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. 4.1).

Рис. 4.1. 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. 4.1, 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.