промотор), другой фермент слегка расплетает две нити ДНК, и третий фермент синтезирует одноцепочечную копию гена. Такой процесс называется транскрипцией. С одного гена, то есть определенного генетического текста, транскрибируется много одинаковых молекул так называемой матричной РНК, которая затем выходит из ядра в цитоплазму клетки. И там, по этой молекуле РНК как по образцу, происходит синтез белка, состоящего из отдельных аминокислот. Биологи называют такой процесс трансляцией (переводом), но в его подробности мы углубляться не будем. Итак, в клетке присутствует ДНК от мамы и от папы, и на каждой из ее молекул имеется одна копия гена от мамы и одна копия гена от папы. С каждой молекулы ДНК синтезируется много копий РНК этих генов, а потом с них считывается информация и синтезируется еще больше молекул белка, из которого все строится.
Пожалуй, самой большой неожиданностью для ученых оказалось то, что ДНК с ее линейной структурой (простая последовательность букв генетического текста) оказалась способной порождать немыслимое разнообразие белков не только по аминокислотному составу, но и по форме молекулы. Поначалу в процессе синтеза белка аминокислоты выстраиваются в линейной последовательности, как нуклеотиды в ДНК. Но ниточка готового белка вовсе не намерена всегда оставаться линейной (первичная структура).
Более того, выяснилось, что даже один и тот же линейный белок («кирпичик» любой формы жизни) в немного различающихся условиях внутри клетки приобретает в конце концов совершенно разные формы, сперва закручиваясь в спираль или складываясь в гармошку с образованием вторичной структуры, затем скручиваясь еще больше, — возникает третичная структура. Иногда в одну молекулу соединяются несколько ниточек — полипептидных цепочек, формируя четвертичную структуру.
Почему так происходит? Потому что в клетке существуют отделы, в одном из которых реакция среды может быть кислой, в другом — щелочной, да еще с повышенным или пониженным содержанием различных солей. В разных средах один и тот же белок будет совершенно по-разному сворачиваться в клубочки или компактные шарики (глобулярные структуры, глобулы). И каждый раз эта структура может выполнять иную функцию. Кстати, с повышением температуры у белков тоже будут постепенно возникать нарушения глобулярной структуры. Они будут изменять, как говорят по-научному, конформацию, то есть внешний вид. А это неизбежно скажется на их функциях.
КАК КЛЮЧ В ЗАМОК
Какое значение может иметь конформация молекулы белка? Давайте схематично представим взаимодействие двух молекул как взаимодействие ключа с замочной скважиной. Если у нас два правильных белка, то есть один — ключ, а второй — замочная скважина, то они находятся в правильном функциональном состоянии. Ключик хорошо вставляется в замочную скважину и выполняет свою функцию открывания замка.
Но если у нас вдруг изменился хоть один белок, то ключ просто не подходит к замочной скважине, и молекула не выполнит ту функцию, для которой она предназначена. Поэтому в природе такая тонкая настройка всегда совершается при изменении температурных или химических условий как в случае ДНК, так и по отношению к любому белку.
Универсальный код
Чем, с точки зрения генетики, отличается человек от бактерии? Мы уже знаем, что генетический текст состоит всего из четырех букв, но в различных комбинациях (это могут быть АТГЦ..., ААТТТ..., ГЦЦЦ... и любые другие, которые можно придумать и написать). Все эти комбинации на первый взгляд выглядят полной абракадаброй, как и весь генетический текст, который из них состоит, но ученые уже смогли расшифровать большую его часть. Прорыв произошел в середине XX века, когда британские ученые Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик на основании рентгеноструктурного анализа Розалинды Франклин объяснили структуру молекулы ДНК. Они выяснили, что она состоит из двух определенным образом сплетенных друг с другом цепочек комплементарных оснований (нуклеотидов), соединенных водородными связями. Позднее была раскрыта суть генетического кода: каждый его элемент — это триплет, то есть сочетание трех последовательно расположенных нуклеотидов, посредством которых закодирована одна аминокислота.
РАСТЕНИЯ СЛОЖНЕЕ ЖИВОТНЫХ?
Количество букв генетического текста в ДНК не определяет напрямую сложность организма. Так, если у человека геном включает три миллиарда букв (или в условных единицах — три гигабайта), то геном растений может содержать 1012 букв (три тысячи гигабайта) и даже больше. Но это вовсе не означает, что растения сложнее животных. Просто в геноме растений многократно повторяется одно и то же, а дополнительной информации там нет. Таким образом, мы имеем дело не с увеличением генетической информации, а с увеличением количества ее копий. Не возрастает с количеством букв и надежность передачи наследственной информации. Клетки делятся, и при их делении происходит копирование информации. Это напоминает переписывание длинного текста. Чем длиннее текст, который мы переписываем, тем больше мы допускаем ошибок — это естественный процесс. Поэтому наличие многих копий генома, как у растений, с надежностью никак напрямую не связано.
Несколько таких триплетов полностью определяют, какой белок получится, поскольку белки состоят из отдельных аминокислот, число которых невелико — чуть больше двадцати. Но при этом все белки разные, каждый уникален, потому что комбинации из двадцати аминокислот в первичной последовательности белка тоже могут быть совершенно разными. Это общий принцип кодирования информации о живых организмах в природе.
Генетический код, то есть триплеты нуклеотидов, которые соответствуют той или иной аминокислоте, универсален для всех живых организмов Земли.
Поэтому клетка человека по принципу кодирования генетической информации, ее наследованию и реализации при построении ничем не отличается от бактерии.
Генетический код у человека и бактерии одинаков, но есть и различие — оно заключается в количестве информации. В ДНК бактерии имеется несколько миллионов букв генетического текста, у человека — примерно три миллиарда.
Вся генетическая информация, которая присутствует в ядре клетки, точнее — в ее ДНК, получила название геном.
Как воспринимать генетический текст
Беспорядочная запись букв алфавита никакой информации не несет. Казалось бы, то же самое можно сказать и о бессмысленном перечислении букв в той записи, которую мы сегодня называем генетическим текстом. Но если читать внимательно, то окажется, что среди этих трех миллиардов букв (три гигабайта) есть значимые единицы, которые называются генами. Что же мы имеем в виду, когда говорим, что это ген?
Ген имеет двоякий смысл. С одной стороны, это физическое понятие — конкретный участок генома, то есть генетический текст, состоящий из определенных букв-нуклеотидов. С другой стороны, ген — это носитель информации, которая потом получает внешнее проявление. Ведь с гена сначала копируется информация в виде РНК, затем с ее помощью синтезируется белок. Представьте себе, что вы вставили в компьютер флешку в три гигабайта, полную информации, открыли один файл в три мегабайта и распечатали его на принтере. Примерно то же самое происходит в клетке при синтезе белка. Белки выполняют различные функции, например, отвечают за окраску.
ЦВЕТ - ПРИЗНАК РАБОТЫ ГЕНА
Существование пигментных белков является одним из доказательств работы гена в живом организме. Скажем, какой-то ген кодирует красный пигмент, который обеспечит окрашивание, только если ген работает (включен). В свое время основоположник генетики Грегор Мендель наблюдал работу генов на горохе по окрашиванию цветков гороха (они могут быть красные или белые), по цвету горошин (зеленые или желтые).
В том, что у гороха всегда присутствуют все гены (хотя он так их не называл), Грегор Мендель не сомневался, но далеко не все они включены. Если ген работает, то проявляется некий признак (красный цвет цветков гороха или морщинистость горошин, как в эксперименте Грегора Менделя), а если выключен, то цветки будут белыми, а поверхность горошин гладкой.
Сегодня нам известно, что помимо генов, кодирующих белки, существуют фрагменты генетического текста, которые определяют работу гена в то или иное время (процентов десять из трех гигабайт наследственной информации). Ведь любой организм меняется со временем, проходит разные стадии развития, и ему вовсе не нужно, чтобы все гены работали одновременно и все время. Например, на раннем этапе развития человека нужна работа генов роста, потом они должны выключиться, — ведь не можем же мы расти бесконечно! Итак, экспрессия гена изменяется во времени, и информация об этом тоже содержится в генетическом тексте — геноме.
Участки генома, регулирующие работу генов, выполняют еще одну важную функцию. Как мы уже говорили, в многоклеточном организме каждая клетка независима и содержит всю генетическую информацию. Например, в клетке кожи имеется та же самая генетическая информация, что и в клетке крови. Но для чего нужно, чтобы клетка кожи работала так же, как клетка крови? Кожа осуществляет барьерную функцию, кровь — транспортную функцию внутри организма. Значит, любая клетка должна сделать так, чтобы только те гены, которые нужны ей для выполнения определенной функции, работали в данное время и в данном месте. Эта информация тоже находится внутри нашего генетического текста. Таким образом, сегодня наука расшифровала примерно десять процентов всего генома, функции остальных девяноста процентов нам пока неизвестны, иногда его называют «мусорным».
Учимся читать геном
Сама технология чтения генетического текста остается в основном побуквенной, то есть мы читаем как первоклассники, а это имеет свои недостатки. Относительно недавно появилась технология, в принципе позволяющая непрерывно читать тысячи и даже миллионы букв генетического текста. Но расшифрованный геном человек