Тайный язык жизни. Диалог с ученым о генах, геномах и наследственности - Константин Северинов

жизнедеятельности – наружу. Белок гемоглобин присутствует в очень больших количествах в эритроцитах – красных кровяных клетках. Он переносит кислород от легких ко всем тканям организма, а углекислый газ, образующийся в этих тканях, – в легкие. Очень важный класс белков – ферменты. Они катализируют различные химические реакции, увеличивая их скорость в десятки и даже миллионы раз. Именно за счет действия ферментов мы способны эффективно переваривать пищу и использовать полученную от этого энергию для синтеза веществ, необходимых нашему телу. Ферменты связываются с молекулами-субстратами и превращают их в молекулы-продукты. Например, сложная молекула гликогена под действием ферментов распадается на молекулы глюкозы. В клетке происходят тысячи разнообразных химических реакций, и каждая из них катализируется определенным ферментом. Репликацией ДНК, выкладыванием комплементарных букв вдоль одноцепочечной матрицы и их соединением тоже занимается фермент – белок ДНК-зависимая ДНК-полимераза.

Белки – линейные полимерные молекулы, состоящие из соединенных друг с другом аминокислот. Белковый алфавит богаче алфавита ДНК и состоит из 20 различных аминокислотных «букв». Аминокислоты разнообразны по своим свойствам: они могут быть отрицательно или положительно заряженными, гидрофильными, то есть хорошо взаимодействовать с молекулами воды, из которых на 70 % состоят клетки, или, наоборот, гидрофобными и стремиться «спрятаться» от молекул воды. Длина молекулы белка и порядок соединения в ней аминокислот однозначно определяются порядком оснований в гене, кодирующем этот белок. Заданный последовательностью ДНК порядок расположения аминокислот приводит к тому, что линейная молекула белка сворачивается в пространстве и приобретает определенную трехмерную форму. Эта форма в конечном счете и определяет биологическую функцию белковых молекул. Происходит это за счет того, что поверхность свернутого белка с данной последовательностью аминокислот имеет определенную топографию, рельеф, на котором в определенных местах расположены отрицательно или положительно заряженные, гидрофильные и, реже, гидрофобные аминокислоты.

Участок поверхности белка с характерным образом расположенными аминокислотными остатками может взаимодействовать с другими молекулами по принципу комплементарности: напротив положительно заряженной аминокислоты окажется отрицательный заряд молекулы-партнера, напротив отрицательно заряженной – положительный заряд, гидрофобные поверхности будут взаимодействовать друг с другом, а гидрофильные – между собой. Белки, кодируемые разными генами, способны избирательно взаимодействовать с определенными последовательностями ДНК, другими белками, витаминами, питательными веществами, например молекулами сахара, и т. д. (рис. 10). Чем лучше подходят друг другу участки поверхности взаимодействующих молекул, тем прочнее будет взаимодействие. Именно в результате комплементарного взаимодействия и последующего изменения различных молекул клетка (а, значит, и мы сами) живет, растет и изменяется.

Рис. 10. Взаимодействие свернувшейся в определенную форму молекулы фермента с комплементарной молекулой субстрата А. Связывания с некомплементарной молекулой субстрата В не происходит

Для того чтобы рецепт, содержащийся в поваренной книге, превратился во что-то съедобное, необходим повар, который способен читать язык, на котором написана книга, – другими словами, воспринимать последовательность закорючек-букв, выложенных на бумаге или другом носителе, и переводить закодированную в тексте информацию в конкретные действия. В случае ДНК необходимо «перевести» информацию, содержащуюся в последовательности четырех оснований, в соответствующую ей последовательность из 20 аминокислот кодируемого белка. Генетический код работает подобно коду Морзе, в котором трем знакам, комбинациям точек и тире, соответствует определенная буква человеческого языка. Три идущие друг за другом буквы ДНК (их называют «триплет» или «кодон») кодируют определенную аминокислоту. Например, триплет ATG кодирует аминокислоту метионин, а триплет CCC кодирует пролин (рис. 11).

Термин «генетический код» часто употребляется неправильно. Так, иногда можно услышать высказывания, что у людей определенной национальности есть свой особенный генетический код. Но генетический код един для всего живого: триплет ATG кодирует метионин, AGT – серин и т. д. и у человека, и у бактерий, и у вирусов. Это доказывает, что вся жизнь, существующая на нашей планете, возникла из одного корня, от одного общего предка, генетический код которого был такой же, как у нас.

Рис. 11. В таблицах указаны триплеты ДНК, кодирующие различные аминокислоты, и комбинации точек и тире, соответствующие буквам русского алфавита. С помощью двух «букв» азбуки Морзе и четырех «букв» ДНК можно написать «текст» любой длины.

«Работа» гена (ученые используют термин «экспрессия») устроена очень похожим образом у всех живых организмов, что является еще одним свидетельством общности происхождения жизни на нашей планете. Процесс генной экспрессии описывает «центральная догма молекулярной биологии». Она была сформулирована в шестидесятых годах ХХ века на основании большого количества экспериментальных данных. Ничего догматического в религиозном смысле в ней нет, просто она в концентрированной форме суммирует то, как происходит процесс приготовления молекулярного блюда (белка) из молекулярного рецепта – последовательности ДНК (рис. 12). С гена, то есть участка ДНК, содержащего последовательность, кодирующую белок, снимается копия – молекула рибонуклеиновой кислоты (РНК). Это одноцепочечная молекула, родственная ДНК: последовательность букв-оснований в ней однозначно задается последовательностью оснований в одной из цепей ДНК согласно правилу комплементарности. Процесс создания РНК копий гена называется «транскрипция». Как у всякого рецепта, у гена есть начало и есть конец. Специальный белок, фермент ДНК-зависимая РНК-полимераза, узнает начало гена и движется вдоль него, выкладывая по матрице одной из цепей ДНК последовательность РНК из отдельных букв-оснований и соединяя их друг с другом. Добравшись до конца гена, РНК-полимераза отсоединяется от ДНК и может снова начать транскрипцию этого же или другого гена. Образовавшаяся в ходе транскрипции РНК (ее называют «матричной» или «информационной») используется для синтеза белка в процессе трансляции (буквально – «перевода»). Специальные молекулярные машины рибосомы, состоящие из продуктов нескольких десятков генов, двигаются от начала к концу матричной РНК, последовательно «читая» триплет за триплетом и на основе полученной информации соединяя соответствующие этим триплетам аминокислоты в белковую цепь.

Рис. 12. Центральная догма молекулярной биологии

Из 64 (4³) возможных триплетов ДНК/РНК три (ТАА, ТАG, ТGА) не кодируют никакой аминокислоты (рис. 11). Они воспринимаются рибосомой как сигнал для прекращения трансляции. По достижении такого стоп-кодона рибосома отсоединяется от молекулы матричной РНК. Синтезированная согласно инструкции молекула белка может приступить к выполнению своей функции в клетке, а рибосома – начать трансляцию новой РНК.

Рис. 13. Уровень транскрипции определяет, сколько белка производится с конкретного гена

От того, как хорошо РНК-полимераза «узнает» последовательность ДНК,