Разгаданные триплеты
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
В 1961 году в молекулярной биологии произошло событие, которое даже самые сдержанные исследователи расценивали как выдающееся, а самые восторженные сравнивали с созданием квантовой механики или теории относительности в физике. Речь идет о разгадке биохимического кода, или, как его лучше называть, кода белкового синтеза.
В этом открытии соединилось все то, что характеризует современную молекулярную биологию, — решение биологической проблемы найдено средствами биохимии и химии на базе совершенного физического оборудования, физических и химических идей.
Белки — поистине самые удивительные из всех известных нам молекул. 20 аминокислот, образующих молекулы белков, располагаются в них самым разнообразным способом и, главное, в пределах одного вида белка — всегда в одном и том же порядке.
Перестановки и замены недопустимы. Совершенно так же, как из букв алфавита можно составить любое слово, меняя лишь порядок букв, так и в белке все решает порядок аминокислот. Валин-аланин-серин и серин-валин-аланин — совсем не одно и то же.
При изучении таких жизненно важных белков, как инсулин (нехватка или отсутствие его приводит к диабету — сахарной болезни) и гемоглобин (он придает красный цвет крови и приносит кислород каждому органу нашего тела), было показано, что «подмена» одних аминокислот другими ведет к «порче» молекул — к неспособности выполнять свои функции.
Порядок построения белка определяют нуклеиновые кислоты, точнее, информационная (она же матричная) рибонуклеиновая кислота (мРНК) и транспортная (она же «растворимая») рибонуклеиновая кислота (тРНК).
Биосинтез белка протекает в клеточных телах, именуемых рибосомами.
В рибосомах имеется:
1) рибонуклеиновая кислота рибосом — функция пока точно неизвестна,
2) рибосомальные белки — функция пока точно неизвестна,
3) мРНК — матрица белкового синтеза,
4) тРНК — молекула-адаптор,
5) ферменты — полипептид-синтетазы, осуществляющие соединение двух аминокислотных остатков друг с другом.
Современная схема описывает белковый синтез, привлекая только три последних участника приведенного перечня. Это, мягко говоря, недостаток схемы, так как 90 процентов веществ, образующих рибосомы, остаются «безработными». Разумеется, не в природе — в наших представлениях.
Как же осуществляется с помощью рибосомальной машины соединение двух аминокислот в нужном, как говорят биохимики, специфическом порядке? Молекула мРНК разбита на группы из трех нуклеотидов (тройки); каждой тройке противостоит тройка нуклеотидов в молекуле тРНК. Ученые их обычно называют кодонами и антикодонами (от слова «код»). Каждой аминокислоте присущ свой особый кодон в мРНК и свой особый антикодон в тРНК. Многие аминокислоты «богаты» и имеют по два и даже три кодона, но мы для простоты изложения забудем об этом.
Как же срабатывает вся система? Под действием специальных ферментов тРНК «нагружается» аминокислотами, причем каждый вид тРНК — своей аминокислотой. Такая «заряженная» тРНК в рибосомах устанавливается в соответствии со своим антикодоном против соответствующего кодона матрицы. В этом взаимодействии, о котором мы почти ничего пока не знаем, главное — высокая избирательность. Например, аминокислота валин «садится» на свою тРНК, которая затем «тянется» к своему кодону. Никакая другая тРНК к этому участку мРНК не подходит — связи не возникает.
Итак, схема такова: цепь — аминокислота — тРНК—мРНК. Одна из проблем кода белкового синтеза состояла в том, чтобы определить, какие нуклеотиды в молекуле мРНК (и, разумеется, в каком порядке) соответствуют различным аминокислотам.
Ниренбергу удалось потрясающе просто найти ключ к разгадке кода. Он «запускал» в реакционный «котел», где должен был идти синтез белка, нуклеиновую кислоту, состоящую сплошь только из одного вида нуклеотидов — уридиловых. Эта кислота называется полиуридиловая — полиУ. При этом синтезировался белок, состоящий только из одной аминокислоты — фенилаланина. Следовательно, полиУ кодирует образование полифенилаланина. Так был определен состав кода: фенилаланин-урацил, вернее, три урацильных остатка, так как код (это было установлено отдельно) состоит из троек.
Дальше удалось удивительно быстро, фактически за 1—2 года, выяснить составы кодов для других аминокислот. Например, лизин — ААА (аденин), пролин — ЦЦЦ (цитозин), серии — ЦУУ, валин — ГУУ и так далее, В тех немногих случаях, когда только один нуклеотид входит в кодовую тройку, код оказывается расшифрованным до конца. Если же нуклеотиды разные, остается нерешенной вторая, весьма важная проблема — каков порядок нуклеотидов внутри тройки. Серин — ЦУУ — это состав, а не последовательность; она может быть УЦУ, может быть и УУЦ. Это относится и к другим кодонам.
Нужно было найти общий способ, который бы позволил установить последовательность нуклеотидов внутри троек.
Это удалось сделать тому же Маршалу Ниренбергу и его сотруднику Филиппу Лидеру. Были взяты рибосомы и к ним добавлены короткие (состоящие только из трех звеньев) полинуклеотиды, собственно, не поли- а тринуклеотиды (например, УУУ, ААА и т. д.). Эти тринуклеотиды держатся в рибосоме достаточно прочно, несмотря на небольшие размеры. Мало того, что эти тройки оказались способными удержаться в рибосоме, в их присутствии тРНК, нагруженная аминокислотой, тоже приобрела способность «влезать» в рибосому и на ней (или в ней) удерживаться. Конечно, не любая тРНК, а только те, которым «положено». В присутствии тройки УУУ удержалась в рибосомах только одна тРНК — «нагруженная» фенилаланином,— все другие остались незамеченными рибосомами. Значит, последовательность УУУ кодирует фенилаланин.
Дальнейший план ясен: надо брать подряд все тройки, а всего их может быть, как известно из элементарной алгебры, из 4 нуклеотидов по три — 64, и смотреть, какая же из тРНК удержится на взятом триплете. Так и было сделано. Взяли рибосомы, взяли тройки состава 2У1Г соответствующего, как известно, валину, и стали смотреть, «примкнет» ли к рибосомам валиновая тРНК. В присутствии УГУ валин РНК не задерживается, УУГ — тоже не задерживается, ГУУ — держится. Ясно, что кодон для валина имеет последовательность ГУУ.
Дальнейшее — уже дело техники. Сейчас сравнительно несложно получить чисто химическим путем тройки любого состава, а дальше нужно по очереди испытывать их в системе Ниренберга—Лидера. Именно этим и заняты сейчас американские исследователи.
Но и сейчас еще код наследственности нельзя считать разгаданным до конца. Несмотря на то, что мы ужа многое знаем о нем, он все еще преподносит нам сюрпризы. Выяснилось, что код далеко не безразличен к температуре, при которой его «читают». Например, при обычно используемых температурах (30—37а) полиуридиловая кислота стимулирует образование полифенилаланина. Однако достаточно температуру резко понизить или повысить, как тот же самый полинуклеотид стимулирует попадание в белковую молекулу не одной, а нескольких аминокислот, скажем, лейцина и изолейцина (помимо фенилаланина).
Эти факты свидетельствуют о том, что код в определенных «неоптимальных» условиях начинает «врать», или, выражаясь научно, появляется многосмысленность кодовых слов. Интересно, что у термофилов, бактерий, живущих при высоких температурах, код работает нормально при 50—60°, а при 37° и ниже начинает «врать».
Все эти факты еще раз подтвердили старую истину о том, что все относительно и зависит от условий. Разумеется, эти данные ни в малейшей степени не ставят под сомнение само существование кода белкового синтеза, они только еще раз напоминают об опасностях и трудностях изучения упрощенных, изолированных систем. Однако если бы мы не использовали изолированные бесклеточные системы, то и код не был бы расшифрован.
Белки лежат в основе всего живого, и познание путей их образования — проблема, далеко выходящая за рамки «чистой» теории. Ведь рак, вирусные и наследственные заболевания, так же как и корма для животноводства, так же как проблема пересадок органов и тканей,— все это различные аспекты проблемы белков, их образования и деятельности в живых системах.
Автор: Л. Киселев.