Александр Гангнус - Эволюция для всех, или Путь кентавра
Отличаются молекулы разных белков друг от друга только одним — порядком следования бусинок-аминокислот в нитях белковых молекул. Этот порядок следования у настоящего белка определен очень строго, никаких перестановок не допускается, а если перестановка происходит, то получается уже другой белок, в данное время и в данном месте обычно ненужный или даже вредный. Жизнь клетки и организма в целом — это миллионы различных химических реакций, и одна из главных обязанностей белков — ускорение этих химических реакций. Каждый белок (белки-ускорители называют ферментами) в сотни тысяч раз ускоряет какую-то одну нужную в определенный момент и определенном месте реакцию, тут не должно быть никакой путаницы, и поэтому каждая белковая молекула должна быть построена так, как нужно, а не иначе, ведь именно от строения белка зависит, как отнесутся к нему молекулы веществ, вступающих в реакцию.
Вот почему белок — это не просто смесь аминокислот, а своего рода текст, в котором чаще всего нельзя изменить ни буквы.
Есть такая наследственная болезнь — серповидно-клеточная анемия. Это тяжелая болезнь, и она, наверное, давно бы исчезла с лица Земли вместе с теми, кто поражен ею (ведь люди с такой наследственностью раньше умирают и оставляют меньше потомков, чем здоровые), если бы не одно обстоятельство. Больные этой анемией никогда не болеют малярией. Возбудитель малярии питается красными кровяными шариками человека, а у больных анемией не шарики, а серпы, и возбудители их не усваивают! И вот в тропической Африке, где издавна свирепствовала малярия, болеть анемией оказалось в какой-то мере выгодно… Ученые только недавно обнаружили первопричину этой наследственной болезни. Оказалось, что в огромной молекуле белка, входящего в состав кровяных шариков, одна — всего одна! — из 600 бусинок-аминокислот заменена неправильной. Из-за этого вся клетка эритроцита уже «не держит» круглой формы, сворачивается в серп. И вот тяжелейшая болезнь. Трудно составить текст из 600 букв, в котором всего одна замененная буква так искажала бы весь смысл. В то же время этот пример показывает, что ошибки в строении больших биомолекул иногда оказываются хотя бы в каком-то отношении полезными. И это очень важно, без таких полезных ошибок не было бы эволюции!
ЗАКОДИРОВАННЫЕ ИНСТРУКЦИИ
А теперь представь себе, что ты взял наугад из наборной кассы наборщика массу букв и все их бросил на стол, и перед тобой совершенно случайно оказался… ну хотя бы заголовок этой книжки. Вероятность такого события совершенно ничтожна, с такой же вероятностью воздух из комнаты может весь выйти в форточку… И когда ты видишь перед собой связный текст, ты не будешь гадать. Ты твердо знаешь, что текст не сам составился из случайно брошенных литер, а его придумал и написал какой-то человек, выражая некую мысль. Значит, и белок в клетке строится не как попало, а его строит некто для какой-то цели по строго определенной программе. Этот «некто», а вернее, нечто, и есть нуклеиновая кислота, точнее, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), молекула которой содержит длинный «текст», целый том закодированных «инструкций», как строить тот или иной белок. Этот том секретных инструкций клетка получает по наследству от своих предков и передает его потомкам как семейную святыню, без которой сразу развалится вся семья… Синтез, строительство белковых молекул в клетке — вещь сложная, и не все там понятно по сей день. Но главное ученые все же смогли подсмотреть. Многие участки молекулярного кода ДНК (их называют генами) — это запись строения того или иного белка (зная, какая аминокислота в белке больного анемией заменена, можно найти ошибку в генной записи, из-за которой белок производится с «опечаткой», такие «опечатки» ученые называют мутациями).
Как переносится кодовая запись гена на белковую молекулу? Каждый ген, кусок двойной цепи ДНК, если цепь расплести, обретает «липкость», к нему в этот момент норовят присоединиться определенные молекулярные последовательности. Над генами происходит сборка… Чего, белка? Нет, своеобразной копии гена, но только не ДНК, а РНК — рибонуклеиновой кислоты. Эта молекула-посредник, информационная, она же матричная РНК, точное, но зеркальное отражение гена, появляется в клетке ненадолго. Появившись, она спешит в другое подразделение клеточного «завода» — рибосому. Рибосома состоит из двух полушарий, и конец РНК-депеши закладывается (как это происходит, рассказывать трудно и долго) в одно из этих полушарий — то, что поменьше, как конец магнитной ленты в головку магнитофона.
Теперь рибосома готова к работе. Вокруг нее поднимается большая суета. Молекулы так называемых транспортных РНК начинают «рыскать», каждая в поисках своей аминокислоты. «Рыскание» это происходит вблизи рибосомы, в прозрачной плазме клетки. В этом растворе, если клетка здорова, хорошо питается и дышит, должны быть все необходимые детали-молекулы.
Невероятно странно: молекула «ищет», блуждает, чтобы «найти». Молекула обладает поведением — как живое существо. Как будто у нее своя воля есть или ей кто приказал. Ученые все еще далеки оттого, чтобы понимать со всей отчетливостью, как движутся внутриклеточные частички — органеллы и молекулы внутри клеток, как там отдаются приказы, которые так точно и в срок исполняются. Ну а то, что в срок… Никто пока не может сказать, где в клетке спрятан этот будильник-хронометр, который приводит в действие все «винтики» (ох, до чего неточное слово, но как еще сказать?) этого удивительного «предприятия» — клетки, не видимой простым глазом.
И вот происходит она, встреча. Узнавание. Транспортная РНК находит свою аминокислоту. Она скрепляется с ней. Она тащит ее к рибосоме. А там уже стоит, ждет, изготовившись, лента информационной РНК.
Транспортные РНК разные, но есть в них и общее: каждая похожа на скрепку — на каждой есть особый изгиб, похожий на бородку ключа. А вот узор этой бородки, то есть последовательность химических групп, у каждой транспортной РНК на этом изгибе свой. «Ключ» узнает свой «замок». Бородка «узнает» зеркально-подобный (комплементарный) «узор» на ленте информационной РНК и временно скрепляется с ним.
Как только первая аминокислота оказывается на месте, лента информационной РНК сдвигается «на одно деление» (на один ген), и к ней теперь может подойти следующая транспортная РНК с другой аминокислотой, которая укладывается рядышком с предыдущей. После того как аминокислоты соединились, транспортная РНК высвобождается для новой операции подтаскивания. Долго ли, коротко ли, но вот вся лента информационной РНК «проиграна» через рибосому, аминокислоты выстроены в нужном порядке и химически соединены, а все транспортные РНК отсоединены и отправлены восвояси (на эти соединения и отсоединения требуется энергия, и она все время подводится к месту сборки с помощью специальных молекул — носителей энергии). Есть молекула белка!
Ну что, все просто и ясно? Ты заметил, процесс столь сложен, что мне то и дело приходится употреблять такие слова, как будто в самом деле речь идет о настоящем заводе. Я не буду рассказывать еще подробней, про один процесс синтеза белка можно написать (и написаны) целые книги, здесь важно уяснить следующее: везде, где я говорил о переносе7, подтас-ке, узнавании, соединении, подводе энергии, дело не обходилось… без тех же белков-ферментов! «Завод» клетки в массе производит не только детали своего устройства, но и «работников»!
Долго рассказывать и о том, как происходит второй главнейший процесс живого — самовоспроизведение, деление клетки. Скажу только, что центральный момент этого процесса — это разделение, перепечатка «семейной реликвии-инструкции» — ДНК. Двойная спиральная молекула ДНК вдруг расплетается, и на каждой из двух образовавшихся нитей собирается по второй нити-спирали. И этот процесс самовоспроизведения ДНК не обходится без… опять-таки фермента-белка! Ну а этот белок тоже заранее изготавливается ДНК с помощью рибосом и РНК.
Вот как все сложно в живой клетке. Без ДНК не построишь белка (и РНК!), но без РНК тоже невозможно представить себе синтез белка. А без белка-фермента еще никто не смог добиться репликации (самовоспроизведения) ДНК. Без репликации же нет самовоспроизведения клеток, значит, нет размножения, наследования и роста, основных свойств живого мира. Когда-то это назвали центральной догмой молекулярной биологии и изобразили в виде формулы:
ДНК → РНК → белок
И вот как будто получается, что жизнь могла начаться только с того момента, когда на древней Земле, в «первичных бульонах», где-то в одном месте встретились все три вещества преджизни, пусть даже очень упрощенного устройства, но все три: ДНК, РНК, белок… Путь к каждому из этих веществ и так очень непрост, но чтобы они встретились в одном месте… Многие ученые снова стали подумывать о счастливейшей редкой случайности, вроде той, когда брошенные буквы сами сложились в осмысленные слова.
