда эта сумма входящих сигналов превышает некоторый порог. Интенсивность выходного сигнала содержит код своей модуляции, то есть нейрон испускает импульс равной длины, но с различными паузами расстояния, причем паузы между импульсами становятся меньше с увеличением интенсивности сигнала.

Грубо говоря, различные области мозга занимаются различными задачами. Локализация функций мозга можно определить по случаям его повреждений. Например, когда люди перенесли травму левого полушария мозга, повреждение специфических центров может нарушать речь. Зона Брокка ответствененна за грамматику речи, в то время как зона Вернике – за содержание. В российско‑японской войне русская армия использовала новую винтовку, у которой быстродействующие пули производили повреждения в тыльной части мозга без повреждения, например, глаз. Однако солдаты становились слепыми, и японский доктор Иноуи смог показать, что процессы зрения осуществляются в тех структурах, которые теперь называются зрительной корой. Чтобы лечить пациентов, страдающих эпилепсией, перерезали так называемый corpus callosum, который связывает левое и правое полушария мозга. В оригинальных экспериментах Сперри было найдено, что оба полушария выполняют, грубо говоря, различные задачи. Например, левое полушарие более ответственно за последовательные и рациональные задачи, в то время как правое полушарие обрабатывает преимущественно информацию по распознаванию места действия, музыки и т. д. В настоящее время рентгеновская томография и магнитный резонанс, прежде называемый ядерным магнитным резонансом, играют важную роль в поиске изменений мозговой ткани в результате, например, опухолей. РЕТ‑сканирование (positron emission) позволяет изучать мозговую активность следующим способом: когда мозговые центры выполняют специфические задачи, типа чтения, их локальный метаболизм увеличивается. Этот метаболизм может измеряться по концентрации глюкозы. Если глюкозу сделать радиоактивной, она испускает позитроны, которые можно регистрировать и таким образом измерять концентрацию глюкозы.

Следующий метод изучения мозговой активности – электроэнцефалограмма и магнитоэнцефалограмма. В первом методе электроды надеваются на поверхность головы и по функции от времени регистрируется слабое электрическое напряжение, отражающее мозговую активность. Используя частотные фильтры, можно выделить особенности в ритмах ЭЭГ, например альфа‑ритм в области, например, 10 Герц. В зависимости от действия мозга его электрические волны демонстрируют различное поведение, например альфа‑вол­ны показывают мозговую активность в действие в состоянии отдыха и нарушаются, когда тестируемый человек открывает свои глаза. Магнитоэнцефалограммы дают довольно высокое разрешение при наблюдении магнитных полей мозга. По ЕЕС можно легко различить различные виды мозговой активности, например различные фазы сна или эпилептического удара.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: