Не вызывает сомнений, что необходимая для биосинтеза белка специфическая информация каким-то образом заключена в строении дезоксирибонуклеиновых кислот хромосом.
Эта точка зрения полностью подтверждается многочисленными наблюдениями о связи менделирующих генов с определенными молекулами белка. Как мы уже видели, наиболее прямыми доказательствами ее справедливости служат те случаи, когда генетические данные можно сопоставить с физическими и химическими свойствами выделенных гомогенных белков, например гемоглобина, тирозиназы и β-лактоглобулина. Не менее убедительны результаты, полученные бактериологами и вирусологами, которые показали, что хорошо очищенные препараты ДНК могут вызвать изменение как генотипа, так и фенотипа клеток-реципиентов или образование относительно сложного белкового комплекса, характерного для фаговых частиц.
Ясно, однако, что синтез белка возможен и вне ядра. В ретикулоците, например, синтез гемоглобина протекает с большой скоростью и прекращается лишь после того, как клетка становится зрелым эритроцитом. То же самое наблюдается у морской водоросли Acetabularia mediterranea. Ее клетку можно разделить на две части: содержащую ядро и безъядерную. Безъядерный фрагмент в течение некоторого времени синтезирует белок даже с большей скоростью, чем неповрежденная клетка, но вскоре этот синтез прекращается. Поскольку биосинтез химически определенного белка, даже такого специфического, как гемоглобин, может продолжаться и в отсутствие ядра, центром нашего внимания становится механизм, посредством которого необходимая информация переносится в цитоплазму клетки и, по-видимому, временно сохраняется в ней.
Биосинтез белка принадлежит к числу тех биологических явлений, которые в большой степени зависят от структурной организации клетки. Даже если синтез продолжается в отсутствие ядра, то это носит лишь временный характер (хотя прекращение синтеза, вероятно, вызывается недостаточностью какого-либо фактора обмена, лишь косвенно связанного с синтезом белка как таковым). Вследствие такой зависимости синтеза белка от целостности структуры новейшие исследования природы субмикроскопических структур клетки, пожалуй, дали наиболее важные сведения для более четкого понимания природы механизма биосинтеза. Несмотря на то, что эти исследования главным образом касались статической морфологии, на основании их результатов создается представление о клетке как о высокоорганизованной системе, которая состоит из взаимосвязанных метаболических единиц и которая должна соответствовать всем необыкновенным открытиям, сделанным энзимологами и генетиками.
Особенно важную роль в процессе изучения архитектуры клетки сыграли два относительно новых метода — электронная микроскопия ультратонких срезов и дифференциальное центрифугирование клеточных компонентов в растворе сахарозы.
Метод дифференциального центрифугирования дает возможность выделить более или менее гомогенные образцы митохондрий, микросом, ядер и других клеточных включений и позволяет изучить относительную способность этих отдельных фракций включать меченые предшественники в нуклеиновые кислоты и белки. Мы обсудим эти наблюдения ниже, а сейчас обратимся прежде всего к некоторым результатам, полученным при помощи электронной микроскопии и показывающим расположение этих функциональных компонентов неповрежденной клетки.
Представлена электронная микрофотография поджелудочной железы морской свинки, полученная Паладом. Точные наблюдения и измерения множества таких фотографий позволили установить наличие в цитоплазме мембран, расположенных в виде концентрических окружностей и имеющих толщину около 40 А. Эти мембраны, которые называют по-разному — эндоплазматическая сеть, эргастоплазма или просто внутриклеточные цитоплазматические мембраны, — усеяны мелкими гранулами, мало проницаемыми для электронов. Это те самые гранулы, которые можно выделить из гомогената ткани при дифференциальном центрифугировании в виде отдельной фракции (они обычно прикреплены к обрывкам разорванных мембран). Шёстранд и Хэнзон сообщили, что в их опытах усеянные гранулами мебраны всегда располагались так, чтобы к митохондриям, клеточной оболочке или к другим мембранам была обращена сторона с гранулами, а к ядру — гладкая поверхность мембраны. Правильность этих наблюдений была подтверждена также рядом других исследователей. Такое расположение совместимо со схемой. Здесь эндоплазматическая сеть изображена не в виде множества отдельных мембран, а в виде структуры, подобной смятой оболочке шара, окружающей ядро. При этом гранулы могут иметь ориентацию, наблюдавшуюся Шёстрандом и Хэнзоном, а клетка оказывается разделенной на два главных отдела: один из них содержит ядро, а другой — митохондрии вместе с цитоплазматической жидкостью, в которую они погружены. Подобная структура создает в клетке большую поверхность, необходимую для метаболической активности, и может служить естественной границей между «генетической» частью клетки и ее синтетическим аппаратом.
Следует подчеркнуть, что схема — лишь один из нескольких возможных вариантов, приемлемых для специалистов-цитологов. Эта схема приведена здесь только для того, чтобы показать читателю, насколько подробно изучена субмикроскопическая структура клетки. Единодушие, проявляемое специалистами в истолковании получаемых картин, больше, чем можно было бы ожидать в любой быстро развивающейся области науки; весьма ценно, что наибольшие различия во взглядах среди цитологов касаются относительно незначительных вопросов.
При гомогенизации ткани эндоплазматическая сеть разрушается. Результаты последних исследований ясно показывают, что так называемая микросомная фракция состоит главным образом из гранул, к которым еще присоединены обрывки сети. При обработке препаратов микросом веществами, разрушающими липопротеиды, например дезоксихолатом, удается выделить частицы, содержащие большую часть РНК первоначального препарата и лишь небольшую часть (примерно 1/6) первоначального содержания белка. Однако при электронно-микроскопическом изучении препаратов, обработанных рибонуклеазой, переваривающей и расщепляющей РНК, в них было обнаружено лишь вещество мембран. В некоторых тканях, например в яйцеводе курицы, эргастоплазма не такая хрупкая, и даже после довольно сильной гомогенизации путем центрифугирования при относительно небольшом числе оборотов удается выделить сравнительно малоповрежденные комплексы мембран с гранулами. Происхождение эргастоплазмы не установлено. Недавно было показано, что в клетках печени животных, получивших пищу после продолжительного периода голодания, регенерация мембран начинается по периферии клеток. Эти мембраны лишены гранул и лишь впоследствии приобретают вид, характерный для активно секретирующих клеток, т. е. оказываются усеяны гранулами. Было высказано предположение, что эндоплазматическая сеть представляет собой результат длительного пиноцитоза (поглощения воды) и фагоцитоза (поглощения частиц) на поверхности клетки. Электронно-микроскопические исследования показали, что поглощенная жидкость и твердые частицы окружаются слоем внешней протоплазматической мембраны, захватываемой при проникновении питательных веществ сквозь поверхностный слой клетки. Эта мембрана становится продолжением эндоплазматической сети.
Если эти наблюдения подтвердятся, то придется допустить, что описываемые процессы должны быть связаны с интенсивным обменом. Например, как показали недавно Свердлоу, Дальтон и Беркс, если бы внедрение протоплазматической мембраны в клетки, способные к активному поглощению, такие, как макрофаги, было длительным процессом, то клетки состояли бы только из этих мембран. В таких клетках, безусловно, необходимы активные процессы как для регенерации новой мембраны, так и для разрушения эндоплазматической сети, которая при своем разрастании вдавливается в ядро.