Білковий код розшифрований

Кілька десятиліть тому, коли почався бурхливий розвиток фізики, вчені жили в напруженому очікуванні. Одне відкриття слідувало за іншим. Про результати останніх експериментів повідомляли в інші лабораторії та інститути по телефону ще до їх публікації. З конференцій і симпозіумів багато учасників виїжджали до їх закінчення щоб перевірити у себе в лабораторіях докладені експерименти. Щось подібне відбувається зараз в біології. Події слідують одна за іншою зі зростаючою швидкістю. В результаті зроблено відкриття, яке, можна думати, матиме для подальших доль людства, мабуть, не менше значення, ніж відкриття атомної енергії.

Судіть самі. На П’ятому Міжнародному біохімічному конгресі американський вчений Ніренберг зробив десятихвилинне повідомлення. Однак воно виявилося, як говорили учасники, найцікавішим з двох з половиною тисяч доповідей, зачитаних на конгресі. Ця робота відкрила принципові можливості розгадки коду, що обумовлює синтез білків різної будови. Що це означає?

СКЛАДАЛЬНИЙ КОНВЕЄР У КЛІТИНІ

В організмі, в тканині, в клітині безперервно утворюється величезна кількість найрізноманітніших білків. Наче в клітині працює автоматичний складальний конвеєр, на якому за особливою «програмою» із заздалегідь заготовлених «цеглин» – молекул амінокислот – складаються білкові молекули.

Вже досить давно було встановлено, що цією роботою зайняті молекули нуклеїнових кислот – речовин, що неодмінно містяться в живих клітинах. Залежно від того, які групи атомів розташовані на даній ділянці молекули нуклеїнової кислоти, на неї може лягти тільки одна певна складова частина майбутнього білка.

Отже, нуклеїнова кислота по якійсь програмі обважує себе різноманітними амінокислотами, збирає з них довгу молекулу білка. Але що це за програма? Як, яким чином молекула нуклеїнової кислоти зберігає відомості про послідовність процесу складання і інформацію про те, який саме білок вона повинна будувати?

У наших програмних верстатах інформація зашифрована проколами на перфокартах, або сигналами на магнітофонній стрічці. У молекули нуклеїнової кислоти ніяких проколів і стрічок звичайно не має. Програма збірки білкових молекул зашифрована в самій будові нуклеїнових кислот і «записана» якимось умовним кодом їх хімічних властивостей.

Забігаючи наперед, зауважимо, що молекула нуклеїнової кислоти – це ланцюжок, який складається з набору чотирьох повторюваних простих речовин. Назвемо їх скорочено А, У, Ц, Г. Виявляється, ці чотири деталі і управляють послідовністю «складання» білків. Сотні молекул амінокислот двадцяти різних сортів з’єднуються воєдино за програмою, записаною в чергуванні всього чотирьох атомних груп нуклеїнової кислоти. Змінюється склад білків і нуклеїнових кислот, але співвідношення 4 і 20 залишається завжди незмінним.

У кожному сім’ячку майбутньої рослини, в кожній клітині – родоначальниці майбутньої тварини – зберігається інформація про план синтезу білка, а значить, і побудову всього організму. І закодована вона всього чотирма деталями нуклеїнової молекули. Дивно, чи не так?

Але в чому полягає цей код «будівельних команд», ця хімічна «мова», складена з чотирьох “букв”? Зараз знайдені «слова», підкоряючись яким кожна з амінокислот стає на своє місце в майбутній молекулі білка.

Нью-йоркська група біохіміків, очолювана лауреатом Нобелівської премії Очоа, повідомила, що ними знайдений цей код для одинадцяти амінокислот. У грудні ж група Кріка, що працює в Англії, в Кембриджі, привела нові дані, що підтверджують колишні припущення про структуру коду. І, нарешті, надійшло повідомлення про те, що код розшифрований для всіх двадцяти амінокислот, що входять до складу білка. Це велика перемога сучасної науки. Розберемо ж докладніше, що відбулося в біохімії з цього моменту.

РОЗПОДІЛ ПРАЦІ

Насамперед – трохи глибше про нуклеїнові кислоти. До сих пір ми говорили про нуклеїнові кислоти взагалі. Насправді ж відомі чотири види нуклеїнових кислот і між ними існує «розподіл праці». Одна з них – «охоронець» – тримає в собі кодовий «запис» програми синтезу білка, так само як грамофонна пластинка зберігає записану на неї музику. Інша займається тим, що «знімає» цю інформацію з нуклеїнової кислоти-хранителя і приносить її до місця синтезу білка. Це – інформаційна нуклеїнова кислота.

На місці білкового синтезу її чекають рибосоми – найдрібніші частинки, що включають в себе молекули третьої нуклеїнової кислоти. Вони представляють «зручне» місце для того, щоб інформаційна нуклеїнова кислота могла на них «розташуватися». І, нарешті, є ще четверта нуклеїнова кислота – перевізник. Ніби вантажівка, вона підвозить на «будівельний майданчик» амінокислоти – «блоки» для синтезу білка. Однак ця «вантажівка» влаштована хитро: на неї може зануритися тільки одна певна амінокислота і ніяка інша.

Нагадаємо далі, що нуклеїнова кислота складається з чотирьох речовин: У, А, Ц, Г. У довгій її молекулі вони можуть розташовуватися одна за одною у будь-якій, але, звичайно, певній послідовності. Ця послідовність, як вже було сказано, і є «мова природи» – спосіб, яким «записана» інформація, що управляє синтезом білка.

Отже, як же ця інформація знімається? Уявіть собі, що дві молекули нуклеїнової кислоти – «хранитель» і «переносник інформації» – лягли поряд. Можуть вони зв’язатися воєдино, як дві рейки з’єднуються шпалами? Можуть. Але тільки за умови, якщо взаємне розміщення їх груп А, У, Ц і Г буде цілком визначеним.

Справа тут в тому, що атомна група У може з’єднатися тільки з А, а Г з Ц. Все одно як два ланцюжки, один складається з кілець різних розмірів, а інший – з гачків. Ці ланцюжки, вдасться з’єднати, тільки коли гачки одного продінуться в кільця іншого. У нуклеїнових кислотах «кільце» У відповідає тільки «гачку» А, а «кільце» Г – «гачку» Ц. Тому дві нуклеїнові кислоти можуть зчепитися лише в тому випадку, якщо розташування «кілець» У і Г буде точно відповідати розташуванню гачків А і Ц хоча б на якійсь окремій ділянці протилежного ланцюга.

Нуклеїнова кислота-охоронець синтезує на собі нуклеїнову кислоту-переносника інформації таким чином, що до гачка А підходить кільце У, до гачка Ц – кільце Г. Так вздовж першого ланцюга вибудовується другий, будова якого строго відповідає будові «прародительки». Інформація отримана, і тепер нуклеїнова кислота-переносник може спокійно відділятися і нести інформацію до місця синтезу білка.

Все, що ми тільки що розповіли, вчені знали раніше. Правда, інформаційна нуклеїнова кислота була відкрита недавно, а ще раніше вважали, що нуклеїнових кислот всього три. А от як конкретно проводиться «збірка» білкової молекули за допомогою нуклеїнових кислот? Які саме складові частини молекули нуклеїнової кислоти визначають, що в споруду білкової молекули повинна включитися та чи інша амінокислота? І скільки має бути «букв» у слові, керуючому однією цеглинкою майбутньої молекули білка?

На подібні питання і вдалося відповісти вченим, правда ще не зовсім точно.

СКІЛЬКИ «ЛІТЕР» В «СЛОВІ»

Спочатку визначили, скільки речовин, що входять до складу нуклеїнових кислот, необхідно для включення однієї амінокислоти в молекулу білка.

Візьмемо три сорти бусинок – білі, червоні і чорні. Розташуємо їх у ряд однаковими трійками. Тоді у нас вийде такий умовний шифр: (Біл., Чер., Чорн.), (Біл., Чер., Чорн.), (Біл., Чер., Чорн.), (Біл., Чер., Чорн,).

Тепер в першу трійку додамо ще одну червону намистинку. Розташування бусинок в трійках порушиться і стане іншим: (Біл., Чер.. Чер.), (Чорн., Біл., Чер.), (Чорн., Біл., Чер.), (Чорн., Біл., Чер.).

Тепер у другу трійку додамо білу намистинку. Тоді трійки будуть виглядати наступним чином: (Біл., Чер., Чер.), (Чорн., Біл., Біл.), (Чер., Чорн., Біл.), (Чер., Чорн., Біл.). Ви бачите, що умовний запис остаточно порушився і став не схожий на первісний.

Зробимо останній дослід: додамо в другу трійку ще одну чорну намистинку. Тоді «зайва» біла намистинка перейде в третю трійку, і первісне розташування бусинок відновиться: (Біл., Чер., Чорн.).

Отже, добавка однієї або двох «букв»-намистинок розстроює запис, порушує його сенс. (Чорн., Біл., Чорн.), (Біл., Чер., Чорн.), (Біл., Чер., Чорн.). А якщо ми додаємо три нових намистинки в довгий ряд, розділений на групи по три намистинки в кожній, то умовний запис зберігається. До нього просто додалося зайве «трибуквенне слово».

Якби у нас було не три, а два або чотири сорти намистинок, то тоді для відновлення їх становища нам треба було б додати відповідно дві або чотири намистинки. Виходить, діючи таким способом, можна здогадатися, зі скількох знаків складається код. І ми з вами знайшли, що код намистинок складається з трьох знаків.

Приблизно так само вчинили і дослідники нуклеїнових кислот. Вони не знали точно, зі скількох «букв» складається білковий код. І стали додавати в молекулу нуклеїнової кислоти навмання одну, дві, три, чотири речовини, з яких складаються нуклеїнові кислоти.

Виявилося, що при додаванні одної або двох таких речовин код плутався. А при додаванні третьої речовини код відновлювався. Так було встановлено, що три речовини, що входять до складу нуклеїнової кислоти, визначають, яка чергова амінокислота буде використана при синтезі білка. Тепер слід було з’ясувати, які ж саме речовини, що входять в ці трійки, визначають включення до складу білка тієї чи іншої амінокислоти.

КОД РОЗШИФРОВАНИЙ

Перший успішний дослід зумів провести Ніренберг, про який ми вже згадували на початку. Він вчинив просто: взяв і видалив із системи, в якій синтезувався білок, інформаційну нуклеїнову кислоту.

Звичайно, синтез білка зупинився. Адже тепер не було інформації про те, який білок синтезувати. Якщо ви знімете пластинку з диска програвача – ніякої музики не буде. Потім замість інформаційної нуклеїнової кислоти Ніренберг додав штучну, спеціально їм приготовлену. Вона складалася лише з однієї речовини, або, інакше кажучи, «слова» коду були складені з набору однієї і тієї ж «букви». І вийшло, як у програвачі: коли голка ковзає по одній борозні пластинки, тоді монотонно звучать кілька нот, адже голка знімає з пластинки інформацію, записану тільки на одній борозні.

Так і Ніренберг: ввівши обмежену інформацію, що складається тільки із з’єднання У, він синтезував не білок, а речовину, що складається з безлічі молекул однієї і тієї ж амінокислоти – фенілаланіну. І тоді Ніренберг абсолютно правильно вирішив, що код УУУ визначає включення цієї речовини в білок.

Після цього вже неважко було визначити код і для інших амінокислот. Очоа із співробітниками синтезували штучні нуклеїнові кислоти із заздалегідь відомим вмістом речовин і вивчали, які амінокислоти під їх впливом включаються в білок. Протягом кількох місяців вони зуміли знайти код для всіх 20 амінокислот.

Автор: В. Тонгур.