Текст книги "Десять великих идей науки. Как устроен наш мир."

Автор книги: Питер Эткинз (Эткинс)

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 31 страниц)

Рабочими пчелами в улье из клеток-ячеек, который представляет собой живой организм, являются белки. Белки могут быть структурными, как в мускулах, хрящах, копытах, когтях и волосах, или могут быть функциональными, как в гемоглобине и бесчисленных ферментах, контролирующих процессы, образующие состояние «быть живым». Спецификация белков есть центральная функция наследственности, так что мы можем быть уверенными, что ДНК есть некий вид проекта или рецепта наших белков. Это подтверждено экспериментально, поскольку изменения ДНК влекут изменения белков. Чаще всего такие изменения приводят к плохому функционированию белков, которое мы называем болезнью. Но иногда они благоприятны, и в этом случае болезнь получает повышение до статуса эволюции.

Как мы уже упоминали, белки представляют собой нити маленьких молекул, называемых «аминокислотами» и имеющих базовую структуру, показанную на рис. 2.10. Более формально мы говорим, что белок есть полипептид, и типичные белки являются полипептидами, состоящими примерно из ста единиц аминокислот (в структурных белках это число может достигать тысяч). Полная экипировка человеческого тела, около 30 тысяч различных белков, сконструирована ровно из двадцати аминокислот, так что молекула ДНК должна определять последовательность, в которой эти двадцать аминокислот связываются вместе. Между прочим, здесь может найтись место для усовершенствований. Хотя организмы построены из этих двадцати компонент, существует бесконечное количество других аминокислот, и если бы Природа захотела расширить свой репертуар (как, возможно, она уже сделала на других планетах), она могла бы расчистить место для других аминокислот. Жизнь на других планетах вполне может быть построена из иных аминокислот, и нам придется быть осторожными в еде, когда мы туда попадем. Природа и в самом деле готовится к экспансии на Земле, поскольку двадцать первая аминокислота, селеноцистеин, в которой атом селена замещает атом меди, вдруг оказалась необходимой для некоторых ферментов, помогающих защищать клетки от наиболее опасного элемента, кислорода. Если бы вы прочли об этом, находясь на севере Центрального Китая, вы могли бы встревожиться, поскольку почва там содержит необычно мало селена, и вы рискуете получить синдром Кашина-Бека, который проявляется в проблемах с мускулами.

Рис. 2.10.Белок строится из аминокислот, каждая из которых имеет структуру, изображенную слева на этой иллюстрации. Серый эллипс различен для разных случаев, но все аминокислоты, фигурирующие в биологии, имеют общую схему. Когда две аминокислоты связываются вместе, атом углерода в группе -COOH (в правой части молекулы) прикрепляется к атому азота (в левой части молекулы). Множество аминокислот соединяются вместе так, чтобы образовать длинную цепь, как показывает структура справа. Вообще такая цепь называется полипептидом, а цепь из двух связанных аминокислот – дипептидом. Группа -CONH-, отмеченная затененной плоскостью в цепи, является пептидной связью. Мы говорим, что один пептидный «радикал» (остаток молекулы аминокислоты) связан с другим радикалом пептидной связью. Длинная цепь обычно скручивается в спирали, как можно видеть на фрагменте гемоглобина, изображенном на заднем плане, где спирали в виде лент изображают полипептидные цепи.

Поскольку молекула ДНК состоит из последовательности нуклеотидов A, C, G и T, естественно предположить, что они являются «буквами», из которых комбинируются «слова», кодоны, определяющие последовательность, в которой должны связываться аминокислоты. Поскольку есть только четыре буквы, а нам нужно определить двадцать аминокислот, вместе с указаниями, где им начинаться и кончаться, этот код, очевидно, не может быть ни однобуквенным, ни двухбуквенным. Однобуквенный код может идентифицировать только четыре аминокислоты, а двухбуквенный код способен идентифицировать только шестнадцать. Трехбуквенным кодом, в котором ACG обозначает одну аминокислоту, CAT другую, и т.д., можно определить 4 ³=64 аминокислоты и знака пунктуации, что более чем достаточно. Подозревая Природу в естественной скупости (то есть в бессознательном, но эффективном использовании скудных ресурсов и в бессознательном, но эффективном избегании излишних затрат энергии), мы можем ожидать, что генетический код является триплетным кодом, кодом, основанным на трехбуквенных кодонах. Нет никаких априорных оснований для того, чтобы отвергнуть переменный код, в котором две буквы означают одни аминокислоты, три – другие и так далее; но Природа не приняла это неэлегантное решение, и проявила милосердие к ранним исследователям, вознамерившимся взломать генетический код, когда оказалось, что у них нет необходимости исследовать этот тупик. Одно из преимуществ триплетного кода состоит в том, что он позволяет Природе расширять свой репертуар, используя некоторую избыточность кода для кодирования новых аминокислот. Это уже дает намек на способ, которым может развиваться такое расширение. Как мы только что видели, иногда появляется двадцать первая аминокислота, селеноцистеин: триплетным кодом для этой аминокислоты является TGA. Он же используется как сигнал остановки и меняет свою функцию в зависимости от наличия селена. Если селен доступен, TGA говорит «даешь селеноцистеин», если нет, TGA командует «стоп машина, хватит строить этот белок».

Взломщики кодов все же исследовали тупиковые пути, иногда с большой элегантностью, но делали это в манере Аристотеля, сидя в кресле. Эксперимент вмешался снова и показал, что Природа не принимает наиболее элегантные, экономные схемы, которые выбрали бы люди, если бы власть была у них. Генетический код казался кодом, о котором взломщики кодов всегда мечтали, поскольку символов было так мало (четыре), а зашифрован был не приказ о наступлении, а всего лишь одна из приблизительно двадцати возможностей. В то время, в 1953 г., данных почти не было, ибо никто не знал ни одной нуклеотидной последовательности ДНК, а известные последовательности аминокислот в белках были известны весьма приблизительно: Фредерик Сэнгер (р. 1918) был близок к завершению своей дешифровки белка инсулина (которую он закончил в 1955 г.), но это было почти все. Открылось множество возможностей для неограниченного воображения.

Русский физик Георгий Гамов (1904-1968) бесспорно обладал неограниченным воображением, поскольку он инициировал теорию происхождения Вселенной в результате Большого Взрыва и придумал теорию происхождения элементарных частиц. Он интересовался всем, и вполне естественно, что его внимание привлекла самая животрепещущая проблема 50-х, генетический код. Гамов выдвинул блистательную идею: белки растут на внешней стороне двойной спирали в ромбоидальных полостях, расположенных в желобках спирали. Эти полости образованы четырьмя нуклеотидными основаниями, два из одной нити, на вершине и на дне ромба, а в двух других углах основание из той же нити и его партнер из другой. Это остроумное решение дает триплетный код, даже несмотря на то, что в него входят четыре нуклеотида, потому что два последних (пара комплементарных оснований, например, А…T) считаются за одну букву (ведь если одним основанием является А, то другим непременно будет T). Затем он представил себе, что аминокислоты располагаются в соответствующих им нишах, а пробегающие мимо ферменты скрепляют их вместе. Далее он предположил, что ромбы, связанные закручиванием горизонтально или вертикально, кодируют одну и ту же аминокислоту, и в результате остается только двадцать различных кодонов, как раз то число, которое, как он полагал, было необходимо. Изобретательность, однако, в этом случае заставила сделать ложный шаг, здесь не хватало избыточности и не было места для кодонов запуска и остановки. С оптимизмом, который порождается энтузиазмом, с оптимизмом, произошедшим из энтузиазма, Гамов думал, что он, видимо, нашел путь к решению проблемы.

Ромбический код Гамова обладает еще одним особым свойством: он является перекрывающимся кодом, в том смысле, что каждое нуклеотидное основание входит одновременно в три кодона. Так, последовательность AGTCTTG состоит из кодонов AGTCTTG, A GTCTTG, AG TCTTG, AGT CTTG и AGTC TTG. Перекрывающийся код очень эффективен и компактен, что, казалось бы, делает его для Природы привлекательным кандидатом на занятие должности. У Природы, однако, были иные идеи. Одна из проблем, создаваемых перекрывающимся кодом, состоит в том, что многие аминокислотные последовательности оказываются вне игры. Например, предположим, что мы хотим закодировать дипептид, очень маленький белок, состоящий из двух аминокислот. Его образцом является заменитель сахара аспартам, комбинация слегка модифицированных форм двух аминокислот, аспарагиновой кислоты и фенилаланина. Поскольку существуют двадцать естественно образующихся аминокислот, существует 20×20=400 возможных дипептидов. Чтобы закодировать две аминокислоты перекрывающимся кодом, необходимы четыре основания, например, CCGA, чтобы получить CCGA для аминокислоты пролина (которую означает данный триплет) и C CGAдля аргинина. Но существует всего 4×4×4×4=256 возможных комбинаций из четырех нуклеотидных оснований, поэтому многие дипептиды не могут быть закодированы (аспартам является одним из них). Однако эти запрещенные комбинации начинают обнаруживать, а это показывает, что Природа не использует элегантность перекрывающегося кода: она требует большей гибкости для своих действий в непрекращающейся взыскательной игре эволюции. Сидни Бреннер (р. 1927) осуществил исчерпывающий анализ этой проблемы: он показал, что все возможные перекрывающиеся коды не совместимы с известными последовательностями аминокислот. Другим, даже более заметным гвоздем в этом, теперь уже плотно заколоченном, гробу явился тот факт, что изменение одной буквы может изменить состав белка сразу на три аминокислоты. Действительно, если бы цепочка AGTCTTG подверглась мутации AGGCTTG, то она состояла бы из кодонов AGGCTTG, A GGCTTG, AG GCTTG и так далее, возможно, со зловещими последствиями для белка и организма, который часто не может пережить замены даже одного основания.

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 чтениемкода 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 (СН ₃) 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 антикодонаявляется 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 крепленияна 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.

Рис. 2.14.Молекула транспортной РНК (тРНК). Биологические молекулы столь сложны, что, в зависимости от черт, которые мы намереваемся отобразить, приходится пользоваться для их описания различными представлениями. Слева мы видим схематический план расположения оснований (квадраты) и общую форму молекулы. Антикодон является частью, которая служит для определения последовательности кодонов в информационной РНК, а соответствующая аминокислота прикрепляется к месту, показанному на схеме. Вторая иллюстрация демонстрирует индивидуальные связи в реальной молекуле тРНК (это РНК дрожжей фенилаланина). Чтобы дать более полное представление, на третьей схеме показан скелет ее структуры, наложенный на структуру связей. Наконец, на четвертой схеме показаны все атомы и дается представление об объемном заполнении формы молекулы, но детали нам (но не другим молекулам) различить трудно.

Теперь мы можем посмотреть, что происходит в цитоплазме, когда рибосома захватывает кусочек иРНК. Рибосома задерживается у первого кодона, и различные молекулы тРНК пытают счастья, но не прилепляются из-за того, что их антикодоны оказываются неподходящими (рис. 2.15). Затем подходит молекула тРНК с антикодоном для GUU и валином, прилепленным к ее месту крепления. Она приклеивается и дает возможность рибосоме передвинуться к следующему кодону, который может оказаться AGC. В свой черед мимо проплывает тРНК с антикодоном для AGC, неся молекулу серина, которую она захватила, столкнувшись с нею где-то в цитоплазме. Антикодон сцепляется с кодоном, располагая свою молекулу серина рядом с молекулой валина; фермент отрывает валин от его тРНК и прикрепляет к молекуле серина, формируя дипептид валин-серин, а освобожденная первая тРНК потихоньку отбывает в раствор для бессознательного поиска следующего валина. Теперь рибосома проскакивает к следующему кодону, и процесс повторяется. Постепенно цепочка белка растет и исходная информация, записанная в ДНК ядра, превращается в настоящий белок. Жизнь продолжается.

Рис. 2.15.Синтез белка, управляемый информационной РНК (иРНК, отрезок букв на печатной ленте), и действие транспортной РНК (тРНК). Это действие происходит внутри рибосомы, которая здесь не показана. Молекула тРНК с антикодоном CAA, несущая молекулу валина, подплывает к кодоновой последовательности GUU. Вскоре другая тРНК, на этот раз с антикодоном UCG и нагруженная молекулой серина, подходит и опускается на свой кодон, представляющий последовательность AGC. Затем молекулам валина и серина присоединяются ферменты, создавая дипептид валин-серин, отработавшая тРНК с кодоном CAA отплывает куда-то на поиски другой молекулы валина, а рибосома передвигается к следующему кодону и ожидает прибытия подходящей молекулы тРНК и ее аминокислоту. Таким образом полипептидная цепь растет, следуя порядку, определяемому иРНК.

Теперь мы можем подвести следующий итог сказанному. Центральная догмагенетики гласит: поток информации и активности течет по пути ДНК → РНК → белок. Лишь в очень редких случаях (как мы увидим позднее) информация течет от РНК к ДНК. Предполагаемая неспособность белка влиять на ДНК согласуется с тем, что ламаркианское наследование приобретенных признаков (о которой шла речь в главе 1) не соответствует действительности.

Теперь, по-видимому, становится очевидной неоценимая важность раскрытия структуры ДНК, но существует еще множество ответвлений, которых нам также следовало бы коснуться. Я говорю «ответвления», но на самом деле это горы вопросов, на решении которых сегодня сосредоточены усилия многих ученых, это безграничный мир современных исследований.

Во-первых, структура ДНК связана с обсуждавшейся в главе 1 эволюцией в качестве ее молекулярного базиса. Воспроизведение и запись никогда не бывают совершенными: даже нуклеотиды и аминокислоты делают ошибки при группировании вслепую, в соответствии с формой и электрическим зарядом, прикрепляясь наилучшим из возможных способов, но иногда оказываясь в неправильном положении. Они не способны исправить ошибку, пока не будут перемещены в другое положение в момент приближения или формирования новой связи. ДНК может неверно воспроизвестись при создании следующего поколения, молекула иРНК может ошибиться при считывании ДНК, молекула тРНК может приклеиться не к тому кодону, и даже правильно прикрепленная тРНК может нести не ту аминокислоту. Однако все эти ошибки, за исключением первой, преходящи, они влияют на клетку, но не на тело в целом. Только первая, называемая соматической мутацией, влияет на все тело, ибо неверный шаг на раннем этапе развития организма будет воспроизводиться и воспроизводиться, пока не наполнит его целиком. Когда происходит мейоз и образуются гаметы, мутировавшая ДНК входит в зародыши потомства и готова к тому, чтобы быть переданной этому хитроумно устроенному способу расширения тела, следующему поколению. Такой тип мутации называется герминативной мутацией.

Ясно, что воспроизведение это опасный бизнес, в нем можно сделать так много неверных шагов. Можно быть уверенным, что этот процесс обладает значительной устойчивостью, что мутации возникают нечасто, иначе нас тут не было бы. Конечно, в один прекрасный день нас (нашего вида) и не будет. Одной из причин долговечности ДНК является то, что каждая клетка имеет изощренные полицейскую и ремонтную службы, которые идентифицируют мутации и исправляют их. Другая причина в том, что ДНК содержит много мусора, участков, называемых интронами, которые просто вышли погулять и ничего не кодируют (не «символизируют»). Части ДНК, имеющие серьезные намерения, участки с активными кодами, называются эксонами. Если мутация происходит в интроне, это не имеет последствий для организма, так как данный генетический материал не символизирует белка. Огромная доля нашей ДНК является интронным мусором, поскольку Природа в своей, как говорят, элегантной и экономичной, а на самом деле неряшливой манере не обременяет себя подметанием ставшего ненужным мусора, а просто тащит его через поколения. Это довольно странно, поскольку означает, что огромная часть точнейшего ресурса и энергии уходит на распространение бесполезных вещей. Возможно, мусор имеет функцию, о которой мы пока не знаем. Возможно, это совершенный способ обеспечения передачи через поколения информации, никогда себя не проявляющей, чтобы не подвергать риску сопутствующую явную активность. Мусор в ДНК может быть чистой, вечной, невыразимой информацией, не имеющей другой цели, кроме бесцельного существования. Эта бесцельная часть ДНК ведет роскошную жизнь, поскольку 98 процентов ДНК, которую мы таскаем в себе, является мусором, и лишь 2 процента приносят пользу, кодируя белки.

Легко вообразить себе разнообразие мутаций ДНК. Мутация подстановки основанияпредставляет собой замену одного основания другим. Некоторые подстановки основания являются молчащими, в том смысле, что мутировавший кодон кодируется, теми же основаниями, что и первоначальный, так что это не влияет на результирующий белок. Однако другие подстановки основания могут изменить послание, и серьезность последствий зависит от того, в какой степени замещающая аминокислота в результирующем белке отличается от первоначальной. Мутации добавленияи уничтожениясостоят в добавлении или уничтожении пары оснований: они могут нарушать интерпретацию ДНК, потому что вместо …ATGGTCT…, читаемого как …(ATG)(GTC)(T…, уничтожение второго T приводит к тому, что послание читается как …(ATG)(GCT)(…, и с этого места белок может строиться совсем по-другому и функционировать неправильно. С другой стороны, он может сделать более прочными челюсти гепарда или более чувствительными органы обоняния оленя.

Мутации могут быть спонтанными или индуцированными. Спонтанные мутации происходят с постоянной скоростью и образуют «молекулярные генетические часы», которые постоянно отсчитывают время в биосфеpe. Скорость мутаций данного гена приблизительно постоянна, поэтому регистрируя число аминокислот, которыми различаются друг от друга два вида, мы можем судить о времени, прошедшем с тех пор, как они отделилась от общего предка. Именно этот род информации мы имели в виду в главе 1, когда отмечали, что эволюция предсказуема, поскольку не было ни одного случая, когда информация этого рода пришла бы в конфликт с информацией о последовательности видов. Молекулярные часы также дают количественное подкрепление кладистическим диаграммам поколений подобным фрагменту на рис.  1.2), добавляя к ним шкалу времени. Кроме того, мутации могут быть индуцированы вышедшими из-под контроля воздействиями окружающей среды, такими, как облучение ядерной и ультрафиолетовой радиацией, попадание в организм химикалий и окисление опасными кислородсодержащими веществами, такими, как свободные радикалы (молекулы кислорода с дополнительным электроном): такова плата за использование кислорода и борьбу за долголетие.

Хотя центральная догма утверждает, что поток информации течет от ДНК через РНК к белкам, мы отмечали, что существуют исключения. Ретровирусысостоят из молекулы РНК, имеющей одну нить, которая для воспроизведения себя обычно использует имеющую две нити молекулу ДНК своего хозяина. Вирус иммунодефицита человека (ВИЧ), вирус, вызывающий синдром приобретенного иммунного дефицита (СПИД), является ретровирусом: он атакует иммунную систему и открывает тело для неподконтрольных инфекций. Этот вирус выделили в 1983 г. Люк Монтанье в институте Пастера в Париже, Роберт Галло в Национальном институте рака в США и Джей Леви в университете Калифорнии в Сан-Франциско. Вирус ВИЧ прикрепляется к Т-лимфоцитам, белым кровяным тельцам определенного типа, которые содержат свою РНК и фермент, называемый обратной транскриптазой. Эти молекулы попадают в окрестность молекулы ДНК в хромосоме, и фермент синтезирует ДНК-версию вирусной РНК и копию этой вновь образованной ДНК. На этой стадии возникает версия вирусной РНК в виде ДНК из двух нитей. Эта ДНК встраивается в ДНК хозяина, а затем из новой ДНК с помощью репликаторного механизма клетки синтезируется вирусная иРНК. Теперь вирусная иРНК интерпретируется так, что производит белки, необходимые для построения большего количества вирусных частиц. Эти частицы потом отпочковываются от клетки, используя часть стенки клетки как свою защитную мембрану. Такой процесс уничтожает оболочку лимфоцита и неизбежно убивает его, уменьшая возможности организма сопротивляться атакам других инфекций. Считается, что ретровирусы также являются возбудителями различных видов рака, включая некоторые виды, обнаруживаемые у человека.

Рестриктивный фермент– это фермент, вырабатываемый разными видами бактерий, который способен опознавать частные последовательности нуклеотидных оснований в молекуле ДНК и перерезать ее в этом месте. Фрагменты ДНК, произведенные таким способом, могут соединяться вместе с ферментом, называемым лигазой. Кусочки ДНК, которые могут воспроизводиться независимо от ДНК клеток хозяина, в которых они выросли, называются векторами;они включают плазмиды, круглые молекулы ДНК, обнаруживаемые в бактериях. Молекулы векторов, которые имеют встроенные секции ДНК, называются рекомбинантамиДНК. Эти векторы производят множество копий частных кусочков ДНК, умножая исходный материал и продуцируя большое количество клоновДНК. Поселенцы колонии, сформированной таким способом, могут быть желанным приобретением, как в производстве продукта генетической инженерии инсулина, или – как при генной терапии – могут быть возвращены в исходный организм.

Более современные методы изменения ДНК включают прямую технику микроинъекции, в которой генетический материал, содержащий новые гены, вводится в клетки реципиента посредством стеклянной иглы с тонким концом. Клетка после этого выглядит как своя собственная (или, по крайней мере, как чужая собственная) и создает механизм, с помощью которого безотказно снабжает генами ядра клеток хозяина и встраивает эти гены в них. Гены также можно встраивать, создавая поры в мембране клетки и предоставляя входящим генам возможность искать собственный путь внутрь. В химическом порообразованииклетки погружают в раствор специальных химикалий; в электропорообразованииклетки подвергают действию слабого электрического тока. Если вы полагаете, что эти техники слишком уж рафинированы, вы можете прибегнуть к биобаллистике, в которой маленькие осколки металла одевают в генетический материал и затем просто выстреливают в клетку. Тут мне вспоминается сцена в одном из фильмов про Индиану Джонса, где, после того как его оппонент продемонстрировал замечательно отработанные приемы традиционного фехтования, Джонс случайно выстрелил в него.