Глава 5. Нуклеиновые кислоты и молекулярная репликация
Теперь, когда мы в несколько абстрактных выражениях описали требования к живой системе, мы должны подробнее рассмотреть, как осуществляются различные процессы в тех организмах, которые мы видим повсюду. Как мы уже видели, основное требование, безусловно, заключается в наличии некоторого довольно точного метода репликации и, в частности, копирования длинной линейной макромолекулы, образованной из стандартного набора субъединиц. На Земле эту роль играет то или иное из двух больших семейств нуклеиновых кислот: семейство ДНК и семейство РНК. Общее строение этих молекул является чрезвычайно простым, действительно, настолько простым, что ясно говорит о том, что они действительно восходят к самому началу появления жизни.
ДНК и РНК довольно похожи, они, можно сказать, молекулярные кузины, поэтому давайте сначала опишем ДНК, а затем то, чем отличается от нее РНК. Одна цепочка ДНК состоит из единообразного остова, последовательности атомов, повторяющейся снова и снова, с присоединенной при каждом повторе боковой группой. Химически в остове содержатся ...фосфат-сахар фосфат-сахар... и т.д., и так повторяется многие тысячи или даже миллионы раз. Сахар — это не тот сахар, что стоит у вас на обеденном столе, а более мелкий, который называется дезоксирибоза, то есть рибоза с одной отсутствующей «окси»-группой (следовательно, название ДНК означает Дезоксирибонуклеиновая Кислота; «нуклеиновая» — потому что найдена в ядре высших клеток, «кислота» — из-за фосфатных групп, каждая из которых в нормальных условиях несет отрицательный заряд). К каждому сахару присоединена одна боковая группа. Боковые группы различны, но всего насчитывается лишь четыре их основных типа. Эти боковые группы ДНК (по формальным причинам называемые основаниями) удобно обозначить по первым буквам их названий А, Г, Т и Ц (что означает, соответственно, Аденин, Гуанин, Тимин и Цитозин). Благодаря своему точному размеру и форме, а также характеру химических составляющих, А изящно соединится в пару с Т, а Г — с Ц. (А и Г большие, Т и Ц поменьше, поэтому каждая пара состоит из одного большого и одного малого оснований.)
Пары оснований, которые образуют секрет структуры ДНК Основания соединены слабыми водородными связями, показанными прерывистыми линиями Тимин всегда объединяется с аденином; цитозин с гуанином.
И ДНК, и РНК довольно легко образуют двуцепочечные структуры, в которых обе цепочки лежат рядом, бок о бок, переплетаясь друг с другом для образования двойной спирали и связанные воедино своими основаниями. На каждом уровне существует одна пара оснований, образованная основанием одной цепочки, спаренного (на основе правил спаривания) с основанием другой. Каждая из связей, соединяющая эти пары друг с другом, довольно слаба, хотя в совокупности они образуют достаточно устойчивую двойную спираль. Но если структура нагревается, то возросшее тепловое возбуждение оттолкнет цепочки в сторону с тем, чтобы они разделились и отплыли друг от друга в окружающей их воде.
Генетическое сообщение передается точной последовательностью оснований вдоль одной цепочки. Тогда, зная эту последовательность, можно считывать последовательность ее комплементарной соседки, используя правила спаривания оснований (А с Т, Г с Ц). Генетическая информация записывается дважды, один раз на каждой цепочке. Это может оказаться полезным, если одна из цепочек повреждена, поскольку ее можно восстановить, используя информацию — последовательность оснований — другой цепочки.
Здесь есть одна неожиданная особенность. В обычной двойной спирали оба остова обеих цепочек не приблизительно параллельны, а антипараллельны. Если последовательность атомов в одном остове быстро увеличивается, то во втором — уменьшается. Это приводит к определенным сложностям, но не таким значительным как можно ожидать. По сути, это вытекает из того типа симметрии, которым обладает двойная спираль. Он создается псевдосимметрией спаривания оснований. Оказывается, что для этих конкретных химических соединений это удобный способ точно совпадать друг с другом.
Легко понять, что молекула такого типа, состоящая из пары цепочек, нерегулярные элементы которых (основания) совпадают друг с другом, идеальна для молекулярной репликации, особенно потому, что обе цепочки можно довольно легко отделить друг от друга щадящими методами Это происходит потому, что связи внутри каждой цепочки, скрепляющие каждую цепочку, являются прочными химическими связями, довольно невосприимчивыми к обычному тепловому разрушению, тогда как обе цепочки удерживаются вместе довольно слабыми связями, так что их можно без значительных затруднений отодвинуть друг от Друга, не нарушив при этом остов каждой из них. Две цепочки ДНК подобны двум любовникам, они удерживают друг друга в тесных объятиях, но их можно разделить, потому что как бы тесно они ни соприкасались друг с другом, у каждой есть единство, которое сильнее связей, их объединяющих.