Генетический код и биосинтез белков

Сегодня каждый школьник знает, что организм имеет наследственную (генетическую) информацию о своих признаках (строении, свойствах, поведении), которая передается от родителей к детям. Носителем информации в каждой клетке являются молекулы ДНК, входящие в состав микроскопических структур — хромосом. ДНК обеспечивает образование белков, которые и формируют признаки. Участок молекулы ДНК, отвечающий за образование одного вида белка, это и есть один ген (от греч. genos — род, происхождение). К этому следует добавить, что совокупность генетических задатков данного организма обозначается понятием генотип, а то, что получается в итоге совокупность признаков сформированного организма, называется фенотипом (от греч. phaino — являю, обнаруживаю). Важно понимать, что под признаками и фенотипом подразумеваются не только «внешние» признаки, морфологические свойства организма (размер, форма частей тела, окраска и т. п.), но также и функционально-биохимические характеристики (скорость роста, предпочтения в пище, устойчивость к болезням, группы крови и многое другое) — все, что определяется особенностями строения и функциями белков. Наконец, мы знаем, что фенотип зависит не только от генотипа, но и от условий среды, в которых развивается организм, и что пределы варьирования фенотипа при неизменном генотипе обозначаются как норма реакции. Вот, в сущности, основная квинтэссенция молекулярной биологии развития, известная по школьному учебнику общей биологии. Но почему (зачем) белкам нужна наследственная информация? Как она реализуется, чем контролируется, как наследуется?

Только что мы выяснили, что белки, как и целые клетки, стареют и разрушаются, поэтому их надо создавать заново путем синтеза (соединения) из свободных аминокислот. Синтез новых белков необходим в каждом новом поколении клеток и организмов, а в долгоживущих клетках он происходит ежедневно и ежечасно. Но ведь каждый тип белка имеет уникальную, строго обязательную последовательность из множества аминокислот 20 разновидностей (первичную структуру), и эта последовательность должна воспроизводиться с абсолютной точностью. В противном случае будет получаться искаженный, нефункциональный полипептид. Вот почему в каждой клетке должна быть генетическая информация (программа) о первичной структуре белков. Причем эта информация должна не только работать на синтез белков, но и периодически копироваться, т. е. наследоваться, чтобы воспроизводить те же белки в поколениях новых клеток и организмов.

Основной закон, объясняющий механизм функционирования ДНК (гена) при реализации наследственной информации, был обозначен как центральная догма молекулярной биологии. Вот ее краткая формула:

ДНК > РНК > белок.

Оставляя пока в стороне РНК, выделим самую суть догмы: информация о первичной структуре белка заключена в молекуле ДНК, т. е. в молекулярной структуре гена. Процесс передачи информации однонаправленный: по ДНК можно построить белок, но обратный процесс — синтез ДНК по белку — невозможен. В целом в молекулярной биологии выполняется принцип: один ген — один белок.

Белок и ДНК являются полимерами, но у них разные мономеры: аминокислоты 20 видов в белке и нуклеотиды 4 видов в ДНК. Сам принцип кодирования белков с помощью ДНК состоит в том, что последовательность (порядок расположения) мономеров-нуклеотидов в молекуле ДНК предопределяет (кодирует, шифрует) последовательность мономеров-аминокислот в белке. Таким образом, суть информации заключается в последовательности нуклеотидов молекул ДНК, как последовательность букв в словах определяет смысл сказанного или написанного. Сам шифр или принцип соответствия определенных комбинаций нуклеотидов, с одной стороны, и аминокислот — с другой, называется генетическим кодом.

Как видно из формулы центральной догмы, «передача информации» от ДНК к месту синтеза белковой молекулы происходит в два этапа, с помощью особого посредника — молекулы информационной РНК (иРНК). Эти два этапа определяются в молекулярной биологии как транскрипция (переписывание) и трансляция (передача, перевод). По своей химической сущности оба процесса представляют реакции синтезов, соответственно синтеза иРНК и синтеза белка (рис. 1).

Схема биосинтеза белка. Транскрипция и трансляция На этапе транскрипции вдоль одной цепи ДНК, как по матрице, в соответствии с принципом комплементарности синтезируется новая молекула — информационная РНК. Т. е. информация (порядок чередования нуклеотидов) как бы «списывается» (отсюда и термин) с матрицы ДНК путем строительства новой цепи нуклеотидов. Одна цепь ДНК (рабочая) используется в качестве матрицы, другая цепь в это время не функционирует. Синтезированная РНКовая цепь повторяет нуклеотидный набор антиматричной цепи ДНК, т. е. фактически иРНК является рабочей копией гена. Благодаря транскрипции информация о каком-либо белке тиражируется в большом числе РНКовых копий, что позволяет многократно увеличить скорость производства данного белка в клетке.

На этапе трансляции происходит собственно синтез белка с использованием матрицы иРНК, т. е. информация «переводится» на другой молекулярный язык. Для этого синтезированная в ходе транскрипции иРНК переносится из ядра в цитоплазму, и по ней идет сборка аминокислот в полипептидную цепь с помощью так называемых транспортных РНК (тРНК) и специальных органоидов рибосом (рис. 1, нижняя часть схемы).

Как видно, генетический код является триплетным: он устроен так, что одна аминокислота белковой цепи кодируется тремя нуклеотидами РНК, а изначально, в структуре гена, — тремя парами нуклеотидов ДНК. Другое важное свойство генетического кода — его универсальность. Шифр соответствия триплетов в ДНК (РНК) определенным аминокислотам в синтезируемом белке используется («читается» и «понимается») всеми организмами на Земле — от бактерий до высших растений и животных, включая человека. Идентично устроен и весь аппарат биосинтеза белка, основанный на взаимодействии молекул ДНК, иРНК, тРНК и рибосом. Именно поэтому человеческую ДНК можно размножить, а затем транскрибировать и транслировать в человеческий белок (например, инсулин) внутри бактериальной клетки. Универсальность кода означает, что он зародился единожды, у самых первых организмов (примитивных протоклеток), и прошел неизменным через всю биологическую эволюцию.

Интересный «выверт» центральной догмы был обнаружен в ходе исследования биохимии вирусов. Установлена возможность обратной транскрипции синтеза двухцепочечной молекулы ДНК на основе одноцепочечной РНК. Обратная транскрипция происходит у так называемых ретровирусов (например ВИЧ), и для этого нужен специальный фермент обратная траскриптаза. При переходе от организма к организму ретровирусы содержат РНК, но для размножения в зараженных клетках они преобразуют свою РНК в ДНК. Далее ДНК работает, как обычно, на синтез иРНК и вирусных белков. Механизм обратной транскрипции широко используют в генно-клеточной биотехнологии, в научных исследованиях по молекулярной генетике.

Таким образом, представление о молекулярной догме изменилось, она приобрела вид:

ДНК РНК белок.

(первая стрелка, обращенная в обе стороны, означает принципиальную возможность не только прямой, но и обратной транскрипции). Однако это открытие пока что не поколебало основную идею: перенос генетической информации — однонаправленный, от генотипа к фенотипу, то есть нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) строят белок, но обратный процесс строительство новой ДНК или РНК по белку невозможен. И все же открытие обратной транскрипции, возможно, указывает путь направленных преобразований ДНК (генов) через предварительные изменения молекул РНК, что имело бы далеко идущие последствия в объяснении механизмов биологической изменчивости и эволюции. К этим вопросам мы еще вернемся в соответствующей главе нашего пособия.

В заключение параграфа несколько слов о геноме и геномике. Геномом называют один полный (гаплоидный) набор («список») генов данного биологического вида. Некоторые гены являются вспомогательными или регуляторными, но подавляющее их большинство кодируют конкретные структурные белки. В настоящее время для ряда объектов определено примерное число генов и выявлен их нуклеотидный состав. Это несколько видов бактерий (от 500 до 4 тысяч генов), из царства грибов — дрожжи (около 6 тысяч генов), из животных — плодовая мушка дрозофила (около 14 тысяч генов) и некоторые другие. В целом завершена международная программа «Геном человека». Как показали пятнадцатилетние исследования, в нашем геноме имеется более 30 тысяч разных генов. Но функции большинства выявленных генов (т.е. состав и назначение кодируемых ими белков) пока неизвестны. Поставлена задача обнаружения этих белков и определения их роли в организме, выраженная девизом: «от геномики — к протеомике», т. е. от состава генов — к составу и функциям протеинов (белков).

Почему именно ДНК выбрана Природой для кодирования структуры белков, неизвестно. В 20-х годах ХХ века российский биолог Н. К. Кольцов высказал идею о самовоспроизведении белков путем аутосинтеза по матричному принципу. В отношении матричного принципа догадка была гениальной, но роль матрицы, как выяснилось позднее, выполняют не сами белки, а молекулы ДНК — полимера, совершенно не похожего на полипептидные цепи белков. Согласно одной из новых гипотез (Костецкий, 1999), уже в момент зарождения жизни на Земле на основе перестройки кристаллов природного минерала апатита сразу возник комплекс ДНК и белка (подробнее см. раздел 6.2 о происхождении жизни). Кристаллы апатита изначально имели многочисленные искажения кристаллической решетки («мутации»), что и послужило первичным источником разнообразия генов и, соответственно, белков. Впоследствии искажения нарастали, возрастало разнообразие структур и функциональных свойств белков. Таким образом, ДНК-белковое соответствие является изначальным свойством жизни.