Триплет оснований, кодирующий одну аминокислоту, называется кодовым словом, или кодоном. Поскольку триплетов 64, а организм использует для построения белков всего двадцать аминокислот, то среди триплетов есть и бессмысленные кодоны, то есть кодоны, которые не кодируют никакой аминокислоты.
Вот мы и подошли к самому главному. Существуют ли какие-либо данные, свидетельствующие о том, что код изменяется при переходе от низших форм к высшим?
Для выяснения этого вопроса были проведены тщательные исследования. Их цель состояла в том, чтобы посмотреть, какую аминокислоту кодирует тринуклеотид, выделенный, к примеру, из кишечной палочки, из печени морской свинки, из тканей позвоночных, в том числе и человека.
Так вот оказалось, что если взять, к примеру, тринуклеотид УУУ (подряд три урацила), то из какого организма мы ни взяли бы этот триплет, он всегда кодирует аминокислоту фенилаланин. Этот и многие другие эксперименты доказали, что генетический код универсален.
Правда, из этого правила есть два важных исключения.
Совсем недавно в журнале "Nature" появилось сообщение, что ДНК митохондрий и ядерная ДНК клеток высших организмов по-разному кодируют одну и ту же аминокислоту - метионин. Еще раньше было выяснено, что у кишечной палочки кодон УГА, состоящий из урацила, гуанина и аденнна, бессмысленный. В то же время у позвоночных, скажем у морской свинки, он соответствует аминокислоте цистеину.
Эти два важных отклонения от универсальности кода, бесспорно, требуют объяснения. И сегодня принято говорить о коде уже более сдержанно: код практически универсален.
Из палеобиологических данных известно, что вся дарвиновская эволюция насчитывает около 3,5 миллиарда лет и, по-видимому, за это время не произошло принципиальных (существенных) изменений в механизме матричного синтеза, поскольку генетический код практически универсален у всех организмов. На возникновение же самого механизма синтеза и кода остается промежуток времени меньше чем один миллиард лет, если исходить из данных о строении и эволюции планет солнечной системы.
Это кажется удивительным, так как в генетическом плане разница между человеком и бактерией существенно меньше, чем разница между неорганизованным набором макромолекул, составляющих клетку, и самой клеткой. На этот факт до сих пор обращалось недостаточное внимание, а ведь именно изучение эволюции матричного синтеза белков необходимо для решения, или, быть может, поиска подходов к решению загадки возникновения жизни.
Итак, последовательность оснований некоторого участка ДНК, на котором записан нуклеотидным языком порядок аминокислот какого-либо белка (ген), служит матрицей для синтеза молекул одноцепочечной рибонуклеиновой кислоты. Этот процесс (транскрипция) в принципе сходен с образованием реплики ДНК, и, значит, последовательность оснований в синтезируемой РНК комплементарна (с заменой тимина на урацил) последовательности оснований участка ДНК, на котором произошел синтез матричной, иначе информационной, РНК (мРНК).
Особо отметим, что весь процесс транскрипции идет в присутствии специальных ферментов: синтетаз, репликаз, полимераз. Матричной эту РНК называют потому, что на ней, как на матрице, синтезируется белок, а информационной потому, что она несет информацию об аминокислотной последовательности синтезируемого белка.
Следующий этап - перенос мРНК на рибосомы - клеточные органеллы в цитоплазме клетки, именно здесь непосредственно синтезируются белки. Этот последний этап образования белка называется трансляцией.
В начале процесса трансляции при помощи специальных ферментов-синтетаз аминокислоты переводятся в высокореакционную форму, происходит так называемое активирование. После этого опять-таки при участии ферментов каждая активированная аминокислота соединяется с молекулой специфической для нее транспортной рибонуклеиновой кислоты (тРНК). Молекула транспортной РНК значительно меньше молекулы информационной РНК- Молекулярный вес мРНК около 106, в то время как молекулярный вес транспортных РНК всего 104.
В клетке существует более 20 типов транспортных РНК, то есть несколько типов могут соответствовать одной и той же аминокислоте. В одном из участков цепи тРНК расположен антикодон, то есть группа из трех оснований, узнающая кодон (соответствующие три основания) на мРНК. Во время синтеза белка рибосома, кодон мРНК и антикодон тРНК, нагруженный аминокислотой, объединяются. Рядом с этим комплексом на мРНК располагается другой комплекс тРНК-аминокислота, и происходит реакция поликонденсации, объединения двух аминокислот в дипептид при участии ферментов. Эти две аминокислоты остаются связанными через карбоксильную группу со второй молекулой тРНК, первая молекула тРНК покидает рибосому, а сама рибосома сдвигается на один щаг по молекуле мРНК. После этого с комплексом дипептид - тРНК объединяется следующая тРНК с аминокислотой, образуется трипептид и так далее.
Сейчас мы посмотрели на "крупномасштабную" картину матричного синтеза белка, на эту идеально отлаженную машину мира живой материи. Вроде бы все не очень сложно. В двойной спирали есть ген. Этот ген переписывается на молекулу РНК, а далее на ней строится белок.
Бее по школьным учебникам идет именно так. Ну а если вглядеться в эту картину более пристально?
Итак, первая ступень кодирования - транскрипция.
Что нужно клетке, чтобы выполнить задачу образования "оттиска" гена мРНК? Совсем немного. Для начала расплести двойную спираль ДНК, затем подтащить к одной из расплетенных нитей необходимые нуклеиновые основания и сделать оттиск, реплику с гена. Все, молекула мРНК готова отправиться из ядра клетки к рибосомам, Но подождите. Ведь и для расплетания спирали ДНК И для синтеза РНК нужны ферменты. Конечно, нужны.
"Как же так, - спросит читатель, - структура этих ферментов тоже определяется каким-нибудь геном?"
Разумеется, последовательность аминокислот любого клеточного белка записана в ДНК. На этом правиле зиждется вся современная молекулярная биология.
Итак, чтобы "запустить" процесс транскрипции, клетке нужны определенные белки: репликазы и синтетазы.
Но ведь эти белки клетка должна сначала построить сама. Она их не может получить непосредственно из пищи.
Следовательно, для образования синтетазы клетке нужна та же самая синтетаза.
Какой-то начальный запас синтетаз клетка передаст потомству при своем делении, а дальше уже потомок будет работать сам. У него есть родительские синтетазы и репликазы, а он сможет "запустить" свой матричный синтез. По мере развития потомки "наработают" некий резерв синтетаз и передадут его своим потомкам. Ну как, решает такая схема задачу, откуда берутся репликазы и синтетазы?
Нет, конечно, и вот почему. Эта схема - "вечный двигатель". В ней есть "вечные" инструкции, "вечные" гены синтетаз и репликаз, передающиеся в течение миллиардов лет из поколения в поколение. А мы ведь хотим разобраться в происхождении жизни, то есть в процессе, эволюционном, меняющемся во времени.
Итак, первый вопрос: как возникли гены?
Но вернемся к процессу трансляции. И здесь ключевую роль играют специальные ферменты, способные "выбирать" из смеси определенную аминокислоту для присоединения к соответствующей тРНК- Но ведь структура этого фермента, в свою очередь, определяется (как структура любого белка) последовательностью оснований на некотором участке ДНК? Да, мы опять встретились с той же ситуацией вечного двигателя.
На заключительной стадии синтеза белка на сцене появляются рибосомы и тРНК, структура которых, в свою очередь, определяется некоторым участком ДНК.
Мы видим в этой схеме неразрешимый в эволюционном плане парадокс. Его можно назвать парадоксом курицы и яйца (что было раньше, курица или яйцо) на молекулярном уровне.
Действительно, для синтеза какого-либо белка необходимо несколько специальных ферментов. Но для синтеза любого фермента нужен другой такой же фермент и так далее. Приходится признать, что эта схема не может удовлетворительно объяснить возникновение процесса матричного синтеза, так как получается замкнутый круг, и мы снова и снова приходим к вопросу о том, как возникли гены.
Но только ли этот вопрос встает перед нами? Отнюдь нет. Давайте еще раз присмотримся к различным этапам работы молекулярных машин.
Итак, матричная РНК синтезируется на одной из цепей дезоксирибонуклеиновой кислоты, отправляется к рибосомам и соединяется с ними. Как это происходит?
Каким образом матричная РНК попадает на рибосомы?
Здесь, по всей видимости, имеет место некоторая специфичность механизмов связывания мРНК с рибосомами, взаимного химического узнавания. Ну а транспорт тРНК к рибосомам идет главным образом за счет беспорядочных, случайных движений, диффузии молекулы в клетке. На примере тРНК биофизики показали, что механизм диффузии в состоянии объяснить наблюдаемые скорости синтеза.
Нужно сказать, что современное представление о роли тРНК выработалось не сразу и первоначально основная роль отводилась мРНК как непосредственной матрице для синтеза. Казалось, что пространственные химические связи, или, как говорят химики, стереохимическое соответствие между кодоном и аминокислотой, решают вопрос об аминокислотной последовательности белка.
Адапторная гипотеза Крика явилась первым этапом на пути к выяснению истинной роли тРНК в процессе матричного синтеза. Крик предположил, что аминокислота взаимодействует с матричной РНК не непосредственно, а при помощи некоторых малых молекул, которые он предложил называть адаптерами. Он считал, что адаптеры представляют собой тринуклеотиды, с которыми аминокислота соединяется при помощи ферментативного механизма. (Трудно переоценить роль Ф. Крика в развитии современной молекулярной биологии. Порой кажется, что большая часть принципиальных идей в этой науке была выдвинута именно им.)
Сейчас ясно, что адаптеры - это не что иное, как транспортные РНК, которые переносят активированные аминокислоты на рибонуклеиновую матрицу и рибосому.
Адаптером транспортная РНК названа потому, что она обеспечивает возможность специфического взаимодействия между аминокислотой и матричной РНК.
Основным свойством, определяющим дальнейший механизм сборки аминокислот, является специфическое взаимодействие транспортной и матричной РНК. Аминокислота, связанная с транспортной РНК, уже никак не влияет на дальнейший механизм синтеза. Все последующие процессы определяются только взаимодействием антикодона транспортной РНК, кодона информационной РНК и рибосомы.
Для проверки этого положения были проведены эксперименты, в процессе которых удалось включить в белод неприродную аминокислоту, соединив ее ферментативно с транспортной РНК. Связывание антикодона с кодоном неферментативный процесс. Он определяется тем же правилом спаривания оснований, правилом Чаргаффа, о котором мы уже говорили. Именно после соединения антикодона с кодоном и начинается последовательная сборка полипептидной цепочки.
Кстати, стоит сказать еще несколько слов о правиле Чаргаффа и о самом Чаргаффе. Биохимик из Колумбийского университета, австриец по происхождению Э. Чаргафф и его ученики еще со времен второй мировой войны изучали соотношение различных нуклеиновых оснований в разных препаратах ДНК. Установив количественно свое знаменитое правило, Чаргафф не дал ему никакого объяснения, хотя, имея в руках подобный материал, именно он, а не Уотсон с Криком, находился ближе всего к -открытию структуры двойной спирали.
Более того, как пишет Уотсон, Чаргафф с нескрываемым презрением относился к их попыткам раскрыть структуру ДНК. И когда наконец весь мир признал великое открытие Уотсона и Крика, лишь один Чаргафф продолжал относиться к нему весьма скептически.
Но вернемся к нашему молекулярному "конвейеру".
Для нормальной работы любой машины, в том числе и молекулярной машины клетки, необходимы команды на включение определенных механизмов. Действительно, откуда клетке знать, что пришла пора синтезировать тот или иной белок? Как клетка узнает, что надо прекратить считывание определенного участка ДНК?
С какого участка начать считывание? Ведь хорошо известно, что молекулы ДНК, РНК и белков существенно различаются по своей длине. Короткие пептиды-белки содержат иногда десятки аминокислотных остатков, а молекула ДНК - миллионы нуклеотидов. Матричная РНК - тысячи.
Молекула мРНК является копией, репликой только одного участка ДНК, соответствующей инструкции для построения одного белка. Это обстоятельство наталкивает нас на мысль, что в молекуле ДНК какие-то факторы должны определять, где начнется и где кончится синтез матричной РНК. В свою очередь, в молекуле матричной РНК что-то должно определять начало и конец синтеза белковой молекулы. Говоря другими словами, если молекула белка фраза, то она должна начинаться после точки с большой буквы и должна кончаться точкой. Выяснение природы сигналов или команд на начало и конец процесса и составляет проблему "пунктуации кода".
Но мы не будем заниматься сейчас этой специальной и очень непростой задачей. Отметим лишь, что и на этапе начала синтеза, и на этапе его окончания обязательно присутствие нескольких специализированных белков.
Весьма беглый обзор проблемы матричного синтеза белка, приведенный выше, позволяет нам поставить ряд принципиальных вопросов.
Совершенно ясно, что какой бы этап репликации генетического материала или синтеза белка мы ни взяли, необходимым звеном в этом этапе являются весьма специализированные ферменты. Их можно назвать операторными, сигнальными, управляющими белками в широком смысле этого слова. В рамках центральной догмы биологии появление этих ферментов объяснить невозможно.