Мимоходом отметим, что у транспортных РНК есть еще одна интересная особенность: в их состав входит много разных химически модифицированных нуклеотидов, которые называют минорными. Например, буквой ψ («пси») принято обозначать минорный нуклеотид псевдоуридин, в состав которого входит вместо урацила один его довольно экзотичный изомер. Транспортная РНК кодируется собственными генами, синтезируется путем транскрипции (точно так же, как информационная РНК), а потом некоторые нуклеотиды в ней модифицируются. Тем не менее по общей формуле это обычная нуклеиновая кислота.
Транспортная РНК — относительно небольшая молекула, ее длина обычно всего 70–90 нуклеотидов. Вблизи ее 3'-конца находится универсальная для всех тРНК концевая последовательность ЦЦА. (Тут стоит обратить внимание на то, что нуклеотидные последовательности по умолчанию принято читать от 5'-конца к 3'-концу, подобно тому, как обычный буквенный текст читают слева направо.) Именно к 3'-концу тРНК всегда присоединяется аминокислота.
Само присоединение аминокислоты выглядит так (см. рис. 9.5Б). Фермент аминоацил-тРНК-синтетаза (он же просто кодаза) сшивает с выделением воды 3'-гидроксил концевого аденозина тРНК и карбоксильную группу аминокислоты. Последняя тем самым временно превращается в ковалентно связанный с рибозой остаток R−CH(NH2)−CO−, который называется аминоацилом. Также в этой реакции участвует АТФ, который расщепляется в ходе нее до АМФ. Но главный продукт реакции — это аминоацил-тРНК, то есть молекула транспортной РНК с висящей на «черешке клеверного листа» ковалентно пришитой аминокислотой, временно превратившейся в аминоацил.
На вершине самой дальней от «черешка» петли тРНК всегда находится антикодон — нуклеотидный триплет, комплементарный кодону той самой аминокислоты, которую данная тРНК переносит. Например, если аминокислота фенилаланин кодируется кодоном УУУ, то соответствующая транспортная РНК несет антикодон ААА (поскольку, как мы знаем, урацил комплементарен аденину). Чтобы соединение произошло правильно, активный центр кодазы должен одновременно распознать и молекулу тРНК, и аминокислоту — не какую угодно, а ту, которая кодируется триплетом, комплементарным антикодону этой тРНК. Это сложная задача, но кодаза с ней обычно справляется.
Дальше вступает в действие простой механизм (см. рис. 9.6). Во время трансляции любая проплывающая мимо аминоацил-тРНК может чисто случайно столкнуться с тем кодоном иРНК, который в данный момент находится в активном центре рибосомы. Но свяжется она с ним только в том случае, если ее антикодон будет этому кодону комплементарен. Тогда рибосома отрежет аминокислоту от тРНК, присоединит ее к растущей белковой цепочке, а сама продвинется по иРНК на один шаг вперед (в сторону 3'-конца). После чего цикл повторится.
Антикодон тРНК, связанной с рибомосой, всегда комплементарен кодону, находящемуся в данный момент в активном центре этой рибосомы. Иначе трансляция не пойдет. Добавим, что белок при трансляции всегда синтезируется от N-конца к C-концу, то есть от свободной аминогруппы к свободному карбоксилу, но не наоборот (см. главу 3). Именно поэтому аминокислотные последовательности белков в таком же порядке и записываются в базах данных.
Источниками энергии для трансляции (и для транскрипции тоже) служат нуклеозидтрифосфаты. Причем в данном случае это не столько уже знакомый нам АТФ, сколько гораздо менее распространенный ГТФ. Почему так? Ведь АТФ в клетке больше, а с точки зрения энергии выбор между АТФ и ГТФ не дает ни заметного проигрыша, ни заметного выигрыша, энергетическая «цена» реакций распада этих веществ примерно одна и та же.
Поставим вопрос иначе: почему вообще самой универсальной «энергетической валютой» стал АТФ, а не ГТФ, ЦТФ или УТФ? Простейшую подсказку можно получить, если взглянуть на формулы четырех азотистых оснований. Аденин — единственное из них, в котором нет ни одного атома кислорода. В молекулах гуанина, цитозина и урацила кислород есть. На древней Земле, где свободного кислорода в атмосфере было очень мало, аденин наверняка легче всего синтезировался, и, соответственно, адениновые нуклеотиды тоже. Клетки использовали тот химический субстрат, который был самым доступным. Возможно, как раз поэтому именно молекула АТФ стала универсальным переносчиком энергии[67].
Но универсальность АТФ имеет и свои минусы. Дело в том, что из-за особой важности этого вещества его концентрация (а точнее, соотношение концентраций [АТФ]/[АМФ]) очень жестко контролируется внутриклеточными регуляторными системами. В многоклеточном организме слишком резкое отклонение этого параметра от нормы может вызвать даже «самоубийство» целой клетки, так называемый апоптоз. На ГТФ этот контроль не распространяется, поэтому менять его концентрацию можно гораздо свободнее. Возможно, смысл «подключения» транскрипции и трансляции к ГТФ состоит как раз в том, чтобы сделать эти жизненно важные процессы автономными, снизив их зависимость от всего остального происходящего в клетке.
Открытие механизма трансляции тут же дало ученым превосходный ключ к расшифровке генетического кода. Например, что будет, если синтезировать искусственную иРНК, в которую из всех азотистых оснований входит только урацил, и поместить ее в обычный водный раствор, предварительно добавив туда рибосомы, полный набор аминоацил-тРНК и источники энергии? Оказалось, что в этом случае прямо в пробирке, без всякого участия живых клеток, может синтезироваться белок, состоящий из одной-единственной аминокислоты, а именно из фенилаланина. Этот эксперимент был реально поставлен в 1960 году, и в результате его был расшифрован первый кодон — УУУ. Это кодон фенилаланина[68]. Расшифровка всех остальных кодонов после этого была уже только делом биохимических опытов, пусть и непростых технически, но абсолютно прозрачных по смыслу. Завершить ее удалось всего за каких-то пять лет. К 1965 году генетический код был полностью взломан (cracked). Именно так это тогда называли в статьях, а еще чаще в разговорах, вполне в духе основоположника научного мировоззрения сэра Фрэнсиса Бэкона, некогда заявившего на весь мир, что знание — сила.
Экспрессия
Весь процесс переноса генетической информации от ДНК через РНК к белкам называется экспрессией генов. Тут мы в который раз, и теперь уже вплотную, сталкиваемся с понятием «ген». И пора, пожалуй, немного его обсудить, прежде чем идти дальше.
Итак, что же такое ген? Слово это слышал каждый. Но вот дать строгое определение гена на самом деле не так уж и легко. Довольно часто встречается мнение, что ген — это участок ДНК, кодирующий структуру одного белка (концепция «один ген — один белок»). Для большинства генов это верно. Но не для всех. Например, белок, у которого есть четвертичная структура, кодируется несколькими генами. В самом деле, такой
