Первоначальное правило ставит природа такое:

Из ничего даже волей богов ничего не творится.

Страх суеверный однако же смертных настолько объемлет,

Что и в вещах, наблюдаемых здесь, на земле, и на небе,

Многое соизволеньем богов объяснять они склонны,

Главной причины явлений добиться никак не умея.

Раз мы уверены в том, что ничто создаваться не может

Из ничего, то вернее поймем мы предмет изученья:

Именно то, из чего могут вещи родиться, а также —

Где, каким образом зиждется все без участья бессмертных.

ТИТ ЛУКРЕЦИЙ КАР «О ПРИРОДЕ ВЕЩЕЙ»

Есть категории, которые человеку трудно себе представить. Напри­мер, трудно представить бесконечность Вселенной или парадокс време­ни, следующий из теории относительности. Трудно представить, что мы были когда-то лишь генетическим замыслом, химическими символами в маленьком сгустке жизни, что наша индивидуальность была предо­пределена последовательностью нуклеотидов в цепи ДНК. Это связано не с отсутствием воображения, а скорее с инерцией его покоя. Вооб­ражение должно получить импульс, чтобы преодолеть этот покой. Невесомость тоже когда-то казалась абстрактным состоянием. А се­годня мы наблюдаем ее на экране телевизора, а завтра, может быть, испытаем на себе.

И если одна из задач науки — разобраться в том, что трудно себе представить, то задача писателя-популяризатора объяснить то, что по­нято наукой.

У колыбели жизни

Река жизни питается тремя потоками — материалов, энергии и ин­формации. Они текут каждый своим путем, чтобы потом сойтись в одной точке времени и пространства и создать молекулу белка. Эта молекула может стать гормоном и регулировать секрецию организма; она может стать гемоглобином и переносить из легких в ткани кисло­род; наконец, она может стать ферментом и взять под свой контроль одну из тысяч биохимических реакций, из которых и слагается в конеч­ном счете жизнь организма. Но чем бы ни стала белковая молекула, ее «профессия» предопределена заранее, еще до ее рождения — до того, как аминокислоты — материал, аденозинтрифосфат — энергия, и нукле­иновая кислота — информация встретятся у ее колыбели.

Трудно сказать, какой из этих потоков важнее, все они в равной степени необходимы; не будь хотя бы одного, река жизни пересохнет. И все же, один из них — тот, что передает будущему поколению эста­фету наследственной информации,— кажется нам полноводнее и вели­чественнее других. Ведь только он сообщает будущей белковой моле­куле ее строение, будущей клетке — ее значение, будущему организ­му — его черты.

Три способа передачи информации

В живой природе существуют три способа передачи биологической информации. Первый: удвоение молекулы ДНК при делении клеток; этот способ называют репликацией. Второй: переписывание информа­ции с ДНК на информационную РНК (и-РНК); этот способ называют транскрипцией. Третий: перевод информации с языка нуклеиновых кис­лот на язык белка; этот способ называют трансляцией. В основе всех способов передачи биологической информации лежат химические ме­ханизмы.

Репликация — это ферментативный синтез ДНК на матрице ДНК; процесс ведет ДНК-полимераза. Транскрипция — это ферментативный синтез РНК на матрице ДНК; процесс ведет РНК-полимераза. Наконец, трансляция — это ферментативный синтез белка на матрице и-РНК; по­следовательностью нуклеотидов задается последовательность амино­кислот.

Первый способ передачи биологической информации — репликация; синтез ДНК на ДНК с помощью ДНК-полимеразы

Копирование и переписывание наследственной информации ведется всегда на одном и том же алфавите — четырехбуквенном алфавите нуклеотидов; и если мы сами не умеем его пока читать, мы можем успокоить себя тем, что и ДНК и и-РНК, возможно, также не пользуются знанием этого языка: чтобы переписать текст, совершенно не обяза­тельно вникать в его смысл, больше того, совершенно не обязательно знать и сам язык. Поэтому до какого-то момента мы вообще не знаем, имеет ли ка­кой-либо смысл сочетание букв этого алфавита. Быть может, это бессмысленный набор букв?

Второй способ передачи биологической информации — транскрипция: синтез РНК на ДНК с помощью РНК-полимеразы

Но когда мы доходим до этапа трансляции и видим, как молекула т-РНК читает нуклеотидный язык и-РНК и находит в нем определенный смысл, когда мы видим, как смысл прочитанного реализуется в строе­нии белка, мы понимаем, что последовательность нуклеотидов — это не молекулярная «абракадабра», это вполне реальный код, это тайнопись, которой природа кодирует передаваемую из поколения в поколение наследственную информацию.

Снятие полной копии

Начинается все с ДНК. Она — хранитель генетической информации, и она же — ревнитель наследственных традиций клетки. С нее начинает­ся эстафета наследственных предписаний, с нее началась и молекуляр­ная биология. На этой молекуле впервые было показано, каким обра­зом химическая структура вещества может определять его биологиче­ские свойства.

ДНК живет как бы двойной жизнью. Она строит на себе свои копии и молекулы РНК. Во время деления клетки происходит удвоение ДНК, в перерыве между делениями синтезируется РНК. Два процесса пере­дачи генетической информации — репликация и транскрипция разделе­ны во времени.

Репликацию ДНК часто называют самоудвоением; на самом деле ДНК удваивается не самостоятельно, ей помогает в этом белок — фермент ДНК-полимераза. По поводу чрезмерного возвеличивания само­стоятельности ДНК академик В. А. Энгельгардт остроумно заметил, что если в колбу налить 100 миллилитров раствора ДНК, то сколько бы мы ни ждали, там никогда не станет 200 миллилитров.

Очевидно, говоря о самоудвоении ДНК, мы имеем в виду не коли­чество, а точность ее воспроизведения на самой себе, построение ДНК на ДНК. Молекулу ДНК часто сравнивают с высокоавтоматизированным стан­ком, выпускающим по заданной программе свои собственные копии. Все это так. Но любой станок мертв, пока он не соединен с двигателем. Так вот, фермент — это двигатель репликации.

Процесс удвоения генетического материала происходит не сразу по всей длине молекулы. Двойная спираль расплетается постепенно, на­чиная с одного конца хромосомы, и по мере освобождения ее цепей на каждой из них достраивается вторая половина. Так что ДНК, как пра­вило, и не бывает в одиночестве; не успеет одна из половинок обре­сти свободу, как ДНК-полимераза тут же достраивает ее до нормы.

Может быть, читатель обратил внимание на то, что многие утверж­дения, которые могли бы показаться категоричными, смягчены долей сомнения. Это вызвано необходимостью.

В той области науки, о которой я рассказываю, не так уж много дан­ных, против которых нет контрданных. Это не значит, что они неверны. Это значит, что мы не знаем еще чего-то, что помогло бы нам поми­рить противоречия.

Мы встречаем ДНК, как правило, в виде двойной спирали. Но есть бактериофаги, у которых ДНК — одноцепочечная. Что это — исключе­ние? Ученые скорее склонны видеть в этом эволюционный атавизм.

Быть может, когда-то ДНК существовала в двух формах: одно- и двухцепочечной. Но двухцепочечная форма имеет явные преимущества у нее закрыты мишени мутагенеза — азотистые основания, она более устойчива к действию нагревания, радиоактивности. И, естествен­но, отбор в процессе эволюции мог привести к преимущественному выживанию организмов с двойной спиралью ДНК.

Но двухцепочечная спираль — это еще не конечная форма. ДНК фага Т-2 в 600 раз длиннее его головки, в которой она помещается. Значит, она должна быть каким-то образом «упакована». Предполага­ют, что она уложена в головке фага параллельными стержнями. А у некоторых фагов ДНК вообще имеет форму кольца, причем у одних фагов концы соединяются «встык», у других — «внахлест» — один тяж находит на другой.

Мы приводим эти примеры, чтобы показать многообразие проблем, которые приходится решать ученым только по одному, довольно уз­кому вопросу — о форме ДНК. И таких вопросов — сотни.

Выборочное копирование

Следующий этап эстафеты — транскрипция, переписывание инфор­мации с ДНК на и-РНК. Этот процесс, как и репликация, идет под конт­ролем белка — РНК-полимеразы. И он так же, как и репликация, про­ходит последовательно.

И-РНК могут образовываться на разных участках ДНК в зависимости от того, какой белок нужен в данный момент клетке. Но РНК-полимеразы не штампуют копию с гена, а списывают ее. Поэтому ДНК нет не­обходимости расплетаться целиком, чтобы обнажить сразу весь ген. Она расходится, по-видимому, только в небольшом участке, обнажая лишь несколько своих оснований. Текст предписаний о синтезе белка выдается не сразу, а по буквам или словам — так же, как мы видим строку, когда читаем мелкий текст с лупой.

РНК-полимераза похожа на рибосому, только состоит целиком из белка. Это белковый клубок с отверстием посредине. В это отверстие и пройдет молекула ДНК. РНК-полимераза скользит вдоль нее, и по мере продвижения фермента и-РНК все более наращивает свою дли­ну, пока не отвалится готовая.

Но скорее всего и-РНК так и не удается «отвалиться» от ДНК. По мере ее роста она подхватывается особыми частицами, похожими на рибосомы. Впервые эти частицы, состоящие из белка и РНК, открыл док­тор биологических наук А. С. Спирин. Он назвал их информосомами. Очевидно, информосомы — это клеточные бронетранспортеры, где роль брони выполняет белок, защищая информацию от случайных по­вреждений на пути от хромосом к рибосомам.

Это открытие сделано на клетках высших организмов. У бактерий и-РНК также не получает свободы. По мере роста и-РНК на нее нале­зают сами рибосомы; захватив и-РНК, они уходят в цитоплазму.

Третий способ передачи биологической информации — трансляция: синтез белка на матрице и-РНК

Возможно, что появление рибосом на чужой территории в ядре и образование информосом — это один из вариантов регуляции работы клетки на уровне транскрипции: рибосомы или информосомы забира­ют и-РНК лишь тогда, когда есть потребность в белке. До этого момен­та ДНК оказывается как бы забитой готовой и-РНК и поэтому не может производить новых копий. Известный американский биохимик М. Ни- ренберг предполагает, что рибосомы, связанные с и РНК в бактериях, это прообраз информосом у высших организмов, то есть предшеству­ющий этап эволюции.

А с чего – копия?

Мы говорили, что и-РНК — это копия ДНК, точнее — копия с одной из ее половинок. Но с какой? Две половины ДНК комплементарны друг другу, одна из них — зеркальное отражение другой. Значит, если один участок несет какой-то текст, то противоположный ему должен нести бессмыслицу. Но тогда и копия должна считываться только с одной по­ловины. Действительно, данные нескольких лабораторий подтверждают: из двух комплементарных цепей ДНК при заражении бактерий фагом активна только одна цепь.

А для чего же тогда вторая? Скорее всего, для воспроизведения первой.

При удвоении ДНК ее цепи, достроившись до пары, разойдутся на две новые молекулы. Та половина, которую мы назвали осмысленной, напечатает на себе бессмысленную, бессмысленная — осмысленную и т. д. Необходимый набор для репликации и транскрипции сохранится неизменным.

Аналогию можно найти в полиграфии. Строки книги напечатаны со стереотипа, отлитого на матрице. Когда он срабатывается, его отлива­ют заново на той же матрице. Если сравнить процесс снятия копий и-РНК с ДНК с процессом печатания книги, то и-РНК будет эквивалентна тек­сту книги, одна из половин ДНК, на которой происходит транскрипция, — стереотипу, а другая — матрице.

Это сравнение можно счесть неточным; ведь мы говорим, что ос­мысленный текст находится на той половине ДНК, с которой снимается копия, то есть на стереотипе. А на самом деле стереотип — это как раз обратное изображение текста.

Это так, но о процессе переноса генетической информации вообще трудно сказать, где прямой текст, а где обратный. Точнее говоря, и-РНК несет на себе как раз обратный текст, а у т-РНК кодовые «слова» становятся вновь прямыми. Получается, что т-РНК читают свои предписания на и-РНК, потому что они обладают как бы обратным зрением. Но в кон­це концов не так уж важно, какой из текстов мы назовем прямым, какой обратным; при желании можно научиться читать и со стереотипа. Важ­но, что на одной из цепей ДНК есть участки-слова, однозначные с участками т-РНК.

Правда, здесь есть одна тонкость. Недавно американский биохимик Корана, исследуя синтез РНК на искусственно полученной ДНК, обнару­жил любопытный факт. Цепь синтетической РНК оказалась чуть ли не в 10 раз длиннее своей матрицы. Иными словами, с одного абзаца на сте­реотипе отпечаталась целая страница текста. Аналогичное явление было замечено другими исследователями и при синтезе белка. Длина синте­тического полипептида была больше длины матрицы РНК. Очевидно, эти данные должны изменить существовавшее представление о матри­цах как о неподвижных поверхностях, точно соответствующих по длине и форме синтезируемому на них продукту. По-видимому, для процессов переноса информации придется отказаться от статичных образов и сравнений и перейти к более динамичным. Так, если мы представим себе транскрипцию и-РНК на ДНК не как печатание книги со стереотипа, а как переписывание какого-то текста с одной магнитной пленки на другую, то у нас появится возможность найти сравнение, которое могло бы объяснить несоответствие длин текстов: если предположить, что исходная пленка замкнута в кольцо, тогда на новой пленке текст будет периодически повторяться.

Встреча на рибосоме

Общая картина процессов, изучаемых молекулярной генетикой, грандиозна по масштабам и вместе с тем лаконична. Природа вообще лаконична в своих построениях.

Жизнь клетки, процессы, протекающие в ней, поражают нас, при­выкших к «сутолоке», неорганизованности нашей жизни. Мы тратим массу лишнего времени на ненужные поступки, говорим много лишних слов, хватаемся за несколько дел сразу и часто не доводим половину из них до конца. А внутри нас, в каждой клеточке нашего организма, течет планомерная, абсолютно упорядоченная, невероятно экономичная по затратам энергии, времени и материалов микрожизнь. Тут есть над чем задуматься — даже людям, не любящим парадоксов.

Впрочем, использование секретов живой природы — идея не новая и не оригинальная. В науке и технике работает немало устройств, чей замысел подсмотрен у природы.

Мы уже говорили, что в клетке при биосинтезе белка встречаются три потока: энергии, информации и материалов. Энергия требуется для всех процессов, поэтому она имеет не одну точку приложения, а не­сколько. (Вспомним, например, что в комнате мы стараемся в разных местах установить несколько розеток, чтобы не ставить в один угол лампу, радиоприемник и телевизор.) Но информация и материалы встречаются в определенном месте — на рибосомах. В клетке царят же­лезные законы рибосомной монополии. Только им природа дала право воплощать свои генетические замыслы в реальность белка.

Молекула информационной РНК, покинув место своего синтеза, хромосому (по-видимому, под защитой белка, в виде информосомы), перебирается из ядра в цитоплазму. Здесь ее поджидают рибосомы и аминокислоты, связанные с транспортной РНК.

Связывание аминокислоты и ее т-РНК — один из самых ответственных моментов биосинтеза белка. Именно здесь по существу и происходит перевод с языка на язык. Дальше инициатива переходит к нуклеиновым кислотам, и разговор идет на их языке. Аминокислоты могут сколько угодно прислушиваться к нему, смысла они все равно не поймут, они перестали быть самостоятельными молекулами и пойдут туда, куда их поведут.

Аминокислота теряет свободу и право распоряжаться своим буду­щим в тот момент, когда ее узнает фермент, на который возложено спаривание аминокислоты с предназначенной ей т-РНК. Это тоже важ­нейший этап биосинтеза, и одно из главных действующих лиц здесь — белок-фермент.

Мы нередко склонны преувеличивать роль нуклеиновых кислот в биосинтезе, наделяем их самостоятельностью и властью, которыми они на самом деле не обладают. Важнейшие процессы биосинтеза ре­шаются, как видим, коллегиально — с участием белка, под его кон­тролем.

Долгое время считалось, что синтез белковой молекулы на матрице и-РНК происходит по аналогии со штамповкой — сразу по всей длине матрицы. Сейчас на смену этой модели пришла новая, динамическая. Интересно, что новая модель была выдвинута сразу в нескольких лабо­раториях, в том числе в лаборатории доктора биологических наук Алек­сандра Сергеевича Спирина.

Раньше работу рибосомы сравнивали с работой станка, печатающего белковые копии на матрице и-РНК. Но на таком станке можно в каждый момент времени печатать только один белок. На самом же деле, как теперь установлено, на одной матрице синтезируются сразу несколько молекул белка, а одна и-РНК связана одновременно с несколькими рибосомами. Они скользят вдоль и-РНК, помогая т-РНК считывать код, а аминокислотам — соединяться в белковую цепь.

Рибосома состоит из двух частей, двух неравных половинок; каждая половинка, как это впервые было показано докторами биологических наук А. Спириным и Н. Киселевым, состоит из одного рибонуклеинового тяжа — молекулы рибосомальной РНК и нескольких десятков молекул РНК. Через меньшую половину проходит нить и-РНК; в большей находит­ся растущая полипептидная цепь. Рибосому можно представить как ста­нок с программным управлением. Работа такого автоматического станка запрограммирована заранее на магнитной пленке. Пленку проигрывают на считывающем устройстве, и закодированные команды, преобразован­ные в электрические сигналы, управляют станком. При этом и-РНК можно сравнить с магнитной лентой, на которой записана программа белкового синтеза. Природа использует эту ленту очень экономно, так как в клетке содержится мало и-РНК.

Одна молекула и-РНК обслуживает сразу несколько синтезов. Блок синтеза белка работает по одной программе, но со сдвигом в фазе: в то время как первая белковая цепь строится уже полным ходом, по­следняя только начинает расти.

Процесс трансляции, в котором информация, закодированная в ДНК и переписанная на и-РНК, переводится в аминокислотную последова­тельность белка, есть важнейший этап белкового синтеза. Именно в эти мгновения генетические замыслы клетки осуществляются в виде белка, и любая ошибка в записи информации приведет к ошибке в строении белка. Мутации, возникающие спонтанно или под действием химических веществ или излучения, — это и есть нарушения смысла генетической информации. Изменение всего одной буквы ведет к изменению слова, а перефразируя пословицу, слова из записи не выкинешь. И песня жизни может обернуться клетке похоронной мелодией…

Различные воздействия на структуру рибосом также меняют смысл информации; действие температуры или антибиотиков не нарушает последовательности кодонов в и-РНК, но каким-то образом путает карты антикодонам т-РНК, и приказ гена остается невыполненным. Причины этого вранья еще неясны, но одно несомненно: новая ахиллесова пята белкового синтеза поможет понять механизмы нарушений работы клетки, а до этого, быть может, изменит наше отношение к рибосомам. Их долго считали пассивными, бесправными участниками биосинтеза, сдающими себя в наем, но, оказывается, бесправность эта обманчива.

Кибернетическая система на генном уровне

Белок, переносящий кислород, — гемоглобин синтезируется только в клетках кровотворных органов. А программа его синтеза, гены, отве­чающие за синтез гемоглобина, имеются и во всех других клетках. Почему же в одном случае ген работает, а в другом он — в отставке? Если вы задали подобный вопрос, то, значит, вы вплотную подошли к одной из важнейших проблем молекулярной генетики — к регуляции биосинтеза белка. Основные положения, лежащие в основе регуляции на генном уров­не, были высказаны впервые французскими учеными Ф. Жакобом и К. Моно.

Суть их гипотезы сводилась к тому, что не все гены хромосом оди­наковы по своему назначению. Задача одних генов — выдавать инфор­мацию на синтез белка, задача других — регулировать активность первых.

Схема регуляции генной системы

Первая группа генов получила название структурных. Структурные гены, обслуживающие последовательные этапы синтеза одного какого- то вещества, расположены не поодиночке, а рядом друг с другом. Они образуют блок. Этот блок называется опероном. Крайний участок оперона, занимающий около 0,1 его длины, представляет собой ген-оператор, который может включать или выключать весь оперон. Такое пред­положение позволило объяснить, каким образом некоторые мутации, затронувшие один участок ДНК, могут нарушить синтез сразу несколь­ких белков.

Теперь потребовалось объяснить еще одну группу фактов. Еще в начале нашего века было известно для бактерий явление ферментатив­ной индукции. Стоило ввести в культуру бактерии определенное хими­ческое вещество, как тут же изменялся — увеличивался или подавлял­ся — синтез некоторых ферментов. Было подмечено: синтез начинается или ускоряется с помощью веществ, которые являются исходными в биохимической реакции, идущей с участием синтезируемого фер­мента, а подавляется веществами, которые образуются в результате реакции, катализируемой данным ферментом. Получалось, что ве­щество, которое должно расщепиться с помощью фермента на более простые соединения, помогает клетке наладить его выпуск — индуци­рует синтез фермента. Такие вещества были названы индукторами. А вещество, которое рождается с помощью фермента из более простых соединений и помогает клетке подавить его синтез, было названо корепрессором.

РНК вируса табачной мозаики. Увеличение в 50 ООО раз

В этой системе есть еще одно вещество, названное репрессором. Репрессор синтезируется на специальном гене, расположенном отдельно от структурных генов — гене-регуляторе. В его задачу входит регулирова­ние работы оперона.

В случае системы с индукцией ген-регулятор вырабатывает репрессор-белок, «вхожий» и к оператору, и к индуктору. Пока индуктора нет, ген-регулятор выпускает репрессор, тот блокирует ген-оператор, при этом оперон выключен. Как только в клетке появляется исходный про­дукт ферментативной реакции, выступающий в роли индуктора, он соединяется с репрессором и лишает его возможности блокировать оператор, оперон при этом включается. Идет процесс саморегулирования: количество исходного продукта — входной сигнал, количество фермента — регулируемая величина.

В случае системы с репрессией картина несколько меняется. Пока нет продукта ферментативной реакции, ген-регулятор выпускает репрессор-белок, не способный к репрессии; оператор не подавляется и оперон работает. Как только в клетке появляется продукт, выступаю­щий в роли корепрессора, он образует с репрессором активный комп­лекс, который может блокировать ген-оператор. Он и блокирует ген, оперон уменьшает синтез ферментов, а в результате уменьшается и вы­ход продукта ферментативной реакции — того самого продукта, кото­рый является корепрессором. Значит, и здесь налицо саморегулирование: входной сигнал — коли­чество продукта, регулируемая величина — количество фермента. Иначе говоря, мы наблюдаем в клетках бактерий, а, по всей вероят­ности, и в клетках всех организмов, кибернетические системы на ген­ном уровне, работающие по принципу обратной связи.

Рибосомы кишечной палочки. Увеличение 300 ООО раз

Генная регуляторная система — аппарат развертывания наследствен­ной информации во времени и пространстве. Молекула ДНК хранит в себе строение многих и многих белков, но синтезируются эти белки в разных условиях и в разное время.

Следовательно, все клетки высшего организма имеют равные шансы, все они наделены одинаковым запасом генетической информации, но ни одна из них не пользуется всем, что ей отпущено. У нее нет на это ни энергии, ни материала.

Химические структуры — первичные биологические элементы

В человеческом организме около 10 квадрильонов клеток. Они объединяются, примерно, в 100 «цехов» — по специальностям; каждый «цех» делает свой вид продукции. Информации, запасенной в хромо­сомах каждой клетки, хватило бы на синтез почти 10 миллионов белков, но нам известно всего лишь 1000 ферментов, а каждая клетка синте­зирует только их часть. Чтобы обычной тканевой клетке реализовать весь запас хранимой в ней информации, реализуемой нормально всеми клетками животного, ей надо было бы иметь размер самого животного.

Направляться регуляция может разными системами — и гормональной, и нервной, но основное орудие клеточной регуляции — это белки- ферменты, участвующие в реакциях обмена. Любые воздействия внеш­ней среды, через какие бы каналы они ни шли к органам, сводятся к изменению каких-то биохимических процессов, а управляет ими генная система. Каждое биологическое событие на уровне целого организма представляет собой совокупность биохимических процессов, происхо­дящих на уровне отдельных клеток. Гены и ферменты — это химические структуры, но вместе с тем они и первичные биологические элементы.

Учитывая важность этих структур, природа постаралась сделать их как можно более надежными. Оригиналы генетической информации — цепи ДНК — не участвуют в ее реализации. На руки исполнителям вы­даются копии — и-РНК. Копии могут изнашиваться, заменяться другими, оригиналы же остаются неизменными всю жизнь клетки. Но и копии, очевидно, ограждены от случайных повреждений. Белок информосом — это плотный футляр, защищающий копию до тех пор, пока она не будет раскрыта. Каждая копия информации дает несколько молекул белка, каждая молекула белка работает несколько тысяч раз — таким образом генетическое сообщение, однажды посланное, многократно усиливается.

При внимательном знакомстве с работой генной регуляторной си­стемы возникает новое сравнение. Сложнейшая система хранения и вы­дачи наследственной информации в клетке построена по принципу книги. Или, если говорить точнее, книга — это модель хранения и выдачи генетической информации.

Клетка-книга

Информация в книге расположена линейно; и в генах так же — вдоль молекулы ДНК. Информация в книге считывается последовательно — по буквам, образующим слова, начиная с определенной буквы; и в генах так же — по тройкам оснований, начиная с определенной точки. С книги можно снять копию, не читая ее, — простым фотографирова­нием. И генетическую информацию также можно переснять, не читая. Это делает ДНК-полимераза во время репликации. С книги можно скопировать и отдельный отрывок, сняв копию с от­крытой страницы. И в генетическом тексте можно сделать выборочную копировку — транскрипцию; РНК-полимераза читает не весь текст ДНК, а только открытые, то есть дерепрессированные ее отрезки. Книга делится на страницы, они могут быть открыты или закрыты. И генетическая «книга» делится на страницы — опероны; они также могут быть закрыты или открыты действием репрессора или индуктора. Страницы книги могут делиться на параграфы. А опероны делятся на структурные гены.

Каждая страница книги имеет два рода информации: длинную по­следовательность букв, содержащую большую информацию — сам текст, и короткую последовательность, содержащую малую информа­цию— номер страницы или индекс. Генетический текст также имеет два рода информации: длинную последовательность — структурные гены и короткую последовательность, стоящую перед ними — гены-операто­ры, это индексы, или номера.

В книге могут быть указания, отсылающие читателя на другие стра­ницы. В генетическом тексте их роль выполняют гены-регуляторы. Они «ссылаются» репрессором на какой-то ген-оператор, заставляя его открыть нужную в данный момент страницу — оперон. Здесь уже иной принцип считывания, не линейный. Но и в энциклопедии линейность счи­тывания соблюдается лишь в пределах одной статьи, сами же статьи расположены по иному принципу — алфавитному! Следовательно, бла­годаря этим ссылкам между соседними клетками в процессе их разви­тия может осуществляться связь.

В книге номера страниц и всякого рода ссылки отделены от осталь­ного текста, их не надо искать между строк или между словами, они хорошо видны. Возможно, что и в генетическом тексте гены-регуляторы и гены-операторы отделены от основного текста своего рода химиче­скими запятыми — участками ДНК с измененной конфигурацией. Не исключено, что эти индексы находятся как раз на сгибах ДНК, когда она укладывается в компактную форму. Тогда получается, что вся книга закрыта, страницы сложены, а их номера открыты для репрессоров или индукторов — они ведь находятся снаружи, на месте сгибов ДНК.

Еще одна аналогия между книгой и генетической информацией — в том, что обе они могут часть времени находиться в недоступном для чтения виде: книга — в шкафу, ДНК — в хромосомах, в виде коротких толстых образований, которые хорошо видны во время митоза…

В заключение сравним размер информации, заключенной в клетке и в книге. Полипептидные цепи, синтезируемые клеткой, состоят обычно из 100 — 500 аминокислотных остатков. Значит, соответствующий им пара­граф (ген) будет состоять также из 100 — 500 слов (триплетов оснований). Если на странице содержится в среднем пять параграфов, то на ней уместится от 500 до 2500 тысяч слов. Возьмем в среднем — 1500. 1500 слов — это объем двойной страницы «Энциклопедического словаря».

Тогда клетка-книга бактериофага или вируса, у которого ДНК имеет длину, скажем, в 200000 оснований, содержит уже 60 000 слов (или 40 страниц). Для бактерии эта величина возрастает в несколько десятков раз, а для клетки человека генетическая информация в одном томе вообще не поместится. В соматической клетке человека содержится ин­формация в 2 000 000000 слов, заключенная в 46 томов (хромосом), приблизительно по 30000 страниц в каждом томе.

Как читается книга жизни?

Как же читается эта книга в процессе развития клетки организма? Можно предположить, что после оплодотворения яйца или после митоза генетическая книга либо открывается автоматически, либо она уже открыта на странице первой, на первом опероне. Информация, записанная здесь, переписывается РНК-полимеразой на копию — и-РНК. Копия поступает в рибосомы, и там указания, содержащиеся в ее тексте, воплощаются в определенную конструкцию белка. После снятия копии специальные ферменты, а может быть и сама РНК-полимераза считыва­ют ссылку — и-РНК гена-регулятора; согласно этой сслыке, составляется карточка — синтезируется репрессор. Карточка-ссылка направляется по указанному индексу, к своему гену-оператору на другую страницу, и там начинается чтение следующего оперона и т. д.

Чтение текста со ссылками на другие страницы будет продолжаться до тех пор, пока в клетке не накопится достаточно продуктов, связан­ных с ее ростом. После этого страница будет закрыта, РНК-полимераза прекратит изготовление копий отдельных текстов и на смену ей придет ДНК-полимераза, которая займется полной копировкой всей книги — будет готовить клетку к делению.

Если организм состоит из одной клетки — на этом все кончается и все начинается вновь, уже в новых клетках. Если же организм много­клеточный, то первое деление — это перерыв между главами. Когда он закончится, начнется вторая глава. Но первая глава не будет отложена совсем, из нее перечитываются отдельные куски, связанные с ростом и делением. Лишь некоторые куски текста, относящиеся к оплодотво­рению, опускаются…

Вторая глава читается так же, как и первая, а потом, после очеред­ного деления, открывается следующая глава. И так далее. Деление приводит к увеличению количества клеток и, следовательно, каждая из них оказывается среди соседей. А между соседями могут быть разные отношения, разные химические градиенты. У клеток по­являются различия в концентрации репрессоров и индукторов, и в конце концов у одинаковых по возрасту клеток-ровесниц оказываются открыты разные главы книги. С этого момента судьба этих клеток становится раз­личной — происходит их дифференциация. В организме, развивавшемся из одной-единственной клетки, появляются специализированные клетки десятков сортов, из которых строятся все ткани и органы.

В маленькой, видимой лишь в микроскоп клетке не было ни почек, ни сердца, ни глаз, в ней были лишь указания на то, что они должны появиться в определенный момент и на то, какими им надлежит быть. Сложной последовательностью биохимических реакций, которые мы уподобили чтению большой многотомной книги, эти генетические ука­зания претворяются в жизнь — в жизнь взрослого организма.

В. АЗЕРНИКОВ