Уже сама структура двойной спирали подсказывает способ реализации процесса репликации. Ведь если основания обладают столь четко выраженным попарным сродством, значит, у одиночной нити ДНК каждый свободный нуклеотид будет «стараться» занять место напротив своего партнера. А после этого стоит только последовательно соединить их, выстроенных таким образом, в одну нить. Так оно примерно и происходит на самом деле. В процессе репликации двойная спираль раскручивается, и на каждой отделившейся ее нити «нарастает» новая комплементарная нить.
Присоединившиеся нуклеотиды «сшиваются» с остальной частью наращиваемой нити при помощи специального фермента. Вот и все. Раскручивание старой и наращивание новых спиралей продолжается до тех пор, пока спираль не раскрутится полностью, а каждая из ее нитей образует со свежесинтезированной комплементарной копией новую двойную спираль.
Схема процесса транскрипции — синтеза молекул РНК на матрице ДНК — в принципе сходна с репликацией; это и неудивительно, если вспомнить значительную структурную близость молекул ДНК и РНК. Наиболее существенное отличие заключается в том, что комплементарная последовательность РНК копирует не всю молекулу ДНК, а только ее фрагменты; важно также, что в качестве матрицы для синтеза РНК используется только одна из нитей, образующих двойную спираль, но не ее комплементарная копия. В искусственных условиях удается получить смешанную двойную спираль, образованную молекулами РНК и ДНК; такие спирали характерны для некоторых вирусов.
Как синтезируются белки
И процесс репликации, и родственный ему процесс транскрипции способны вызвать немало удивления совершенством своей организации даже в столь бледном и лишенном подробностей описании. Однако по сравнению с молекулярными механизмами биосинтеза белка они выглядят сравнительно простыми и почти очевидными.
В процессе синтеза молекул нуклеиновых кислот расположение нуклеотидов в определенном порядке происходит как бы само по себе, за счет сродства каждого из нуклеотидов к своему комплементарному партнеру. Первоначально биологи предполагали, что и при синтезе белка на матричной молекуле РНК происходит нечто подобное: каждая аминокислота стремится «примкнуть» к кодирующему ее триплету, а последовательное соединение аминокислот осуществляется особым ферментом.
Начались поиски принципов структурного соответствия между аминокислотами и кодирующими их триплетами, более того, кое-кому такие принципы удалось даже установить. Многие значительные открытия побуждают исследователей действовать по аналогии и по этой самой аналогии открывать несуществующие вещи. Это относится, конечно, не только к биологам. Скажем, очень часто в качестве примера блестящего успеха теоретической научной мысли приводят открытие французским астрономом У. Леверье планеты Нептун — знаменитое «открытие на кончике пера».
В этой связи редко вспоминаются факты менее известные: когда У. Леверье опубликовал свою работу и астрономы действительно нашли в указанном им месте неизвестную ранее планету, как из рога изобилия посыпались сообщения об открытии «по методу Леверье» еще примерно полутора десятков абсолютно несуществующих планет. Некоторые из них исходили — увы! — от самого У. Леверье, до конца своей жизни не отказавшегося от попыток обнаружить на орбите, находящейся внутри орбиты Меркурия, планету Вулкан, существование которой им было предсказано.
Словом, процесс «считывания» нуклеотидной последовательности молекулы РНК, приводящий к образованию белковой молекулы с соответствующей аминокислотной последовательностью, оказался организованным совершенно иначе и намного сложнее, чем процессы копирования молекул нуклеиновых кислот.
Взять хотя бы то, что отнюдь не все типы молекул РНК, находящиеся в клетке, несут информацию о первичной структуре каких-нибудь белковых молекул. Молекулы РНК с такой функцией называют информационной РНК. Есть, однако, и иного типа молекулы РНК, играющие первостепенную роль как раз в процессе сопоставления каждому триплету информационной РНК соответствующей ему аминокислоты. Этот тип молекул РНК носит название транспортной РНК.
Такое название, на наш взгляд, не вполне точно отражает функцию этих молекул. Может сложиться впечатление, что это молекулы-«подвозчики», в то время как никакой специальной деятельности по перемещению аминокислот к информационной РНК они не выполняют. Правильнее, по-видимому, рассматривать их как своеобразные молекулы-«переводчики». Судите сами. В клетке есть двадцать типов молекул транспортной РНК — по числу аминокислот, используемых в белковом синтезе. Каждая из аминокислот может образовать некоторое промежуточное соединение со «своей» транспортной РНК. При этом само «узнавание» аминокислотой подходящей молекулы транспортной РНК не происходит непосредственно: и в этом случае нет никаких сил специфического сродства двух молекул, которые определяли бы подобное связывание. Эту функцию выполняет специальный фермент — аминоацилсинтетаза. Ферментов этого типа в клетке также двадцать.
Мы уже много говорили о специфичности ферментов, так что первый этап акта связывания аминокислоты с молекулой подходящей транспортной РНК — образование промежуточного комплекса фермента со «своей» аминокислотой — вполне понятен. Однако аминоацилсинтетаза обладает еще одним типом специфичности: она способна также «узнавать» и соответствующую данной аминокислоте транспортную РНК. «Захватив» молекулу аминокислоты, фермент взаимодействует с определенным участком молекулы транспортной РНК и присоединяет к ней молекулу аминокислоты. Обратите внимание, что на этом этапе единственным элементом, наделенным способностью к «узнаванию», является именно белок — фермент аминоацилсинтетаза, обладающий избирательным сродством, с одной стороны, к определенной аминокислоте, с другой — к молекуле соответствующей ей транспортной РНК.
Образование комплекса аминокислоты с молекулой транспортной РНК без посредничества ферментов совершенно невозможно. Ибо если бы даже эта парочка и научилась «распознавать» друг друга (такое вполне мыслимо), то соединяющая их связь уж никак не могла бы возникнуть сама по себе. На ее образование нужно затратить некоторое количество энергии, а реакции такого типа, как мы знаем, в организме выполняются только при участии ферментов.
Итак, первый этап биосинтеза белковой молекулы завершен: аминокислота прочно связана с соответствующей транспортной РНК. Важнейший же инструмент второго этапа — сравнительно крупные частицы, называемые рибосомами (мы уже упоминали о них, когда шла речь о процессах самосборки). Конечно же, «крупные» они только по молекулярным масштабам: рибосома примерно в сто раз «тяжелее» средней белковой молекулы. Ее размер — около двухсот ангстрем. Рибосома состоит из двух неравных субъединиц, различающихся по величине примерно вдвое. «Материал», из которого построены рибосомы, — это белки и РНК, но опять-таки РНК совершенно особого типа.
Рибосомная РНК, так же как и транспортная, не содержит информации об аминокислотной последовательности каких-либо белков; кстати, и вообще не очень понятно, зачем она присутствует в рибосомах (как видите, молекулярная биология тоже кое-чего не знает!).
Термин «инструмент», примененный нами выше в отношении рибосомы, возможно, не очень точен. Правильнее было бы, наверное, назвать ее рабочим столом, на котором идет синтез белка. Происходит это следующим образом. Рибосома связывается с нитью информационной РНК в том месте, где начинается запись аминокислотной последовательности некоторого белка. Механизм «узнавания» этого места легко себе вообразить: в состав рибосомы входит РНК, и участок, комплементарный какой-то «метке» на информационной РНК, может уже известным нам образом связаться с упомянутой «меткой». После этого рибосома готова к приему первого комплекса транспортной РНК с аминокислотой.
Этот комплекс взаимодействует как с самой рибосомой, так и с триплетом информационной РНК, следующим за «меткой». «Сцепление» транспортной РНК с информационной основано на том, что в определенной части структуры молекулы транспортной РНК есть так называемый антикодон — тройка оснований, комплементарная триплету, — который кодирует данную аминокислоту в информационной РНК. Взаимодействия, возникающие внутри комплекса рибосомы с обеими молекулами, приводят к некоторым его перестройкам. Молекула аминокислоты отщепляется от молекулы транспортной РНК и связывается с рибосомой; последняя, в свою очередь, несколько перемещается вдоль молекулы информационной РНК. После этого транспортная РНК отделяется.
