Планеты и жизнь

Работы русского химика профессора А. Колли, выполненные почти столетие назад, показали, что наследственное вещество в бактериальной клетке составляет очень малую часть от общего числа молекул в ней.

И данные Колли натолкнули академика Н. Кольцова на идею о матричном синтезе белков. Однако Кольцов представлял себе поток информации в виде схемы белок - белок. Он думал, что "каждая белковая молекула возникает из белковой молекулы путем кристаллизации вокруг нее находящихся в растворе аминокислот и других белковых обломков".

Весь процесс построения белка, как мы сейчас знаем, происходит не так и гораздо сложнее, но идея матричного синтеза, впервые высказанная Кольцовым в двадцатых годах нашего века, оказала неоценимое влияние на все последующее развитие молекулярной биологии.

Если отвлечься на время от химических аспектов взаимодействия аминокислот с РНК, то проблему генетического кода можно рассматривать просто как проблему перевода текста с одного алфавита на другой.

Молекулу белка можно представить себе как фразу с определенным смыслом. Ну, например, "Яумеюпомогатьорганизмувперевариваниипищи". Не очень длинная фраза, не очень сложный белок - всего 40 аминокислотных остатков. Каждая буква в этой фразе - аминокислота. Но только в отличие от русского алфавита в аминокислотном языке всего двадцать букв. Стоит переставить местами несколько букв во фразе, и она потеряет смысл.

Стоит переставить аминокислоты, и молекула белка тоже "потеряет смысл" - не сможет выполнять свою функцию: помогать в переваривании пищи.

Молекула ДНК тоже текст. Но текст, в алфавите которого используется лишь четыре буквы. В мире живого белковый текст кодируется нуклеиновым. А что такое кодирование?

Если заданная последовательность нуклеотидов в нуклеиновой кислоте полностью определяет последовательность аминокислот в белке, то мы говорим, что нуклеиновый текст кодирует текст белка.

Как же составляются слова из четырех букв нуклеинового текста? Совершенно ясно, что кодировать одну букву - аминокислоту должны какие-то комбинации из четырех букв - нуклеотидов. Это очевидно, так как четыре нуклеиновых основания, взятые каждое в отдельности, могут определить положение только четырех аминокислот в белковой молекуле. Ну а если брать пары оснований? Нетрудно видеть, что тогда можно кодировать 42, или 16 аминокислот. А если брать тройки, или, как говорят еще, триплеты? Тогда 43, или 64, поскольку число комбинаций из четырех букв по три равно 43.

Каждая аминокислота кодируется триплетом оснований, поскольку дуплет способен закодировать только 42=16 аминокислот, а триплет создает некоторую избыточность (43 = 64).

Триплет оснований, кодирующий одну аминокислоту, называется кодовым словом, или кодоном. Поскольку триплетов 64, а организм использует для построения белков всего двадцать аминокислот, то среди триплетов есть и бессмысленные кодоны, то есть кодоны, которые не кодируют никакой аминокислоты.

Вот мы и подошли к самому главному. Существуют ли какие-либо данные, свидетельствующие о том, что код изменяется при переходе от низших форм к высшим?

Для выяснения этого вопроса были проведены тщательные исследования. Их цель состояла в том, чтобы посмотреть, какую аминокислоту кодирует тринуклеотид, выделенный, к примеру, из кишечной палочки, из печени морской свинки, из тканей позвоночных, в том числе и человека.

Так вот оказалось, что если взять, к примеру, тринуклеотид УУУ (подряд три урацила), то из какого организма мы ни взяли бы этот триплет, он всегда кодирует аминокислоту фенилаланин. Этот и многие другие эксперименты доказали, что генетический код универсален.

Правда, из этого правила есть два важных исключения.

Совсем недавно в журнале "Nature" появилось сообщение, что ДНК митохондрий и ядерная ДНК клеток высших организмов по-разному кодируют одну и ту же аминокислоту - метионин. Еще раньше было выяснено, что у кишечной палочки кодон УГА, состоящий из урацила, гуанина и аденнна, бессмысленный. В то же время у позвоночных, скажем у морской свинки, он соответствует аминокислоте цистеину.

Эти два важных отклонения от универсальности кода, бесспорно, требуют объяснения. И сегодня принято говорить о коде уже более сдержанно: код практически универсален.

Из палеобиологических данных известно, что вся дарвиновская эволюция насчитывает около 3,5 миллиарда лет и, по-видимому, за это время не произошло принципиальных (существенных) изменений в механизме матричного синтеза, поскольку генетический код практически универсален у всех организмов. На возникновение же самого механизма синтеза и кода остается промежуток времени меньше чем один миллиард лет, если исходить из данных о строении и эволюции планет солнечной системы.

Это кажется удивительным, так как в генетическом плане разница между человеком и бактерией существенно меньше, чем разница между неорганизованным набором макромолекул, составляющих клетку, и самой клеткой. На этот факт до сих пор обращалось недостаточное внимание, а ведь именно изучение эволюции матричного синтеза белков необходимо для решения, или, быть может, поиска подходов к решению загадки возникновения жизни.

Итак, последовательность оснований некоторого участка ДНК, на котором записан нуклеотидным языком порядок аминокислот какого-либо белка (ген), служит матрицей для синтеза молекул одноцепочечной рибонуклеиновой кислоты. Этот процесс (транскрипция) в принципе сходен с образованием реплики ДНК, и, значит, последовательность оснований в синтезируемой РНК комплементарна (с заменой тимина на урацил) последовательности оснований участка ДНК, на котором произошел синтез матричной, иначе информационной, РНК (мРНК).

Особо отметим, что весь процесс транскрипции идет в присутствии специальных ферментов: синтетаз, репликаз, полимераз. Матричной эту РНК называют потому, что на ней, как на матрице, синтезируется белок, а информационной потому, что она несет информацию об аминокислотной последовательности синтезируемого белка.

Следующий этап - перенос мРНК на рибосомы - клеточные органеллы в цитоплазме клетки, именно здесь непосредственно синтезируются белки. Этот последний этап образования белка называется трансляцией.

В начале процесса трансляции при помощи специальных ферментов-синтетаз аминокислоты переводятся в высокореакционную форму, происходит так называемое активирование. После этого опять-таки при участии ферментов каждая активированная аминокислота соединяется с молекулой специфической для нее транспортной рибонуклеиновой кислоты (тРНК). Молекула транспортной РНК значительно меньше молекулы информационной РНК- Молекулярный вес мРНК около 106, в то время как молекулярный вес транспортных РНК всего 104.

В клетке существует более 20 типов транспортных РНК, то есть несколько типов могут соответствовать одной и той же аминокислоте. В одном из участков цепи тРНК расположен антикодон, то есть группа из трех оснований, узнающая кодон (соответствующие три основания) на мРНК. Во время синтеза белка рибосома, кодон мРНК и антикодон тРНК, нагруженный аминокислотой, объединяются. Рядом с этим комплексом на мРНК располагается другой комплекс тРНК-аминокислота, и происходит реакция поликонденсации, объединения двух аминокислот в дипептид при участии ферментов. Эти две аминокислоты остаются связанными через карбоксильную группу со второй молекулой тРНК, первая молекула тРНК покидает рибосому, а сама рибосома сдвигается на один щаг по молекуле мРНК. После этого с комплексом дипептид - тРНК объединяется следующая тРНК с аминокислотой, образуется трипептид и так далее.

Сейчас мы посмотрели на "крупномасштабную" картину матричного синтеза белка, на эту идеально отлаженную машину мира живой материи. Вроде бы все не очень сложно. В двойной спирали есть ген. Этот ген переписывается на молекулу РНК, а далее на ней строится белок.

Бее по школьным учебникам идет именно так. Ну а если вглядеться в эту картину более пристально?