Фрэнсис Крик - Жизнь как она есть: её зарождение и сущность
Поскольку они столь точно совпадают друг с другом, то одну цепочку можно считать матрицей другой. Основной механизм репликации очень просто понять. Обе цепочки разделяются. Затем каждая цепочка действует как шаблон для сборки новой парной цепочки, используя в качестве сырья запас из четырех стандартных элементов. Когда эта операция завершится, мы будем иметь две пары цепочек вместо одной, и поскольку для того, чтобы выполнить работу аккуратно, сборка должна подчиняться правилам спаривания оснований (А с Т, Г с Ц), то последовательности оснований обязательно будут точно скопированы. В итоге мы получим две двойные спирали, где раньше имели лишь одну. Каждая дочерняя двойная спираль будет состоять из одной старой цепочки и одной вновь синтезированной цепочки, точно совпадающих друг с другом, и что более важно, последовательности оснований этих двух дочерних цепочек окажутся идентичными последовательности первоначальной родительской ДНК.
Основная идея вряд ли может быть проще. Единственная довольно неожиданная особенность заключается в том, что обе цепочки не идентичны, а комплементарны. Можно представить даже еще более простой механизм, в котором одинаковое спаривается с одинаковым с тем, чтобы обе парные цепочки оказались идентичными, но характер химических взаимодействий, скорее, несколько облегчает точное соответствие друг другу комплементарным молекулам, нежели абсолютно идентичным.
Как подобный процесс выдерживает сравнение с более крупными механизмами копирования, распространенными сегодня? Строка набора, подготовленная для печати, состоит (или обычно состояла) из определенного числа стандартных символов, организованных в строку или ряд строк. У каждой буквы в этом шрифте есть одинаковый для всех букв стандартный элемент, который вставляется в бороздки, удерживающие эту литеру на месте, и элемент, который характерен для каждой буквы. На этом сходство кончается. В репликации ДНК нет ничего, что соответствовало бы полиграфической краске. Буквы, напечатанные на листе, являются зеркальными изображениями очка литеры, но не комплементом (который остаётся, когда очко литеры вошло), и, что самое важное, получившуюся на печати строчку нельзя потом вернуть на место в ту же машину, чтобы воспроизвести очко литеры. Печатные прессы выпускают многие тысячи экземпляров газет, но газеты не копируются обратно в набор.
Репликация ДНК совсем не такая. Для того чтобы заработал естественный отбор, важно, чтобы саму эту копию можно было скопировать. Репликация ДНК больше похожа на отливку фрагмента скульптуры из литейной формы, так как если она достаточно простая, то саму скульптуру можно использовать для создания дополнительной формы. Основная разница заключается в том, что нить ДНК строится лишь из четырех стандартных отрезков. Очевидно, что это не относится к большинству фрагментов скульптуры.
Если мы исследуем процесс репликации ДНК, то увидим, что здесь есть ряд основных требований. Если мы начнем с двойной спирали, то обе цепочки должны каким-то образом разделяться. В наличии должен иметься запас из четырех элементов, каждый из которых состоит из характерного участка остова, — одна молекула сахара объединяется с одной молекулой фосфата, — и включает одно из четырех оснований, присоединенное к сахару. Такая состоящая из трех частей молекула называется нуклеотид. На практике эти первичные элементы имеют не просто один фосфат, а три, расположенные в ряд, причем два других отделяются в процессе полимеризации, предоставляя таким образом энергию для проведения синтеза в желаемом направлении. Хотя можно представить процесс, проходящий без дополнительных элементов, в развитой системе мы непременно рассчитываем обнаружить, по крайней мере, один фермент (то есть белок с каталитической активностью), который ускорит синтез и сделает его более точным.
Таковы в общих чертах требования. Когда исследуешь реальную систему репликации, то обнаруживаешь, что она значительно сложнее. Прежде всего, когда начинается синтез, обе цепочки еще полностью не разделились. Синтез новых цепочек происходит в процессе разделения, поэтому некоторые части двойной спирали копируются еще до того, как разделились другие более удаленные участки. Есть особые белки, функция которых состоит в том, чтобы раскрутить двойную спираль, и вместе с другими, которые могут создать ники[4] в остове, дать возможность одной цепочке вращаться вокруг другой, и затем вновь объединить разорванную цепь. Так как обе цепочки двойной спирали быстро двигаются в противоположных направлениях, и так как, говоря химическим языком, синтез проходит только в одном направлении, то мы обнаружим, что синтез происходит в прямом направлении на одну из цепочек и в обратном направлении на другую, поэтому механизм должен учитывать эту сложность. Более того, новый фрагмент цепочки ДНК обычно начинается как небольшой отрезок РНК, с которым затем объединяется более длинный фрагмент ДНК. Существуют добавочные белки, которые затем вырезают этот праймер РНК и заменяют его эквивалентным отрезком цепочки ДНК, и затем объединяют все воедино без разрыва. Мы знаем, что для синтеза одного вида небольшого вируса, созданного из ДНК, требуется почти двадцать различных белков; какие-то из них выполняют одну функцию, какие-то — другую. Это очень характерно для биологических процессов. Лежащий в их основе механизм должен быть простым, но если процесс биологически важен, тогда в длительном ходе эволюции естественный отбор усовершенствует и приукрасит его, с тем чтобы он мог функционировать как быстрее, так и точнее. Именно вследствие этой причудливой усложненности биологические механизмы часто так трудно разгадать.
К счастью, как мы отмечали ранее, нам не нужно задерживаться на этих сложностях. Когда зародилась жизнь, химия, должно быть, была относительно простой. Здесь важно уяснить, что четкая геометрия пар оснований, которая лежит в основе правил спаривания, предоставляет удобный случай особой репликации, даже в совершенно простых системах. Мы видим, что решающей в ДНК является не ее двойная спираль. Действительно, простой вирус может иметь в качестве своего генетического материала единственную нить ДНК, и она может быть настолько коротка (длиной лишь в пять тысяч оснований), что ей не требуется вторая цепочка в качестве страховки от повреждения. Основная особенность заключается в том, что в механизме репликации должна использоваться простота особых пар оснований для построения новой цепочки с комплементарной последовательностью оснований по отношению к старой. Именно эта простота заставляет нас считать, что она использовалась в самых древних живых системах. Вопрос о том, остаются ли обе цепочки, новая и старая, вместе после репликации, менее важен.
Здесь мы должны сказать несколько слов о близкой родственнице ДНК — РНК. (Подробнее различные виды РНК описаны в приложении.) Как мы уже объясняли, генетическая информация в каждой клетке высшего организма закодирована как подробная последовательность оснований ряда очень длинных молекул ДНК. В любое время многие более короткие участки этой последовательности копируются на однонитевые молекулы РНК и используются клеткой в качестве рабочих копий. Некоторые из них используются для структурных целей, но большинство как информационные РНК — инструкции для синтеза белка. Это происходит в очень сложных молекулярных структурах, называемых рибосомами, и для этого необходим дополнительный молекулярный аппарат, в частности, набор транспортных молекул РНК (тРНК).
Это, безусловно, очень сложная, но сложна она, в основном, потому, что должна выполнять сложную функцию. Процесс создания однонитевой копии РНК участка ДНК, который называется транскрипцией, относительно прост, и, чтобы направлять его, необходим лишь достаточно крупный белок. Процесс синтезирования белка с использованием фрагмента информационной РНК в качестве инструкций, который называется трансляцией, обязательно сложнее, так как инструкции написаны на языке РНК, состоящем из четырех букв, а их следует перевести с помощью химического механизма на язык белка из двадцати букв. Действительно, очень удивительно, что такой механизм вообще существует, и еще удивительнее, что любая живая клетка, животного ли, растения или же микроорганизма, содержит его вариант. Его открытие явилось одним из триумфов молекулярной биологии.
Таким образом, клетка — это миниатюрная фабрика, ведущая быструю, организованную химическую деятельность. В условиях соответствующих молекулярных воздействий фермент деловито синтезирует отрезки информационной РНК. Рибосома запрыгивает на каждую информационную молекулу РНК, двигается вдоль нее, считывая ее последовательность оснований и соединяя друг с другом аминокислоты (которые доставили ей молекулы тРНК) с тем, чтобы создать полипептидную цепь, которая, по завершении этого процесса, свернется и станет белком. Природа изобрела сборочный конвейер за несколько миллиардов лет до Генри Форда. Более того, этот сборочный конвейер производит много разных, весьма специфических белков, механических инструментов клетки, которые сами создают и восстанавливают органические химические молекулы для того, чтобы обеспечить сборочный конвейер сырьем, а также все молекулы, необходимые для устройства структуры фабрики, снабжают ее энергией, избавляют от отходов и выполняют другие Функции. Поскольку все это так сложно, то читателю не обязательно пытаться разобраться во всех этих тонкостях. Важно осознать тот факт, что несмотря на то, что генетический код почти универсален, механизм, необходимый для его реализации, слишком сложен для того, чтобы появиться внезапно. Он должен был развиться из какого-то более простого. Несомненно, что главная задача в понимании происхождения жизни — это попытаться разгадать, какой могла быть эта более простая система.
