Разгадка кодонов

1961 год был на редкость урожайным для молекулярной биологии. В тот год в Москве собрался V Международный конгресс биохимиков. С докладом выступил и американский ученый Ниренберг. Он сказал примерно следующее: "Мы с Маттеи изучали синтез белка в бееклеточных системах. Нам удалось расшифровать на РНК код аминокислоты - фенилаланина".

Этот доклад оказался гвоздем всей программы съезда. Да и не только съезда. Ведь был открыт путь к экспериментальной расшифровке генетического кода аминокислот в РНК.

Ниренберг изучал синтез белка в бееклеточных системах. В такой системе есть все, кроме самой клетки:

1) рибосомы - микроверфь, где собирают белковую молекулу;

2) 20 типов ферментов-активаторов, присоединяющих аминокислоты к транспортной РНК;

3) 20 типов транспортных РНК;

4) источник энергии в виде аденозинтрифосфорной кислоты со своей системой ферментов;

5) матричная (информационная) РНК;

6) и конечно, строительный материал - все 20 аминокислот в необходимом количестве.

В колбе Ниренберга и Маттеи плавали рибосомы, транспортные РНК, растворимые ферменты. Все они были выделены из кишечной палочки. Когда исследователи влили туда аминокислоты, меченные изотопами, и немного информационной РНК - система пришла в действие и начала синтезировать полипептид. Именно тот полипептид, чья РНК-матрица была добавлена. Между прочим, если иРНК была от вируса табачной мозаики, то белок, синтезированный рибосомами бактерии, тоже был... вирусный.

Вы понимаете, что это значит? Полисомы - универсальная фабрика белка. Им все равно, что собирать, вопрос решает "главный" - иРНК. Так на уровне молекул грани жизни стираются, - еще одно доказательство единства живого на Земле.

Когда Ниренберг и Маттеи узнали о безразличии рибосом к выпускаемой продукции, они задумались: а что, если в бесклеточную фабрику белкового синтеза пустить искусственную РНК-матрицу? В наш век такие синтетические матрицы научились создавать при активной помощи фермента с нелегким названием: полинуклеотидфосфорилаза. Его впервые получили в 1955 году от той же кишечной палочки. Так вот, ученые создали до смешного простую РНК-матрицу, в которой один за другим выстроились урациловые основания. Если написать их код, то получится нечто тягучее и монотонное: УУУУУ... И что, вы думаете, стала строить система с такой матрицей? Полипептид, в котором все кирпичики-аминокислоты были одинаковы: фенилаланин!

Это было похоже на чудо! Из двадцати аминокислот триплет УУУ выбрал только одну - фенилаланин. Вывод один: триплет УУУ кодирует на РНК-матрице аминокислоту фенилаланин. Именно это и рассказал на конгрессе Ниренберг в своем десятиминутном докладе.

Открытие Ниренберга и Маттеи стало путеводной звездой в работе экспериментаторов над раскрытием тайны генетического кода. За какие-нибудь два-три года с помощью прямых химических методов были получены триплеты для всех остальных аминокислот. Это сделали Очоа и другие исследователи в Национальном институте здоровья и в Нью-Йоркском университете.

Опыты подтвердили предположения Гамова и Крика о вырожденности кода. Действительно, оказалось, что одна аминокислота может кодироваться несколькими (2-4) разными триплетами. На двадцать аминокислот пришлось 50 кодонов. И не исключено, что природа пользуется для кодирования 20 аминокислот всеми 64 возможными триплетами.

Вырожденность кода была подтверждена и другим путем. Оказалось, что транспортных РНК, призванных различать кодоны на иРНК, не двадцать, а гораздо больше, около 64. Таким образом, антикодонов (тРНК) столько же, сколько и кодонов. Каков же биологический смысл вырожденности кода? Скорее всего, это запас наследственной информации, который страхует клетку от случайных изменений в структуре ДНК. Именно поэтому не всякое искажение последовательности нуклеотидов приведет к появлению в гене "бессмысленного" триплета и, в силу этого, нарушит биосинтез белка, который контролируется этим геном.

Но вырожденность кода имеет и другое значение - регулирование скорости трансляции, скорости построения белка.

Ученые узнали лишь состав триплетов, а не порядок расположения в них нуклеотидов. Как, например, кодируется на иРНК аминокислота тирозин: УАУ, АУУ или УУА - точно неизвестно.

Ниренберг и его коллеги сделали попытку разгадать эту тайну. Их помощниками стали совсем коротенькие РНК-матрицы из двух или трех нуклеотидов. Результаты этих исследований были опубликованы совсем недавно, в 1965 году, и стали новым, прямым доказательством триплетности кодового числа, помогли разгадать еще несколько загадок из жизни больших молекул.

Порядок оснований в кодонах

(Примечание: знаком ? выделены недостаточно надежные кодоны. Все кодоны считываются справа налево.)

Прежде всего неопровержимо было установлено, что коды из двух нуклеотидов невозможны: в пробирке сборка полипептидов не шла, если РНК-матрица состояла всего из двух нуклеотидов. Только три связанных воедино нуклеотида строили полипептид. Кроме того, удалось точно определить порядок расположения каждого из трех нуклеотидов в кодоне при считывании в одном направлении. Ниренберг показал миру таблицу с кодонами для всех аминокислот, и истинность подавляющего их большинства была доказана в строгом эксперименте.

Глядя на эту удивительную "книгу" Природы, начинаешь понимать, почему в ранних исследованиях некоторые аминокислоты кодировались одинаковыми триплетами: "буквы" - то одинаковые, а "слова" - разные. Природа позаботилась и о том, чтобы тРНК не путали триплеты при считывании: они читают их только в одном направлении - в данном случае справа налево.

В настоящее время эти исследования продолжаются и проверяются другими учеными. Пожелаем им счастливого финиша!