Текст книги "Беседы о жизни"

Автор книги: Станислав Галактионов

Соавторы: Григорий Никифорович
сообщить о нарушении

Текущая страница: 2 (всего у книги 13 страниц)

Процесс копирования последовательности ДНК в молекулах РНК принято называть транскрипцией. С принципиальной точки зрения он наименее интересен; если следовать сухой инженерной логике, кажется, что можно обойтись и без него. И в самом деле, есть вирусы, обходящиеся только одним видом нуклеиновых кислот – РНК.

Зато очень важен следующий этап преобразования наследственной информации: РНК ― белок. Если в случае транскрипции речь идет о простом ее переписывании, то здесь более уместно было бы говорить о переводе.

И ДНК и РНК образованы четырьмя типами нуклеотидов, причем для обеих молекул их строение довольно схоже. Следующей же формой записи наследственной информации оказываются молекулы белка – полимера, цепочка которого образована двадцатью различными типами элементарных звеньев.

Молекула белка строится из аминокислот, химических соединений сравнительно простой структуры:

причем все различие между отдельными аминокислотами заключается в строении так называемого бокового радикала R.

Химические формулы аминокислот мы приводить не будем, а вот названия на всякий случай перечислим:

глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин

серин, треонин, пролин, метионин, цистеин

аргинин, лизин, фенилаланин, тирозин, гистидин

триптофан, аспарагин, аспарагиновая кислота, глутамин, глутаминовая кислота

Разумеется, запоминать их совершенно необязательно, достаточно просто запомнить место в книге, где приведен этот перечень: в дальнейшем, наткнувшись в тексте на одно из таких названий, вы, возможно, захотите убедиться, что речь идет именно об аминокислоте. (Кстати, разрешение не запоминать наизусть названия всех двадцати аминокислот – голубая мечта каждого студента, готовящегося к экзаменам по биохимии. Увы, мечта совершенно неосуществимая.) Каждая пара аминокислот соединяется друг с другом с выделением молекулы воды, и, таким образом, может образоваться цепочка произвольной длины:

Ее остов имеет регулярную структуру, в которой повторяется один и тот же элемент – так называемая пептидная группа, а привески – боковые радикалы – могут чередоваться в любом порядке. Элементарный фрагмент такой цепочки называется аминокислотным остатком (он выделен штриховой рамкой).

Легко заметить, что при описанном способе построения белковой молекулы на одном ее конце будет свободная аминогруппа – NH ₂, на другом – карбоксигруппа – COOH. Это означает, что последовательность аминокислотных остатков в белке (так же, как и оснований в ДНК или РНК) направленная, то есть молекулы какой-либо пары аминокислот, например аланина и глицина, можно соединить друг с другом двумя различными способами, так, чтобы в одном из них остаток глицина участвовал в образовании пептидной связи своей аминогруппой, во втором – карбоксигруппой.

Попросим нескольких человек выстроиться в ряд по росту, взявшись за руки; два способа построения – убывание роста слева направо или справа налево – будут принципиально различными. Каждый участник такого построения будет держаться за руку более высокого соседа либо левой, либо правой рукой, и в зависимости от способа построения у самого высокого участника окажется свободной либо левая, либо правая рука. Для придания определенности можно потребовать, чтобы свободной у него оказалась, к примеру, именно правая рука, а у самого низкорослого участника – левая.

Совершенно аналогично аминокислотные последовательности белков принято записывать в направлении от остатка, несущего группу NH ₂(называемого N ― концевым остатком), к остатку, несущему карбоксигруппу СООН (С ― концевому остатку).

Нуклеиновые кислоты и белки – полимеры принципиально разной структуры, и сам молекулярный механизм синтеза белковой молекулы на основе инструкции, содержащейся в молекуле РНК, не имеют ничего общего со сравнительно простыми схемами репликации и транскрипции. Он намного сложней, и тем больше чести для исследователей, благодаря которым ныне известны основные принципы его организации. Однако нас пока интересует не этот механизм, а вопрос чисто формального «перевода» РНК-овых последовательностей на язык молекул белка.

Разумеется, нет ничего принципиально невозможного в передаче последовательности символов двадцатибуквенного алфавита последовательностью символов четырехбуквенного алфавита. Вспомним хотя бы азбуку Морзе, с помощью которой набор точек и тире переводится в русский текст (а это вместе с цифрами и знаками препинания около 50 различных символов). Однако азбуку Морзе выдумали люди…

С того момента, как на основании многих тонких и остроумных экспериментов биологам стало ясно, что последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка определяется нуклеотидной последовательностью РНК, вопрос о способе кодирования сделался самой злободневной проблемой и для экспериментаторов и для теоретиков. Мы снова воздержимся от исторических экскурсов, ограничившись перечислением фамилий основных героев эпопеи расшифровки генетического кода – американцев М. Ниренберга, С. Очоа и англичанина Ф. Крика. Обратимся лучше сразу к плодам их усилий.

С формальной точки зрения структура генетического кода сравнительно проста. Последовательность нуклеотидов в нити РНК при чтении мысленно подразделим на тройки оснований (именно мысленно, поскольку никаких структурных признаков такого подразделения нет). Тогда, как оказывается, каждой тройке может быть сопоставлен один из двадцати аминокислотных остатков. Общее число всех возможных троек (их называют еще триплетами) – 64 (то есть 4×4×4), так что большинство остатков может кодироваться несколькими способами. Кроме того, есть два особых триплета, которыми обозначаются начало и конец аминокислотного «текста» – белковой молекулы.

Теперь, имея в своем распоряжении кодовую таблицу, можно с легкостью перевести текст РНК-овой последовательности на белковый язык. Более того, будь эта книга учебником, можете не сомневаться, что авторы предусмотрели бы несколько страниц такого перевода в разделе «Самостоятельные упражнения».

По поводу набора аминокислот, образующих белковую молекулу, необходимо сделать еще одно замечание. В различных организмах присутствуют в свободном виде, помимо двадцати перечисленных, еще несколько десятков других аминокислот, также имеющих структурную формулу H ₂N―CHR―СООН. Многие из них играют очень важную роль в обмене веществ, но ни одна не вовлекается в синтез белка. Точнее, иногда такие аминокислоты встречаются в составе белковой молекулы, однако всегда оказывается, что при «считывании» последовательности белков с РНК в соответствующих положениях присутствуют «нормальные» остатки и лишь впоследствии, уже по завершении синтеза, их боковые радикалы модифицируются.

20 аминокислот, входящих в кодовый словарь, иногда называют «магическим набором». Это название отражает удивление биохимиков «докодового» периода, которые обнаруживали в составе белков лишь часть аминокислот, находящихся в организме в свободной форме. Установление структуры кода указывает, по крайней мере, происхождение именно такого положения вещей, хотя и не объясняет его внутренней целесообразности.

Авторы уже начали ощущать принятый ими темп галопа. Конечно, краткость – сестра таланта, однако излагать в такой вот конспективной форме сведения, составляющие основу и гордость современной молекулярной биологии, не только трудно, но даже и несколько неприятно. Так и тянет отвлечься на какую-нибудь интересную подробность, рассказать, как был осуществлен синтез полифенилаланина на полиурациле (согласно генетическому коду триплету УУУ соответствует остаток фенилаланина), как экспериментальному открытию кода в 1964 году предшествовали темпераментные и очень цветистые дискуссии теоретиков, какими курьезными комментариями сопровождали сообщение об этом открытии некоторые журналы… Словом, массу интересного и даже пикантного материала приходится опускать, предварительно поставив на нем клеймо «для дальнейшего изложения необязателен». Как говорят опытные альпинисты, брать не то, что может пригодиться, а только то, без чего нельзя обойтись.

И все же – несколько замечаний на более общие темы.

Установление структуры генетического кода, несомненно, эпохальное событие для биологии. Очень часто его сравнивают с появлением теории Ч. Дарвина. И хотя по чисто научным критериям это сравнение вовсе не является преувеличением, совершенно неизмерима разница в масштабах и характере общественного резонанса, сопутствующего этим двум событиям. Появление «Происхождения видов» повлекло за собой пощечины, отлучения от церкви, тысячи карикатур во всех газетах мира, развеселые куплеты в кабаре, словом – яростный пафос сторонников и бешеную злобу противников, чем дало неиссякаемый повод для шуток людям равнодушным.

Сообщений об открытии генетического кода в газетах почти не было (а если и были, то в несколько строк под рубрикой типа «Интересно знать» или «В мире науки»). Говорить же о митингах, пощечинах, демонстрациях и проповедях вовсе уж не приходилось. Как видно, дело здесь не в том, что XIX век был куда эмоциональнее нашего. В научных кругах сам факт существования нуклеотидно-аминокислотного кода был очевиден задолго до его открытия; еще в конце 50-х годов вполне по-деловому обсуждался вопрос о том, каким образом в принципе может быть закодирована аминокислотная последовательность в последовательности нуклеотидов молекулы РНК, существуют ли «запятые» – элементы, разделяющие отдельные кодоны, и т. п. С другой же стороны – открытие генетического кода было событием сугубо академическим, в то время как теория Ч. Дарвина вторгалась в сферу мировоззренческую, затрагивая интересы очень многих людей. А в таких случаях, как известно, даже геометрическим аксиомам приходится туго.

Ну и, наконец, дело в легкой приученности широкой общественности к научным сенсациям. В самом деле, атомная электростанция, полет в космос, пересадка сердца, расшифровка генетического кода… Последнее звучит даже менее интересно, слишком специально, что ли…

Конечно же, открытие генетического кода не прошло совсем уж незамеченным в кругах публицистов, политиков и литераторов. Именно с момента этого события ведет свой счет времени многоголосая дискуссия о благах и опасностях направленного изменения наследственности. А так называемые писатели-фантасты в течение немногих лет, прошедших с момента открытия генетического кода, успели наводнить книжный рынок скучнейшими сочинениями о деятельности в XXI веке СКБ по проектированию суперменов…

Совсем краткое отступление: ферменты

Будем считать, что нам уже кое-что известно о молекулярных механизмах, составляющих основу жизни (это может показаться слишком напыщенным, но ведь недаром схему «ДНК → РНК → белок» называют «центральной догмой» молекулярной биологии!). Теперь пора вернуться к вопросам читателей, которые мы демагогически определяли ранее как бестактные и до поры до времени оставили без ответа. К их числу относятся и такие: откуда в клетке берется материал для построения молекул нуклеиновых кислот и белков – нуклеотиды и аминокислоты? Как заставить нуклеотиды (и аминокислоты) соединиться в цепочку?

Путь к ответу на эти и многие другие вопросы лежит через пояснение, которое, казалось бы, не только ничего не поясняет, но еще более запутывает. Дело в том, что многие белки, синтезированные в клетке по только что рассмотренной схеме, являются ферментами – веществами, совсем уж удивительными. Они представляют собой… Впрочем, о том, что они собой представляют, мы еще будем говорить очень много, практически всю оставшуюся часть книги. А пока ограничимся упоминанием их важнейшего свойства – избирательно катализировать (это значит – «ускорять») химические реакции.

Это очень полезное свойство. Подумаем о том, что в клетке содержится несколько сотен различных веществ, и почти каждое из них может как-то (иногда десятками или даже сотнями способов) реагировать с каждым из остальных: легко себе представить, какой хаос воцарится, если все эти реакции будут идти самопроизвольно!

По счастью, однако, скорость самопроизвольных реакций очень мала: в течение секунды в реакцию вовлекается обычно примерно лишь каждая десятимиллиардная молекула определенного сорта (это для большей части находящихся в клетке веществ; есть, конечно, и более быстрые реакции). Лучший пример тому – мясные консервы, которые десятилетиями могут храниться без заметного изменения химического состава содержимого.

Совсем по-иному протекают химические реакции в присутствии ферментов (такие реакции называют ферментативными). Во-первых, каждый фермент исключительно разборчив: он помогает вступить лишь в строго определенную реакцию строго определенным веществам, иногда даже только одной-единственной паре. Во-вторых, неизмеримо возрастает скорость реакции: за одну секунду молекула фермента вовлекает в реакцию (соединяет, или разделяет, или осуществляет перестановку атомов) от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч пар молекул субстрата – так называют соединение, в отношении которого активен данный фермент.

Причем каждый фермент, как упоминалось, отличается в этом смысле изрядной привередливостью. Часто он «запрограммирован» на определенную реакцию столь жестко, что не приемлет малейших изменений структуры молекулы субстрата. Даже введение в структуру молекулы, состоящей, к примеру, из двух десятков атомов, одного-единственного добавочного атома и к тому же в положении, удаленном от участвующих в реакции атомов молекулы, чутко улавливается «специализированным» ферментом: он не катализирует реакцию с участием такого вещества.

С учетом столь замечательных свойств ферментов можно дать хотя бы в самых общих чертах объяснение способов реализации в клетке всех тех процессов, о которых шла речь выше. Например, располагая подходящим набором ферментов, можно через последовательность определенных химических реакций получить нуклеотиды: ну хотя бы из веществ, поступающих в клетку извне. Действительно, была бы под рукой совокупность необходимых химических элементов.

Нам, конечно, укажут, что для синтеза какой-либо молекулы необходимы не только определенные исходные вещества, а, вообще говоря, еще и источник энергии. Но чего не сделаешь, имея в руках ферменты! Ее всегда можно получить за счет какой-нибудь другой реакции (опять же катализируемой соответствующим ферментом), при которой происходит выделение энергии. Причем существует если не четыреста, то все же вполне достаточное число сравнительно честных способов ее передачи. (Стоит ли говорить, что происходит это только при участии ферментов!) Поэтому-то клетка и нуждается в питании – постоянном притоке веществ, способных при реакции с общедоступными соединениями (прежде всего кислородом) выделять энергию. Вот на что уходит значительная часть тех самых калорий, о которых нам твердят врачи, запрещая есть жирную свинину и макароны!

Перед тем, как приступить к делу

Мы полагаем, что в этом месте естественное желание читателя захлопнуть книгу и никогда ее больше не открывать должно скачкообразно усилиться. В самом деле: объяснить присутствие в клетке четырех сложноватых, но вполне заурядных соединений тем, что в ней есть сотни веществ не просто необычных, но прямо-таки фантастических по своим свойствам! Не уважаемым ли авторам принадлежит известный рецепт поимки десяти львов: поймать двадцать и десять выпустить? Мало того, выходит, что молекулярные процессы и механизмы, приводящие в результате к появлению белковых молекул, зависят – да еще как зависят! – от деятельности самих белков (ибо, напомним, ферменты – это белки)?

Приходится оправдываться тем, что все, написанное на предыдущих страницах, – правда. И если нам пришлось заговорить о ферментах, то лишь потому, что мы твердо знаем: вся оставшаяся часть книги будет в основном посвящена как раз этим загадочным веществам.

И наконец, самое важное: на этом частном примере мы столкнулись с главной особенностью структуры биологии как науки – циклической взаимообусловленностью понятий. В физике, к примеру, почти все можно выстроить по цепочке: на основании знания свойств элементарных частиц объясняется структура атомных ядер, с помощью законов, определяющих взаимодействие ядер и электронов, описываются свойства атомов и молекул, которые, в свою очередь, могут послужить основой для объяснения процессов, происходящих в твердых телах, жидкостях и газах. Начало этой цепочки теряется в туманном мире элементарных частиц, конец – в тех областях астрофизики, где простейшим объектом служит галактика. Поэтому при изложении основных физических проблем можно быть строго последовательным, вводя необходимые понятия по мере усложнения объекта повествования, а не привлекать (с просьбой временно принять на веру) понятия, определение и полное истолкование которых станет возможным лишь в ходе дальнейшего изложения. Это не значит, что в книгах по физике такого не встречается, но в принципе этого всегда можно избежать.

Очевидно, однако, что на практике при таком последовательном изложении приходится начинать с какого-то уровня знаний свойств физических объектов, который предполагается уже известным. В самом деле, не начинать же, скажем, рассказ о гидродинамике со свойств элементарных частиц! Образно говоря, чтение книг по физике требует предварительного внесения иногда очень значительного вступительного взноса, но после этого автору можно быть строго последовательным.

И совершенно иная картина в биологии: чтобы объяснить строение, возникновение и функции нуклеиновых кислот, совершенно необходимо хотя бы что-нибудь знать о свойствах ферментов; наоборот, структура, а следовательно, и свойства ферментов могут быть объяснены лишь после того, как будет хоть что-нибудь известно о нуклеиновых кислотах. В таком виде эта проблема возникла перед авторами; конечно, можно выбрать в качестве узловых точек совершенно иные понятия, но мы беремся утверждать, что всякая попытка изложить замкнутую биологическую концепцию непременно столкнется с этой проблемой. (Это, разумеется, не относится к изложению избранных участков такого «цикла».)

Таким образом, знакомство с истинно биологическим сочинением невозвращаемого вступительного взноса не требует. Требуется лишь внести задаток, который честно будет возвращен в конце, причем в большинстве случаев – с процентами.

Но так или иначе, а до проблем, связанных с ферментами, мы бы все равно добрались – неважно, с какого именно процесса, происходящего в клетке, началось бы наше изложение. Хотя, разумеется, избранный нами путь не случаен, и то, что мы прошли (вернее, пронеслись) по пути ДНК―РНК―белок, поможет нам в дальнейшем. Отныне мы будем почти всегда говорить о белковых молекулах: об их свойствах, структуре, функции. А их значение для жизненных процессов, по-видимому, уже понятно; во всяком случае, должно быть ясно, что переоценить это значение почти невозможно.

В самом деле, мы попытались проследить за процессом «чтения» закодированной в молекулах ДНК наследственной информации – инструкции, необходимой организму для самовоспроизведения. Познакомились с четырехбуквенным алфавитом языка, на котором написаны сотни томов этой инструкции. Узнали, как снимается копия инструкции и как она с помощью РНК переводится на более понятный организму язык аминокислот. Нам известен важнейший элемент механизма такого перевода – генетический код, словарик, ставящий в соответствие триплеты нуклеотидов и аминокислоты. Знаем теперь, что наследственная информация находит свое воплощение в молекулах белка. А раз так…

А раз так, резонно заметит скептический читатель, так ли уж много оснований для горячих восторгов по поводу блестящих достижений молекулярной биологии? Ибо в результате всех этих грандиозных свершений мы узнали всего лишь следующее: по неизвестным нам пока причинам текст инструкции организму переписывается с помощью особого хитроумного механизма с незнакомого нам языка, в котором есть всего четыре буквы, на язык, в котором есть двадцать букв. Короче говоря, мы оказались в положении Леграна, героя рассказа Э. По «Золотой жук», который с большим трудом расшифровал инструкцию поиска клада, составленную пиратами, и получил… бессвязный набор слов. Спасибо, хоть слова эти были на родном, английском, языке.

Как вы, несомненно, помните, Легран преодолел все трудности, прочел инструкцию и нашел клад. Сумеет ли современная молекулярная биология «прочесть» информацию, записанную на языке белковых молекул, ответит будущее. В любом случае поиски разгадки этой тайны (пусть и менее романтичной, чем тайны пиратов Карибского моря) уже начаты, и кое-что стало проясняться.