“Самым трудным в проблеме кода было понять, что код существует, — писал соавтор Гамова Мартинас Ичас. — На это потребовалось целое столетие. Когда это поняли, то для того, чтобы разобраться в деталях, хватило каких-нибудь десяти лет”.
Полный генетический код выглядит достаточно просто. Это таблица из 64 ячеек, в каждой из которых значится определенная тройка нуклеотидов (вернее, азотистых оснований, входящих в их состав, — ведь все остальные части в нуклеотидах, составляющих ДНК, одинаковы). Эти тройки называются кодонами. Генетический код состоит из 61 кодона, кодирующего аминокислоты, и трех стоп-кодонов, на которых синтез белковой цепи останавливается. Есть всего две аминокислоты, кодирование которых не является избыточным, то есть подчиняется правилу “одна аминокислота — один кодон”. Это метионин и триптофан. Любая другая аминокислота кодируется как минимум двумя разными кодонами. Многие аминокислоты кодируются четырьмя кодонами, а некоторые даже шестью.
Кодоны, кодирующие одну и ту же аминокислоту, называются синонимичными. Например, кодон ТТТ (три тимина подряд) кодирует аминокислоту фенилаланин, и кодон ТТЦ (тимин-тимин-цитозин) — тоже. Довольно часто (но не всегда!) бывает, что синонимичные кодоны отличаются друг от друга только последней “буквой”, как мы это в случае с фенилаланином и видим.
Вместо тимина (Т) в таблице генетического кода можно везде поставить урацил (У) и наоборот (см. рис. 9.1). Эти два азотистых основания в данном контексте взаимозаменяемы. Дело в том, что они очень похожи друг на друга по структуре: урацил, так же как и тимин, может комплементарно спариваться с аденином, и только с ним. Единственная метильная группа, которой тимин отличается от урацила, никак на это его свойство не влияет.
Откуда берутся белки
Разобравшись в самых общих чертах с тем, как генетическая информация записывается, посмотрим теперь, как она читается. Процесс чтения информации всегда подразумевает, что эта информация вызывает в воспринимающей системе некоторое активное ответное действие. В случае генетической информации таким действием, очевидно, будет синтез белка с “продиктованной” геном аминокислотной последовательностью. Итак, откуда же в клетке берутся белки?
Это хорошо известно. Для синтеза белков служит специальная сложная молекулярная машина, называемая рибосомой (см. рис. 9.2). Любая рибосома “собрана” из нескольких молекул РНК и довольно большого набора (несколько десятков) особых белков, дело которых — обеспечивать сборку других белков. РНК, образующая основу рибосом, так и называется рибосомной РНК, сокращенно рРНК. Например, у животных и растений молекул рРНК в каждой рибосоме четыре. Рибосомная РНК обычно составляет около 70% всей РНК клетки, потому что рибосом очень много: молекулы всевозможных белков со временем изнашиваются, и их надо постоянно производить взамен.
Любой белок по определению кодируется собственным геном и синтезируется на рибосоме. Именно этим белки отличаются от других пептидов (см. главу 3). Мимоходом отметим, что пептиды, не являющиеся белками, в живой природе тоже встречаются. В их состав могут входить непротеиногенные аминокислоты — в том числе бета-аминокислоты и D-аминокислоты, которых в белках никогда не бывает. Небелковые пептиды всегда короткие, и для их синтеза нужны ферменты, то есть опять же “нормальные” белки рибосомного происхождения.
Сам процесс синтеза белка на рибосоме называется трансляцией. Отметим два момента, очень важных для того, чтобы понять ее механизм.
Во-первых, аминокислоты, из которых строится белок, поступают в рибосому из окружающего внутриклеточного раствора — там они всегда есть. Но поступают они оттуда вовсе не в свободном виде. Каждая аминокислота предварительно связывается со специальным, предназначенным только для нее переносчиком, и воспринимается рибосомой только в этом состоянии.
Во-вторых, нуклеиновая кислота, с молекулы которой рибосома считывает транслируемую последовательность, — как ни странно, отнюдь не ДНК. Прямо с ДНК трансляция в живой природе не идет никогда. Это редкий в биологии случай, когда можно сделать категоричное утверждение без всяких оговорок.
Ну а с чего же тогда трансляция идет? Молекулярно-биологические исследования довольно быстро выявили два факта, помогающих ответить на этот вопрос.
* Для синтеза белка совершенно необходима РНК, причем — внимание! — не только рибосомная, но и какая-то еще.
* У таких организмов, как животные и растения, ДНК находится в клеточном ядре, в то время как синтез белка всегда идет снаружи от ядра, в цитоплазме. То есть эти процессы четко разделены в пространстве.
При таких вводных было весьма логично предположить следующее. Накануне трансляции где-то в ядре (если оно есть) синтезируется некая молекула-посредник, копирующая нуклеотидную последовательность того участка ДНК, который надо транслировать в белок. (В английском молекула с такой функцией называется словом messenger, однокоренным с широко известным словом message — сообщение, послание.) Затем эта молекула-посредник покидает ядро, перемещается к месту синтеза белка и дает рибосоме “инструкцию”, в каком порядке соединять аминокислоты. В результате получается белок с последовательностью, определенной соответствующим геном. Но сама ДНК при этом остается в покое — с рибосомой она ни в какой момент не контактирует.
Описанная молекула-посредник действительно существует. Она называется информационной РНК, или сокращенно иРНК. Информационная РНК точно повторяет последовательность заданного участка ДНК — разумеется, с заменой дезоксирибозы на рибозу, а тимина на урацил (см. главу 8). Иногда информационную РНК называют матричной (мРНК) — тут заодно получается калька с английского термина messenger RNA, mRNA. Информационная и матричная РНК — синонимы. Но в целом в русском научном языке термин “информационная РНК” встречается чаще, и тут мы будем пользоваться именно им. Итак, информационная РНК — та молекула, с которой непосредственно идет трансляция. Именно с нее считывается информация, необходимая для синтеза белка.
Что делают гены
Перенос информации с ДНК на РНК называется транскрипцией (переписыванием). Это достаточно интересный процесс, механизм которого хорошо изучен. Но, прежде чем о нем рассказывать, давайте сделаем краткое отступление на тему того, как вообще современный человек может узнать что-то о законах природы.
Проблема состоит вот в чем. Когда идет разговор о науке, почти невозможно сообщить кому-то что-то важное, не опираясь, как на ступеньку, на уже существующее знание каких-нибудь элементарных (а иногда и не слишком элементарных) вещей, которые должны быть заранее знакомы всем собеседникам. Как замечал главный программист Института чародейства и волшебства Александр Привалов, “невозможно, например, объяснить термин “гиперполе” человеку, плохо разбирающемуся в теории физического вакуума”. И даже более того, от авторитетных коллег этого ученого мы узнаем, что “курс управления умклайдетом (то есть волшебной палочкой) занимает восемь семестров и требует основательного знания квантовой алхимии”. Стоит ли удивляться, что “самые интересные и изящные научные результаты сплошь и рядом обладают свойством казаться непосвященным заумными и тоскливо-непонятными”? Увы и увы, все это намного ближе к истине, чем широко известное неосторожное высказывание Ричарда Фейнмана: “Если вы ученый и не можете в двух словах объяснить пятилетнему ребенку, чем вы занимаетесь, —
