Белки тоже представляют собой свернутые клубком цепочки («глобулы»), несравненно более короткие, чем ДНК. Они насчитывают несколько сотен, от силы тысячу звеньев примерно такого же размера, как нуклеотиды в ДНК. Но цепочки белков не столь монотонны, как у ДНК и РНК. В их образовании участвуют 20 различных звеньев, именуемых аминокислотами. Все аминокислоты имеют одинаковые линейные участки, выстраивающие их в неразветвленную цепочку. В стороны от линии цепочки торчат «боковые ветви» аминокислот, определяющие индивидуальные особенности каждой из них. Некоторые из этих ветвей несут химически активные группы или даже электрические заряды. Объемная форма, функция и биологическая активность любого белка определяются последовательностью расположения аминокислот в его цепочке.
Легко догадаться, что последовательность расположения нуклеотидов в гене ДНК определяет последовательность аминокислот в белке. Но поскольку аминокислот двадцать, а нуклеотидов всего четыре, каждую из аминокислот должна определять или, как говорят, кодировать последовательность нескольких нуклеотидов. Двух для этого недостаточно — из четырех нуклеотидов можно составить только 16 различных комбинаций по два. Комбинаций из четырех нуклеотидов по три можно составить целых 64. Промежуточного не дано — число нуклеотидов может быть только целым. Такая система кодирования — «генетический код» является избыточной. Тем не менее, этот код получил надежное экспериментальное подтверждение. Что же касается его избыточности, то ей в нашем рассмотрении еще предстоит сыграть свою важную роль.
Последовательность нуклеотидов в гене «прочитывает», двигаясь вдоль него, уже знакомая нам РНК-полимераза. Результатом такого прочтения является синтез однонитевой РНК-копии гена. Ее называют «информационной РНК». Поскольку одной аминокислоте соответствует три нуклеотида гена, то информационная РНК не может быть очень длинной. Даже если белок состоит из тысячи аминокислот, его ген и соответствующая информационная РНК должны иметь всего лишь по три тысячи нуклеотидов.
РНК-полимераза начинает «чтение» гена с его начала. Это начало определяет особая последовательность нуклеотидов. Поскольку начало считывания гена фиксировано, все стоящее далее вплотную друг к другу множество нуклеотидов образует кодирующие тройки (их именуют «кодонами») единственным образом. А следовательно, они определяют единственную, вполне определенную последовательность аминокислот. Иными словами, обеспечивается синтез единственного белка, структура которого строго соответствует информации, закодированной в данном гене.
По окончании копирования гена РНК-полимераза и синтезированная ею информационная РНК покидают ДНК. Сам синтез белков происходит совсем в других местах клетки — в относительно крупных структурах, именуемых «рибосомами». Информационная РНК доставляет к рибосоме, как мы видели, информацию на синтез определенного белка в виде последовательности трехчленных кодонов. Одновременно к той же рибосоме должны одна за другой подаваться необходимые аминокислоты. Эту функцию выполняет особый класс рибонуклеиновых кислот, так называемые «транспортные» РНК. Они совсем короткие — порядка 80 нуклеотидных звеньев. Поскольку основное внимание в последующем изложении будет уделено именно транспортным РНК, я их ради экономии места буду обозначать сокращенно — «тРНК». Многочисленные и разнообразные тРНК вместе с аминокислотами и рибосомами находятся в клеточном соке (цитоплазме) клетки. Каждая из тРНК специализирована на доставке какой-нибудь одной определенной аминокислоты. Специальный фермент «узнает» молекулу тРНК и присоединяет химической связью к одному из ее концов именно эту аминокислоту (таких ферментов должно быть, как минимум 20). тРНК если и не сворачивается в клубок, то определенным образом складывается в довольно компактную структуру. Причем так, что в месте сгиба, лежащем примерно посередине цепочки тРНК, образуется свободная петля, которая выносит на поверхность три стоящих подряд нуклеотида. Они должны «узнать» кодон. Их совокупность именуется антикодоном. «Узнавание» означает, что все три пары стоящих друг против друга нуклеотидов кодона и антикодона окажутся «комплементарными». Этот термин означает, что каждая пара представляет собой одну из только двух возможных, благодаря пространственному соответствию, комбинаций: А-У или Г-Ц (в двунитевой ДНК комплементарность определяется парами: А-Т и Г-Ц).
Если узнавание кодона антикодоном произошло, ферментная система, связанная с рибосомой, снимает с конца тРНК принесенную ею «правильную» аминокислоту. Затем присоединяет ее химической связью к растущей на особом участке рибосомы белковой цепи. После чего освобожденная от аминокислоты тРНК возвращается в цитоплазму. А информационная РНК продвигается относительно рибосомы сразу на три нуклеотида и таким образом помещает в «место узнавания» следующий кодон. Затем новая тРНК, способная «узнать» этот новый кодон, ставит в цепь белка следующую аминокислоту. И так далее — до окончания синтеза полноценного белка, покидающего рибосому. Этот момент тоже определяется специальным «концевым» кодоном. Их имеется (для надежности?) целых три. Так что для кодирования 20 аминокислот из 64 возможных остается только 61 кодон. Очевидно, что тРНК различной специализации должно быть не менее 20, по числу аминокислот.
Для закрепления понимания этого нового для большинства читателей процесса я предлагаю некую аналогию из области, куда лучше знакомой. В 6-й главе этой книги, в разделе «В НИИ-1» я рассказывал о конструировании аэродинамической трубы для испытания моделей сверхзвуковых самолетов (мне еще выпала честь делать сборный чертеж всей трубы на десяти склеенных в одну ленту листах ватмана). Конструкция трубы объединяла несколько самостоятельных узлов: батарея корпусов торпед, насосы, система клапанов, стенд для установления модели самолета, оптическая система, несколько систем дистанционного обследования состояния модели.
Уподобим чертеж всей трубы молекуле ДНК, а сборочные чертежи всех узлов — генам. Пока все существует только в чертежах — это информация. Пусть теперь какой-то из узлов запущен в производство. Вот уже готовы входящие в состав этого узла детали (20 различных конфигураций); в специальном помещении цеха должна начаться сборка узла. Нужен его сборочный чертеж. Но белоснежный ватман нельзя отдавать в цех: испачкают, а то и порвут ненароком. А его надо поберечь — может пригодиться при конструировании следующей трубы. Тогда с чертежа узла снимают кальку, и с ее помощью на светочувствительной бумаге отпечатывается копия этого чертежа — так называемая «синька». Ее и отправляют в цех сборщикам. Эта синька подобна информационной РНК. Узел, когда он будет собран, уподобится нашему новосинтезированному белку.
Итак, синька уже у сборщиков. Теперь из разных концов цеха в помещение для сборки везут готовые детали узла. Мы их сравним с аминокислотами, а подвозящие их электрокары — с тРНК. Каждый водитель электрокара знает, какую деталь он везет и куда ее надо доставить.
Бригадир сборщиков выбирает одну за другой детали в том порядке, как ему подсказывает синька узла. Его подручные проверяют, надежно ли становятся эти детали в намеченные для них места (не ошибся ли конструктор). Вся бригада ведет себя точь-в-точь как рибосома...
Есть одно странное обстоятельство, которое необходимо здесь же отметить. Если в составе всех информационных РНК фигурируют только нормальные нуклеотиды (А, Г, Ц и У), то в коротких цепочках тРНК обнаруживаются модифицированные нуклеотиды. Их называют «минорами» (все-таки их мало). Модификация в большинстве случаев сводится к присоединению маленькой метильной группы (СН3) к нуклеиновому основанию какого-либо нуклеотида. Но встречаются и более сложные миноры, когда модифицирующая группа по своему размеру соизмерима или даже превосходит само нуклеиновое основание. Биологическая роль миноров до сих пор не выяснена. Показано, что все тРНК первоначально синтезируются по матрице ДНК немодифицированными. «Миноризация» некоторой части их нуклеиновых оснований происходит уже в цитоплазме под действием специальных ферментов. В случае присоединения метильных групп — это «метилазы». Мы будем заниматься в основном ими. Ферменты, осуществляющие сложные модификации, мало изучены. Чем сложнее организм, тем, как правило, большее число миноров содержится в его тРНК.
