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, — вы шарлатан». Крайне сомнительно, что сам Фейнман (при всей его признанной гениальности) смог бы быстро, внятно и без потерь для смысла объяснить пятилетнему ребенку основы своей любимой квантовой электродинамики. Во всяком случае, в реальности ему понадобились для такого объяснения несколько пространных лекций, причем не перед пятилетними детьми, а перед студентами, которые уж точно лучше, чем дети, были подготовлены к восприятию подобного материала. И то он потом признавался, что долго обдумывал, как бы подойти к теме.
С другой же стороны, любая область науки всегда открывается небольшим числом базовых понятий, которые, как правило, сами по себе очень просты. А уж если они известны, то и по-настоящему сложную вещь становится возможно сообщить в одной короткой фразе. Вот тут-то и обнажается красота чистых идей.
Короче говоря, научное (и в том числе биологическое) знание сугубо иерархично. Это следует принять как факт. И сейчас у нас есть возможность оценить, насколько это на самом деле полезно. Ведь мы теперь уже знаем, что такое водородная связь, фермент, мономер, полимер, нуклеозид, нуклеотид, ДНК, РНК, 3'-конец, 5'-конец, комплементарность и антипараллельность. Про все эти понятия рассказано в предыдущих главах (со 2-й по 8-ю). Вот почему в рассказе про транскрипцию мы обойдемся без введения.
