Глава 1. Биологический код

Глава 1. Биологический код

Выражение «поговорим за жизнь» столь прочно вошло в обиход, что кое-кто из наших знакомых, листавших книгу в рукописи, предполагал недоразумение и даже ошибку в заглавии. Но никакого недоразумения нет — и не только по причине почтительного отношения авторов к законам грамматики русского языка. К сожалению, предстоящий разговор даже отдаленно не будет напоминать задушевные беседы «за жизнь», ведущиеся за чашкой чая.

Речь пойдет о жизни в естественнонаучном понимании, о том загадочном явлении, которое философы называют феноменом жизни. Слов нет, такой разговор намного менее привлекателен и для рассказчика и для слушателя, но всякому сколько-нибудь любознательному человеку избежать его просто не удастся. Рано или поздно каждый из нас скажет самому себе: «Я представляю — по крайней мере в принципе, каким образом устроены и работают двигатель внутреннего сгорания, телефон-автомат, будильник; я понимаю, почему день сменяется ночью, зима — летом, откуда берутся приливы, отливы и солнечные затмения. Как же получается, что об основных принципах устройства и деятельности любого живого организма, в том числе и самого себя, у меня таких представлений нет? Каковы механизмы хотя бы самых важных жизненных процессов и что такое явление жизни в целом?»

О некоторых намерениях авторов

О, разрешите загадку жизни,

Старую трудную загадку,

Над которой уже многие ломали головы,

Головы в иероглифических колпаках,

Головы в тюрбанах и черных беретах,

Головы в париках и всякие другие

Бедные, обливающиеся потом людские головы…

Эти строки стихотворения Г. Гейне из цикла «Северное море» взяты эпиграфом к сборнику «Сущность жизни», изданному в 1903 году в Санкт-Петербурге.

Все статьи этого сборника написаны очень эмоционально, страстно и посвящены одной проблеме: можно ли объяснить жизненные явления на основе законов физики и химии?

Сторонники и противники этой гипотезы ничуть не уступают друг другу в полемическом мастерстве, так что читателю нелегко сделать окончательный выбор. Может быть, именно поэтому составитель сборника, профессор В. Фаусек, завершает свое предисловие словами: «Одна мысль постоянно приходила мне в голову при редактировании этого сборника: „О, как бы мне хотелось узнать то, что будет написано в подобном же сборнике, вышедшем в начале XXI века. Неужели все эти „бедные, обливающиеся потом людские головы“, о которых с такой горькой насмешкой говорит Гейне, трудились, трудятся и будут трудиться понапрасну? Я не думаю этого, но как бы мне хотелось знать!“»

Добавим от себя, что тактичный профессор не сообщает читателю истинных масштабов «горькой насмешки» Гейне. Дело в том, что приведенный отрывок — монолог романтичного юноши, с которым он обращается почему-то к морским волнам, а кончается стихотворение словами «…и дурак ждет, когда же ему ответят».

До начала XXI века осталось еще порядочно времени, но уже сейчас можно сомневаться в том, что издание сборника с подобным названием будет тогда иметь смысл. Говоря это, мы вовсе не имели в виду, что к тому времени будут полностью исчерпаны биологические проблемы; но не выпускаются же сейчас, например, книги «О сущности тепла», несмотря на существование многочисленных НИИ, занимающихся исследованиями в области теплофизики.

В наши дни уже серьезно не обсуждается вопрос о том, можно ли описать процессы, происходящие в живом организме, на языке физики и химии; исследователей волнует лишь, как это сделать в каждом конкретном случае. Причем такая позиция обусловлена вовсе не соображениями веры: просто современной биологии уже сегодня известны самые существенные элементы молекулярной организации тех процессов, совокупность которых мы называем жизнью.

Вот на эту-то тему мы и собираемся поговорить. Мы будем стараться вести эту беседу в манере общедоступной и даже несколько легкомысленной; тем не менее от читателя все же потребуется известная концентрация внимания.

…Несколько лет назад появились в русском переводе две книжки с откровенно издевательскими заглавиями: «Радио? Это же очень просто!», «Телевидение? Это же очень просто!» Наверняка находились люди, не усмотревшие вовремя авторской шутки. Попадались, конечно, читатели, которые сумели осилить книгу до конца, несмотря на то, что уже к десятой странице они понимали, что пали жертвой розыгрыша. Нет, несомненно попадались и такие читатели…

Мы не можем снабдить свою книгу похожим подзаголовком: «Молекулярная биология? Это же…» Во-первых, это будет плагиатом, во-вторых, неправдой, и неправдой чудовищной. В-третьих, наконец, эта книга не претендует на роль учебника. Если автор упомянутых изданий рассчитывает на то, что по прочтении любого из них вы берете в руки паяльник и решительно отстегиваете заднюю стенку своего приемника или телевизора, то мы надеемся все же избежать побуждения читателя к каким-либо конкретным начинаниям. Правда, если вы старшеклассник, вас может потянуть, например, на отделение биофизики университета; если вы пожилой физик, к вам может прийти запоздалое озарение, касающееся вашего истинного призвания. Но такие случаи сравнительно редки.

Все, что будет написано далее, просто. Эта простота вынужденная, простота школьной модели электромотора, неспособного самостоятельно совершить даже четверть оборота, но в отличие от мрачноватого крепыша — реального двигателя, так хорошо показывающего все эти щетки, якорь, башмаки…

Молекулярная картина жизненных процессов фантастически сложна даже в той небольшой своей части, которая известна на сегодняшний день, и мы будем стремиться сохранить лишь основные контуры, необходимые для понимания самых центральных идей. Все несущественные, второстепенные детали игнорируются, сложные процессы заменяются вульгаризованными схемами — во имя простоты изложения. (При этом авторы отдают себе полный отчет в справедливости пословицы: «Простота — хуже воровства».)

Один из путей достижения этой самой злополучной простоты изложения авторы, в частности, видят в полном отказе от описаний экспериментов; в книге будут обсуждаться только окончательно сформулированные идеи, но не экспериментальные факты, послужившие для этого основой, и уж тем более не изощренные и требующие пространных объяснений методики проведения экспериментов.

Надеемся, что избежать упоминаний о «чисто экспериментальной» части молекулярной биологии нам удастся с тем большей легкостью, что, будучи теоретиками, мы и сами-то далеко не во всем этом разбираемся достаточно детально. Иными словами, попытаемся обратить на пользу дела не только свои профессиональные симпатии, но даже известную неосведомленность.

Впрочем, полное перечисление того, от чего нам придется отказаться во имя сравнительной ясности изложения и доступности основных выводов, заняло бы слишком много места: в дальнейшем по ходу нашего рассказа мы будем отмечать такие места умеренно горестными вздохами.

Конечно же, предлагаемая манера беседы на избранную нами тему — не единственно возможная, на что нам уже указывали весьма компетентные люди, читавшие книгу в рукописи. И все же, по нашему убеждению, придерживаясь ее, мы действуем в интересах читателя.

От организма к молекуле?

Латинское выражение ab ovo означает, по утверждению любого словаря иностранных слов, «с самого начала» (иногда в скобках приводится и дословный перевод — «от яйца»). Именно так, ab ovo, и рекомендуется начинать изложение во всяком литературном произведении, где хоть в какой-то мере затрагиваются серьезные научные проблемы. В том, что проблемы, которые собираются обсуждать авторы этой книги, действительно серьезные, сомневаться не приходится: шутка сказать, читателю обещано ни более ни менее, как объяснение сущности жизни!

Однако начинать это объяснение можно по-разному. Можно, например, пойти по чрезвычайно благоприятному для популяризатора пути «исторической последовательности», то есть, попросту говоря, рассказать об истории биологии начиная с века эдак шестнадцатого (до нашей эры, разумеется).

Рассказать о великих ботаниках и зоологах прошлого, трудами которых все огромное растительное и животное царство уложилось в единую стройную классификацию и каждый организм оказался приписан к определенному классу, отряду, роду и так далее. Рассказать о физиологах, исследовавших отдельные органы животных и растений, их реакцию на различные раздражители и взаимосвязь в организме. Подробно рассказать об открытии клетки — самой маленькой «живой» частички организма — и о ее устройстве: ядро, протоплазма и прочее.

Затем речь пошла бы о работах выдающихся биохимиков (это уже конец XIX — начало XX века), в которых было со всей очевидностью показано, что суть жизни состоит в непрерывной и очень хитроумно устроенной последовательности химических реакций, происходящих в клетке. И наконец, красочно был бы описан «взрыв» биологии, происшедший в последние десятилетия: появление молекулярной биологии, которая в основном занимается всего лишь двумя типами биологических молекул — белками и нуклеиновыми кислотами, ибо жизненные процессы «на молекулярном уровне» зависят главным образом именно от них.

Подобный «историзм» изложения удобен не только потому, что избавляет авторов от необходимости мучительно соображать, о каких вопросах следует упомянуть вначале, а какие оставить для более позднего рассмотрения (кстати, в том, что эта проблема не надумана, читателю придется убедиться очень скоро). Весьма привлекательной кажется также и возможность описания всяких любопытных исторических подробностей: от покроя камзолов и формы шляп биологов XVIII века до любимых сортов сигарет современных нобелевских лауреатов — молекулярных биологов, благо дотошные историки науки и репортеры крупнейших газет мира докапываются и до более мелких деталей жизни великих ученых. И — позволим себе пофантазировать — история открытия крупным немецким зоологом М. нового вида ракообразных будет куда более интересной, если учесть, что именно в это время его бедное сердце разрывалось от неразделённой любви к баронессе фон Н. …

Более того, следуя приведенной схеме, можно не опасаться зловещего вопроса, который все еще иногда раздается на научных собраниях самого разного уровня: а с чего бы это биологам, которые испокон веков имели дело с организмами, заниматься изучением каких-то там молекул? К сожалению, опасения такого рода никак нельзя назвать шуточными: еще пару лет назад, присутствуя на защите диссертации, посвященной теоретическому исследованию биологических молекул, диссертации, насквозь биологической, хоть и выполненной с помощью математических формул и электронно-вычислительной техники, авторы были свидетелями вопроса, заданного одним из членов ученого совета: почтенный профессор поинтересовался, какие именно организмы имел диссертант в своем распоряжении для проведения работы…

И тем не менее мы скрепя сердце вынуждены отказаться от выгод, которые предоставляет нам «естественное» историческое течение повествования. Наша цель — разговор о молекулярной биологии, и в этом случае предпочтительнее вести речь не о пути, пройденном биологией от «организма к молекуле», а об исследованиях обратного направления — «от молекулы к организму». Мы попытаемся построить замкнутую схему «элементарных» жизненных явлений на основе описания строения, свойств и способа возникновения молекул белка — основы всех жизненных процессов.

Наш подход, конечно, не является оригинальным; достаточно вспомнить знаменитое определение Ф. Энгельса: «Жизнь есть способ существования белковых тел»; авторы обращают внимание на этот момент главным образом потому, что намерены в своем изложении очень значительно урезать в правах «нуклеиновую» часть молекулярной биологии, ограничиваясь тем ее минимумом, который необходим для иллюстрации роли нуклеиновых кислот как раз в обеспечении «существования белковых тел».

Впрочем, такое построение книги нам представляется вполне естественным, может быть, потому, что ее черновой вариант писался на бумажных отходах нашей профессиональной деятельности — распечатках ЭВМ, содержащих результаты расчетов строения различных элементов белковых молекул. Конечно же, далеко не всякий разговор о белках окажется разговором об основе жизни, но всякий разговор об основе жизни — это прежде всего разговор о белках, а мы собрались как раз побеседовать о жизни…

Все же начнем с ДНК

Говорят, интеллигентная барышня середины прошлого века обычно получала свое образование в Институте благородных девиц. Прилежная выпускница, полностью усвоившая программу этого заведения, умела музицировать, танцевать и изъясняться на некоторые темы по-французски. С тех пор минули многие десятилетия. В наши дни любая барышня (авторы позволяют себе перенести в современность этот несколько архаичный, но, несомненно, очень емкий термин) со средними претензиями на интеллигентность знает, что ДНК — носитель наследственной информации. Это ей известно не менее достоверно, чем, скажем, то, что E = mc².

Разумеется, нам нечего возразить информированной барышне. Во-первых, потому, что дело обстоит именно так, во-вторых, потому, что двумя-тремя бестактными замечаниями легко нарушить ощущение ее интеллектуального комфорта, а это, согласитесь, поступок, совершенно недостойный галантных кавалеров. Лучше польстить сравнением ее удобного научного образования с наукой, изобретенной подрядчиком Модели из рассказа американского писателя Р. Шекли «Планета по смете». Модели, помнится, тоже отвечал на возмущенные вопросы заказчика планеты Земля — господа бога — о том, почему горы так высоки, а океанов так много, одним решительным утверждением: «Таковы законы природы». В большинстве случаев такого объяснения оказывается достаточно, однако рано или поздно находятся неуживчивые люди, которые начинают задавать бестактные вопросы.

Почему именно ДНК? Каким образом эта самая генетическая информация размещена в ДНК?

Заранее оговоримся: ответ на эти вопросы сложен и в полной мере еще неизвестен, но именно на пути поиска такого ответа и произошли удивительные события, приведшие в конечном счете к утверждению самого термина «молекулярная биология». Да и нетрудно понять, что без этого сам по себе тезис: «ДНК — вещество, содержащее наследственную информацию» — мало чем отличается от совсем уж общего принципа: «Существует материальный носитель наследственности», споры в отношении которого как будто бы утихли.

Итак, нас интересует ДНК. Объяснение начнем с самого простого: ДНК — это сокращенное название дезоксирибонуклеиновой кислоты. Будем считать, что понятие «кислота» не требует пояснений, «нуклеиновая» же означает «ядерная», содержащаяся в ядрах клеток (от латинского слова «нуклеус» — ядро). Смысл туманной приставки «дезоксирибо» выяснится впоследствии.

Молекулы этого химического соединения с чуточку хитроумным названием можно найти в каждой клетке каждого организма. Впрочем, бывают и клетки, в которых ДНК как будто нет, но, с другой стороны, бывает и внеядерная ДНК. Читателя, который при этих словах встрепенулся, чтобы схватить авторов за руку и указать на очевидную бессмыслицу — «внеядерная ядерная кислота», — просим выслушать коротенькое оправдание.

Когда какая-либо наука развивается особенно быстро, например, как нынешняя молекулярная биология, новые термины возникают почти бесконтрольно, и тут уж не до здравого лингвистического смысла. Лучший пример тому — история с немецким словом Eiereiwei?, обозначающим «яичный белок». Все произошло крайне просто. Ei — по-немецки «яйцо», wei? — «белый», естественно назвать белок яйца Eiwei?. Затем, однако, этот термин стал использоваться в немецком да и в других языках для обозначения белков вообще как класса химических соединений. Тогда совершенно естественным и закономерным образом немецкий язык обогатился новым словом Eiereiwei? (что-то вроде «яичный белок яиц»).

Это отступление — вовсе не попытка еще раз подшутить над известными особенностями немецкого языка, тем более что всякому, кто за это возьмется, придется соревноваться с самим Марком Твеном. Чтобы окончательно избежать подозрений на этот счет, сошлемся на популярный русский термин из области физиологии (бог весть что он обозначает, но мы точно знаем, что он существует): «гипоксическая гипоксия».

Устройство молекулы ДНК сложно, а с точки зрения химика, даже хитроумно, но общие его принципы понять все же нетрудно. ДНК — полимер и, как всякий полимер, представляет собой цепочечную структуру довольно унылого вида. Цепь ДНК может быть линейной, реже — циклической, но никогда не бывает ветвящейся. Элементы основной цепи молекулы — остова — одинаковы для всех звеньев, так же как и отходящие от каждого звена отростки. А вот присоединенные к отросткам плоские молекулярные структуры могут быть четырех различных типов. Как раз благодаря им цепочка ДНК оказывается неоднородной. В каждом звене этой цепочки может, таким образом, находиться одно из четырех особых химических соединений — оснований, названия которых полезно запомнить: аденин, гуанин, цитозин, тимин, а химические формулы этих соединений знать пока необязательно. Стоит, пожалуй, лишь отметить, что в состав каждого из оснований входит фрагмент, удивительно близкий по структуре молекуле сахара, называемого «рибоза»; поскольку все отличие между ними заключено в том, что у рибозы на один атом кислорода больше, фрагмент называется «дезоксирибозой», то есть «рибозой без кислорода». Так что теперь слово «дезоксирибонуклеиновая» понятно полностью.

Зашифрованная инструкция

Способ записи наследственной информации в молекулах ДНК в принципе оказывается довольно простым: ее характер определяется порядком чередования оснований в молекуле.

Это очень распространенный способ кодирования информации: ведь в конечном счете информация, содержащаяся в лежащей перед вами книге, тоже определяется порядком чередования букв в словах, составляющих ее текст. Только «текст», который организм передает по наследству из поколения в поколение, состоит из чудовищно длинных «слов» — молекул ДНК, и в слова эти входит лишь четыре буквы: А, Г, Ц и Т — по первым буквам названий четырех оснований, перечисленных выше (кстати, именно таким способом записи последовательности оснований ДНК пользуются в специальной литературе).

Другими словами, есть какая-то зародышевая клетка, в ней молекула ДНК (или несколько десятков, или несколько сотен молекул — словом, столько, сколько нужно, чтобы полностью описать генотип организма, — тот самый «текст», который только что был упомянут), и лишь от последовательности оснований каждой молекулы зависит, разовьется ли из этой клетки белый гриб-боровик, анаконда, корова, ласточка, креветка, медведь, даже динозавр, не говоря уже о «венце творенья» — о нас с вами. То есть наследственность любого человека может быть в принципе вполне точно и однозначно описана несколькими химическими формулами!

Не исключено даже, что какой-нибудь любитель подробных анкет уже прикидывает, как бы учредить графу «персональная генетическая формула» — ведь в ней содержались бы полные сведения о генотипе каждого человека! Пока, к счастью, это еще невозможно: определение последовательности оснований даже небольших фрагментов ДНК требует многих месяцев, а то и лет работы коллектива искуснейших химиков. Кроме того, в самой лаконичной записи для ответа на подобный вопрос анкеты понадобились бы сотни таких книг, как эта. С другой стороны, методы химического анализа совершенствуются, и стоит только очень захотеть…

Может показаться, что мы сильно преувеличили объем «генетического личного дела». Но молекулярный вес ДНК в одной лишь клетке, например, кишечной палочке оценивается в 2–4 миллиарда. Это означает, что в словах-молекулах ДНК такой клетки насчитывается 3–6 миллионов букв-оснований. А объем «текста» из ДНК для такого организма, как человек, составит уже около 2 миллиардов знаков — это приблизительно 145 томов формата Большой Советской Энциклопедии.

(Разумеется, можно потрясти воображение читателя и другими гигантскими цифрами. Подсчитать, например, сколько раз можно обмотать земной шар по экватору нитью, составленной из всех молекул ДНК в организме человека. Однако, вспомнив о том, что наши собратья по перу уже многократно обматывали земной шар — метрами выпущенной за год ткани, километрами стальной проволоки и даже железнодорожными составами с углем, причем неизменно по экватору, — мы решили дать ему отдохнуть. Он и без того славно поработал на ниве научно-популярной литературы.)

Каков же характер информации, закодированной в тексте из молекул ДНК? Увы, этот «жанр» нельзя назвать ни романом, ни драмой, ни даже научным трактатом. Генотип представляет собой скорее всего очень подробную инструкцию, необходимую организму для возведения самого себя. То, что эта инструкция оказывается чересчур уж объемистой, естественно объясняется чрезвычайной сложностью системы, которую мы называем организмом. Будь система попроще, скажем аэроплан начала века и майор кайзеровской армии, привыкший делать все точно по уставу, то, как это прекрасно показано в американском комедийном фильме «Воздушные приключения», достаточно тоненькой тетрадочки с инструкцией — и пунктуальный майор, ни разу в жизни не садившийся за штурвал, блестяще совершает опасный перелет.

Чем сложней система, тем толще инструкция. Инструкция для советских космонавтов, принимавших участие в совместном полете «Союз» — «Аполлон», насчитывала свыше тысячи страниц. А ведь в ней перечислены лишь правила поведения космонавтов в так называемых «штатных», то есть предусмотренных, ситуациях. Инструкция, охватывающая все возможные ситуации при космическом полете, получилась бы такой, что, пожалуй, после ее тщательного изучения космонавты не смогли бы участвовать в полете просто по причине достижения пенсионного возраста. Так что уж говорить о столь сложной системе, как организм!

Умеем ли мы читать?

Стоп! Вот теперь-то самое время остановиться, передохнуть, а заодно и покончить (желательно навсегда) с игривым тоном и всякими шуточками. Мы подошли к существу проблемы: мы знаем, что наследственная информация, формально говоря, записана в виде очень длинных слов на четырехбуквенном алфавите. Однако это всего лишь способ записи. И коль скоро мы употребляем слово «запись» — хоть оно и относится к форме, а не к существу дела, — надо бы подумать и о том, как происходит процесс чтения этой записи, процесс, конечным результатом которого оказывается создание того или иного организма.

Это, конечно, на первый взгляд звучит довольно странно. Вспомним, однако, что даже тушение пожара — тоже (хоть и не всегда) результат внимательного чтения противопожарной инструкции. Так что в принципе в таком способе чтения нет ничего удивительного. Вот еще одна, уже более близкая аналогия: существуют и прекрасно работают тысячи и тысячи станков с программным управлением. Изготовление детали на таком станке в известной мере также является результатом чтения ее шифра — условного набора дырок, пробитых на перфокарте или перфоленте. Эта аналогия, правда, страдает заметной даже невооруженному глазу однобокостью: она говорит лишь о результате чтения, но не о его механизме.

Итак, если ДНК — инструкция для возведения столь сложного устройства, как организм, вполне естественно задать такие вопросы: каким образом она выполняется, как копируется и передается из поколения в поколение? И, кроме того, кто ее составил?

Тем, что современной биологии известен, хотя бы в самых общих чертах, ответ на эти вопросы, мы обязаны главным образом целеустремленным и энергичным исследованиям, проведенным на протяжении двух последних десятилетий. Насколько огромен будет масштаб свершений этого нового периода «бури и натиска» в биологии, поначалу не удалось оценить не только культурной общественности, но и большинству самих биологов. Причины и последствия такого бурного развития событий крайне интересны сами по себе, но говорить о них лучше после того, когда мы хотя бы в общих чертах познакомимся с самыми главными результатами.

Молекула ДНК в клетке находится в окружении очень сложных структур и весьма странных веществ. Содержимое клетки представляет собой, с химической точки зрения, смесь сотен разнообразнейших соединений. Большая их часть растворена в воде — основном по массе содержимом клетки.

Среди прочих веществ присутствуют в окружающем ДНК растворе и все четыре типа нуклеотидов — элементарных звеньев цепочки ДНК. Реагируя друг с другом, они могут образовывать пары, тройки и вообще — цепь ДНК любой длины. Так что, если нужно, например, снять копию с данной молекулы ДНК, то, по крайней мере, материал для этого есть (мы просим читателя временно воздержаться от бестактного вопроса: «Откуда он взялся?»). А вот вопрос о том, как клетка ухитряется копировать молекулы собственной ДНК…

Хореографическая модель ДНК

К счастью, принципиальная схема молекулярного механизма, придуманного природой для копирования ДНК, представляется сравнительно несложной (правда, при очень поверхностном подходе и после тщательных объяснений). Говоря предельно лаконично, дело обстоит так. Цепочки ДНК в клетке часто существуют в виде парных комплектов. Особенность этого комплекта заключается в том, что все основания обеих цепочек попарно связаны друг с другом, а самое главное — такие попарные сцепления подчинены строгой закономерности: аденин может находиться в паре только с тимином, а гуанин — с цитозином, так что сцепленная пара молекул ДНК выглядит примерно так:

и по построению напоминает вереницу пар участников хореографического ансамбля, исполняющих какой-либо старинный танец, скажем мазурку. Такая вереница в хорошем ансамбле подчинена примерно тем же закономерностям: белокурые красавицы танцуют в паре с брюнетами, а темноволосые — с блондинами.

Обе нити ДНК должны, таким образом, строго соответствовать друг другу; описанный выше способ соответствия принято называть комплементарностью. Говорят, что две нити комплементарны, если последовательность одной из них получается из последовательности второй заменой аденина на тимин, гуанина — на цитозин, и наоборот. Нетрудно убедиться, что в паре нитей двойной спирали записан текст, соответствующий по длине только одной из них, ибо комплементарный текст определяется механически и новой информации нести уже не может.

Связи, с помощью которых пары оснований «держатся» друг за друга, довольно легко разорвать. Если это произойдет, нити ДНК начнут расходиться и к ним могут начать присоединяться отдельные нуклеотиды, причем попарные правила их присоединения будут те же: А ? Т и Г ? Ц.

Присоединяющиеся нуклеотиды будут сцепляться не только с половинками своей пары, но и друг с другом, образуя новую цепочку. И когда нити исходной пары разойдутся полностью, вместо одного парного комплекта в клетке окажется два, причем последовательности оснований образующих их молекул попарно будут строго одинаковыми.

Этот процесс называется репликацией. На первый взгляд он действительно кажется простым; во всяком случае, мало-мальски приличный балетмейстер без труда сможет осуществить постановку хореографической картинки «Репликация ДНК», пользуясь приведенным описанием и располагая достаточным количеством белокурых и темноволосых танцоров обоего пола (кстати, такому постановщику наверняка удалось бы избежать дежурного упрека критиков в недостаточной современности тематики балета).

Однако тут же начинают приходить в голову очередные бестактные вопросы. Ну, например: как удается парам А ? Т и Г ? Ц узнавать друг друга? Почему не бывает пар другого типа, скажем А ? Ц? И так далее. Кое-какие объяснения по этому поводу читатель, возможно, получит впоследствии, пока же ему придется смириться с обтекаемым ответом в духе любезной нашему сердцу барышни: такова структура парных комплексов молекул ДНК.

От текста к тексту

Известный шутник К. Чапек в своем романе «Война с саламандрами» пишет о том, как какая-то японская газета опубликовала о саламандрах сверхсенсационную статью… «в которой говорилось буквально следующее…». После двоеточия приведены два абзаца японских иероглифов.

Не в положении ли чапековского читателя оказались биологи? В конце концов права, права оказалась всезнающая барышня: ДНК действительно носитель наследственной информации, инструкция, определяющая все процессы жизнедеятельности. И каждая клетка может копировать эту инструкцию: парный комплект, репликация и тому подобное… Только прочесть-то по-прежнему ничего нельзя!

Но, во-первых, знать способ записи и способ копирования — не так уж мало. Во-вторых, очень скоро выяснилось, что способ копирования тесно связан со способом прочтения, по крайней мере с одним из его промежуточных этапов. Было установлено, что существуют два вида копирования. Один из них — уже рассмотренная репликация, когда происходит точное воспроизведение молекул самой ДНК, что совершенно необходимо в связи с процессами роста и размножения, — ведь каждая клетка организма должна иметь хотя бы один экземпляр точной инструкции.

Однако на самом деле в клетке их должно быть гораздо больше. Поэтому наряду с ДНК-овой (прилагательное, прочно вошедшее в устный жаргон молекулярных биологов) копией — основной, эталонной, подлежащей повторному копированию и, возможно, передаче дочерней клетке, — инструкция уже в самой клетке многократно переписывается в виде «рабочих инструкций» — молекул рибонуклеиновой кислоты, или РНК.

Нет нужды объяснять внимательному читателю принцип образования прилагательного «рибонуклеиновая»— в ее состав входит сахар рибоза. Таким образом, строение элементарного звена молекулы РНК отличается от ДНК только добавлением одного атома кислорода. Существует, правда, еще отличие: вместо одного из оснований, тимина, в структуру РНК включается весьма похожий на него урацил. Поэтому буквы в словах-молекулах РНК будут такими: А, Г, Ц и У.

Переписывание инструкции на язык РНК происходит так же, как и репликация ДНК, с учетом правил А ? У и Г ? Ц. Иными словами, переписывание ведется по схеме:

Все это несколько напоминает ситуацию с производством кинофильмов: на основе одного или нескольких тщательно оберегаемых негативов изготавливаются тысячи позитивных (то есть в известном смысле комплементарных — и здесь аналогия) рабочих лент.

Одна молекула ДНК может, таким образом, служить матрицей для синтеза любого количества молекул РНК с одинаковой последовательностью оснований. Они-то и доставляют наследственную информацию в самые отдаленные уголки клетки.

Процесс копирования последовательности ДНК в молекулах РНК принято называть транскрипцией. С принципиальной точки зрения он наименее интересен; если следовать сухой инженерной логике, кажется, что можно обойтись и без него. И в самом деле, есть вирусы, обходящиеся только одним видом нуклеиновых кислот — РНК.

Зато очень важен следующий этап преобразования наследственной информации: РНК ? белок. Если в случае транскрипции речь идет о простом ее переписывании, то здесь более уместно было бы говорить о переводе.

И ДНК и РНК образованы четырьмя типами нуклеотидов, причем для обеих молекул их строение довольно схоже. Следующей же формой записи наследственной информации оказываются молекулы белка — полимера, цепочка которого образована двадцатью различными типами элементарных звеньев.

Молекула белка строится из аминокислот, химических соединений сравнительно простой структуры:

причем все различие между отдельными аминокислотами заключается в строении так называемого бокового радикала R.

Химические формулы аминокислот мы приводить не будем, а вот названия на всякий случай перечислим:

глицин, аланин, валин, изолейцин, лейцин

серин, треонин, пролин, метионин, цистеин

аргинин, лизин, фенилаланин, тирозин, гистидин

триптофан, аспарагин, аспарагиновая кислота, глутамин, глутаминовая кислота

Разумеется, запоминать их совершенно необязательно, достаточно просто запомнить место в книге, где приведен этот перечень: в дальнейшем, наткнувшись в тексте на одно из таких названий, вы, возможно, захотите убедиться, что речь идет именно об аминокислоте. (Кстати, разрешение не запоминать наизусть названия всех двадцати аминокислот — голубая мечта каждого студента, готовящегося к экзаменам по биохимии. Увы, мечта совершенно неосуществимая.) Каждая пара аминокислот соединяется друг с другом с выделением молекулы воды, и, таким образом, может образоваться цепочка произвольной длины:

Ее остов имеет регулярную структуру, в которой повторяется один и тот же элемент — так называемая пептидная группа, а привески — боковые радикалы — могут чередоваться в любом порядке. Элементарный фрагмент такой цепочки называется аминокислотным остатком (он выделен штриховой рамкой).

Легко заметить, что при описанном способе построения белковой молекулы на одном ее конце будет свободная аминогруппа — NH₂, на другом — карбоксигруппа — COOH. Это означает, что последовательность аминокислотных остатков в белке (так же, как и оснований в ДНК или РНК) направленная, то есть молекулы какой-либо пары аминокислот, например аланина и глицина, можно соединить друг с другом двумя различными способами, так, чтобы в одном из них остаток глицина участвовал в образовании пептидной связи своей аминогруппой, во втором — карбоксигруппой.

Попросим нескольких человек выстроиться в ряд по росту, взявшись за руки; два способа построения — убывание роста слева направо или справа налево — будут принципиально различными. Каждый участник такого построения будет держаться за руку более высокого соседа либо левой, либо правой рукой, и в зависимости от способа построения у самого высокого участника окажется свободной либо левая, либо правая рука. Для придания определенности можно потребовать, чтобы свободной у него оказалась, к примеру, именно правая рука, а у самого низкорослого участника — левая.

Совершенно аналогично аминокислотные последовательности белков принято записывать в направлении от остатка, несущего группу NH₂ (называемого N ? концевым остатком), к остатку, несущему карбоксигруппу СООН (С ? концевому остатку).

Нуклеиновые кислоты и белки — полимеры принципиально разной структуры, и сам молекулярный механизм синтеза белковой молекулы на основе инструкции, содержащейся в молекуле РНК, не имеют ничего общего со сравнительно простыми схемами репликации и транскрипции. Он намного сложней, и тем больше чести для исследователей, благодаря которым ныне известны основные принципы его организации. Однако нас пока интересует не этот механизм, а вопрос чисто формального «перевода» РНК-овых последовательностей на язык молекул белка.

Разумеется, нет ничего принципиально невозможного в передаче последовательности символов двадцатибуквенного алфавита последовательностью символов четырехбуквенного алфавита. Вспомним хотя бы азбуку Морзе, с помощью которой набор точек и тире переводится в русский текст (а это вместе с цифрами и знаками препинания около 50 различных символов). Однако азбуку Морзе выдумали люди…

С того момента, как на основании многих тонких и остроумных экспериментов биологам стало ясно, что последовательность аминокислотных остатков в молекуле белка определяется нуклеотидной последовательностью РНК, вопрос о способе кодирования сделался самой злободневной проблемой и для экспериментаторов и для теоретиков. Мы снова воздержимся от исторических экскурсов, ограничившись перечислением фамилий основных героев эпопеи расшифровки генетического кода — американцев М. Ниренберга, С. Очоа и англичанина Ф. Крика. Обратимся лучше сразу к плодам их усилий.

С формальной точки зрения структура генетического кода сравнительно проста. Последовательность нуклеотидов в нити РНК при чтении мысленно подразделим на тройки оснований (именно мысленно, поскольку никаких структурных признаков такого подразделения нет). Тогда, как оказывается, каждой тройке может быть сопоставлен один из двадцати аминокислотных остатков. Общее число всех возможных троек (их называют еще триплетами) — 64 (то есть 4?4?4), так что большинство остатков может кодироваться несколькими способами. Кроме того, есть два особых триплета, которыми обозначаются начало и конец аминокислотного «текста» — белковой молекулы.

Теперь, имея в своем распоряжении кодовую таблицу, можно с легкостью перевести текст РНК-овой последовательности на белковый язык. Более того, будь эта книга учебником, можете не сомневаться, что авторы предусмотрели бы несколько страниц такого перевода в разделе «Самостоятельные упражнения».

По поводу набора аминокислот, образующих белковую молекулу, необходимо сделать еще одно замечание. В различных организмах присутствуют в свободном виде, помимо двадцати перечисленных, еще несколько десятков других аминокислот, также имеющих структурную формулу H₂N?CHR?СООН. Многие из них играют очень важную роль в обмене веществ, но ни одна не вовлекается в синтез белка. Точнее, иногда такие аминокислоты встречаются в составе белковой молекулы, однако всегда оказывается, что при «считывании» последовательности белков с РНК в соответствующих положениях присутствуют «нормальные» остатки и лишь впоследствии, уже по завершении синтеза, их боковые радикалы модифицируются.

20 аминокислот, входящих в кодовый словарь, иногда называют «магическим набором». Это название отражает удивление биохимиков «докодового» периода, которые обнаруживали в составе белков лишь часть аминокислот, находящихся в организме в свободной форме. Установление структуры кода указывает, по крайней мере, происхождение именно такого положения вещей, хотя и не объясняет его внутренней целесообразности.

Авторы уже начали ощущать принятый ими темп галопа. Конечно, краткость — сестра таланта, однако излагать в такой вот конспективной форме сведения, составляющие основу и гордость современной молекулярной биологии, не только трудно, но даже и несколько неприятно. Так и тянет отвлечься на какую-нибудь интересную подробность, рассказать, как был осуществлен синтез полифенилаланина на полиурациле (согласно генетическому коду триплету УУУ соответствует остаток фенилаланина), как экспериментальному открытию кода в 1964 году предшествовали темпераментные и очень цветистые дискуссии теоретиков, какими курьезными комментариями сопровождали сообщение об этом открытии некоторые журналы… Словом, массу интересного и даже пикантного материала приходится опускать, предварительно поставив на нем клеймо «для дальнейшего изложения необязателен». Как говорят опытные альпинисты, брать не то, что может пригодиться, а только то, без чего нельзя обойтись.

И все же — несколько замечаний на более общие темы.

Установление структуры генетического кода, несомненно, эпохальное событие для биологии. Очень часто его сравнивают с появлением теории Ч. Дарвина. И хотя по чисто научным критериям это сравнение вовсе не является преувеличением, совершенно неизмерима разница в масштабах и характере общественного резонанса, сопутствующего этим двум событиям. Появление «Происхождения видов» повлекло за собой пощечины, отлучения от церкви, тысячи карикатур во всех газетах мира, развеселые куплеты в кабаре, словом — яростный пафос сторонников и бешеную злобу противников, чем дало неиссякаемый повод для шуток людям равнодушным.

Сообщений об открытии генетического кода в газетах почти не было (а если и были, то в несколько строк под рубрикой типа «Интересно знать» или «В мире науки»). Говорить же о митингах, пощечинах, демонстрациях и проповедях вовсе уж не приходилось. Как видно, дело здесь не в том, что XIX век был куда эмоциональнее нашего. В научных кругах сам факт существования нуклеотидно-аминокислотного кода был очевиден задолго до его открытия; еще в конце 50-х годов вполне по-деловому обсуждался вопрос о том, каким образом в принципе может быть закодирована аминокислотная последовательность в последовательности нуклеотидов молекулы РНК, существуют ли «запятые» — элементы, разделяющие отдельные кодоны, и т. п. С другой же стороны — открытие генетического кода было событием сугубо академическим, в то время как теория Ч. Дарвина вторгалась в сферу мировоззренческую, затрагивая интересы очень многих людей. А в таких случаях, как известно, даже геометрическим аксиомам приходится туго.

Ну и, наконец, дело в легкой приученности широкой общественности к научным сенсациям. В самом деле, атомная электростанция, полет в космос, пересадка сердца, расшифровка генетического кода… Последнее звучит даже менее интересно, слишком специально, что ли…

Конечно же, открытие генетического кода не прошло совсем уж незамеченным в кругах публицистов, политиков и литераторов. Именно с момента этого события ведет свой счет времени многоголосая дискуссия о благах и опасностях направленного изменения наследственности. А так называемые писатели-фантасты в течение немногих лет, прошедших с момента открытия генетического кода, успели наводнить книжный рынок скучнейшими сочинениями о деятельности в XXI веке СКБ по проектированию суперменов…

Совсем краткое отступление: ферменты

Будем считать, что нам уже кое-что известно о молекулярных механизмах, составляющих основу жизни (это может показаться слишком напыщенным, но ведь недаром схему «ДНК ? РНК ? белок» называют «центральной догмой» молекулярной биологии!). Теперь пора вернуться к вопросам читателей, которые мы демагогически определяли ранее как бестактные и до поры до времени оставили без ответа. К их числу относятся и такие: откуда в клетке берется материал для построения молекул нуклеиновых кислот и белков — нуклеотиды и аминокислоты? Как заставить нуклеотиды (и аминокислоты) соединиться в цепочку?

Путь к ответу на эти и многие другие вопросы лежит через пояснение, которое, казалось бы, не только ничего не поясняет, но еще более запутывает. Дело в том, что многие белки, синтезированные в клетке по только что рассмотренной схеме, являются ферментами — веществами, совсем уж удивительными. Они представляют собой… Впрочем, о том, что они собой представляют, мы еще будем говорить очень много, практически всю оставшуюся часть книги. А пока ограничимся упоминанием их важнейшего свойства — избирательно катализировать (это значит — «ускорять») химические реакции.

Это очень полезное свойство. Подумаем о том, что в клетке содержится несколько сотен различных веществ, и почти каждое из них может как-то (иногда десятками или даже сотнями способов) реагировать с каждым из остальных: легко себе представить, какой хаос воцарится, если все эти реакции будут идти самопроизвольно!

По счастью, однако, скорость самопроизвольных реакций очень мала: в течение секунды в реакцию вовлекается обычно примерно лишь каждая десятимиллиардная молекула определенного сорта (это для большей части находящихся в клетке веществ; есть, конечно, и более быстрые реакции). Лучший пример тому — мясные консервы, которые десятилетиями могут храниться без заметного изменения химического состава содержимого.

Совсем по-иному протекают химические реакции в присутствии ферментов (такие реакции называют ферментативными). Во-первых, каждый фермент исключительно разборчив: он помогает вступить лишь в строго определенную реакцию строго определенным веществам, иногда даже только одной-единственной паре. Во-вторых, неизмеримо возрастает скорость реакции: за одну секунду молекула фермента вовлекает в реакцию (соединяет, или разделяет, или осуществляет перестановку атомов) от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч пар молекул субстрата — так называют соединение, в отношении которого активен данный фермент.

Причем каждый фермент, как упоминалось, отличается в этом смысле изрядной привередливостью. Часто он «запрограммирован» на определенную реакцию столь жестко, что не приемлет малейших изменений структуры молекулы субстрата. Даже введение в структуру молекулы, состоящей, к примеру, из двух десятков атомов, одного-единственного добавочного атома и к тому же в положении, удаленном от участвующих в реакции атомов молекулы, чутко улавливается «специализированным» ферментом: он не катализирует реакцию с участием такого вещества.

С учетом столь замечательных свойств ферментов можно дать хотя бы в самых общих чертах объяснение способов реализации в клетке всех тех процессов, о которых шла речь выше. Например, располагая подходящим набором ферментов, можно через последовательность определенных химических реакций получить нуклеотиды: ну хотя бы из веществ, поступающих в клетку извне. Действительно, была бы под рукой совокупность необходимых химических элементов.

Нам, конечно, укажут, что для синтеза какой-либо молекулы необходимы не только определенные исходные вещества, а, вообще говоря, еще и источник энергии. Но чего не сделаешь, имея в руках ферменты! Ее всегда можно получить за счет какой-нибудь другой реакции (опять же катализируемой соответствующим ферментом), при которой происходит выделение энергии. Причем существует если не четыреста, то все же вполне достаточное число сравнительно честных способов ее передачи. (Стоит ли говорить, что происходит это только при участии ферментов!) Поэтому-то клетка и нуждается в питании — постоянном притоке веществ, способных при реакции с общедоступными соединениями (прежде всего кислородом) выделять энергию. Вот на что уходит значительная часть тех самых калорий, о которых нам твердят врачи, запрещая есть жирную свинину и макароны!

Перед тем, как приступить к делу