Человеку даже как-то унизительно признавать, что сами белки без труда решают проблему фолдинга, за долю секунды принимая нужную форму в каждой клетке каждого существа на Земле. Самосборка вызывает восхищение: она позволяет форме возникнуть из элементов и сил, неотъемлемых от самих природных веществ. Мы узнаем, что стоит за стремительностью и надежностью этого процесса, в главе 6, где речь пойдет о молекулярной случайности. Но сначала давайте изучим связь белков и ДНК, дадим определение гену и заложим основы для выяснения того, как самособранные структуры формируют схемы принятия решений в клетках.
Глава 3. Гены и механика ДНК
Мы назвали ДНК кодограммой, но что именно она кодирует? Мы бросили взгляд на несколько белков из огромного множества тех, что способен производить организм, но чем определяется их набор? Ответить на оба вопроса нам поможет одно понятие – понятие гена: оно объединяет абстрактную идею биологической информации с физической реальностью биологических молекул. Как сильные, так и слабые стороны генов неразрывно связаны с физическими свойствами ДНК, белков и среды, в которой они существуют. Обсуждая генетические болезни, мы далеко не всегда вспоминаем о проблемах изгибания ДНК или укладки молекул в малые пространства, но скоро мы увидим, что такие неочевидные вопросы играют важную роль в изучении механики жизни. Самосборка в этой главе опять окажется на первом плане, поскольку ДНК и белки, например, должны соединяться для правильной упаковки генома. Вопросы предсказуемой случайности, масштабирования и регуляторных цепей тоже неизбежны в работе с нашим генетическим материалом, ведь клетки, организуя свою ДНК, постоянно решают проблемы размера, формы и беспорядка.
Как мы выяснили, белок – это последовательность аминокислот, соединенных химическими связями. Порядок аминокислот в цепи задается нуклеотидной последовательностью ДНК клетки. Одну аминокислоту кодирует группа из трех нуклеотидов (триплет). Так, в ДНК-последовательности TГГ закодированы инструкции для включения в цепь одной гидрофобной аминокислоты триптофана. Триплеты ЦГT и ЦГЦ соответствуют положительно заряженной аминокислоте аргинину. Таким образом, последовательность TГГЦГT указывает на триптофан, связанный с аргинином. Не существует, однако, механизма, напрямую переводящего инструкции ДНК в аминокислотные последовательности. Всегда необходим посредник – молекула РНК (рибонуклеиновой кислоты).
РНК, как следует из названия, похожа на ДНК. Это тоже цепочка из нуклеотидов четырех типов, три из которых (A, Ц и Г) аналогичны нуклеотидам ДНК, а четвертый (У, урацил) заменяет в РНК тимин (T). Белковая машина, называемая РНК-полимеразой, связывается с промо́торной последовательностью ДНК и перемещается по двойной спирали, как язычок замка-молнии, разделяя две нити и выстраивая по нуклеотидной последовательности одной из них, матричной, комплементарную цепочку РНК (см. рисунок)[21]. Процесс копирования информации из формы ДНК в форму РНК называется транскрипцией – по аналогии с транскрипцией произносимых слов в текст или переводом рукописного текста в печатный.
РНК комплементарна матричной цепи ДНК и, следовательно, идентична ее партнерше, кодирующей цепи, за исключением урацилов, занявших в РНК места всех тиминов. Например, кодирующая цепь ДНК ATЦГTT, которой соответствует зеркально отраженная матричная цепь TAГЦAA, будет транскрибирована в РНК-последовательность AУЦГУУ. Другая клеточная машина, рибосома, транслирует РНК в белок. Рибосома движется вдоль РНК[22], взаимодействуя с каждым триплетом (кодоном) и прикрепляя соответствующую аминокислоту к растущему белку (см. рисунок). Например, РНК-триплет УГГ кодирует триптофан, а последовательности ЦГУ и ЦГЦ – аргинин. Некоторые триплеты (УАГ, УГA, УAA) кодируют команду «стоп», которая сообщает рибосоме, что нужно прервать синтез белка и отсоединиться от РНК. Триплет AУГ, напротив, значит «старт».
21
В отличие от упомянутой раньше ДНК-полимеразы, РНК-полимераза не нуждается в короткой нуклеотидной затравке (праймере) для начала синтеза и в ферментах-помощниках (хеликазах) для расплетания цепей ДНК.
22
Разновидность РНК, которая служит шаблоном для синтеза белка, называется