Глава 6

Генетический код и синтез белка

Мы уже говорили о том, что частота и порядок оснований A, T, C и G в ДНК наших генов определяют код, называемый генетическим кодом; это код, который определяет синтез (производство) многочисленных белков в клетках живых организмов. Белки состоят из множества мелких химических единиц под названием «аминокислоты» (их 20). Каждый белок состоит из разных аминокислот, соединенных в разном порядке в цепочки, так называемые полипептиды, подобно тому как ДНК состоит из четырех оснований в разном порядке и разной длины. Белки могут состоять из одного полипептида или множества полипептидных цепочек. Как только синтез полипептида завершен, он сворачивается определенным образом, в результате чего создается полностью сформированный функциональный белок (рис. 6.1).

Точное число белков в наших клетках неизвестно, но считается, что организм человека способен синтезировать примерно 20–25 тысяч различных белков, которые кодируются 20–25 тысячами наших генов. Исследователи подтверждают существование 19 599 генов, кодирующих белки в геноме человека, и идентифицировали еще 2188 фрагментов ДНК, которые могут быть генами, кодирующими белки.

Расшифровка генетического кода и наше понимание процесса производства полипептидных цепей – это один из самых впечатляющих научных триумфов в истории биологии; в то же время сам генетический код – это одно из наиболее элегантных творений Природы! В расшифровку генетического кода и понимание механизма синтеза белков внесли свой вклад разные выдающиеся ученые. Наряду с Джимом Уотсоном и Фрэнсисом Криком структурой ДНК занимался и Сидней Бреннер, видный молодой молекулярный биолог из Южной Африки, который переехал в Англию, чтобы работать с ведущими специалистами в области молекулярной биологии. Он внес неоценимый вклад в расшифровку генетического кода и понимание принципов синтеза белков.

Рис. 6.1. Сворачивание (фолдинг) полипептидной цепочки для образования функционального белка

Рис. 6.2. Сидней Бреннер

Бреннер родился в 1927 году в небольшом южно-африканском городке Гермистон. С раннего возраста он отличался академическими успехами. Первые три класса начальной школы он одолел за год, а в 14 лет закончил гимназию. Бреннер поступил в медицинскую школу Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге в Южной Африке, где его сразу заинтересовали исследования в области биологии, в отличие от предметов собственно медицины. Поскольку Бреннер по окончании обучения был слишком юн для получения квалификации практикующего врача, ему разрешили получить степень бакалавра по анатомии и физиологии. Закончив медицинскую школу, он получил степень доктора философии в Оксфорде и вернулся в Южную Африку на полагающиеся ему два года практики.

Как и Сидней Бреннер, я родился и вырос в Южной Африке и учился в той же медицинской школе, где он читал лекции по физиологии на моем курсе во время его двухгодичной практики. Он был не только отличным преподавателем, но и превосходным рассказчиком с неподражаемым чувством юмора. В 2010 году я опубликовал биографию Бреннера, в процессе работы над которой мне довелось близко познакомиться с ним и стать поклонником его таланта.

Приведу для примера забавный эпизод (характерный для юмора Бреннера), имевший место на лекции, которую он читал группе английских студентов. В те времена преподавателям в аудиториях разрешалось курить, и в середине лекции Бреннер, в те годы заядлый курильщик, вставил сигарету в рот обратным концом! Студенты переглянулись и, когда он извлек из кармана зажигалку, с нетерпением ожидали, когда же он зажжет фильтр. Не прерывая ни на миг лекцию, Бреннер включил зажигалку и, прежде чем зажечь сигарету, небрежным жестом перевернул сигарету нужным концом! Сейчас, когда я пишу об этом, Бреннеру уже 90 лет, он часто болеет легочными заболеваниями, вероятно, в результате длительной привычки к курению табака. Живет он в Сингапуре, где и сегодня проводит много времени, развивая молекулярную биологию этой страны.

Помимо вклада в развитие науки в Сингапуре, Бреннер помог создать Институт науки и технологии Окинавы (OIST) в Японии, за что был награжден правительством Японии Орденом Восходящего солнца 1-го класса («Большой Кордон»). Орден Восходящего солнца – это одна из высочайших научных наград, которую может получить ученый в Японии, неважно, японец он или нет.

* * *

А теперь поговорим об удивительной истории о том, как расшифровали, или «раскололи» (выражаясь языком сленга), генетический код, а также о том, как воспроизводятся белки. Вы уже знаете, что ДНК «живет» в хромосомах в клеточном ядре и там же производится. А белки производятся в цитоплазме, что известно уже давно. А цитоплазма, как мы уже говорили, – это раствор (в основном из воды, солей и белков), занимающий пространство между ядром и клеточной мембраной, заполняющий каждую клетку и заключенный в клеточную мембрану (рис. 3.2). Поскольку считалось, что белки производятся в цитоплазме, а ДНК – в клеточных ядрах, Фрэнсис Крик, Сидней Бреннер и еще несколько исследователей пришли к выводу, что должна существовать молекула-мессенджер (messenger), т. е. молекула, которая передает генетическую информацию от ядра клетки в ее цитоплазму.

Возникло мнение, что молекула-мессенджер – это соединение под названием «рибонуклеиновая кислота» (РНК), которая, как уже говорилось выше, по химическому составу очень похожа на ДНК, с той лишь разницей, что основание тимин (Т) в ДНК заменено в РНК на урацил (U). Пока непонятно, чем объясняется это различие между ДНК и РНК. Но со временем я постараюсь внятно объяснить предположение, высказанное на этот счет.

Ученые обнаружили большое количество РНК в некой структуре в цитоплазме клеток, которую назвали рибосомой, в которой, как известно, происходит синтез белков, и пришли к выводу о том, что рибосомная РНК – это и есть предполагаемый мессенджер. Однако многие из предварительных экспериментов не подтверждали эту мысль. Но если рибосомная РНК не является тем самым посланником (молекулой-мессенджером), то что же это за неуловимый элемент? Ответ на этот вопрос был дан во время исторической встречи в Королевском колледже в Кембридже в Страстную пятницу в 1960 году, где собрались видный французский молекулярный биолог Франсуа Жакоб, Сидней Бреннер, Фрэнсис Крик и еще несколько ученых.

За несколько лет до этого исследователи, работающие с бактериофагом (т. е. бактериальным вирусом, который заражает бактерии), обнаружили небольшое количество РНК в бактериях, инфицированных бактериофагом. Это открытие и его значимость так и остались необъясненными. Но во время встречи в Короловеском колледже Бреннер высказал предположение, что эта форма РНК и есть тот самый неуловимый посредник (передатчик информации), поскольку она копировала состав бактериофага, а не бактерий. Эту РНК