Белковый код расшифрован

Несколько десятилетий назад, когда началось бурное развитие физики, ученые жили в напряженном ожидании. Одно открытие следовало за другим. О результатах последних экспериментов сообщали в другие лаборатории и институты по телефону еще до их публикации. С конференций и симпозиумов многие участники уезжали до их окончания чтобы проверить у себя в лабораториях доложенные эксперименты. Нечто подобное происходит сейчас в биологии. События следуют одно за другим с возрастающей быстротой. В результате сделано открытие, которое, можно думать, будет иметь для дальнейших судеб человечества, пожалуй, не меньшее значение, чем открытие атомной энергии.

Судите сами. На Пятом Международном биохимическом конгрессе американский ученый Ниренберг сделал десятиминутное сообщение. Однако оно оказалось, как говорили участники, самым интересным из двух с половиной тысяч докладов, зачитанных на конгрессе. Эта работа открыла принципиальные возможности разгадки кода, обусловливающего синтез белков разного строения. Что это значит?

СБОРОЧНЫЙ КОНВЕЙЕР В КЛЕТКЕ

В организме, в ткани, в клетке непрерывно образуется огромное количество самых разнообразных белков. Как будто в клетке работает автоматический сборочный конвейер, на котором по особой «программе» из заранее заготовленных «кирпичей» — молекул аминокислот — складываются белковые молекулы.

Уже довольно давно было установлено, что этой работой заняты молекулы нуклеиновых кислот — веществ, непременно содержащихся в живых клетках. В зависимости от того, какие группы атомов расположены на данном участке молекулы нуклеиновой кислоты, на него может лечь только одна определенная составная часть будущего белка.

Итак, нуклеиновая кислота по какой-то программе обвешивает себя разнообразными аминокислотами, собирает из них длинную молекулу белка. Но что это за программа? Как, каким образом молекула нуклеиновой кислоты хранит сведения о последовательности процесса сборки и информацию о том, какой именно белок она должна строить?

В наших программных станках информация зашифрована проколами на перфокартах, либо сигналами на магнитофонной ленте. В молекуле нуклеиновой кислоты никаких проколов и лент конечно нет. Программа сборки белковых молекул зашифрована в самом строении нуклеиновых кислот и «записана» каким-то условным кодом их химических свойств.

Забегая вперед, заметим, что молекула нуклеиновой кислоты — это цепочка, которая состоит из набора четырех повторяющихся простых веществ. Назовем их сокращенно А, У, Ц, Г. Оказывается, эти четыре детали и управляют последовательностью «сборки» белков. Сотни молекул аминокислот двадцати различных сортов соединяются воедино по программе, записанной в чередовании всего четырех атомных групп нуклеиновой кислоты. Меняется состав белков и нуклеиновых кислот, но соотношение 4 и 20 остается всегда неизменным.

В каждом семячке будущего растения, в каждой клетке — родоначальнице будущего животного — хранится информация о плане синтеза белка, а значит, и построении всего организма. И закодирована она всего четырьмя деталями нуклеиновой молекулы. Удивительно, не правда ли?

Но в чем заключается этот код «строительных команд», этот химический «язык», составленный из четырех «букв»? Сейчас найдены «слова», повинуясь которым каждая из аминокислот становится на свое место в будущей молекуле белка.

Нью-йоркская группа биохимиков, возглавляемая лауреатом Нобелевской премии Очоа, сообщила, что ими найден этот код для одиннадцати аминокислот. В декабре же группа Крика, работающая в Англии, в Кембридже, привела новые данные, подтверждающие прежние предположения о структуре кода. И, наконец, поступило сообщение о том, что код расшифрован для всех двадцати, аминокислот, входящих в состав белка. Это большая победа современной науки. Разберем же подробнее, что произошло в биохимии с этого момента.

РАЗДЕЛЕНИЕ ТРУДА

Прежде всего — чуть глубже о нуклеиновых кислотах. До сих пор мы говорили о нуклеиновой кислоте вообще. На самом же деле известны четыре вида нуклеиновых кислот и между ними существует «разделение труда». Одна из них — «хранитель»— держит в себе кодовую «запись» программы синтеза белка, так же как граммофонная пластинка хранит записанную на ней музыку. Другая занимается тем, что «снимает» эту информацию с нуклеиновой кислоты-хранителя и приносит ее к месту синтеза белка. Это — информационная нуклеиновая кислота.

На месте белкового синтеза ее ждут рибосомы — мельчайшие частички, включающие в себя молекулы третьей нуклеиновой кислоты. Они представляют «удобное» место для того, чтобы информационная нуклеиновая кислота могла на них «расположиться». И, наконец, есть еще четвертая нуклеиновая кислота — перевозчик. Будто грузовик, она подвозит на «строительную площадку» аминокислоты — «блоки» для синтеза белка. Однако этот «грузовик» устроен хитро: на него может погрузиться только одна определенная аминокислота и никакая другая.

Напомним далее, что нуклеиновая кислота состоит из четырех веществ: У, А, Ц, Г. В длинной ее молекуле они могут располагаться друг за другом в любой, но, конечно, определенной последовательности. Эта последовательность, как уже было сказано, и есть «язык природы» — способ, которым «записана» информация, управляющая синтезом белка.

Итак, как же эта информация снимается? Представьте себе, что две молекулы нуклеиновой кислоты — «хранитель» и «переносчик информации» — легли рядышком. Могут они связаться воедино, как два рельса соединяются шпалами? Могут. Но только при условии, если взаимное размещение их групп А, У, Ц и Г будет вполне определенным.

Дело тут в том, что атомная группа У может соединиться только с А, а Г с Ц. Все равно как две цепочки, одна состоит из колец разных размеров, а другая — из крючков. Эти цепочки, удастся соединить, только когда крючки одной проденутся в кольца другой. В нуклеиновых кислотах «кольцо» У соответствует только «крючку» А, а «кольцо» Г — «крючку» Ц. Поэтому две нуклеиновые кислоты могут сцепиться лишь в том случае, если расположение «колец» У и Г будет точно соответствовать расположению крючков А и Ц хотя бы на каком-то отдельном участке противоположной цепи.

Нуклеиновая кислота-хранитель синтезирует на себе нуклеиновую кислоту-переносчика информации таким образом, что к крючку А подходит кольцо У, к крючку Ц — кольцо Г. Так вдоль первой цепи выстраивается вторая, строение которой строго соответствует строению «прародительницы». Информация получена, и теперь нуклеиновая кислота-переносчик может спокойно отделяться и нести информацию к месту синтеза белка.

Все, что мы только что рассказали, ученые знали раньше. Правда, информационная нуклеиновая кислота была открыта недавно, а еще раньше считали, что нуклеиновых кислот всего три. А вот как конкретно производится «сборка» белковой молекулы с помощью нуклеиновых кислот? Какие именно составные части молекулы нуклеиновой кислоты определяют, что в постройку белковой молекулы должна включиться та или иная аминокислота? И сколько должно быть «букв» в слове, управляющем одним кирпичиком будущей молекулы белка?

На подобные вопросы и удалось ответить ученым, правда еще не совсем точно.

СКОЛЬКО «БУКВ» В «СЛОВЕ»

Сначала определили, сколько веществ, входящих в состав нуклеиновых кислот, необходимо для включения одной аминокислоты в молекулу белка.

Возьмем три сорта бусинок — белые, красные и черные. Расположим их в ряд одинаковыми тройками. Тогда у нас получится такой условный шифр: (Бел., Кр., Черн.), (Бел., Кр., Черн.), (Бел., Кр., Черн.), (Бел., Кр., Черн,).

Теперь в первую тройку добавим еще одну красную бусинку. Расположение бусинок в тройках нарушится и станет иным: (Бел., Кр.. Кр.), (Черн., Бел., Кр.), (Черн., Бел., Кр.), (Черн., Бел., Кр.).

Теперь во вторую тройку добавим белую бусинку. Тогда тройки будут выглядеть следующим образом: (Бел., Кр., Кр.), (Черн., Бел., Бел.), (Кр., Черн., Бел.), (Кр., Черн., Бел.). Вы видите, что условная запись окончательно нарушилась и стала не похожа на первоначальную.

Сделаем последний опыт: добавим во вторую тройку еще одну черную бусинку. Тогда «лишняя» белая бусинка перейдет в третью тройку, и первоначальное расположение бусинок восстановится: (Бел., Кр., Черн.).

Итак, добавка одной или двух «букв»-бусинок расстраивает запись, нарушает ее смысл. (Черн., Бел., Черн.), (Бел., Кр., Черн.), (Бел., Кр., Черн.). А если мы добавляем три новых бусинки в длинный ряд, разделенный на группы по три бусинки в каждой, то условная запись сохраняется. К ней просто добавилось лишнее «трехбуквенное слово».

Если бы у нас было не три, а два или четыре сорта бусинок, то тогда для восстановления их положения нам надо было бы добавить соответственно две или четыре бусинки. Выходит, действуя таким способом, можно догадаться, из скольких знаков состоит код. И мы с вами нашли, что код бусинок состоит из трех знаков.

Примерно так же поступили и исследователи нуклеиновых кислот. Они не знали точно, из скольких «букв» состоит белковый код. И стали добавлять в молекулу нуклеиновой кислоты наугад одно, два, три, четыре вещества, из которых состоят нуклеиновые кислоты.

Оказалось, что при добавлении одного или двух таких веществ код путался. А при добавлении третьего вещества код восстанавливался. Так было установлено, что три вещества, входящие в состав нуклеиновой кислоты, определяют, какая очередная аминокислота будет использована при синтезе белка. Теперь следовало выяснить, какие же именно вещества, входящие в эти тройки, определяют включение в состав белка той или иной аминокислоты.

Маленькое отступление: Оказывается в расшифровке белкового кода на самом деле заинтересованы многие организации, даже такие, как центр лазерной эпиляции (есть такой, например в Одессе), ведь с помощью этого научного достижения можно придумать новые безболезненные методы эпиляции.

КОД РАСШИФРОВАН

Первый успешный опыт сумел провести Ниренберг, о котором мы уже упоминали вначале. Он поступил просто: взял и удалил из системы, в которой синтезировался белок, информационную нуклеиновую кислоту.

Конечно, синтез белка остановился. Ведь теперь не было информации о том, какой белок синтезировать. Если вы снимете пластинку с диска проигрывателя — никакой музыки не будет. Затем вместо информационной нуклеиновой кислоты Ниренберг добавил искусственную, специально им приготовленную. Она состояла только из одного вещества, или, иначе говоря, «слова» кода были сложены из набора одной и той же «буквы». И получилось, как в проигрывателе: когда иголка скользит по одной борозде пластинки, тогда монотонно звучат несколько нот, ведь иголка снимает с пластинки информацию, записанную только на одной борозде.

Так и Ниренберг: введя ограниченную информацию, состоящую только из соединения У, он синтезировал не белок, а вещество, состоящее из множества молекул одной и той же аминокислоты — фенилаланина. И тогда Ниренберг совершенно правильно решил, что код УУУ определяет включение этого вещества в белок.

После этого уже нетрудно было определить код и для других аминокислот. Очоа с сотрудниками синтезировали искусственные нуклеиновые кислоты с заранее известным содержанием веществ и изучали, какие аминокислоты под их влиянием включаются в белок. В течение нескольких месяцев они сумели найти код для всех 20 аминокислот.

Автор: В. Тонгур.