Розгадані триплети
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
У 1961 році в молекулярній біології відбулася подія, яку навіть самі стримані дослідники розцінювали як видатну, а самі захоплені порівнювали зі створенням квантової механіки або теорії відносності у фізиці. Йдеться про розгадку біохімічного коду, або, як його краще називати, коду білкового синтезу.
У цьому відкритті поєдналося все те, що характеризує сучасну молекулярну біологію, – рішення біологічної проблеми знайдено засобами біохімії та хімії на базі досконалого фізичного обладнання, фізичних і хімічних ідей.
Білки – воістину найдивовижніші з усіх відомих нам молекул. 20 амінокислот, що утворюють молекули білків, розташовуються в них найрізноманітнішим способом і, головне, в межах одного виду білка – завжди в одному і тому ж порядку.
Перестановки і заміни неприпустимі. Абсолютно так само, як з літер алфавіту можна скласти будь-яке слово, змінюючи лише порядок букв, так і в білку все вирішує порядок амінокислот. Валін-аланін-серин і серин-валін-аланін – зовсім не одне і те ж.
При вивченні таких життєво важливих білків, як інсулін (нестача або відсутність його призводить до діабету – цукрової хвороби) і гемоглобін (він надає червоний колір крові і приносить кисень кожному органу нашого тіла), було показано, що «підміна» одних амінокислот іншими веде до «псування» молекул – до нездатності виконувати свої функції.
Порядок побудови білка визначають нуклеїнові кислоти, точніше, інформаційна (вона ж матрична) рибонуклеїнова кислота (мРНК) і транспортна (вона ж «розчинна») рибонуклеїнова кислота (тРНК).
Біосинтез білка протікає в клітинних тілах, іменованих рибосомами.
У рибосомах є:
1) рибонуклеїнова кислота рибосом – функція поки точно невідома,
2) рибосомальні білки – функція поки точно невідома,
3) мРНК – матриця білкового синтезу,
4) тРНК – молекула-адаптор,
5) ферменти – поліпептиди-синтетази, що здійснюють з’єднання двох амінокислотних залишків один з одним.
Сучасна схема описує білковий синтез, залучаючи тільки три останні учасники наведеного переліку. Це, м’яко кажучи, недолік схеми, так як 90 відсотків речовин, що утворюють рибосоми, залишаються «безробітними». Зрозуміло, не в природі – в наших уявленнях.
Як же здійснюється за допомогою рибосомальної машини з’єднання двох амінокислот в потрібному, як кажуть біохіміки, специфічному порядку? Молекула мРНК розбита на групи з трьох нуклеотидів (трійки); кожній трійці протистоїть трійка нуклеотидів в молекулі тРНК. Вчені їх зазвичай називають кодонами і антикодон (від слова «код»). Кожній амінокислоті притаманний свій особливий кодон в мРНК і свій особливий антикодон в тРНК. Багато амінокислот «багаті» і мають по два і навіть три кодони, але ми для простоти викладу забудемо про це.
Як же спрацьовує вся система? Під дією спеціальних ферментів тРНК «навантажується» амінокислотами, причому кожен вид тРНК – своєю амінокислотою. Така «заряджена» тРНК в рибосомах встановлюється відповідно до свого антикодону проти відповідного кодону матриці. У цій взаємодії, про яку ми майже нічого поки не знаємо, головне – висока вибірковість. Наприклад, амінокислота валін «сідає» на свою тРНК, яка потім «тягнеться» до свого кодону. Ніяка інша тРНК до цієї ділянки мРНК не підходить – зв’язку не виникає.
Отже, схема така: ланцюг – амінокислота – тРНК-мРНК. Одна з проблем коду білкового синтезу полягала в тому, щоб визначити, які нуклеотиди в молекулі мРНК (і, зрозуміло, в якому порядку) відповідають різним амінокислотам.
Ніренбергу вдалося приголомшливо просто знайти ключ до розгадки коду. Він «запускав» в реакційний «котел», де повинен був йти синтез білка, нуклеїнові кислоти, що складаються суцільно тільки з одного виду нуклеотидів – уридилового. Ця кислота називається напівуридилова – напівуританова. При цьому синтезується білок, що складається тільки з однієї амінокислоти – фенілаланіну. Отже, напівуретан кодує утворення поліфеналаланіну. Так було визначено склад коду: фенілаланін-урацил, вірніше, три урацільних залишки, так як код (це було встановлено окремо) складається з трійок.
Далі вдалося дивно швидко, фактично за 1-2 роки, з’ясувати склади кодів для інших амінокислот. Наприклад, лізин – ААА (аденін), пролін – ЦЦЦ (цитозин), серії – ЦУУ, валін – ГУУ і так далі, В тих небагатьох випадках, коли тільки один нуклеотид входить в кодову трійку, код виявляється розшифрованим до кінця. Якщо ж нуклеотиди різні, залишається невирішеною друга, дуже важлива проблема – який порядок нуклеотидів всередині трійки. Серін – ЦУУ – це склад, а не послідовність; вона може бути УЦУ, може бути і УУЦ. Це відноситься і до інших кодонів.
Потрібно було знайти спільний спосіб, який би дозволив встановити послідовність нуклеотидів всередині трійок.
Це вдалося зробити тому ж Маршалу Ніренбергу і його співробітнику Філіпу Лідеру. Були взяті рибосоми і до них додані короткі (що складаються тільки з трьох ланок) полінуклеотиди, власне, не полі- а тринуклеотиди (наприклад, УУУ, ААА і т. д.). Ці тринуклеотиди тримаються в рибосомі досить міцно, не дивлячись на невеликі розміри. Мало того, що ці трійки виявилися здатними утриматися в рибосомі, в їх присутності тРНК, навантажена амінокислотою, теж придбала здатність «влазити» в рибосому і на ній (або в ній) утримуватися. Звичайно, не кожна тРНК, а тільки ті, яким «положено». У присутності трійки УУУ втрималася в рибосомах тільки одна тРНК – «навантажена» фенілаланіном, – всі інші залишилися непоміченими рибосомами. Значить, послідовність УУУ кодує фенілаланін.
Подальший план ясний: треба брати поспіль всі трійки, а всього їх може бути, як відомо з елементарної алгебри, з 4 нуклеотидів по три – 64, і дивитися, яка ж з тРНК втримається на взятому триплеті. Так і було зроблено. Взяли рибосоми, взяли трійки складу 2У1Г відповідного, як відомо, валін, і стали дивитися, чи «примкне» до рибосом валінова тРНК. У присутності УГУ валін РНК не затримується, УУГ – теж не затримується, ГУУ – тримається. Ясно, що кодон для валіна має послідовність ГУУ.
Подальше – вже справа техніки. Зараз порівняно нескладно отримати чисто хімічним шляхом трійки будь-якого складу, а далі потрібно по черзі випробовувати їх у системі Ніренберга-Лідера. Саме цим і зайняті зараз американські дослідники.
Але і зараз ще код спадковості не можна вважати дозволеним до кінця. Незважаючи на те, що ми вже багато знаємо про нього, він все ще підносить нам сюрпризи. З’ясувалося, що код далеко не байдужий до температури, при якій його «читають». Наприклад, при зазвичай використовуваних температурах (30-37а) напівуридилова кислота стимулює утворення поліфенілаланіну. Однак досить температуру різко знизити або підвищити, як той же самий полінуклеотид стимулює потрапляння в білкову молекулу не однієї, а кількох амінокислот, скажімо, лейцину та ізолейцину (крім фенілаланіну).
Ці факти свідчать про те, що код в певних «неоптимальних» умовах починає «брехати», або, висловлюючись науково, з’являється багатозначущість кодових слів. Цікаво, що у термофілів, бактерій, що живуть при високих температурах, код працює нормально при 50-60°, а при 37° і нижче починає «брехати».
Всі ці факти ще раз підтвердили стару істину про те, що все відносно і залежить від умов. Зрозуміло, ці дані ні в найменшій мірі не ставлять під сумнів саме існування коду білкового синтезу, вони тільки ще раз нагадують про небезпеку і труднощі вивчення спрощених, ізольованих систем. Однак якби ми не використали ізольовані безклітинні системи, то і код не був би розшифрований.
Білки лежать в основі всього живого, і пізнання шляхів їх утворення – проблема, що далеко виходить за рамки «чистої» теорії. Адже рак, вірусні і спадкові захворювання, так само як і корми для тваринництва, так само як проблема пересадок органів і тканин, – все це різні аспекти проблеми білків, їх утворення та діяльності в живих системах.
Автор: Л. Кисельов.