клеотида (У) несколько сложнее, так как для него при переходе к, ДНК не только происходит замена ОН на Н, но и в шестичленном кольце водород в верхней группе СН заменяется на метильную группу СН3. Этим и объясняется отличие в названиях РНКового нуклеотида (уридиновый) и ДНКового (тимидиновый), хотя они очень похожи друг на друга и оба служат партнерами А при образовании комплементарных пар. В отличие от ДНК, РНК представляет собой одиночную цепочку.

Копирование гена происходит по тому же правилу комплементарное™, по которому идет репликация ДНК, только роль, которую играет в ДНК Т, в РНК играет У.

Пиритдцнбвый нтвё

г

® ®

, он II I он II I

I н—сц,^ | н

I VvH нЯ I ?чН Н/СК

ОН HC-f DH НС-lj

ои он он он

ПУРИНОМ KWZQG

© . г* © н L

он „^V? он „-^«'Vh

OH OH OH OH

Адвнотнмонофоофт Гусмошммофосфт

Рис. 6. Полные химические формулы мономерных звеньев РНК-нук-. леотидоБ, Сверху приведены пиримидиновые нуклеотиды (У и Ц), а снизу — пуриновые (А и Г). Нуклеотиды, входящие в состав ДНК, отличаются тем, что у них вместо правой нижней группы ОН стоит просто Н. Кроме того, в ДНК вместо уридинового нуклеотида входит тимидиновый, у которого верхняя СН-группа в кольце заменена на

группу ССН3.

Синтез РНК ведется по одной из двух комплементарных цепей гена. Фермент, ведущий синтез, то есть осуществляющий процесс транскрипции, называется РНК-полимеразой, Итак, РНК-полимераза снимает с участка длинной молекулы ДНК, с гена, РНКовую копию. Этот РНКовый отпечаток гена используется на втором этапе синтеза белка, в процессе, получившем название трансляции. Собственно, этот этап является решающим, именно здесь вступает в силу генетический код.

Процесс трансляции очень сложен, в нем принимает участие множество действующих лиц. Главное из них — рибосома. Рибосома — это сложнейший агрегат, построенный из полусотни различных белков и молекулы РНК. Имеется ввиду не та РНК, которая служит матрицей для синтеза белка на рибосоме, а другая, рибосомальная РНК, которая является неотъемлемой частью рибосомы. Чтобы эти два класса РНК отличать друг от друга, рибосомальную РНК обозначают как рРНК, а матричную мРНК. Рибосома — это молекулярная вычислительная машина, переводящая тексты с нуклеотидного языка ДНК и РНК на аминокислотный язык белков. Эта «молекулярная ЭВМ» узко специализирована — она работает только по одной программе, по программе, название которой «генетический код».

Генетический код

На рубеже 50-х и 60-х годов Фрэнсис Крик и его сотрудники выяснили основные свойства генетического кода. Было доказано, что код триплетный, то есть одной аминокислоте соответствует последовательность из трех нуклеотидов на мРНК. Эта тройка нуклеотидов была названа кодоном. Текст, записанный в мРНК, считывается рибосомой последовательно, кодон за кодоном, начиная с некоторого начального инициирующего кодона по следующей схеме:

Белок: Цд - v*a- v

На этой схеме (ц, clt ... обозначают аминокислотные остатки белка. Напомним, что их может быть 20 сортов. А сколько сортов кодонов? Легко подсчитать, чцэ всего существует 43 = 64 различных кодона. Так чтЪ же, не всякому кодону соответствует аминокислота? Да, не всякому.

Но таких бессмысленных, или незначащих, кодонов очень немного, и они выполняют специальную функцию служат стоп-сигналами, обозначают конец белковой цепи. Поэтому их еще называют терминирующими кодонами. Подавляющее же большинство кодонов соответствует какому-либо аминокислотному остатку. А это значит, что код вырожден — большинству, если не всем, аминокислотным остаткам должно отвечать несколько кодонов.

К 1961 г. стало ясно, что код триплетный» вырожденный и неперекрывающийся (то есть считывание прэисхо-дит кодон за кодоном) и что он содержит инициирующие и терминирующие кодоны. Дело было за тем, чтобы установить соответствие каждого аминокислотного остатка конкретным кодонам и узнать, какие кодоны обозначают начало и конец синтеза белковой цепи. Было совершенно ясно, что именно для этого требуется. Нужно «только» прочесть параллельно два текста — ДНКовый (или РНК-овый) текст гена и аминокислотный текст соответствующего этому гену белка. Затем сличить эти два текста — и дело сделано.

Вспомним, что именно так были когда-то расшифрованы египетские письмена. Но беда в том, что если белковые последовательности к этому времени умели расшифровывать, то ни последовательности ДНК, ни последовательности РНК читать не умели. Поэтому пришлось пойти по иному пути.

Представьте себе, что вместо Розеттского камня, на котором один и тот же текст был написан египетскими иероглифами и по-гречески, откопали бы во время наполеоновского похода в Египет живого древнего египтянина. Тогда не потребовался бы гений Шампольона, чтобы составить французско-древнеегипетский словарь. Достаточно было бы показывать египтянину различные предметы, а он рисовал бы соответствующие иероглифы.

Именно этим принципом дешифровки кода и воспользовались М. Ниренберг и Дж. Маттеи. Ведь клетки-то знают код! Значит, надо предложить клеткам распознавать разные последовательности нуклеотидов, лишь бы было точно известно, что это за последовательности. К этому времени как раз научились синтезировать кое-какие искусственные РНК (но отнюдь еще не любые!). Но, конечно, живой клетке предлагать такую РНК бесполезно — она ее просто-напросто съест, то есть расщепит до отдельных нуклеотидов, а их использует для строительства собственных РНК. Поэтому Ниренберг и Маттеи использовали не живые клетки, а клеточные экстракты, которые сохраняли способность синтезировать белок на РНК, но не содержали ферментов, расщепляющих РНК. Эти экстракты не умели, разумеется, многого другого, что умеет делать клетка, но важно лишь одно — они были способны синтезировать белок по внесенной извне РНК. Такие экстракты назвали бес клеточной системой.

Ниренберг и Маттеи получили экстракт из кишечной палочки и добавили к нему искусственную РНК, состоящую только из урацилов. Так бесклеточной системе был задай первый вопрос; какой аминокислоте соответствует кодон/ УУУ? Ответ был однозначен: кодону УУУ отвечает фенила-лапин. Этот ответ, о котором Ниренберг сообщил на Международном биохимическом конгрессе в Москве в 1961 г., произвел настоящую сенсацию. Путь к расшифровке кода был открыт!

Очень быстро удалось сделать подобный перевод для многих аминокислот. Однако определять последовательность нуклеотидов в искусственных мРНК было довольно трудно. В то время еще не умели синтезировать даже короткие фрагменты с заданной последовательностью. Умели лишь получать полинуклеотиды со случайной последовательностью из смеси мономеров, да и то не из любой смеси. Начали думать, как попытаться иными способами расшифровывать кодоны. Но неожиданно произошел новый прорыв, и ситуация резко изменилась.

Мы видели, что у истоков проблемы кода стоял физик, общие свойства кода были выяснены генетическими методами, после чего за дело взялись биохимики. Окончательно проблема была решена, когда на помощь биохимикам пришли химики-синтетики.

К 1965 г. Хар Гобинд Корана научился синтезировать короткие фрагменты РНК с заданной последовательностью—сначала двойки (динуклеотиды), а потом тройки ^тринуклеотиды). Из таких двоек и троек с помощью ферментов синтезировали длинные полинуклеотиды, в которых ?>ти двойки или тройки повторялись много-много раз. За-1см полинуклеотиды со строго определенной и известной последовательностью добавляли в бес клеточную систему и определяли их соответствие белковым цепям.

К 1967 г. расшифровка генетического кода была окончательно завершена. Этот код изображен на рис. 7. В цен* тральном круге таблицы обозначены первые нуклезтиды кодонов, в следующем — вторые, а затем третьи. На внешней части круга указаны соответствующие кодонам аминокислотные остатки.

Символ Тер обозначает терминирующие кодоны. А где же инициирующие кодоны? Специальных инициирующих кодонов не существует. Эту роль в определенных условиях играют кодоны АУГ и ГУ Г, обычно отвечающие аминокислотам метионину и валину.

Даже беглого взгляда на рис. 7 вполне достаточно, чтобы заметить определенную закономерность. Вырожденность кода носит явно не случайный характер; то, какой аминокислоте будет соответствовать данный кодон, определяют главным образом два первых нуклеотида. Каков третий нуклеотид — не так уж важно, то есть, хотя код и три-плетный, главную смысловую нагрузку несет дублет, стоящий в начале кодона. Иными словами, код квазидублетный.

Эта главная особенность кода была замечена еще на самой ранней стадии его расшифровки. Конечно, дублетами нельзя закодировать все двадцать аминокислот, так

Рис. 7. Генетический код. Первая буква кодона расположена в центральном круге, вторая — в первом кольце и третья — во втором. В наружном кольце записаны сокращенные названия аминокислот,

как различных дублетов может быть всего 42 = 16. Поэтому третий нуклеотид в кодоне должен нести некоторую смысловую нагрузку.

Существует, однако, правило, которому код подчиняется почти строго. Чтобы его сформулировать, нам надо вспомнить, что четыре нуклеотида — урациловый, цитозиновый, адениновый и гуаниновый—принадлежат по строению к двум разным классам — пиримидиновому (У и Ц) и пуриновому (А и Г) (см. рис. 6). Так вот, правило вырожденности кода можно сформулировать следующим образом: если два кодона имеют два одинаковых первых нуклеотида и их третьи нуклеотиды принадлежат к одному классу (пуриновому или пиримидиновому), то они кодируют одну и ту же аминокислоту.

Взгляните еще раз на таблицу кода, и вы убедитесь, что это правило выполняется очень хорошо. Но два исключения все же существуют. Если бы сформулированное выше правило выполнялось совсем строго, то кодон АУА должен был бы отвечать метионину, а не изолейцину, а кодон У ГА — триптофану, а не быть сигналом окончания синтеза.

Универсален ли код?

Но позвольте, вправе спросить читатель, ведь бесклеточная система получена из конкретного организма. Где гарантия, что опыты по расшифровке кода в бесклеточной системе, взят