Кибернетика больших молекул

В предыдущей главе мы много говорили о таких на первый взгляд сложных и далеких от биологии вещах, как «информация», «код», «перенос информации»…

Как видите, при ближайшем рассмотрении все стало значительно проще. У таких отвлеченных понятий оказались вполне конкретные носители, наши давнишние знакомые: РНК, ДНК, нуклесшротеидные частицы рибосом. Но в рассказе о процессе синтеза вируса в зараженной клетке остался один существенный пробел. По существу мы рассказали о том, что происходит. А на естественный вопрос, как это совершается, ответа не последовало.

Дело в том, что мы с вами идем по самым горячим следам науки. И поэтому, естественно, всюду еще много пробелов, недоделок. Вот и мы, в частности, не в состоянии удовлетворить ваше вполне естественное любопытство: а что это за вирусная информация, как она конкретно «записана»? Пока биохимикам и генетикам точной записи генетического кода вирусов установить не удалось.

Но не смущайтесь этим. Завесу тайны над генетическим кодом удалось приподнять в опытах на других объектах. Есть все основания думать, что законы природы едины для всех живых существ: для вирусов, бактерий, млекопитающих и т. д. В частности, весьма вероятно, что характер генетического кода одинаков для всех объектов. Это — новый и очень сильный аргумент в пользу единого происхождения жизни на Земле.

Так что же удалось установить? Летом 1961 года, на Всемирном конгрессе биохимиков в Москве выступил американский ученый Ниренберг. Говорил он мало — всего лишь 10 минут, но эти 10 минут отозвались во многих лабораториях мира месяцами напряженнейшего труда. А доложил Ниренберг о результатах, казалось бы, невинного опыта, в котором мы сейчас попробуем с вами разобраться. Помните наш рассказ о том, как бактериофаг, вернее, его ДНК, расправился с зараженной клеткой? На молекуле фаговой ДНК синтезировалась РНК-переносчик, которая скопировала хранившуюся в ДНК информацию, затем включилась в рибосомы и начала работать в этих частицах наподобие программы в автоматическом станке. И рибосомы, эти фабрики белкового синтеза, вырабатывавшие до этого белки для бактериальной клетки, послушно стали делать теперь белки для синтеза фага.

Ниренберг выделил из бактериальных клеток эти частицы — рибосомы, которые так услужливо готовы работать на РНК-переносчика, владеющего каким-то «заветным» словом-паролем. Получились обычные нуклеопротеиды, какие сотни раз выделялись в десятках других лабораторий. Ниренбарг добавил к рибосомам смесь различных аминокислот, из которых, как вы знаете, строится белок, источники энергии — и… и рибосомы, конечно, не «работали», то есть не поглощали аминокислот из среды, чтобы использовать их для синтеза белка. Вы уже знаете, почему: не было «команды», не было РНК-посредника. Если добавить к рибосомам бактериальную РНК, то рибосомы начнут работать и выпускать свою белковую продукцию. Но все это делалось уже и раньше.

Однако Ниренберг рассуждал иначе. Он думал: молекула РНК-посредника, как и обычная РНК, построена из 4 кирпичиков-нуклеотидов (помните? — АГЦУ), белок — из 20 аминокислот. Очень сложно! А что, если взять систему попроще? Например, одну «букву» — У. И сделать из этой «буквы» длинное «слово» — УУУУУУУУУУУУУ… На языке химии это означает, что Ниренберг получил полимер, состоящий из уридиловой кислоты, непременно входящей в состав всякой РНК. Получилась УУУУ-РНК, состоящая только из одной буквы вместо четырех. И вот ее-то ученый добавил к системе рибосом.

Как только эта УУУ-молекула соединилась с рибосомами, они заработали!

Ниренберг был, конечно, готов ко всему и только поэтому не развел руками: фабрика в ответ на «УУУУ-команду» синтезировала своеобразный белковый «ФФФФФ-ответ». Это был белок, вернее, примитивный полипептид, построенный только из одной аминокислоты — фенилаланина. Если назвать ее по первой букве Ф, то и получится ФФФ-цепочка из одной аминокислоты.

Однообразный, не встречающийся в живых телах именно из-за своей примитивности, ФФФФ-полимер стал грандиозной победой биохимиков. Его создание было первым шагом к расшифровке генетического кода. Ведь успех Ниренберга означал, что в ответ на введение в рибосомы полимера уридиловой кислоты они начинают вырабатывать белки, то есть полимеры, из фенилаланина. Таким образом, У — это пароль для Ф!

Человек начал понимать «язык» молекул и вникать в смысл тех «слов», которыми «разговаривают» друг с другом нуклеиновые кислоты, рибосомы, белки и другие компоненты клеток.

Вот что рассказал Ниренберг за 10 минут 5 тысячам делегатов V Международного биохимического конгресса в Москве.

Итак, был открыт путь к расшифровке молекулярного языка, и началась работа, в которую были вовлечены крупнейшие ученые крупнейших лабораторий мира. Мы не будем рассказывать о деталях этой работы. Важно одно — уже через год объединенными усилиями ученых Нью-Йоркского университета, Национального института здоровья США и Отдела молекулярной биологии Кембриджского университета в Англии под (руководством Очоа и Крика была раскрыта одна из запутаннейших тайн природы — расшифрован код, которым в структуре РНК, в чередовании ее четырех букв — нуклеотидов АГЦУ — записан порядок включения аминокислот при синтезе белка.

Собственно, в основе всех этих работ лежал метод Ниренберга. Химики синтезировали полимеры, содержавшие различные сочетания нуклеотидов, а биохимики их испытывали на той же системе рибосом. Испытание заключалось все в том же определении: какой пептид из каких аминокислот синтезируется рибосомами в ответ на очередную команду? И здесь очень скоро выяснилось, что в общем Ниренбергу, а вместе с ним и всей науке необыкновенно повезло! Повезло в том отношении, что возьми ученый не УУУУ, а ГГГГ, ЦЦЦЦ или АААА, у него ничего бы не вышло. Фенилаланин оказался единственной аминокислотой, которая могла «откликнуться» на это монотонное и тягучее сочетание — УУУ. Для включений любой другой из 20 аминокислот требовалось более сложное сочетание букв. Но как всегда, удача приходит к тому, кто ищет!

Попутно выяснилось и еще одно обстоятельство, о котором ученые, правда, догадывались и раньше. Для генетического кода важно не просто бесконечное повторение двух-трех букв, а их определенные сочетания в группе из трех членов. Представьте себе язык, в котором имеются только слова из трех букв, типа «дом, том, зов, ага, ура, бра» и т. п. Сочетания из трех членов обычно называются триплетами. Так вот, «язык» (вернее, сами «слова») нуклеиновых кислот и рибосом состоит из триплетов, из определенных сочетаний адениловой, гуаниловой, цитидиловой и уридиловой кислот, сгруппированных по три.

Триплеты нуклеотидов РНК, соответствующие аминокислотам

К этой таблице необходимо сделать примечание. Пока что удалось расшифровать только суммарный состав этих триплетов, то есть тот набор букв, который в них входит, но не их последовательность. А это крайне важно. Очевидно, что сочетание букв «ТМО» или «ОМТ» ничего не означает, тогда как сочетание этих же букв в другой последовательности дает «ТОМ» или «МОТ» — слова, осмысленные и хорошо всем известные. Может быть, поэтому для некоторых аминокислот по суммарному составу букв триплеты одинаковы. Уже сейчас в написание некоторых триплетов вносятся те или другие изменения, но это все частности.

Самым замечательным оказалось то, что другой ученый Виттман, тоже занимавшийся проблемой генетического кода, но использовавший для этой цели другие методы, недавно сообщил, что состав триплетов в РНК вируса табачной мозаики для ряда исследованных аминокислот оказался таким же, что и в опытах Ниренберга, Очоа и Крика с бактериальными рибосомами. К сожалению, Виттман еще не успел установить характер кода для всех аминокислот. Однако» установление тождества триплетов даже для части аминокислот — очень важный факт. Он свидетельствует о сходстве генетического кода в живых существах. Иными словами, если передачу информации нуклеиновой кислотой сравнить с человеческой речью, то нуклеиновые кислоты и вирусов, и бактерий, и высших организмов «разговаривают» на одном языке; своеобразном молекулярном эсперанто. В мире молекул, по-видимому, есть единый информационно-генетический код.

А теперь снова вернемся к драматическим событиям, происходящим в бактериальной клетке, зараженной фагом. Фаг ввел в клетку свою ДНК — огромную молекулу с молекулярным весом около 100 миллионов. Представляете себе, сколько информации может быть записано в таком огромном полимере из 25—35 тысяч нуклеотидов! Астрономическая цифра! Ведь для синтеза белка важно не только общее количество тех или иных аминокислот, но и их последовательность в полипептидных цепочках, то есть осмысленные «фразы» из этих «слов» — триплетов. ДНК хранит свою информацию, как хранят ее тома книг на библиотечных полках. Но информация, записанная буквами на страницах книги или сочетаниями АГЦТ на «ленте» ДНК, ничего не делает. Это просто сумма сведений. Книгу должен прочитать человек и дальше воплотить эту информацию в действие — в строительство, в заводы, в произведения искусства. Таким же образом и РНК-посредник снимает с поверхности ДНК хранящуюся там информацию и передает ее непосредственным исполнителям — рибосомам. Это очень сложный процесс, в котором участвуют еще две формы РНК, но это уже детали, на которых за недостатком места мы не будем останавливаться.

Однако вы вправе встревожиться — а как же быть с вирусами, которые содержат только РНК? Кто же «посредник» у них? Да никто! Сама вирусная РНК может непосредственно включаться в рибосомы, направляя в них синтез нужных ей белков. Это сильно упрощает дело, однако в этом есть и своя отрицательная сторона. ДНК по особенностям своего состава и структуры значительно более прочное соединение, чем РНК. Она лучше защищает свой шифр от различных вредных воздействий и неблагоприятных условий.

Короче говоря, ДНК — это высокоспециализированная структура для хранения информации. И поэтому во всех высокоорганизованных и крупных биологических объектах, где требуется хранение огромного количества информации, функции «вещества наследственности» выполняет только ДНК. В этом случае количество входящих в нее «букв» достигает сотен тысяч и может быть даже миллионов, а молекулярный вес исчисляется миллиардами единиц.

А максимальная величина молекулярного веса РНК во всех без исключения объектах не превышает 2·10⁶, что соответствует примерно 6 тысячам «букв». Ясно, что такая структура может содержать сравнительно ограниченное количество информации и, следовательно, «обслуживать» генетические свойства только небольших объектов. И действительно, все крупные и сложные по составу вирусы содержат именно ДНК, тогда как РНК по преимуществу входит в состав мелких вирусов.

Теперь вы понимаете, почему эта глава называется «кибернетика» больших молекул? Слово «кибернетика» происходит от греческого слова «кибернетес», что значит рулевой, кормчий на корабле. Нуклеиновые кислоты — подлинные кормчие живых систем, хранители их наследственных свойств и дирижеры самых важных процессов жизнедеятельности.

Итак, мы с вами закончили наше исследование простейших, форм жизни на Земле — вирусов. Разумеется, наше исследование, ограниченное рамками сравнительно небольшой статьи, оказалось неполным. В вирусологии есть еще много захватывающе интересных фактов, которых мы не смогли даже затронуть. Но все-таки даже на этом ограниченном материале мы смогли установить ряд фундаментальных закономерностей, лежащих в основе жизни. В простейшем случае живое — это система на основе нуклеиновой кислоты и белка, обладающая наследственностью и изменчивостью и способная к активному обмену со средой и размножению. А жизнь есть реализация этих потенций живого.