В двадцатых годах нашего столетия профессор У. Астбюри начал изучать рентгенограммы человеческого волоса, Оказалось, что молекулы белка в человеческом волосе расположены строго упорядочение и независимо от того, у кого взят волос, у блондина или брюнета, дают одинаковую и строго определенную картину в потоке рентгеновских лучей.
Астбюри провел эксперимент, который, по его собственному признанию, был одним из самых волнующих в его жизни. Будучи страстным любителем музыки, он сумел раздобыть на время прядь волос Моцарта и снял их рентгенограмму. Расположение белковых молекул в волосах великого композитора ничем не отличалось от их расположений в волосах обычных людей.
Но здесь речь идет только об упорядоченности молекул, причем у организмов одного вида. А что можно сказать о химическом составе сходных белков, например известного всем гемоглобина, у различных биологических видов?
За многие миллионы лет эволюции живого мира в составе идентичных белков произошли определенные изменения. Гемоглобин лошадн, выполняя те же функции, что и гемоглобин человека, несколько отличается от него по своей аминокислотной последовательности. Означает ли это, что у лошади механизм образования гемоглобина, да и любого другого белка иной, чем у человека?
Вопрос можно поставить глубже.
Каким образом происходит снятие копии живого организма? И как клетка делает бел-ки, необходимые дй для нормальной жизни?
Мы видели, что первый $тап этого процесса - редупликация генетического материала клетки, молекул ДНК- Но, спрашивается, зачем это нужно клетке? Зачем ей передавать потомству точную копию своей нуклеиновой кислоты?
Процесс редупликаций генетического материала нельзя отделять от процесса образования дочерней клетки как целого.
Чтобы получилось полноценное потомство, недостаточно просто снять копию с ДНК. Нужно, чтобы дочерняя клетка имела такой же полный запас белков, мембрану, все необходимые клеточные органеллы, как и ее родитель.
В одной клетке кишечной палочки три тысячи типов различных белков. Именно в молекулах ДНК зашифрована вся информация, как их нужно делать. Поэтому-то великое таинство жизни - рождение потомства - и начинается с редупликации ДНК. и передачи копии генофонда "по эстафете", от родителей к детям.
Но генофонд сам по себе, в изоляции, ничего не может сделать. Находясь же в крохотном кусочке живой материи - клетке, он творит чудеса, вернее, клетка, используя генофонд, творит чудо, строя свою полную копию. Клетка "знает", как это делать.
В 1973 году в офисе известного в США журналиста, специализировавшегося на научно-популярных статьях, Д. Рорвика раздался телефонный звонок. Миллионер, имя которого Рорвик обещал держать в тайне, обратился к нему с просьбой, которая вполне могла бы послужить сюжетом научно-фантастического романа. Однако миллионер был полностью в курсе достижений современной молекулярной генетики; и, хотя его разговор с Рорвиком действительно слегка отдает фантастикой, беседа эта явилась еще одним подтверждением колоссальных успехов современной науки.
Миллионер попросил журналиста подыскать ученых, которые бы согласились сделать... его (миллионера) живую копию. Такие ученые нашлись.
За пределами США была создана секретная лаборатория, где в течение двух лет готовились к решающему опыту. Извлеченную из тела миллионера клетку слили в пробирке с яйцеклеткой, ядро которой предварительно разрушили, чтобы остались в "живых" только генетические признаки миллионера. "Оплодотворенную" яйцеклетку имплантировали (ввели) приемной матери, у которой через 9 месяцев родился нормальный ребенок - сын и в то же время брат-близнец миллионера, его абсолютно точная копия.
Эту поразительную историю поведал миру один из научно-популярных журналов. Выдумка это или действительный факт - неизвестно. Ясно лишь одно. В принципе такой эксперимент сделать можно. Современной науке это по плечу.
Не будем останавливаться сейчас на моральных аспектах подобных опытов. Ясно, что возможное "клонирование" людей идет вразрез с тысячелетними этическими нормами человечества. Но этот пример еще раз заставляет нас вернуться к вопросу о том, как клетка строит свою копию.
Процесс этот исключительно сложен. Гораздо легче обсуждать космические явления, образование планет.
Конечно, и здесь есть масса неясных моментов. Но тем не менее физика гораздо более простая наука, чем молекулярная биология. Даже если считать, что современная физика началась с Ньютона, то наука эта весьма преклонного возраста. А молекулярной биологии (будем считать днем ее рождения открытие двойной спирали ДНК) нет еще и тридцати лет.
Физика проста потому, что она имеет дело с малым числом изучаемых объектов. Можно в рамках физических законов описать поведение материальной точки, можно описать взаимодействие двух тел. Знаменитая задача трех тел уже вызывает определенные трудности.
Когда физик хочет описать поведение молекул газа, ему трудно вычислить траекторию каждой отдельно взятой молекулы. В этом случае он пользуется законами статистической физики и описывает поведение коллектива молекул.
А в молекулярной биологии? Нам нужно знать, как ведет себя каждый из трех тысяч белков кишечной палочки, каждый фермент, каждая молекула нуклеиновой кислоты. Причем ясно, что в конечном итоге все процессы в клетке определяются законами физики. Но как с точки зрения физики описать полностью эти процессы, мы пока не знаем.
Сейчас в молекулярной биологии эпоха накопления фактического материала, и попытаемся пока просто на основании имеющихся данных поглядеть, каким же образом клетка печатает свои собственные копии, размножается.
Для этого ей нужно сделать две вещи.
Первое - снабдить потомство информацией о том, что ему надлежит делать в этом мире. Иными словами, передать генофонд, молекулы ДНК.
Второе - взрастить внутри себя полноценного "ребенка", копию. Для этого бактериальная клетка, дерево, животное обязаны уметь синтезировать белки, которые и делают растущий организм жизнеспособным.
Эти процессы идут повсеместно в мире живого. И в обоих этих процессах участвуют белки. Как происходит редупликация ДНК - передача генофонда, говорилось в предыдущей главе. А матричный синтез белков?
Попробуем разобраться в этом отнюдь не простом вопросе. Кстати говоря, совершенно ясно, что живой организм строит белки не только в цикле размножения, но и во время всей своей жизни, например, в процессе роста.
Итак, клетке потребовалось построить какой-либо белок. И вот наша молекулярная фабрика берется за дело. По строгому правилу, которое называется центральной догмой, или центральным постулатом молекулярной биологии, последовательно начинают работать отдельные цехи фабрики.
Что же это такое - центральная догма, сформулированная впервые Ф. Криком?
Догма указывает путь передачи информации в живых системах от ДНК до белка. Она (догма) утверждает, что информация о синтезе белков хранится в ДНК.
Поток информации начинается тогда, когда информация с ДНК "переписывается" на молекулу РНК. Этот процесс называется транскрипцией, а одноцепочечная молекула РНК, которая образуется, как на матрице, на молекуле ДНК, называется матричной, или информационной.
В принципе этот процесс похож на процесс редупликации ДНК, но в случае транскрипции с ДНК считывается лишь определенный, нужный в данный момент клетке участок (ген).
Далее уже на матричной РНК с участием рибосом, определенных ферментов, специальных так называемых транспортных РНК и происходит сборка белковой молекулы. Этот последний этап процесса синтеза белка называется трансляцией.
Центральный постулат утверждает, таким образом, что поток информации во всех живых организмах идет только в одном направлении - от ДНК через РНК к белку. Другими словами, ДНК "знает" о белке все. Белок "не знает" о ДНК и не может повлиять на последовательность нуклеотйдов в ДНК. Более того, если бы нашелся организм, функционирующий по принципу белок - ДНК, это заставило бы нас пересмотреть основные положения молекулярной генетики и биологии.
Казалось бы, все просто: есть матрица, а на ней строится белок. Но простоты здесь нет никакой.
Разберем более подробно, каким же образом происходит синтез белковых молекул.
Так же как и при описаний репликация ДНК, мы постараемся подчеркнуть нерешенные вопросы в процессах матричного синтеза, чтобы сделать более контрастной стержневую идею о глубине разрыва между макромолекулами и функционирующей клеткой.
Сегодня на основании большого числа опытных данных можно считать твердо установленным, что план построения клеточных белков записан в молекуле ДНК.
К такому выводу ученые пришли, конечно, не сразу, хотя проблема передачи наследственной информации возникла еще во времена Ф. Мишера и Г. Менделя.
На рубеже XIX и XX веков лишь отдельные естествоиспытатели понимали всю принципиальную важность и сложность проблемы воспроизведения копии живого организма и передачи наследственной информации.
Работы русского химика профессора А. Колли, выполненные почти столетие назад, показали, что наследственное вещество в бактериальной клетке составляет очень малую часть от общего числа молекул в ней.
И данные Колли натолкнули академика Н. Кольцова на идею о матричном синтезе белков. Однако Кольцов представлял себе поток информации в виде схемы белок - белок. Он думал, что "каждая белковая молекула возникает из белковой молекулы путем кристаллизации вокруг нее находящихся в растворе аминокислот и других белковых обломков".
Весь процесс построения белка, как мы сейчас знаем, происходит не так и гораздо сложнее, но идея матричного синтеза, впервые высказанная Кольцовым в двадцатых годах нашего века, оказала неоценимое влияние на все последующее развитие молекулярной биологии.
Если отвлечься на время от химических аспектов взаимодействия аминокислот с РНК, то проблему генетического кода можно рассматривать просто как проблему перевода текста с одного алфавита на другой.
Молекулу белка можно представить себе как фразу с определенным смыслом. Ну, например, "Яумеюпомогатьорганизмувперевариваниипищи". Не очень длинная фраза, не очень сложный белок - всего 40 аминокислотных остатков. Каждая буква в этой фразе - аминокислота. Но только в отличие от русского алфавита в аминокислотном языке всего двадцать букв. Стоит переставить местами несколько букв во фразе, и она потеряет смысл.
Стоит переставить аминокислоты, и молекула белка тоже "потеряет смысл" - не сможет выполнять свою функцию: помогать в переваривании пищи.
Молекула ДНК тоже текст. Но текст, в алфавите которого используется лишь четыре буквы. В мире живого белковый текст кодируется нуклеиновым. А что такое кодирование?
Если заданная последовательность нуклеотидов в нуклеиновой кислоте полностью определяет последовательность аминокислот в белке, то мы говорим, что нуклеиновый текст кодирует текст белка.
Как же составляются слова из четырех букв нуклеинового текста? Совершенно ясно, что кодировать одну букву - аминокислоту должны какие-то комбинации из четырех букв - нуклеотидов. Это очевидно, так как четыре нуклеиновых основания, взятые каждое в отдельности, могут определить положение только четырех аминокислот в белковой молекуле. Ну а если брать пары оснований? Нетрудно видеть, что тогда можно кодировать 42, или 16 аминокислот. А если брать тройки, или, как говорят еще, триплеты? Тогда 43, или 64, поскольку число комбинаций из четырех букв по три равно 43.