В то время многие солидные биологи думали, что ДНК вообще прямо не реплицируется, а существует некая таинственная молекула-посредник, которая "запоминает" информацию родительской ДНК, а затем уж с нее, как с матрицы, снимаются копии дочерних молекул ДНК. Этот способ передачи информации они назвали консервативным. Способ передачи информации, предложенный Уотсоном и Криком, получил название полуконсервативного.
Полуконсервативный механизм репликации был полностью подтвержден в классических опытах М. Меселсона и Ф. Сталя. Особенность опыта состояла в том, что исходная молекула ДНК, за репликацией которой следили ученые, содержала не обычные атомы азота, а тяжелые, с атомным весом 15. Для этого культура бактерий выращивалась на питательной среде, включающей в себя лишь меченый азот 15N. Деление же этих "тяжелых" клеток происходило в среде, содержащей обычный азот. Меселсон и Сталь исследовали ДНК различных поколений при помощи специального метода, позволяющего в отдельности видеть "тяжелую" и нормальную ДНК.
Вот этот опыт и позволил получить изящное прямое доказательство справедливости полуконсервативного механизма репликации молекулы ДНК, предложенного Уотсоном и Криком. Меселсон и Сталь убедительно продемонстрировали, что после удвоения числа бактерий вся их ДНК оказалась гибридной, то есть промежуточной по весу между "тяжелой" и нормальной. С каждым новым поколением наблюдалось уменьшение количества тяжелой ДНК и увеличение числа нормальных "легких" молекул.
С какой же скоростью происходит рост новых цепей ДНК?
Работая с культурой уже знакомой нам "еколи" (кишечной палочки), ученые оценили величину скорости роста цеди бактериальной дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эти оценки невольно заставляют поражаться совершенству, которого достигла природа, создавая молекулярные машины-клетки. Оказалось, что 1400 нуклеотидов в секунду наращиваются на дочерней цепи - реплике. Мы сумеем лучше осмыслить, насколько велика эта скорость, вспомнив, что родительская молекула-спираль должна раскручиваться, чтобы получалась свободная цепь матрица для синтеза. Так вот, скорость раскручивания ДНК в процессе репликации около 140 оборотов в секунду! Лишь сравнительно недавно такие скорости были достигнуты в лучших высокоскоростных центрифугах.
Процессы, которые мы рассматривали сейчас, не кажутся особенно сложными, но уже и на этой стадии жизни клетки, если взглянуть на весь механизм репликации в целом, сразу же возникнут принципиальные трудности.
Почему, собственно говоря, ДНК должта расплетаться, раскручиваться? Что заставляет ее это делать? Американский ученый А. Корнберг в результате упорной почти десятилетней работы доказал, что и в процессе репликации центральную роль сграют все те же ферменты.
Иными словами, без ферментов не может идти образование новых цепей ДНК. Фермент и расплетает двойную спираль, и строит новую полинуклеотидную цепочку.
Эксперименты Корнберга и его сотрудников по синтезу ДНК существенно расширили представления о репликации и синтезе генетического материала. Общая картина процесса репликации представляется достаточно ясной. Есть стартовая, родительская молекула ДНКЕсть ферменты, есть разрыв стартовой молекулы и синтез молекул потомков.
Поражает прежде всего временная сбалансированность всех процессов, проходящих в нормальных условиях в живой клетке. Очевидно, что этот механизм ясляется результатом длительной эволюции и не мог появиться внезапно, дй еще во всем своем блеске, как Афина из головы Зевса. Но, к сожалению, механизмыпредшественники природой утеряны. В этом и состоит принципиальная трудность при попытках построить эволюционную схему от молекул к клетке.
Итак, один из центральных вопросов: как возник механизм репликации и синтеза нуклеиновых кислот?
К сожалению, здесь можно заниматься лишь самыми общими рассуждениями. Специалисты по предбиологической эволюции получили синтетические полинуклеотиды.
По всей видимости, в условиях примитивной Земли могло происходить накопление некоторых количеств этих молекул. Но заметим, что к этим опытам нужно относиться с известной осторожностью, так как условия, в которых проводился синтез, вряд ли могли реально существовать на примитивной Земле. Это одно важное замечание.
В то же время ученые, занимающиеся абиогенным синтезом, обратили внимание на то, что в их опытах количественный выход полипептидов всегда выше, чем выход полинуклеотидов. Этот важный факт дает возможность предположить, что к моменту образования полинуклеотидов на стерильной Земле уже были достаточно высокомолекулярные полипептиды.
А что, если бы удалось экспериментально доказать, что какой-либо синтетический полипептид может способствовать полимеризации полинуклеотидов? Тогда мы имели бы возможность построения гипотетических механизмов - предшественников современных механизмов репликации и синтеза нуклеиновых кислот.
Предположение о слабой каталитической активности полипептида выглядит очень перспективным. В этом случае первичный полипептид мог бы выполнять функции, аналогичные функции ДНК-полимеразы, фермента, участвующего в биосинтезе ДНК в клетке. Поскольку белки, по-видимому, "старше" нуклеиновых кислот, эта гипотеза могла бы быть проверена экспериментально.
Возможно, что механизм репликации возник уже после образования протоклеток и включения в них полимеров. Действительно, ведь современные процессы репликации, синтеза генетического материала и матричного синтеза белка происходят в растворах, концентрация органических соединений в которых весьма высока.
Очень трудно представить себе, что на примитивной Земле могли существовать места, где достигались бы такие концентрации. Только при достижении критической концентрации, аналогичной критической массе в ядерной физике, могли пойти решшкативные процессы.
Вот почему репликативная функция могла появиться позже, чем протоклетки, и ей предшествовала длительная эволюция полимеров и первичных структур типа протеиноидных микросфер. Эта упрощенная схема не решает, конечно, таких важных вопросов: каким образом осуществляется контроль репликации ДНК в клетке и что обеспечивает удивительную надежность при образовании копии? И уж конечно, остается открытым вопрос о моменте включения и полипептидов и полинуклеотидов в протоклетки.
Но ведь мало передать информацию. Клетка при делении дает потомство. Оно должно превратиться во взрослые, полноценные организмы. Пища в окружающем мире есть. Автотрофные организмы используют углекислый газ как источник углерода, микроорганизмы извлекают из окружающей среды необходимые для питания простые вещества. В любом организме эти простые вещества превращаются в сложные полимерные молекулы, среди которых центральное место занимают белки.
Не будь белков, клетка была бы мертва.
Представим себе на минуту клетку с нуклеиновыми кислотами, но без белков. Все, что нужно клетке дЛя жизни, записано в молекуле ДНК. Но эта инструкция мертва. Некому открыть словарь нуклеиновых кислот, нет исполнителей инструкций.
Встречается ли такая ситуация в современной биологии? Конечно же. В мире вирусов. Маленький кусочек нуклеиновой кислоты мертв. Но стоит ему попасть в клетку, как начинаются удивительные процессы. Вторгаясь в клетку, вирус "приказывает" ей жить по-другому, нежели она жила до этой драматической встречи.
Но самое главное: в основе нормальной работы клетки и работы по "чужому приказу" лежит один и тот же механизм. Именно этот механизм в эволюционном плане - величайшая загадка и современной молекулярной биологии, и проблемы происхождения жизни. Речь идет о матричном синтезе белка и генетическом коде.
Глава VIII
ВЕЛИКАЯ ЗАГАДКА КОДА
15 миллиардов лет развивалась Вселенная. Из протокапли родились частицы, элементы, звезды, галактики.
Мысль человека сумела объяснить многие процессы, происходящие в неживой природе. Конечно, и в физике элементарных частиц, и в планетной космогонии, и в космологии остаются еще не решенные вопросы. Но мне кажется, что по своему удельному весу в истории развития научного мышления человека, по своему философскому и общенаучному значению среди нерешенных вопросов нет более крупной, притягательной и таинственной проблемы, чем проблема происхождения жизни.
В рамках этой проблемы наибольшее число вопросов вызывают эволюция генетического кода и процесс матричного синтеза белка. Видимо, именно на матричном синтезе замыкается весь круг проблем, связанных с происхождением живых систем. Как-то после семинара в Институте белка Академии наук СССР мы разговаривали с академиком А. Спириным в его лаборатории. Он демонстрировал созданные в институте модели рибосом - клеточных органелл, принимающих участие в постройке белковых молекул.
"Не могу представить себе, - сказал он, - чтобы рибосомы могли каким-нибудь образом эволюционировать.
Они столь совершенны, что должны были появиться сразу".
Эта полушутливая фраза одного из наших крупнейших специалистов по механизмам биосинтеза белка в полной мере отражает основную трудность задачи. Конечно же, и рибосомы и весь аппарат синтеза белков в клетке должны были эволюционировать. Но как?? Пока ученые не решат этого вопроса, проблема происхождения жизни будет оставаться столь же загадочной, как и вчера. А тут еще рибосомы. Да добро бы только рибосомы. Есть задача и посложнее.
В двадцатых годах нашего столетия профессор У. Астбюри начал изучать рентгенограммы человеческого волоса, Оказалось, что молекулы белка в человеческом волосе расположены строго упорядочение и независимо от того, у кого взят волос, у блондина или брюнета, дают одинаковую и строго определенную картину в потоке рентгеновских лучей.
Астбюри провел эксперимент, который, по его собственному признанию, был одним из самых волнующих в его жизни. Будучи страстным любителем музыки, он сумел раздобыть на время прядь волос Моцарта и снял их рентгенограмму. Расположение белковых молекул в волосах великого композитора ничем не отличалось от их расположений в волосах обычных людей.
Но здесь речь идет только об упорядоченности молекул, причем у организмов одного вида. А что можно сказать о химическом составе сходных белков, например известного всем гемоглобина, у различных биологических видов?
За многие миллионы лет эволюции живого мира в составе идентичных белков произошли определенные изменения. Гемоглобин лошадн, выполняя те же функции, что и гемоглобин человека, несколько отличается от него по своей аминокислотной последовательности. Означает ли это, что у лошади механизм образования гемоглобина, да и любого другого белка иной, чем у человека?
Вопрос можно поставить глубже.
Каким образом происходит снятие копии живого организма? И как клетка делает бел-ки, необходимые дй для нормальной жизни?
Мы видели, что первый $тап этого процесса - редупликация генетического материала клетки, молекул ДНК- Но, спрашивается, зачем это нужно клетке? Зачем ей передавать потомству точную копию своей нуклеиновой кислоты?
Процесс редупликаций генетического материала нельзя отделять от процесса образования дочерней клетки как целого.
Чтобы получилось полноценное потомство, недостаточно просто снять копию с ДНК. Нужно, чтобы дочерняя клетка имела такой же полный запас белков, мембрану, все необходимые клеточные органеллы, как и ее родитель.
В одной клетке кишечной палочки три тысячи типов различных белков. Именно в молекулах ДНК зашифрована вся информация, как их нужно делать. Поэтому-то великое таинство жизни - рождение потомства - и начинается с редупликации ДНК. и передачи копии генофонда "по эстафете", от родителей к детям.
Но генофонд сам по себе, в изоляции, ничего не может сделать. Находясь же в крохотном кусочке живой материи - клетке, он творит чудеса, вернее, клетка, используя генофонд, творит чудо, строя свою полную копию. Клетка "знает", как это делать.
В 1973 году в офисе известного в США журналиста, специализировавшегося на научно-популярных статьях, Д. Рорвика раздался телефонный звонок. Миллионер, имя которого Рорвик обещал держать в тайне, обратился к нему с просьбой, которая вполне могла бы послужить сюжетом научно-фантастического романа. Однако миллионер был полностью в курсе достижений современной молекулярной генетики; и, хотя его разговор с Рорвиком действительно слегка отдает фантастикой, беседа эта явилась еще одним подтверждением колоссальных успехов современной науки.
Миллионер попросил журналиста подыскать ученых, которые бы согласились сделать... его (миллионера) живую копию. Такие ученые нашлись.
За пределами США была создана секретная лаборатория, где в течение двух лет готовились к решающему опыту. Извлеченную из тела миллионера клетку слили в пробирке с яйцеклеткой, ядро которой предварительно разрушили, чтобы остались в "живых" только генетические признаки миллионера. "Оплодотворенную" яйцеклетку имплантировали (ввели) приемной матери, у которой через 9 месяцев родился нормальный ребенок - сын и в то же время брат-близнец миллионера, его абсолютно точная копия.
Эту поразительную историю поведал миру один из научно-популярных журналов. Выдумка это или действительный факт - неизвестно. Ясно лишь одно. В принципе такой эксперимент сделать можно. Современной науке это по плечу.
Не будем останавливаться сейчас на моральных аспектах подобных опытов. Ясно, что возможное "клонирование" людей идет вразрез с тысячелетними этическими нормами человечества. Но этот пример еще раз заставляет нас вернуться к вопросу о том, как клетка строит свою копию.
Процесс этот исключительно сложен. Гораздо легче обсуждать космические явления, образование планет.
Конечно, и здесь есть масса неясных моментов. Но тем не менее физика гораздо более простая наука, чем молекулярная биология. Даже если считать, что современная физика началась с Ньютона, то наука эта весьма преклонного возраста. А молекулярной биологии (будем считать днем ее рождения открытие двойной спирали ДНК) нет еще и тридцати лет.
Физика проста потому, что она имеет дело с малым числом изучаемых объектов. Можно в рамках физических законов описать поведение материальной точки, можно описать взаимодействие двух тел. Знаменитая задача трех тел уже вызывает определенные трудности.
Когда физик хочет описать поведение молекул газа, ему трудно вычислить траекторию каждой отдельно взятой молекулы. В этом случае он пользуется законами статистической физики и описывает поведение коллектива молекул.
А в молекулярной биологии? Нам нужно знать, как ведет себя каждый из трех тысяч белков кишечной палочки, каждый фермент, каждая молекула нуклеиновой кислоты. Причем ясно, что в конечном итоге все процессы в клетке определяются законами физики. Но как с точки зрения физики описать полностью эти процессы, мы пока не знаем.
Сейчас в молекулярной биологии эпоха накопления фактического материала, и попытаемся пока просто на основании имеющихся данных поглядеть, каким же образом клетка печатает свои собственные копии, размножается.
Для этого ей нужно сделать две вещи.
Первое - снабдить потомство информацией о том, что ему надлежит делать в этом мире. Иными словами, передать генофонд, молекулы ДНК.
Второе - взрастить внутри себя полноценного "ребенка", копию. Для этого бактериальная клетка, дерево, животное обязаны уметь синтезировать белки, которые и делают растущий организм жизнеспособным.
Эти процессы идут повсеместно в мире живого. И в обоих этих процессах участвуют белки. Как происходит редупликация ДНК - передача генофонда, говорилось в предыдущей главе. А матричный синтез белков?
Попробуем разобраться в этом отнюдь не простом вопросе. Кстати говоря, совершенно ясно, что живой организм строит белки не только в цикле размножения, но и во время всей своей жизни, например, в процессе роста.
Итак, клетке потребовалось построить какой-либо белок. И вот наша молекулярная фабрика берется за дело. По строгому правилу, которое называется центральной догмой, или центральным постулатом молекулярной биологии, последовательно начинают работать отдельные цехи фабрики.
Что же это такое - центральная догма, сформулированная впервые Ф. Криком?
Догма указывает путь передачи информации в живых системах от ДНК до белка. Она (догма) утверждает, что информация о синтезе белков хранится в ДНК.
Поток информации начинается тогда, когда информация с ДНК "переписывается" на молекулу РНК. Этот процесс называется транскрипцией, а одноцепочечная молекула РНК, которая образуется, как на матрице, на молекуле ДНК, называется матричной, или информационной.
В принципе этот процесс похож на процесс редупликации ДНК, но в случае транскрипции с ДНК считывается лишь определенный, нужный в данный момент клетке участок (ген).
Далее уже на матричной РНК с участием рибосом, определенных ферментов, специальных так называемых транспортных РНК и происходит сборка белковой молекулы. Этот последний этап процесса синтеза белка называется трансляцией.
Центральный постулат утверждает, таким образом, что поток информации во всех живых организмах идет только в одном направлении - от ДНК через РНК к белку. Другими словами, ДНК "знает" о белке все. Белок "не знает" о ДНК и не может повлиять на последовательность нуклеотйдов в ДНК. Более того, если бы нашелся организм, функционирующий по принципу белок - ДНК, это заставило бы нас пересмотреть основные положения молекулярной генетики и биологии.
Казалось бы, все просто: есть матрица, а на ней строится белок. Но простоты здесь нет никакой.
Разберем более подробно, каким же образом происходит синтез белковых молекул.
Так же как и при описаний репликация ДНК, мы постараемся подчеркнуть нерешенные вопросы в процессах матричного синтеза, чтобы сделать более контрастной стержневую идею о глубине разрыва между макромолекулами и функционирующей клеткой.
Сегодня на основании большого числа опытных данных можно считать твердо установленным, что план построения клеточных белков записан в молекуле ДНК.
К такому выводу ученые пришли, конечно, не сразу, хотя проблема передачи наследственной информации возникла еще во времена Ф. Мишера и Г. Менделя.
На рубеже XIX и XX веков лишь отдельные естествоиспытатели понимали всю принципиальную важность и сложность проблемы воспроизведения копии живого организма и передачи наследственной информации.
Работы русского химика профессора А. Колли, выполненные почти столетие назад, показали, что наследственное вещество в бактериальной клетке составляет очень малую часть от общего числа молекул в ней.
И данные Колли натолкнули академика Н. Кольцова на идею о матричном синтезе белков. Однако Кольцов представлял себе поток информации в виде схемы белок - белок. Он думал, что "каждая белковая молекула возникает из белковой молекулы путем кристаллизации вокруг нее находящихся в растворе аминокислот и других белковых обломков".
Весь процесс построения белка, как мы сейчас знаем, происходит не так и гораздо сложнее, но идея матричного синтеза, впервые высказанная Кольцовым в двадцатых годах нашего века, оказала неоценимое влияние на все последующее развитие молекулярной биологии.
Если отвлечься на время от химических аспектов взаимодействия аминокислот с РНК, то проблему генетического кода можно рассматривать просто как проблему перевода текста с одного алфавита на другой.
Молекулу белка можно представить себе как фразу с определенным смыслом. Ну, например, "Яумеюпомогатьорганизмувперевариваниипищи". Не очень длинная фраза, не очень сложный белок - всего 40 аминокислотных остатков. Каждая буква в этой фразе - аминокислота. Но только в отличие от русского алфавита в аминокислотном языке всего двадцать букв. Стоит переставить местами несколько букв во фразе, и она потеряет смысл.
Стоит переставить аминокислоты, и молекула белка тоже "потеряет смысл" - не сможет выполнять свою функцию: помогать в переваривании пищи.
Молекула ДНК тоже текст. Но текст, в алфавите которого используется лишь четыре буквы. В мире живого белковый текст кодируется нуклеиновым. А что такое кодирование?
Если заданная последовательность нуклеотидов в нуклеиновой кислоте полностью определяет последовательность аминокислот в белке, то мы говорим, что нуклеиновый текст кодирует текст белка.
Как же составляются слова из четырех букв нуклеинового текста? Совершенно ясно, что кодировать одну букву - аминокислоту должны какие-то комбинации из четырех букв - нуклеотидов. Это очевидно, так как четыре нуклеиновых основания, взятые каждое в отдельности, могут определить положение только четырех аминокислот в белковой молекуле. Ну а если брать пары оснований? Нетрудно видеть, что тогда можно кодировать 42, или 16 аминокислот. А если брать тройки, или, как говорят еще, триплеты? Тогда 43, или 64, поскольку число комбинаций из четырех букв по три равно 43.
Каждая аминокислота кодируется триплетом оснований, поскольку дуплет способен закодировать только 42=16 аминокислот, а триплет создает некоторую избыточность (43 = 64).
Триплет оснований, кодирующий одну аминокислоту, называется кодовым словом, или кодоном. Поскольку триплетов 64, а организм использует для построения белков всего двадцать аминокислот, то среди триплетов есть и бессмысленные кодоны, то есть кодоны, которые не кодируют никакой аминокислоты.
Вот мы и подошли к самому главному. Существуют ли какие-либо данные, свидетельствующие о том, что код изменяется при переходе от низших форм к высшим?
Для выяснения этого вопроса были проведены тщательные исследования. Их цель состояла в том, чтобы посмотреть, какую аминокислоту кодирует тринуклеотид, выделенный, к примеру, из кишечной палочки, из печени морской свинки, из тканей позвоночных, в том числе и человека.
Так вот оказалось, что если взять, к примеру, тринуклеотид УУУ (подряд три урацила), то из какого организма мы ни взяли бы этот триплет, он всегда кодирует аминокислоту фенилаланин. Этот и многие другие эксперименты доказали, что генетический код универсален.
Правда, из этого правила есть два важных исключения.
Совсем недавно в журнале "Nature" появилось сообщение, что ДНК митохондрий и ядерная ДНК клеток высших организмов по-разному кодируют одну и ту же аминокислоту - метионин. Еще раньше было выяснено, что у кишечной палочки кодон УГА, состоящий из урацила, гуанина и аденнна, бессмысленный. В то же время у позвоночных, скажем у морской свинки, он соответствует аминокислоте цистеину.
Эти два важных отклонения от универсальности кода, бесспорно, требуют объяснения. И сегодня принято говорить о коде уже более сдержанно: код практически универсален.
Из палеобиологических данных известно, что вся дарвиновская эволюция насчитывает около 3,5 миллиарда лет и, по-видимому, за это время не произошло принципиальных (существенных) изменений в механизме матричного синтеза, поскольку генетический код практически универсален у всех организмов. На возникновение же самого механизма синтеза и кода остается промежуток времени меньше чем один миллиард лет, если исходить из данных о строении и эволюции планет солнечной системы.
Это кажется удивительным, так как в генетическом плане разница между человеком и бактерией существенно меньше, чем разница между неорганизованным набором макромолекул, составляющих клетку, и самой клеткой. На этот факт до сих пор обращалось недостаточное внимание, а ведь именно изучение эволюции матричного синтеза белков необходимо для решения, или, быть может, поиска подходов к решению загадки возникновения жизни.
Итак, последовательность оснований некоторого участка ДНК, на котором записан нуклеотидным языком порядок аминокислот какого-либо белка (ген), служит матрицей для синтеза молекул одноцепочечной рибонуклеиновой кислоты. Этот процесс (транскрипция) в принципе сходен с образованием реплики ДНК, и, значит, последовательность оснований в синтезируемой РНК комплементарна (с заменой тимина на урацил) последовательности оснований участка ДНК, на котором произошел синтез матричной, иначе информационной, РНК (мРНК).
Особо отметим, что весь процесс транскрипции идет в присутствии специальных ферментов: синтетаз, репликаз, полимераз. Матричной эту РНК называют потому, что на ней, как на матрице, синтезируется белок, а информационной потому, что она несет информацию об аминокислотной последовательности синтезируемого белка.
Следующий этап - перенос мРНК на рибосомы - клеточные органеллы в цитоплазме клетки, именно здесь непосредственно синтезируются белки. Этот последний этап образования белка называется трансляцией.
В начале процесса трансляции при помощи специальных ферментов-синтетаз аминокислоты переводятся в высокореакционную форму, происходит так называемое активирование. После этого опять-таки при участии ферментов каждая активированная аминокислота соединяется с молекулой специфической для нее транспортной рибонуклеиновой кислоты (тРНК). Молекула транспортной РНК значительно меньше молекулы информационной РНК- Молекулярный вес мРНК около 106, в то время как молекулярный вес транспортных РНК всего 104.
Полуконсервативный механизм репликации был полностью подтвержден в классических опытах М. Меселсона и Ф. Сталя. Особенность опыта состояла в том, что исходная молекула ДНК, за репликацией которой следили ученые, содержала не обычные атомы азота, а тяжелые, с атомным весом 15. Для этого культура бактерий выращивалась на питательной среде, включающей в себя лишь меченый азот 15N. Деление же этих "тяжелых" клеток происходило в среде, содержащей обычный азот. Меселсон и Сталь исследовали ДНК различных поколений при помощи специального метода, позволяющего в отдельности видеть "тяжелую" и нормальную ДНК.
Вот этот опыт и позволил получить изящное прямое доказательство справедливости полуконсервативного механизма репликации молекулы ДНК, предложенного Уотсоном и Криком. Меселсон и Сталь убедительно продемонстрировали, что после удвоения числа бактерий вся их ДНК оказалась гибридной, то есть промежуточной по весу между "тяжелой" и нормальной. С каждым новым поколением наблюдалось уменьшение количества тяжелой ДНК и увеличение числа нормальных "легких" молекул.
С какой же скоростью происходит рост новых цепей ДНК?
Работая с культурой уже знакомой нам "еколи" (кишечной палочки), ученые оценили величину скорости роста цеди бактериальной дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эти оценки невольно заставляют поражаться совершенству, которого достигла природа, создавая молекулярные машины-клетки. Оказалось, что 1400 нуклеотидов в секунду наращиваются на дочерней цепи - реплике. Мы сумеем лучше осмыслить, насколько велика эта скорость, вспомнив, что родительская молекула-спираль должна раскручиваться, чтобы получалась свободная цепь матрица для синтеза. Так вот, скорость раскручивания ДНК в процессе репликации около 140 оборотов в секунду! Лишь сравнительно недавно такие скорости были достигнуты в лучших высокоскоростных центрифугах.
Процессы, которые мы рассматривали сейчас, не кажутся особенно сложными, но уже и на этой стадии жизни клетки, если взглянуть на весь механизм репликации в целом, сразу же возникнут принципиальные трудности.
Почему, собственно говоря, ДНК должта расплетаться, раскручиваться? Что заставляет ее это делать? Американский ученый А. Корнберг в результате упорной почти десятилетней работы доказал, что и в процессе репликации центральную роль сграют все те же ферменты.
Иными словами, без ферментов не может идти образование новых цепей ДНК. Фермент и расплетает двойную спираль, и строит новую полинуклеотидную цепочку.
Эксперименты Корнберга и его сотрудников по синтезу ДНК существенно расширили представления о репликации и синтезе генетического материала. Общая картина процесса репликации представляется достаточно ясной. Есть стартовая, родительская молекула ДНКЕсть ферменты, есть разрыв стартовой молекулы и синтез молекул потомков.
Поражает прежде всего временная сбалансированность всех процессов, проходящих в нормальных условиях в живой клетке. Очевидно, что этот механизм ясляется результатом длительной эволюции и не мог появиться внезапно, дй еще во всем своем блеске, как Афина из головы Зевса. Но, к сожалению, механизмыпредшественники природой утеряны. В этом и состоит принципиальная трудность при попытках построить эволюционную схему от молекул к клетке.
Итак, один из центральных вопросов: как возник механизм репликации и синтеза нуклеиновых кислот?
К сожалению, здесь можно заниматься лишь самыми общими рассуждениями. Специалисты по предбиологической эволюции получили синтетические полинуклеотиды.
По всей видимости, в условиях примитивной Земли могло происходить накопление некоторых количеств этих молекул. Но заметим, что к этим опытам нужно относиться с известной осторожностью, так как условия, в которых проводился синтез, вряд ли могли реально существовать на примитивной Земле. Это одно важное замечание.
В то же время ученые, занимающиеся абиогенным синтезом, обратили внимание на то, что в их опытах количественный выход полипептидов всегда выше, чем выход полинуклеотидов. Этот важный факт дает возможность предположить, что к моменту образования полинуклеотидов на стерильной Земле уже были достаточно высокомолекулярные полипептиды.
А что, если бы удалось экспериментально доказать, что какой-либо синтетический полипептид может способствовать полимеризации полинуклеотидов? Тогда мы имели бы возможность построения гипотетических механизмов - предшественников современных механизмов репликации и синтеза нуклеиновых кислот.
Предположение о слабой каталитической активности полипептида выглядит очень перспективным. В этом случае первичный полипептид мог бы выполнять функции, аналогичные функции ДНК-полимеразы, фермента, участвующего в биосинтезе ДНК в клетке. Поскольку белки, по-видимому, "старше" нуклеиновых кислот, эта гипотеза могла бы быть проверена экспериментально.
Возможно, что механизм репликации возник уже после образования протоклеток и включения в них полимеров. Действительно, ведь современные процессы репликации, синтеза генетического материала и матричного синтеза белка происходят в растворах, концентрация органических соединений в которых весьма высока.
Очень трудно представить себе, что на примитивной Земле могли существовать места, где достигались бы такие концентрации. Только при достижении критической концентрации, аналогичной критической массе в ядерной физике, могли пойти решшкативные процессы.
Вот почему репликативная функция могла появиться позже, чем протоклетки, и ей предшествовала длительная эволюция полимеров и первичных структур типа протеиноидных микросфер. Эта упрощенная схема не решает, конечно, таких важных вопросов: каким образом осуществляется контроль репликации ДНК в клетке и что обеспечивает удивительную надежность при образовании копии? И уж конечно, остается открытым вопрос о моменте включения и полипептидов и полинуклеотидов в протоклетки.
Но ведь мало передать информацию. Клетка при делении дает потомство. Оно должно превратиться во взрослые, полноценные организмы. Пища в окружающем мире есть. Автотрофные организмы используют углекислый газ как источник углерода, микроорганизмы извлекают из окружающей среды необходимые для питания простые вещества. В любом организме эти простые вещества превращаются в сложные полимерные молекулы, среди которых центральное место занимают белки.
Не будь белков, клетка была бы мертва.
Представим себе на минуту клетку с нуклеиновыми кислотами, но без белков. Все, что нужно клетке дЛя жизни, записано в молекуле ДНК. Но эта инструкция мертва. Некому открыть словарь нуклеиновых кислот, нет исполнителей инструкций.
Встречается ли такая ситуация в современной биологии? Конечно же. В мире вирусов. Маленький кусочек нуклеиновой кислоты мертв. Но стоит ему попасть в клетку, как начинаются удивительные процессы. Вторгаясь в клетку, вирус "приказывает" ей жить по-другому, нежели она жила до этой драматической встречи.
Но самое главное: в основе нормальной работы клетки и работы по "чужому приказу" лежит один и тот же механизм. Именно этот механизм в эволюционном плане - величайшая загадка и современной молекулярной биологии, и проблемы происхождения жизни. Речь идет о матричном синтезе белка и генетическом коде.
Глава VIII
ВЕЛИКАЯ ЗАГАДКА КОДА
15 миллиардов лет развивалась Вселенная. Из протокапли родились частицы, элементы, звезды, галактики.
Мысль человека сумела объяснить многие процессы, происходящие в неживой природе. Конечно, и в физике элементарных частиц, и в планетной космогонии, и в космологии остаются еще не решенные вопросы. Но мне кажется, что по своему удельному весу в истории развития научного мышления человека, по своему философскому и общенаучному значению среди нерешенных вопросов нет более крупной, притягательной и таинственной проблемы, чем проблема происхождения жизни.
В рамках этой проблемы наибольшее число вопросов вызывают эволюция генетического кода и процесс матричного синтеза белка. Видимо, именно на матричном синтезе замыкается весь круг проблем, связанных с происхождением живых систем. Как-то после семинара в Институте белка Академии наук СССР мы разговаривали с академиком А. Спириным в его лаборатории. Он демонстрировал созданные в институте модели рибосом - клеточных органелл, принимающих участие в постройке белковых молекул.
"Не могу представить себе, - сказал он, - чтобы рибосомы могли каким-нибудь образом эволюционировать.
Они столь совершенны, что должны были появиться сразу".
Эта полушутливая фраза одного из наших крупнейших специалистов по механизмам биосинтеза белка в полной мере отражает основную трудность задачи. Конечно же, и рибосомы и весь аппарат синтеза белков в клетке должны были эволюционировать. Но как?? Пока ученые не решат этого вопроса, проблема происхождения жизни будет оставаться столь же загадочной, как и вчера. А тут еще рибосомы. Да добро бы только рибосомы. Есть задача и посложнее.
В двадцатых годах нашего столетия профессор У. Астбюри начал изучать рентгенограммы человеческого волоса, Оказалось, что молекулы белка в человеческом волосе расположены строго упорядочение и независимо от того, у кого взят волос, у блондина или брюнета, дают одинаковую и строго определенную картину в потоке рентгеновских лучей.
Астбюри провел эксперимент, который, по его собственному признанию, был одним из самых волнующих в его жизни. Будучи страстным любителем музыки, он сумел раздобыть на время прядь волос Моцарта и снял их рентгенограмму. Расположение белковых молекул в волосах великого композитора ничем не отличалось от их расположений в волосах обычных людей.
Но здесь речь идет только об упорядоченности молекул, причем у организмов одного вида. А что можно сказать о химическом составе сходных белков, например известного всем гемоглобина, у различных биологических видов?
За многие миллионы лет эволюции живого мира в составе идентичных белков произошли определенные изменения. Гемоглобин лошадн, выполняя те же функции, что и гемоглобин человека, несколько отличается от него по своей аминокислотной последовательности. Означает ли это, что у лошади механизм образования гемоглобина, да и любого другого белка иной, чем у человека?
Вопрос можно поставить глубже.
Каким образом происходит снятие копии живого организма? И как клетка делает бел-ки, необходимые дй для нормальной жизни?
Мы видели, что первый $тап этого процесса - редупликация генетического материала клетки, молекул ДНК- Но, спрашивается, зачем это нужно клетке? Зачем ей передавать потомству точную копию своей нуклеиновой кислоты?
Процесс редупликаций генетического материала нельзя отделять от процесса образования дочерней клетки как целого.
Чтобы получилось полноценное потомство, недостаточно просто снять копию с ДНК. Нужно, чтобы дочерняя клетка имела такой же полный запас белков, мембрану, все необходимые клеточные органеллы, как и ее родитель.
В одной клетке кишечной палочки три тысячи типов различных белков. Именно в молекулах ДНК зашифрована вся информация, как их нужно делать. Поэтому-то великое таинство жизни - рождение потомства - и начинается с редупликации ДНК. и передачи копии генофонда "по эстафете", от родителей к детям.
Но генофонд сам по себе, в изоляции, ничего не может сделать. Находясь же в крохотном кусочке живой материи - клетке, он творит чудеса, вернее, клетка, используя генофонд, творит чудо, строя свою полную копию. Клетка "знает", как это делать.
В 1973 году в офисе известного в США журналиста, специализировавшегося на научно-популярных статьях, Д. Рорвика раздался телефонный звонок. Миллионер, имя которого Рорвик обещал держать в тайне, обратился к нему с просьбой, которая вполне могла бы послужить сюжетом научно-фантастического романа. Однако миллионер был полностью в курсе достижений современной молекулярной генетики; и, хотя его разговор с Рорвиком действительно слегка отдает фантастикой, беседа эта явилась еще одним подтверждением колоссальных успехов современной науки.
Миллионер попросил журналиста подыскать ученых, которые бы согласились сделать... его (миллионера) живую копию. Такие ученые нашлись.
За пределами США была создана секретная лаборатория, где в течение двух лет готовились к решающему опыту. Извлеченную из тела миллионера клетку слили в пробирке с яйцеклеткой, ядро которой предварительно разрушили, чтобы остались в "живых" только генетические признаки миллионера. "Оплодотворенную" яйцеклетку имплантировали (ввели) приемной матери, у которой через 9 месяцев родился нормальный ребенок - сын и в то же время брат-близнец миллионера, его абсолютно точная копия.
Эту поразительную историю поведал миру один из научно-популярных журналов. Выдумка это или действительный факт - неизвестно. Ясно лишь одно. В принципе такой эксперимент сделать можно. Современной науке это по плечу.
Не будем останавливаться сейчас на моральных аспектах подобных опытов. Ясно, что возможное "клонирование" людей идет вразрез с тысячелетними этическими нормами человечества. Но этот пример еще раз заставляет нас вернуться к вопросу о том, как клетка строит свою копию.
Процесс этот исключительно сложен. Гораздо легче обсуждать космические явления, образование планет.
Конечно, и здесь есть масса неясных моментов. Но тем не менее физика гораздо более простая наука, чем молекулярная биология. Даже если считать, что современная физика началась с Ньютона, то наука эта весьма преклонного возраста. А молекулярной биологии (будем считать днем ее рождения открытие двойной спирали ДНК) нет еще и тридцати лет.
Физика проста потому, что она имеет дело с малым числом изучаемых объектов. Можно в рамках физических законов описать поведение материальной точки, можно описать взаимодействие двух тел. Знаменитая задача трех тел уже вызывает определенные трудности.
Когда физик хочет описать поведение молекул газа, ему трудно вычислить траекторию каждой отдельно взятой молекулы. В этом случае он пользуется законами статистической физики и описывает поведение коллектива молекул.
А в молекулярной биологии? Нам нужно знать, как ведет себя каждый из трех тысяч белков кишечной палочки, каждый фермент, каждая молекула нуклеиновой кислоты. Причем ясно, что в конечном итоге все процессы в клетке определяются законами физики. Но как с точки зрения физики описать полностью эти процессы, мы пока не знаем.
Сейчас в молекулярной биологии эпоха накопления фактического материала, и попытаемся пока просто на основании имеющихся данных поглядеть, каким же образом клетка печатает свои собственные копии, размножается.
Для этого ей нужно сделать две вещи.
Первое - снабдить потомство информацией о том, что ему надлежит делать в этом мире. Иными словами, передать генофонд, молекулы ДНК.
Второе - взрастить внутри себя полноценного "ребенка", копию. Для этого бактериальная клетка, дерево, животное обязаны уметь синтезировать белки, которые и делают растущий организм жизнеспособным.
Эти процессы идут повсеместно в мире живого. И в обоих этих процессах участвуют белки. Как происходит редупликация ДНК - передача генофонда, говорилось в предыдущей главе. А матричный синтез белков?
Попробуем разобраться в этом отнюдь не простом вопросе. Кстати говоря, совершенно ясно, что живой организм строит белки не только в цикле размножения, но и во время всей своей жизни, например, в процессе роста.
Итак, клетке потребовалось построить какой-либо белок. И вот наша молекулярная фабрика берется за дело. По строгому правилу, которое называется центральной догмой, или центральным постулатом молекулярной биологии, последовательно начинают работать отдельные цехи фабрики.
Что же это такое - центральная догма, сформулированная впервые Ф. Криком?
Догма указывает путь передачи информации в живых системах от ДНК до белка. Она (догма) утверждает, что информация о синтезе белков хранится в ДНК.
Поток информации начинается тогда, когда информация с ДНК "переписывается" на молекулу РНК. Этот процесс называется транскрипцией, а одноцепочечная молекула РНК, которая образуется, как на матрице, на молекуле ДНК, называется матричной, или информационной.
В принципе этот процесс похож на процесс редупликации ДНК, но в случае транскрипции с ДНК считывается лишь определенный, нужный в данный момент клетке участок (ген).
Далее уже на матричной РНК с участием рибосом, определенных ферментов, специальных так называемых транспортных РНК и происходит сборка белковой молекулы. Этот последний этап процесса синтеза белка называется трансляцией.
Центральный постулат утверждает, таким образом, что поток информации во всех живых организмах идет только в одном направлении - от ДНК через РНК к белку. Другими словами, ДНК "знает" о белке все. Белок "не знает" о ДНК и не может повлиять на последовательность нуклеотйдов в ДНК. Более того, если бы нашелся организм, функционирующий по принципу белок - ДНК, это заставило бы нас пересмотреть основные положения молекулярной генетики и биологии.
Казалось бы, все просто: есть матрица, а на ней строится белок. Но простоты здесь нет никакой.
Разберем более подробно, каким же образом происходит синтез белковых молекул.
Так же как и при описаний репликация ДНК, мы постараемся подчеркнуть нерешенные вопросы в процессах матричного синтеза, чтобы сделать более контрастной стержневую идею о глубине разрыва между макромолекулами и функционирующей клеткой.
Сегодня на основании большого числа опытных данных можно считать твердо установленным, что план построения клеточных белков записан в молекуле ДНК.
К такому выводу ученые пришли, конечно, не сразу, хотя проблема передачи наследственной информации возникла еще во времена Ф. Мишера и Г. Менделя.
На рубеже XIX и XX веков лишь отдельные естествоиспытатели понимали всю принципиальную важность и сложность проблемы воспроизведения копии живого организма и передачи наследственной информации.
Работы русского химика профессора А. Колли, выполненные почти столетие назад, показали, что наследственное вещество в бактериальной клетке составляет очень малую часть от общего числа молекул в ней.
И данные Колли натолкнули академика Н. Кольцова на идею о матричном синтезе белков. Однако Кольцов представлял себе поток информации в виде схемы белок - белок. Он думал, что "каждая белковая молекула возникает из белковой молекулы путем кристаллизации вокруг нее находящихся в растворе аминокислот и других белковых обломков".
Весь процесс построения белка, как мы сейчас знаем, происходит не так и гораздо сложнее, но идея матричного синтеза, впервые высказанная Кольцовым в двадцатых годах нашего века, оказала неоценимое влияние на все последующее развитие молекулярной биологии.
Если отвлечься на время от химических аспектов взаимодействия аминокислот с РНК, то проблему генетического кода можно рассматривать просто как проблему перевода текста с одного алфавита на другой.
Молекулу белка можно представить себе как фразу с определенным смыслом. Ну, например, "Яумеюпомогатьорганизмувперевариваниипищи". Не очень длинная фраза, не очень сложный белок - всего 40 аминокислотных остатков. Каждая буква в этой фразе - аминокислота. Но только в отличие от русского алфавита в аминокислотном языке всего двадцать букв. Стоит переставить местами несколько букв во фразе, и она потеряет смысл.
Стоит переставить аминокислоты, и молекула белка тоже "потеряет смысл" - не сможет выполнять свою функцию: помогать в переваривании пищи.
Молекула ДНК тоже текст. Но текст, в алфавите которого используется лишь четыре буквы. В мире живого белковый текст кодируется нуклеиновым. А что такое кодирование?
Если заданная последовательность нуклеотидов в нуклеиновой кислоте полностью определяет последовательность аминокислот в белке, то мы говорим, что нуклеиновый текст кодирует текст белка.
Как же составляются слова из четырех букв нуклеинового текста? Совершенно ясно, что кодировать одну букву - аминокислоту должны какие-то комбинации из четырех букв - нуклеотидов. Это очевидно, так как четыре нуклеиновых основания, взятые каждое в отдельности, могут определить положение только четырех аминокислот в белковой молекуле. Ну а если брать пары оснований? Нетрудно видеть, что тогда можно кодировать 42, или 16 аминокислот. А если брать тройки, или, как говорят еще, триплеты? Тогда 43, или 64, поскольку число комбинаций из четырех букв по три равно 43.
Каждая аминокислота кодируется триплетом оснований, поскольку дуплет способен закодировать только 42=16 аминокислот, а триплет создает некоторую избыточность (43 = 64).
Триплет оснований, кодирующий одну аминокислоту, называется кодовым словом, или кодоном. Поскольку триплетов 64, а организм использует для построения белков всего двадцать аминокислот, то среди триплетов есть и бессмысленные кодоны, то есть кодоны, которые не кодируют никакой аминокислоты.
Вот мы и подошли к самому главному. Существуют ли какие-либо данные, свидетельствующие о том, что код изменяется при переходе от низших форм к высшим?
Для выяснения этого вопроса были проведены тщательные исследования. Их цель состояла в том, чтобы посмотреть, какую аминокислоту кодирует тринуклеотид, выделенный, к примеру, из кишечной палочки, из печени морской свинки, из тканей позвоночных, в том числе и человека.
Так вот оказалось, что если взять, к примеру, тринуклеотид УУУ (подряд три урацила), то из какого организма мы ни взяли бы этот триплет, он всегда кодирует аминокислоту фенилаланин. Этот и многие другие эксперименты доказали, что генетический код универсален.
Правда, из этого правила есть два важных исключения.
Совсем недавно в журнале "Nature" появилось сообщение, что ДНК митохондрий и ядерная ДНК клеток высших организмов по-разному кодируют одну и ту же аминокислоту - метионин. Еще раньше было выяснено, что у кишечной палочки кодон УГА, состоящий из урацила, гуанина и аденнна, бессмысленный. В то же время у позвоночных, скажем у морской свинки, он соответствует аминокислоте цистеину.
Эти два важных отклонения от универсальности кода, бесспорно, требуют объяснения. И сегодня принято говорить о коде уже более сдержанно: код практически универсален.
Из палеобиологических данных известно, что вся дарвиновская эволюция насчитывает около 3,5 миллиарда лет и, по-видимому, за это время не произошло принципиальных (существенных) изменений в механизме матричного синтеза, поскольку генетический код практически универсален у всех организмов. На возникновение же самого механизма синтеза и кода остается промежуток времени меньше чем один миллиард лет, если исходить из данных о строении и эволюции планет солнечной системы.
Это кажется удивительным, так как в генетическом плане разница между человеком и бактерией существенно меньше, чем разница между неорганизованным набором макромолекул, составляющих клетку, и самой клеткой. На этот факт до сих пор обращалось недостаточное внимание, а ведь именно изучение эволюции матричного синтеза белков необходимо для решения, или, быть может, поиска подходов к решению загадки возникновения жизни.
Итак, последовательность оснований некоторого участка ДНК, на котором записан нуклеотидным языком порядок аминокислот какого-либо белка (ген), служит матрицей для синтеза молекул одноцепочечной рибонуклеиновой кислоты. Этот процесс (транскрипция) в принципе сходен с образованием реплики ДНК, и, значит, последовательность оснований в синтезируемой РНК комплементарна (с заменой тимина на урацил) последовательности оснований участка ДНК, на котором произошел синтез матричной, иначе информационной, РНК (мРНК).
Особо отметим, что весь процесс транскрипции идет в присутствии специальных ферментов: синтетаз, репликаз, полимераз. Матричной эту РНК называют потому, что на ней, как на матрице, синтезируется белок, а информационной потому, что она несет информацию об аминокислотной последовательности синтезируемого белка.
Следующий этап - перенос мРНК на рибосомы - клеточные органеллы в цитоплазме клетки, именно здесь непосредственно синтезируются белки. Этот последний этап образования белка называется трансляцией.
В начале процесса трансляции при помощи специальных ферментов-синтетаз аминокислоты переводятся в высокореакционную форму, происходит так называемое активирование. После этого опять-таки при участии ферментов каждая активированная аминокислота соединяется с молекулой специфической для нее транспортной рибонуклеиновой кислоты (тРНК). Молекула транспортной РНК значительно меньше молекулы информационной РНК- Молекулярный вес мРНК около 106, в то время как молекулярный вес транспортных РНК всего 104.