Сегодня уже почти каждый знает, что код инструкции состоит из четырех букв – T, A, C и G[35], образующих сцепленные друг с другом пары нуклеотидов T – A, C – G. Полный код содержит примерно 3 млрд пар таких букв (нуклеотидов), которые по их предназначению можно разбить на отдельные группы – гены. Каждый ген – это участок ДНК, который является инструкцией по производству соответствующей ему молекулы РНК (рибонуклеиновая кислота). РНК очень похожа на ДНК, только тимин в ней заменен на близкий по строению и функциям урацил. Принято считать, что РНК возникли в процессе эволюции раньше ДНК и 3–4 миллиарда лет назад мир органических соединений был представлен только молекулами РНК. Говорят даже о мире РНК, который предшествовал началу жизни.

Однако РНК имеет только одну цепочку. Она может образовывать две связанные цепи как ДНК, но такая молекула не будет достаточно устойчивой. Поэтому для передачи наследственной информации лучше подходит устойчивая и стабильная ДНК. В то же время РНК оказалась незаменимым инструментом для передачи информации в процессе производства белков и регулирования процессов внутри клетки.

Теперь опишем производство белка в клетке по шагам.

1. Упакованный в цепочке ДНК ген, кодирующий определенный белок, распаковывается служебными белками и выводится в рабочую область. В ядре к нему подходит специальный фермент (белок) РНК-полимераза. Она узнает участок гена, называемый промотором, и, связываясь с ним, последовательно производит молекулу РНК, используя ген ДНК как шаблон. В результате получается молекула РНК[36], в которой та же последовательность букв, что и в гене ДНК, только на месте тимина стоит урацил. Производство м-РНК на основе гена ДНК принято называть транскрипцией[37]. Информация транскрибируется, то есть переписывается из кода ДНК в почти такой же код РНК.

Рис. 1.2.9. Синтез белка в рибосоме

2. Построенная таким образом молекула РНК покидает ядро через поры в ядерной мембране и попадает в эндоплазматическую сеть (ЭПС), которая представляет собой сложную систему мельчайших пузырьков, полостей, камер и канальцев. ЭПС занимает от 30 до 50 % объема клетки.

3. На стенках ЭПС располагаются примерно 10 млн рибосом – молекулярных комплексов, производящих белки по инструкции, принесенной РНК. Рибосома состоит из белков, соединенных со специальными РНК[38]. Она состоит из двух частей и по форме напоминает трубку, лежащую на телефоне (см. рис. 1.2.9). Матричная РНК (м-РНК), попавшая в эндоплазматическую сеть, втягивается в ближайшую рибосому между ее двумя частями («трубкой» и «телефоном»), и нуклеотид за нуклеотидом проталкиваются через нее.

Каждая из 20 аминокислот кодируется тремя нуклеотидами – кодонами. Например, кодон GCU (гуанин – цитозин – урацил) кодирует аминокислоту аланин, а AAA (аланин – аланин – аланин) – лизин[39]. Получив команду в виде кодона, например AAA, специальная транспортная РНК (т-РНК) ищет в растворе цитоплазмы нужную аминокислоту, в нашем случае аланин, и транспортирует ее к рибосоме[40]. Рибосома обеспечивает присоединение аланина к уже синтезированной части белка. Фактически рибосома работает как молекулярная машина по сборке белков. Она транслирует код из четырех букв-нуклеотидов и белковый код из 20 аминокислот. Этот процесс называют трансляцией.

4. Из рибосомы в ЭПС выходит только что собранный белок. Обычно он проходит еще довольно длительный путь досборки и обработки. Каждая камера ЭПС имеет свой специфический набор ферментов, обеспечивающий строго определенные химические реакции. Белок из рибосомы проходит через определенную последовательность камер ЭПС, подобно тому как изделие проходит заводские цеха в процессе обработки. Для транспортировки по ЭПС и дальше по клетке белок обычно погружен в пузырек-везикулу, который «везет» по клеточным путям – трубочкам и нитям – специальный транспортный белок.

5. Белки образуются и обрабатываются в покрытой миллионами рибосом шероховатой ЭПС. В то же время для выполнения функций клетки и ее деления необходимы также полисахара и липиды (жиры). Они производятся из простых сахаров, жирных кислот и других элементов в гладкой ЭПС, которая по строению похожа на свою шероховатую коллегу.

6. После прохождения всех производственных процессов в ЭПС белок транспортируется в комплекс Гольджи (см. рис. 1.2.9). При этом белки имеют сигнальные химические метки (в виде олигосахаридов), которые «сообщают» комплексу Гольджи, что с ними делать. Комплекс Гольджи, подобно ЭПС, состоит из множества полостей, которые из-за их формы принято называть цистернами, пузырьков, канальцев и трубочек. Сюда в пузырьках-везикулах транспортируются белки из шероховатой ЭПС и липиды и полисахара из гладкой ЭПС. Здесь белки, жиры и сахара взаимодействуют, белки модифицируются и готовятся к транспортировке в другие части клетки и в межклеточное пространство. Если в функции клетки входит производство гормонов и других важных для всего организма веществ, комплекс Гольджи в них сильно развит и занимает больше места, чем в обычных клетках. В комплексе Гольджи белки проходят «контроль качества». Прошедшие контроль белки получают специальные метки из полисахаридов, которые одновременно указывают маршрут дальнейшей транспортировки. Белки, не соответствующие требованиям «контроля по качеству», отсортировываются и отправляются на утилизацию в специальные органеллы – лизосомы, которые формируются в этом же комплексе.

7. Лизосомы – маленькие органеллы (диаметром от 200 до 800 нм), содержащие набор ферментов, которые синтезируются на шероховатой ЭПС и перемещаются в аппарат Гольджи. Там происходит их модификация и упаковка в мембранные пузырьки, которые после отделения от аппарата Гольджи, собственно, и становятся лизосомами. Лизосома может содержать от 20 до 60 различных видов ферментов. В лизосомах негодные белки и другие вещества расщепляются и перевариваются в формы, пригодные для дальнейшего использования. Остатки выбрасываются из клетки или консервируются для хранения.

8. Наконец, большинство производственных процессов требует затрат энергии (всё как на обычном заводе). Источником энергии в клетке являются митохондрии, производящие молекулы АТФ, доставляющие энергию во все части клетки. Об этом мы подробно поговорим в следующих разделах этой главы.

Теперь мы представляем себе все наиболее важные внутриклеточные процессы. Общую схему взаимосвязей этих процессов необходимо запомнить.

Первые два выделенных положения настолько важны, что они получили почетное звание «Центральная догма молекулярной биологии».

На первый взгляд, идущие в клетке процессы очень похожи на производственные процессы на крупном заводе. Сначала в центре управления, которым в клетке является ядро, формируется план и техническое задание на изготовление изделия, затем она трансформируется (в клетке – транскрибируется) в техническую документацию и передается в цеха. Здесь изделие (в клетке – белок) собирается из подвозимых с других предприятий деталей (в клетке это происходит в рибосоме), потом еще в нескольких цехах проводится дополнительная обработка изделия (в клетке – в ЭПС), его упаковка и технический контроль (в клетке – в комплексе Гольджи). Забракованная часть продукции разбирается (в клетке – в лизосомах) и по возможности вновь используется в производственных процессах, а остатки, отходы производства выбрасываются (из клетки) в специально отведенные места (в межклеточное пространство).