Белки — это сложные макромолекулы, обладающие огромной универсальностью. Они функционируют как ферменты (которые делают возможным метаболизм клетки), они действуют как гормоны (таким образом, обеспечивая регуляторную функцию; инсулин — распространенный пример), и они обеспечивают структуру (наши ногти, волосы, мышцы и хрусталики глаз — все это белки).
Белок представляет собой длинную последовательность аминокислот, свернутую в трехмерную структуру. Определенная последовательность аминокислот сворачивается в определенную структуру. Измените последовательность, и вы измените способ сворачивания белка и, следовательно, задачу, которую белок может выполнять, поскольку биохимическая задача, которую может выполнять белок, критически зависит от его формы в трех измерениях. Белки используют двадцать различных аминокислот. Природа содержит много других аминокислот, и некоторые из них важны в биологии, но белки используют только двадцать. Все аминокислоты имеют общую структуру: аминогруппу (H2N), остаток или R-группу (CHR) и карбоксильную группу (COOH). Общая структура записывается как H2N−CHR−COOH, и цепь образуется путем связывания аминоконца с карбоксильным концом пептидными связями. (Цепь аминокислот, таким образом, называется полипептидом; белок — это просто один или несколько полипептидов.) Что делает каждую аминокислоту уникальной, так это боковая цепь R: разные аминокислоты имеют разные R-группы и, следовательно, обладают разными свойствами. Например, некоторые боковые цепи создают гидрофобную аминокислоту; такие аминокислоты имеют тенденцию скапливаться внутри белка и, таким образом, играют роль в определении трехмерной структуры молекулы. Другие боковые цепи делают аминокислоту гидрофильной — другими словами, она легко реагирует с водой.
Каждая аминокислота кодируется набором из трех нуклеотидных оснований РНК, называемым кодоном. Поскольку существует четыре основания (А, Ц, Г, У), существует 4×4×4=64 кодонов. Теоретически, таким образом, кодоны могли бы кодировать 64 аминокислоты, и все же только 20 различных аминокислот используются в синтезе белка. Генетический код, таким образом, вырожден: 3 кодона представляют собой команду «конец цепи», а остальные 61 кодон кодируют 20 аминокислот. Другими словами, почти все аминокислоты кодируются несколькими кодонами. Например, аминокислота цистеин кодируется кодонами УГУ и УГЦ; изолейцин кодируется кодонами АУУ, АУЦ и АУА; и так далее. Генетический код по сути универсален: за редкими исключениями и без учета недавних достижений синтетической биологии, упомянутых ранее, все организмы на Земле используют его. (Означает ли универсальность генетического кода, что это единственный возможный код? Возможно, изначально существовало несколько разных кодов, и этот просто победил остальные? Если нынешняя уникальность кода означает, что он возник только один раз в истории жизни, то, возможно, разработка эффективного кода представляет собой барьер для преодоления эволюцией — один из «трудных шагов» Картера? Мы бы узнали что-то о возможности внеземной жизни, если бы смогли найти примеры развития различных генетических кодов здесь, на Земле.)
Способ, которым клетка синтезирует белок, одновременно и удивительно прост, и изумительно сложен. Сильно упрощенная версия процесса протекает следующим образом.
Рис. 5.22 Молекула ДНК хранит генетическую информацию и реплицирует эту информацию при делении клетки. Экспрессия этой генетической информации не происходит напрямую. Вместо этого ДНК сначала транскрибируется в РНК. Информация, хранящаяся в «четырехбуквенном» алфавите нуклеотидов (алфавит, используемый РНК), затем транслируется в «двадцатибуквенный» алфавит аминокислот (которые используются для построения белков). Центральная догма биологии, впервые сформулированная Фрэнсисом Криком, заключается в том, что поток информации следует направлению стрелок на этой диаграмме. В частности, РНК может синтезировать белки посредством трансляции, но обратная трансляция никогда не происходит.
Информация о том, как строить белки организма и, следовательно, сам организм, содержится в его ДНК. Итак, во-первых, когда клетка получает сигнал с просьбой произвести определенный белок (и предположим, что белок представляет собой один полипептид), двойная спираль ДНК расплетается в области кодирующей цепи. Она похожа на матричную цепь, упомянутую выше, и содержит информацию для этого конкретного белка. Область ДНК, кодирующая полипептид (или, точнее, кодирующая некоторую форму РНК), известна как ген.
Копия гена в виде мРНК изготавливается в процессе транскрипции — так называемом потому, что каждый триплет в цепи ДНК транскрибируется в соответствующий кодон в мРНК. Затем мРНК перемещается из ядерного материала в цитоплазму клетки, неся с собой информацию о последовательностях аминокислот. В цитоплазме органеллы, называемые рибосомами, берут мРНК и используют информацию, содержащуюся в последовательности кодонов, для синтеза белка, добавляя аминокислоты к растущей цепи. Этот процесс называется трансляцией, поскольку рибосома использует генетический код для перевода последовательности кодонов в последовательность аминокислот. Ключевым ингредиентом здесь является тРНК — маленькие молекулы, каждая из которых может связываться только с определенной аминокислотой. Для катализа процесса связывания требуется ряд ферментов; каждый фермент распознает одну конкретную молекулу тРНК и соответствующую аминокислоту.
Синтез белка всегда начинается с метионина (с кодоном АУГ) и продолжается до тех пор, пока рибосома не встретит один из стоп-кодонов (УАА, УАГ или УГА), после чего белок высвобождается и синтез завершается. Это дает общее представление о синтезе белка, по крайней мере, для прокариотических клеток. В эукариотических клетках процесс дополнительно усложняется наличием последовательностей ДНК, которые ничего не кодируют. В эукариотических клетках требуется дополнительный шаг для удаления этой, казалось бы, бесполезной информации. Здесь слишком мало места, чтобы углубляться в детали синтеза белка, но существует множество отличных источников[349] для дальнейшего чтения, и, к счастью, нам не нужны дополнительные детали для продолжения обсуждения.
Подведем итог: ДНК хранит генетическую информацию и реплицирует информацию при делении клетки. Грязная работа по фактической экспрессии информации возложена на более универсальную РНК; используя универсальный генетический код, информация транскрибируется с ДНК на РНК, а затем транслируется в синтез белка.