Поиски жизни в Солнечной системе - Норман Хоровиц

Типичная молекула белка образована одной или несколькими цепочками, называемыми полипептидами, каждая из которых в свою очередь состоит из нескольких сотен соединенных друг с другом аминокислот. Обычно все их 20 типов представлены в каждой такой цепочке (рис. 4). Цепочки свернуты в сложные трехмерные структуры, или конформации, нередко напоминающие спутанный клубок ниток. Особые свойства белковых молекул — как ферментов, так и неферментов — зависят от их конформации. Когда конформация нарушена (в результате процесса, называемого денатурацией), белок перестает функционировать, даже если его аминокислотные цепочки остаются неповрежденными. При соответствующих условиях денатурированные белки могут самопроизвольно ренатурировать — при этом их функции восстанавливаются. Подобное восстановление свидетельствует о том, что трехмерная конфигурация молекулы определяется только последовательностью аминокислот, которая, как известно, кодируется генами.

Рис. 4. Объединенные в цепочки аминокислоты образуют белки. На рисунке показан сегмент, содержащий (слева направо): глицин, аланин, метионин и аспарагин

Правила, которые определяют последовательность аминокислот, просты, но доказательство их существования по праву считается одним из величайших достижений биологии XX в. Говоря кратко, последовательность аминокислот, характеризующая ту или иную полипептидную цепь, определяется отдельным геном, и этот ген не выполняет более никаких других функций. Белок, состоящий из одной цепи (или нескольких, но идентичных по последовательности), кодируется единственным геном: белок, состоящий из двух цепей, отличающихся по структуре, кодируется двумя различными генами и т. д. Кодирование осуществляется следующим образом: каждой аминокислоте соответствует комбинация трех нуклеотидов из четырех типов, составляющих ДНК. Из четырех различных нуклеотидов можно составить 64 комбинации по три нуклеотида: ААА, ААГ, АГА и т. д…

Эти буквы соответствуют азотистым основаниям нуклеиновых кислот, изображенным на рис. 1. Каждый триплет кодирует одну аминокислоту, за исключением трех бессмысленных ("нонсенс") триплетов, которые обозначают окончание считывания кода. Таким образом, 20 аминокислотам соответствует 61 триплет, и следовательно, в генетическом коде большинству аминокислот соответствует два или три триплета (см. табл. 1).

Таблица 1. Генетический код

Аминокислота Триплеты оснований Глицин ГГТ, ГГЦ, ГГА, ГГГ Аланин ГЦТ, ГЦЦ, ГЦА, ГЦГ Валин ГТТ, ГТЦ, ГТА, ГТГ Лейцин ТТА, ТТГ, ЦТТ, ЦТЦ, ЦТА, ЦТГ Изолейцин АТТ, АТЦ, АТА Серин ТЦТ, ТЦЦ, ТЦА, ТЦГ, АГТ, АГЦ Треонин АЦТ, АЦЦ, АЦА, АЦГ Аспарагиновая кислота ГАТ, ГАЦ Глутаминовая кислота ГАА, ГАГ Лизин ААА, ААГ Аргинин ЦГТ, ЦГЦ, ЦГА, ЦГГ, АГА, АГГ Аспарагин ААТ, ААЦ Глутамин ЦАА, ЦАГ Цистеин ТГТ, ТГЦ Метионин АТГ Фенилаланин ТТТ, ТТЦ Тирозин ТАТ, ТАЦ Триптофан ТГГ Гистидин ЦАТ, ЦАЦ Пролин ЦЦТ, ЦЦЦ, ЦЦА, ЦЦГ "Нонсенс" (бессмысленные колоны) ТАА, ТАГ, ТГА

Итак, генетическая информация каждого организма состоит из закодированной в его ДНК комбинации программ, которые и управляют синтезом большого числа ферментов и других белковых молекул. Этим основным положением обусловлены все другие особенности жизнедеятельности организма: его развитие, структура, тип обмена веществ и поведение, так как все они генетически предопределены. Таким образом, нуклеиновые кислоты и белки образуют сцепленную, взаимозависимую систему: синтез молекул обоих типов зависит от активности множества ферментов, для синтеза которых необходима информация, содержащаяся в ДНК. Именно в такой самоподдерживающейся генетической системе и закодированы все уникальные свойства живой материи.

Связь между генами и белками весьма непроста, но вполне понятна. Чтобы выжить, организм должен синтезировать великое множество разнообразных типов белков. Но белковые молекулы — это огромные и чрезвычайно упорядоченные структуры, которые построены из отдельных аминокислот, и если бы каждому организму приходилось заново выбирать, в какой последовательности соединить аминокислоты, чтобы наилучшим образом синтезировать необходимые белки, он бы не смог выжить. Поэтому информация — необходимое для жизни и незаменимое генетическое наследство — должна передаваться от родителей к потомкам. Если бы нужные последовательности аминокислот могли быть скопированы с уже существующих белковых молекул, то нуклеиновые кислоты оказались бы ненужными. Однако по своему строению белковые молекулы не годятся для копирования. В то же время последовательность нуклеотидов, образующих полинуклеотидные молекулы, может быть легко скопирована. Поэтому программы "сборки" белковых молекул закодированы в нуклеиновых кислотах, и именно они копируются в каждом поколении и передаются по наследству.

Разумеется, сами по себе белки и нуклеиновые кислоты еще не образуют организма. Чтобы ферменты могли синтезировать все новые молекулы нуклеиновых кислот, ферментов и других веществ, необходимых для построения организма, им нужно исходное сырье, а также источник энергии и растворитель. Растворитель (вода) фактически представляет собой основной компонент большинства живых существ. (Более подробно об источниках энергии и воде мы будем говорить дальше.) Имея в своем распоряжении исходное сырье, энергию и воду, генетическая система получает возможность сформировать организм, включая все те структуры, которые сами по себе лишены генетических свойств, например мембраны, окружающие каждую клетку.

Помимо этих основных условий для создания организма в генетической информации должна содержаться программа, определяющая порядок "работы". Ведь тысячи генов, в которых записана программа построения живой системы, не существуют все одновременно в активном состоянии. В ходе сложных стереотипных изменений, составляющих основу индивидуального развития организмов, особенно у многоклеточных растений и животных, различные гены активируются не одновременно и в разных клетках. Рассмотрим простой пример. Гемоглобин вырабатывают только определенные клетки организма, и гены, несущие информацию, необходимую для синтеза двух аминокислотных цепей, образующих этот белок, активны только в тех клетках, которые производят гемоглобин, хотя присутствуют во всех. Более того, гемоглобин, синтезируемый в клетках эмбриона млекопитающих, отличен от того, который синтезируется в клетках взрослых особей. Это означает, что разные гены гемоглобина вступают в действие на различных стадиях развития организма. Закономерности такого рода, присущие всем генам и клеткам организма, обеспечивают формирование отдельной особи — будь то животное или растение, — начиная с момента оплодотворения. Программа управления этим процессом генетически закодирована. Природа управляющих сигналов и различных механизмов, включаемых в ходе развития, еще не совсем понятна — это предмет многих современных биологических исследований.

Откуда же информация поступает в гены? Непосредственный источник ее — гены родителей. Первичным же источником этой информации являются случайные мутации — произвольные изменения отдельных нуклеотидов, а иногда более значительные перестройки ДНК, отобранные и закрепленные в процессе естественного отбора. Мутантные гены реплицируются[2] так же, как и все другие, но при трансляции[3] они дают начало белкам с новой последовательностью аминокислот и новыми свойствами или вызывают образование измененных генетических программ развития. В большинстве случаев возникшие мутации либо вредны, либо бесполезны и поэтому отсеиваются в процессе естественного отбора. Однако иногда мутация приводит к синтезу нового полезного белка или изменению процесса индивидуального развития, что дает то или иное преимущество особи, обладающей им. Такая мутация сохраняется и распространяется благодаря естественному отбору, так как несущие ее особи оставляют в среднем больше потомства, чем не имеющие ее. В конце концов мутантный тип может стать доминирующим в популяции.