Три тайны жизни

Механизм такого образования белков и целых вирусных частиц можно понять только в том случае, когда допустим, что последовательность аминокислот в белке, синтезируемом клеткой, определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты. Ведь точными опытами доказано, что вирусные белки в пораженную клетку не проникают. Единственным носителем информации о строении этих белков может быть только проникшая в клетку нуклеиновая кислота вируса. Остается только разгадать тайну, каким образом в молекуле нуклеиновой кислоты зашифрован план строения белка и как этот план синтеза видоспецифических белков осуществляется. Каким образом обеспечивается в клетке соединение аминокислот в длиннейшей цепи белка как раз в нужной последовательности?

Свойства белковой молекулы, как уже было отмечено, зависят от последовательности аминокислот в ее цепочке. Достаточно изменить порядок расположения хотя бы нескольких аминокислот в цепочке, как изменяются свойства всей молекулы белка. Это убедительно доказано на белке крови гемоглобина: при замене в молекуле гемоглобина электрически заряженной глутаминовой кислоты на электрически нейтральную аминокислоту валин белок крови теряет способность присоединять к себе кислород, появляется болезнь серповидноклеточная анемия.

Цепочки молекул нуклеиновых кислот тоже состоят из определенного порядка нуклеотидов. Данные, полученные на вирусах и других объектах, говорят о том, что в молекуле нуклеиновой кислоты «записано», или закодировано, химическое строение белковых молекул, то есть каждый белок «описывается» определенным участком нуклеиновой кислоты. Это означает, что последовательность аминокислот в данной белковой молекуле каким-то образом изображается последовательностью нуклеотидов соответствующего участка молекулы нуклеиновой кислоты. Получается так, что расстановкой одних веществ (различных аминокислот) управляют другие вещества (различные нуклеотиды). Такое изображение одних объектов другими в кибернетике [10]называется кодированием.

Так как белки определяют наследственные особенности организма, то синтез видоспецифических белков с помощью нуклеиновых кислот можно назвать кодированием наследственной информации.

Если бы количество различных типов нуклеотидов, встречающихся в нуклеиновых кислотах, соответствовало количеству различных аминокислот, входящих в состав белков, то можно предположить, что при наследственном кодировании каждая из аминокислот изображается определенным, соответствующим ей нуклеотидом. Например, валин — аденином, аланин — гуанином и т. д. Но такое предположение не соответствует действительности, потому что различных типов аминокислот десятки, а важнейших из них двадцать, тогда как различных видов нуклеотидов — всего четыре. Учитывая это обстоятельство, ученые вначале теоретически стали подыскивать такие комбинации, с помощью которых четыре вида нуклеотидов могли бы кодировать все аминокислоты. В технике имеются такие примеры. Например, в связи осуществляется передача разнообразных букв посредством всего двух электрических сигналов: положительным (+) и отрицательным (-) импульсами [11].

Ученые высказали мысль о том, не основано ли и кодирование наследственной информации на сходном принципе? Не изображается ли каждая аминокислота белка определенной комбинацией нескольких нуклеотидов в молекуле нуклеиновой кислоты? Вскоре эти предположения подтвердились: каждая аминокислота в клетке управляется тремя нуклеотидами из четырех существующих. Эти четыре нуклеотида — тимин (Т), аденин (А), цитозин (Ц), гуанин (Г), сочетаясь по три, могут дать шестьдесят четыре комбинации (или триплета), а важнейших аминокислот всего двадцать. Следовательно, одна и та же аминокислота может кодироваться несколькими триплетами. Эти триплеты, или кодовые обозначения, носят название «синонимов». Очень важно отметить, что триплеты могут «работать» во всех системах независимо от принадлежности их к организмам, то есть они синтезируют белки в препаратах, полученных из бактерий, из клеток различных растений или млекопитающих животных. Это обстоятельство еще раз, уже не на клеточном, а на молекулярном уровне, доказывает единство живой природы.

Сейчас уже можно считать окончательно установленным, что каждая из аминокислот, входящих в состав белков любого организма, действительно изображается комбинацией из трех нуклеотидов в молекулярной цепочке нуклеиновой кислоты.

Это открытие, как его принято называть — «расшифровка кода наследственности», — по праву считается одним из величайших научных достижений последних десятилетий в познании тайн живой природы.

Итак, молекулы белка образуются путем соединения в сложные цепи молекул аминокислот. Для образования нужного белка (способного в данном организме выполнять определенную функцию) аминокислоты должны соединяться между собой в строго определенной последовательности. Поэтому синтез конкретного, требуемого белка не может быть осуществлен простым перемешиванием аминокислот в присутствии катализаторов (в организме их роль выполняют ферменты) и других условий, обеспечивающих осуществление реакции. Необходим очень сложный физиологический «механизм», обеспечивающий своего рода «сборку» молекул белка из имеющихся в клетке в большом количестве разнообразных аминокислот по заранее определенному плану, закодированному в молекулах ДНК. Подобную «сборку» весьма сложной молекулы белка из отдельных аминокислот ни одна химическая технология пока еще осуществлять не может: такой процесс наблюдается исключительно только в живых клетках, почему он и получил название «биосинтез», то есть синтез с помощью живого организма.

Живая клетка любого организма содержит полный набор нуклеиновых кислот, в которых закодирована последовательность всех без исключения белков, какие только могут быть синтезированы в данном организме. Например, в клетках печени человека синтезируется около ста различных белков. Но этим не исчерпываются возможности синтеза белков клеток. Обычно в определенной клетке при данных условиях синтезируется всего лишь несколько видов белков. Так, в любой клетке человеческого тела имеется план «сборки» молекулы инсулина, гемоглобина, рибонуклеазы и других белков, но в действительности гормон инсулин образуется только в некоторых клетках поджелудочной железы, гемоглобин — в клетках мозга, рибонуклеаза — в клетках слюнных желез и некоторых других клетках.

Биосинтез белков осуществляется в рибосомах каждой клетки организма. Эти мельчайшие органоиды, видимые лишь в электронный микроскоп, являются своего рода «сборочным цехом» специфических белковых молекул. Рибосомы содержат большое количество так называемой рибосомальной рибонуклеиновой кислоты (сокращенно обозначают R-PHK). Кроме того, в цитоплазме клеток содержится другая форма рибонуклеиновой кислоты: ее назвали транспортной, или воднорастворимой, кислотой (сокращенно обозначают Т-РНК, или S-РНК). В ядре клетки образуется третья форма рибонуклеиновой кислоты — информационная (сокращенно обозначают И-, или М-РНК, то есть «мессенджер»-РНК [12]. Все три формы РНК отличаются между собой как по выполняемой ими функции, так и по сложности строения.

План строения белковой цепочки закодирован в ядре, в молекуле ДНК, а фактическая «сборка» белка осуществляется в рибосомах. Каким же образом передается из ядра в рибосомы информация об этом плане?

Оказывается, переносчиком этой информации является информационная РНК, которая образуется в ядре клетки во время биосинтеза белков. Молекула ДНК обладает как бы двумя свойствами: она строит на себе свои копии и молекулы информационной РНК. Во время деления клеток происходит удвоение ДНК, а в перерыве между делениями синтезируется М-РНК. Процесс удвоения ДНК происходит не сразу по всей длине ее молекулы. Двойная спираль расплетается постепенно с помощью особого фермента — ДНК-полимеразы, и по мере освобождения ее цепей на каждой из них достраивается вторая недостающая половинка.