Сейчас мы посмотрели на "крупномасштабную" картину матричного синтеза белка, на эту идеально отлаженную машину мира живой материи. Вроде бы все не очень сложно. В двойной спирали есть ген. Этот ген переписывается на молекулу РНК, а далее на ней строится белок.
Бее по школьным учебникам идет именно так. Ну а если вглядеться в эту картину более пристально?
Итак, первая ступень кодирования - транскрипция.
Что нужно клетке, чтобы выполнить задачу образования "оттиска" гена мРНК? Совсем немного. Для начала расплести двойную спираль ДНК, затем подтащить к одной из расплетенных нитей необходимые нуклеиновые основания и сделать оттиск, реплику с гена. Все, молекула мРНК готова отправиться из ядра клетки к рибосомам, Но подождите. Ведь и для расплетания спирали ДНК И для синтеза РНК нужны ферменты. Конечно, нужны.
"Как же так, - спросит читатель, - структура этих ферментов тоже определяется каким-нибудь геном?"
Разумеется, последовательность аминокислот любого клеточного белка записана в ДНК. На этом правиле зиждется вся современная молекулярная биология.
Итак, чтобы "запустить" процесс транскрипции, клетке нужны определенные белки: репликазы и синтетазы.
Но ведь эти белки клетка должна сначала построить сама. Она их не может получить непосредственно из пищи.
Следовательно, для образования синтетазы клетке нужна та же самая синтетаза.
Какой-то начальный запас синтетаз клетка передаст потомству при своем делении, а дальше уже потомок будет работать сам. У него есть родительские синтетазы и репликазы, а он сможет "запустить" свой матричный синтез. По мере развития потомки "наработают" некий резерв синтетаз и передадут его своим потомкам. Ну как, решает такая схема задачу, откуда берутся репликазы и синтетазы?
Нет, конечно, и вот почему. Эта схема - "вечный двигатель". В ней есть "вечные" инструкции, "вечные" гены синтетаз и репликаз, передающиеся в течение миллиардов лет из поколения в поколение. А мы ведь хотим разобраться в происхождении жизни, то есть в процессе, эволюционном, меняющемся во времени.
Итак, первый вопрос: как возникли гены?
Но вернемся к процессу трансляции. И здесь ключевую роль играют специальные ферменты, способные "выбирать" из смеси определенную аминокислоту для присоединения к соответствующей тРНК- Но ведь структура этого фермента, в свою очередь, определяется (как структура любого белка) последовательностью оснований на некотором участке ДНК? Да, мы опять встретились с той же ситуацией вечного двигателя.
На заключительной стадии синтеза белка на сцене появляются рибосомы и тРНК, структура которых, в свою очередь, определяется некоторым участком ДНК.
Мы видим в этой схеме неразрешимый в эволюционном плане парадокс. Его можно назвать парадоксом курицы и яйца (что было раньше, курица или яйцо) на молекулярном уровне.
Действительно, для синтеза какого-либо белка необходимо несколько специальных ферментов. Но для синтеза любого фермента нужен другой такой же фермент и так далее. Приходится признать, что эта схема не может удовлетворительно объяснить возникновение процесса матричного синтеза, так как получается замкнутый круг, и мы снова и снова приходим к вопросу о том, как возникли гены.
Но только ли этот вопрос встает перед нами? Отнюдь нет. Давайте еще раз присмотримся к различным этапам работы молекулярных машин.
Итак, матричная РНК синтезируется на одной из цепей дезоксирибонуклеиновой кислоты, отправляется к рибосомам и соединяется с ними. Как это происходит?
Каким образом матричная РНК попадает на рибосомы?
Здесь, по всей видимости, имеет место некоторая специфичность механизмов связывания мРНК с рибосомами, взаимного химического узнавания. Ну а транспорт тРНК к рибосомам идет главным образом за счет беспорядочных, случайных движений, диффузии молекулы в клетке. На примере тРНК биофизики показали, что механизм диффузии в состоянии объяснить наблюдаемые скорости синтеза.
Нужно сказать, что современное представление о роли тРНК выработалось не сразу и первоначально основная роль отводилась мРНК как непосредственной матрице для синтеза. Казалось, что пространственные химические связи, или, как говорят химики, стереохимическое соответствие между кодоном и аминокислотой, решают вопрос об аминокислотной последовательности белка.
Адапторная гипотеза Крика явилась первым этапом на пути к выяснению истинной роли тРНК в процессе матричного синтеза. Крик предположил, что аминокислота взаимодействует с матричной РНК не непосредственно, а при помощи некоторых малых молекул, которые он предложил называть адаптерами. Он считал, что адаптеры представляют собой тринуклеотиды, с которыми аминокислота соединяется при помощи ферментативного механизма. (Трудно переоценить роль Ф. Крика в развитии современной молекулярной биологии. Порой кажется, что большая часть принципиальных идей в этой науке была выдвинута именно им.)
Сейчас ясно, что адаптеры - это не что иное, как транспортные РНК, которые переносят активированные аминокислоты на рибонуклеиновую матрицу и рибосому.
Адаптером транспортная РНК названа потому, что она обеспечивает возможность специфического взаимодействия между аминокислотой и матричной РНК.
Основным свойством, определяющим дальнейший механизм сборки аминокислот, является специфическое взаимодействие транспортной и матричной РНК. Аминокислота, связанная с транспортной РНК, уже никак не влияет на дальнейший механизм синтеза. Все последующие процессы определяются только взаимодействием антикодона транспортной РНК, кодона информационной РНК и рибосомы.
Для проверки этого положения были проведены эксперименты, в процессе которых удалось включить в белод неприродную аминокислоту, соединив ее ферментативно с транспортной РНК. Связывание антикодона с кодоном неферментативный процесс. Он определяется тем же правилом спаривания оснований, правилом Чаргаффа, о котором мы уже говорили. Именно после соединения антикодона с кодоном и начинается последовательная сборка полипептидной цепочки.
Кстати, стоит сказать еще несколько слов о правиле Чаргаффа и о самом Чаргаффе. Биохимик из Колумбийского университета, австриец по происхождению Э. Чаргафф и его ученики еще со времен второй мировой войны изучали соотношение различных нуклеиновых оснований в разных препаратах ДНК. Установив количественно свое знаменитое правило, Чаргафф не дал ему никакого объяснения, хотя, имея в руках подобный материал, именно он, а не Уотсон с Криком, находился ближе всего к -открытию структуры двойной спирали.
Более того, как пишет Уотсон, Чаргафф с нескрываемым презрением относился к их попыткам раскрыть структуру ДНК. И когда наконец весь мир признал великое открытие Уотсона и Крика, лишь один Чаргафф продолжал относиться к нему весьма скептически.
Но вернемся к нашему молекулярному "конвейеру".
Для нормальной работы любой машины, в том числе и молекулярной машины клетки, необходимы команды на включение определенных механизмов. Действительно, откуда клетке знать, что пришла пора синтезировать тот или иной белок? Как клетка узнает, что надо прекратить считывание определенного участка ДНК?
С какого участка начать считывание? Ведь хорошо известно, что молекулы ДНК, РНК и белков существенно различаются по своей длине. Короткие пептиды-белки содержат иногда десятки аминокислотных остатков, а молекула ДНК - миллионы нуклеотидов. Матричная РНК - тысячи.
Молекула мРНК является копией, репликой только одного участка ДНК, соответствующей инструкции для построения одного белка. Это обстоятельство наталкивает нас на мысль, что в молекуле ДНК какие-то факторы должны определять, где начнется и где кончится синтез матричной РНК. В свою очередь, в молекуле матричной РНК что-то должно определять начало и конец синтеза белковой молекулы. Говоря другими словами, если молекула белка фраза, то она должна начинаться после точки с большой буквы и должна кончаться точкой. Выяснение природы сигналов или команд на начало и конец процесса и составляет проблему "пунктуации кода".