Читать книгу "От атомов к древу. Введение в современную науку о жизни - Сергей Ястребов"

Вся эта история отлично показывает, насколько коллективным процессом является наука. Уотсон и Крик при всем их огромном таланте были еще и необычайно удачливы: в их распоряжении оказалось готовое полное условие задачи, которую оставалось только решить. Например, их модель двойной спирали была бы невозможна без результатов биохимического анализа Чаргаффа и равным образом — без рентгенограмм Уилкинса и Франклин. Причем получить все это самостоятельно Уотсон и Крик не могли — у них просто не было такой профессиональной подготовки. А Чаргафф, в свою очередь, работал на основе старой “тетрануклеотидной теории”, хоть и опроверг ее. Двигаясь таким образом вспять по цепочке ученых, каждый из которых делал возможной работу следующего, мы получим некий причудливый граф, где Уотсон и Крик будут располагаться в одной из вершин. Впрочем, о чем-то подобном писал еще в XII веке Бернар Шартрский: “Мы подобны карликам, усевшимся на плечах великанов; мы видим больше и дальше, чем они, не потому, что обладаем лучшим зрением, и не потому, что выше их, но потому, что они нас подняли и увеличили наш рост собственным величием”.

Самое главное в двойной спирали ДНК не то, что она спираль, а то, что она двойная. Теоретически двойная цепь ДНК вполне могла бы быть и линейной, как застежка-молния, без всякой спиральности. На ее свойства как носителя информации это нисколько не повлияло бы. Спиральная конформация энергетически выгоднее по чисто химическим причинам, из-за углов между ковалентными связями. Но тут химия неожиданно совпала с эстетикой: двойная спираль просто красива. Неудивительно, что она быстро стала широко известным символом глубинного механизма жизни.

И снова две кислоты

Теперь самое время прояснить вопрос: в чем же смысл химических отличий между ДНК и РНК?

Прежде всего напомним, что главное из этих отличий выражено в самом названии: в состав РНК входит рибоза, а в состав ДНК — дезоксирибоза. Добавив к этому факту кое-что еще, мы получим следующую картину:

* РНК гораздо легче синтезируется, потому что реакция синтеза дезоксирибозы требует более сложных ферментных систем, чем реакция синтеза рибозы;

* ликвидация 2'-гидроксильной группы (той самой, которой дезоксирибоза лишена) резко уменьшает химическую активность нуклеиновой кислоты, и в том числе ее подверженность спонтанному распаду с участием воды;

* ДНК редко бывает одноцепочечной (только у некоторых вирусов), а в двуцепочечной форме она очень устойчива из-за огромного количества водородных связей и — дополнительно — из-за гидрофобного взаимодействия между множеством налегающих друг на друга плоских колец азотистых оснований.

Создается явное впечатление, что ДНК была “специально придумана” природой как долговременное надежное хранилище информации.

Есть и еще одно важное отличие. В 1980-х годах было обнаружено, что некоторые РНК способны вести себя как ферменты, катализируя определенные химические реакции (например, разрезание или синтез других РНК). Такие РНКовые аналоги ферментов называются рибозимами. Эта способность вовсе не является редкостью, она не требует большой длины РНК или какой-то уникальной нуклеотидной последовательности. Рибозимы часто бывают длиной в 100–200 нуклеотидов или меньше. Самый маленький известный рибозим имел длину всего 13 нуклеотидов[58]. Это означает, что химическая эволюция могла создать рибозимы очень легко. Даже при совершенно случайном переборе последовательностей РНК какие-нибудь рибозимы обязательно появятся, причем довольно быстро.

У ДНК же каталитическая способность резко ослаблена все той же потерей 2'-гидроксильной группы. Таким образом предотвращается, например, случайное возникновение саморазрезающихся рибозимов — в РНК бывает даже такое. Живым организмам совершенно не нужна каталитическая способность ДНК. Наоборот, чем она инертнее, тем лучше. Для редактирования генетической информации есть другие молекулы. А ДНК должна ее просто хранить.

Открытие рибозимов сразу вызвало к жизни так называемую гипотезу РНК-мира. Сторонники этой гипотезы считают, что первоначально живые системы состояли в основном из разнообразных молекул РНК. Эти молекулы РНК служили и носителями информации, и катализаторами всевозможных химических реакций. И только потом специализированными катализаторами стали белки, а специализированными хранителями информации — молекулы ДНК. За самой же РНК остались функции, связанные с передачей генетической информации и частично с регуляцией работы генов.

В самом деле, мы скоро убедимся, что ДНК, в отличие от РНК, не является в системе передачи генетической информации абсолютно необходимым звеном. Все генетические процессы в принципе можно было бы осуществить с помощью одних только РНК, которые и в современном мире довольно разнообразны. Генетическую систему, включающую только РНК, сконструировать можно, а вот включающую только ДНК — нельзя.

К этому можно добавить, что соединения рибозы и сами по себе, независимо от нуклеиновых кислот, играют важную роль в обмене (например, в энергетическом), чего никак нельзя сказать о соединениях дезоксирибозы: последняя нужна для синтеза ДНК, и больше ни для чего. Все это показывает, что ДНК — продукт гораздо более глубокой специализации, чем РНК, и в целом подкрепляет гипотезу РНК-мира.

Теперь обратимся еще к одному отличию, уже нам известному: в состав ДНК вместо урацила почему-то входит тимин. Напомним, что тимин отличается от урацила всего лишь одной дополнительной метильной группой (–CH3). А дело тут, скорее всего, вот в чем. Есть еще одно азотистое основание, которое входит и в РНК, и в ДНК, и при этом является химически довольно неустойчивым. Это цитозин. Он легко подвергается спонтанному дезаминированию — потере аминогруппы, на место которой приходит гидроксильная группа. А цитозин с гидроксилом вместо аминогруппы — это не что иное, как урацил. Такие уж у этих веществ формулы. Получается, что если хранить генетическую информацию на РНК, то она неминуемо будет постепенно “засоряться” урацилом, образующимся из-за спонтанного дезаминирования цитозина.

А вот из ДНК урацил исключен вообще. Всеобщая замена урацила на тимин дает возможность легко исправлять ошибку дезаминирования, “настроив” соответствующие ферменты на вырезание любых нуклеотидов с урацилом как заведомо ошибочных. Но такая замена имеет смысл только в том случае, если ДНК уже используется как носитель информации! И получается сильный чисто химический довод за то, что ДНК была выбрана живыми системами на роль долговременного хранилища генетической информации “специально”. Никакой другой функции у нее никогда и не было.

Остается понять, какие живые организмы и когда создали это новшество. Это — интереснейший и совершенно нерешенный вопрос. Есть, например, гипотеза, что ДНК как таковая была “изобретена” ДНК-содержащими вирусами, которые потом инфицировали древнейшие клетки, еще содержавшие только РНК, и передали им свою “информационную технологию”. Если это верно — значит, современная клетка, содержащая ДНК, возникла в результате взаимодействия (или даже слияния) древней РНК-содержащей клетки с крупным ДНК-содержащим вирусом[59]. Правда, тут возможна и более сложная последовательность событий — о том, какая именно, мы поговорим в главах 12 и 14.