Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Существовал еще один тупиковый путь среди экономичных и элегантных идей, к которым так благосклонны умозрительные физики и которые Природа с презрением отвергает. Это была проблема пунктуации. Как мы можем узнать, где начало? Даже в неперекрывающемся коде …AGTCTTG… возможны разночтения …(AGT)(CTT)(G…, …A)(GTC)(TTG)…, …AG)(TCT)(TG… и так далее. Различные выборы, представленные этими примерами, называются чтением кода скользящим окном. Крик предположил, что в клетке существуют механизмы только для определенных кодонов и что код должен быть таким, чтобы чтение скользящим окном приводило к чепухе. Предположим, что в приведенном примере правильным прочтением является …(AGT)(CTT)(G…, тогда AGT и CTT были бы подходящими кодонами, а чтение скользящим окном GTC и TCT было бы чепухой. Коды такого рода называются кодами без запятых, поскольку их можно однозначно прочесть без пунктуации. Если, имея в виду это ограничение, исследовать шестьдесят четыре кандидата в кодоны, оказывается, что легитимными могут быть только двадцать, в точности число, которое предполагалось и требовалось. Например, ТТТ не подходит, поскольку комбинация …TTTTTT… содержит неоднозначность, допускающую чтение скользящим окном: …(TTT)(TTT)… и …T)(TTT)(TT…. А раз оказалось, что этот код обеспечивает требуемое число кодонов и позволяет избежать проблемы чтения скользящим окном, он был немедленно и всеми принят.

Но только не Природой. Она раздавила своей пятой и этот вид неограниченного умозрения и остановила дальнейшее расточение пышных фантазий в 1961 г. Акт раздавливания зарегистрировали Маршалл Ниренберг и Генрих Маттей, которые показали, что TTT является вполне пригодным кодоном и что он означает фенилаланин. Так элегантный и экономный код без запятых был обращен в пыль.

Оказалось, что Природа блефовала в своей обычной бессознательной и непреднамеренно коварной манере. Она произвела самый простой код из всех возможных, не заботясь об избыточности и не обращая особого внимания на проблему чтения кода скользящим окном. Настоящий генетический код, который постепенно был собран по кусочкам в 1960-е гг., существенно избыточен, в нем до шести кодонов могут соответствовать одной и той же аминокислоте и три означают остановку (рис. 2.11). Как можно видеть задним числом, избыточность является очень умным ходом, поскольку уменьшает вероятность того, что «ошибки» копирования будут иметь фатальные последствия. Например, каждая из групп CCT, CCC, CCA и CCG кодирует пролин, так, что ошибки в последней букве не важны. Даже когда изменение одной буквы является значимым, результатом этого часто является замена одной аминокислоты на другую, ей подобную. К примеру, замена TTT на TAT приводит к замещению фенилаланина его кузеном тирозином. Код является в этом отношении почти оптимальным. В результате, поскольку все шестьдесят четыре кодона являются жизнеспособными, Природа имеет пространство для вариаций и экспериментов, как нам уже доводилось отмечать выше.

Рис. 2.11. Генетический код и структуры аминокислот в обозначениях трехбуквенных кодонов. Например, читая от центра, кодон UAC кодирует тирозин (Tyr). Заметим, что U означает урацил (рис. 2.12). Все аминокислоты имеют обозначения, показанные внутри круга. Заметим, что некоторые аминокислоты встречаются более чем в одном положении и что код существенно избыточен, особенно в своей третьей букве. Например, все тройки ACG, ACU, ACT и АСА являются кодом для треонина (Thr).

Вопрос о способе интерпретации кода внутриклеточными механизмами был третьим барьером, который надо было взять. Основная проблема состояла в том, что ДНК заключена в ядре клетки, в то время как синтез белка происходит в окружающей его цитоплазме. Молекула ДНК слишком велика, чтобы проникнуть в цитоплазму через мембрану ядра. Так каким же образом информация доставляется к месту своего использования?

В дело вступает рибонуклеиновая кислота (РНК), более примитивная версия ДНК. Рибонуклеиновые кислоты имеют ту же общую структуру, что и ДНК, состоящую из сахаро-фосфатного позвоночника с нуклеотидными основаниями, прицепленными к нему. Однако сахар является скорее рибозой, чем дезоксирибозой (поэтому Р в РНК находится на месте Д в ДНК), в которой дополнительный атом кислорода, изначально присутствующий в рибозе, не отщеплен. Кроме того, на месте тимина в РНК находится немного иной, но весьма похожий на него пиримидин урацил (U на рис. 2.12). Не вполне ясно, почему U здесь предпочтительнее, чем T, и почему в позвоночнике рибоза предпочтительнее, чем дезоксирибоза: возможно, это обусловлено несколько иной прочностью водородных связей, формирующих данную молекулу. Но главным отличием является то, что РНК состоит из одной нити. Это позволяет предположить, что первоначально РНК была субстанцией кодирования, но ее функция была перехвачена более устойчивой ДНК на ранней стадии эволюции. Такую точку зрения в определенной степени подтверждает то, что, как показывают наблюдения, РНК может иногда вести себя как фермент. Эта ее функция позволяет решить одну из проблем происхождения жизни: что было раньше, курица (ферменты, необходимые для того, чтобы генетический материал можно было использовать) или яйцо (генетический материал, необходимый для спецификации ферментов).

Рис. 2.12. Основание урацил, U, которое появляется на месте тимина в молекуле РНК. Урацил отличается от тимина потерей метиловой группы (СН3) в северо-восточном углу молекулы последнего. Стрелка указывает точку прикрепления рибозы, а точечные линии отмечают положение водородных связей, которые эта молекула образует с аденином.

Существуют два главных типа РНК, а именно, информационная РНК (иРНК) и транспортная РНК (тРНК). Сначала мы сосредоточим внимание на иРНК, поскольку она переносит в цитоплазму информацию, закодированную в ДНК. Цепочка иРНК становится носителем информации потому, что ее синтез производится способом, весьма похожим на образование копий ДНК, где одна нить ДНК выполняет роль фермента, РНК полимеразы, и используется как шаблон для создания иРНК. Используется только одна нить, но это не обязательно, та же самая нить, которая используется в хромосоме, и копирование всегда происходит в одном и том же направлении вдоль нити (здесь и речи не может быть о каком-то подобии Бетховену, исполняющему музыкальные произведения задом наперед). Копирование происходит почти с пулеметной скоростью, энергичная РНК полимераза копирует около тридцати оснований в секунду, и на запись полного комплекта ДНК одной клетки уходит семь часов. Примерно одно из миллиона оснований копируется с ошибкой, но ферменты, корректирующие чтение, всегда на страже и исправляют большинство ошибок, оставляя около одной на 10 миллиардов оснований. Когда процесс копирования доходит до кодона «стоп», иРНК заканчивает свое формирование и транспортируется от ДНК и далее, через поры в мембране, в цитоплазму, неся в себе точную информацию.

А дальше нас ждут рибосомы (рис. 2.13). Эти ловкие маленькие органеллы (специализированные компоненты клетки с особыми функциями) образуются путем соединения белков и РНК, упакованных в две отдельных капельки, которые затем объединяются в одну функциональную единицу, прикрепляясь к иРНК, чтобы выйти из ядра клетки в опасный химический мир цитоплазмы. Другой компонентой цитоплазмы, на которую нам следует обратить внимание на этой стадии, является транспортная РНК, нуклеиновая кислота, которая реально создает белки.

Рис. 2.13. Рибосома состоит из двух компонент неодинакового размера, которые соединяются вместе, чтобы образовать единый объект (справа), когда начинается копирование. Каждая из этих частей является маленькой фабрикой. Большая компонента обычно состоит из двух молекул рибосомной РНК (рРНК) с длиной 2900 и 120 оснований соответственно и около тридцати двух различных белков, в большинстве случаев в одном экземпляре. В маленькой компоненте имеются одна молекула рРНК длиной в 1540 оснований и по одной копии каждого из двадцати одного различного белка.

На рис. 2.14 в различных формах показана конструкция молекулы тРНК. В ней есть две важных части. Петля антикодона является инструментом, опознающим кодоны в иРНК. Например, если кодоном является CGU, кодирующий аргинин, то антикодоном будет дополнительная последовательность GCA, которая может найти кодон CGU, выбирая парные водородные связи и приклеиваясь к нему подобно застежке-липучке. Другой важной частью является место крепления на конце цепочки нуклеиновой кислоты. Это еще одна часть молекулы, подобная застежке-молнии, содержащая последовательность нуклеотидов, способную прикрепляться к одной и только одной аминокислоте, в данном случае аргинину.