Что за безумное стремленье! - Фрэнсис Крик

Нынешнее состояние наук о мозге напоминает мне состояние молекулярной биологии и эмбриологии, скажем, в 1920–1930-е гг. Открыто много интересного, каждый год приносит неуклонный прогресс на всех фронтах, но главные вопросы еще остаются по большей части без ответов и вряд ли получат ответы без новых технологий и новых идей. Молекулярная биология достигла зрелости в 1960-е, тогда как эмбриология только вступает в фазу полноценного развития. Наукам о мозге предстоит еще долгий путь, но увлекательность предмета и важность ответов будут неизбежно двигать ее вперед. Необходимо детально разбираться в нашем мозге, если мы хотим верно оценить наше место в этой громадной и сложной вселенной вокруг нас.

Наследственный материал всех организмов в природе – нуклеиновые кислоты. Существуют два вида нуклеиновых кислот: ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота) и близкородственная ей РНК (рибонуклеиновая кислота). Некоторые мелкие вирусы используют в качестве наследственного материала РНК. Все прочие вирусы и организмы – ДНК. (Исключением могут быть «дремлющие вирусы»[62].)

Молекулы как ДНК, так и РНК тонкие и длинные, порой необычайно длинные. ДНК – полимер с регулярным остовом, в котором чередуются группы фосфатов и сахаров (в данном случае сахар называется дезоксирибоза).

К каждой группе сахаров присоединена маленькая плоскостная молекулярная группа, называемая основанием, или нуклеотидом. Существует четыре основных типа нуклеотидов: аденин (А), гуанин (Г), тимин (Т) и цитозин (Ц). (А и Г относятся к пуринам, Т и Ц – к пиримидинам). Порядок оснований вдоль любого данного отрезка ДНК несет наследственную информацию. Около 1950 г. Эрвин Чаргафф открыл, что в ДНК самого разнообразного происхождения количество А равняется количеству Т, а количество Г – количеству Ц. Эти закономерности известны как правила Чаргаффа.

Рис. А-1. Две пары оснований: А = Т и Г = Ц. Обозначения оснований: А – аденин, Т – тимин, Г – гуанин, Ц – цитозин. Обозначения атомов: C – углерод, N – азот, O – кислород, H – водород.

РНК по структуре сходна с ДНК, только сахар в ней немного другой (рибоза вместо дезоксирибозы), а вместо Т у нее У (урацил). (Тимин и есть 5-метилурацил.) Таким образом, пара АТ замещается очень сходной парой АУ.

ДНК обычно существует в форме двойной спирали, состоящей из двух раздельных цепочек, навитых друг на друга вокруг общей оси. Как ни удивительно, две цепочки направлены в противоположные стороны. То есть если последовательность атомов в остове одной из цепочек читается снизу вверх, то у другой – сверху вниз.

На любом уровне основания соединены попарно – то есть основание в одной цепочке спарено с противолежащим основанием в другой цепочке. Пары возможны лишь в определенных сочетаниях. Вот они:

Их химические формулы даны на рис. А-1. Пары оснований удерживаются слабыми связями, которые называются водородными и обозначены здесь черточками. Следовательно, пара АТ образует две водородных связи, пара ГЦ – три. Это парное соединение оснований (нуклеотидов) – ключевая характеристика структуры.

Для репликации ДНК клетка расплетает цепочки и использует каждую цепочку по отдельности как инструкцию по созданию ее новой товарки. По завершении этого процесса получаются две двойные спирали, каждая из которых содержит одну старую цепочку и одну новую. Поскольку основания для новых цепочек надо подобрать так, чтобы выполнялись правила парности (А к Т, Г к Ц), у нас получается две двойные спирали, каждая из которых по последовательности оснований полностью тождественна исходной. Если вкратце, этот точный механизм попарного соединения и есть молекулярная основа наследственности. Реальность, конечно, намного сложнее, чем эта бегло набросанная схема.

Важнейшая функция нуклеиновых кислот – кодирование белков. Белковая молекула – тоже полимер с упорядоченным остовом (полипептидной цепочкой) и боковыми группами, расположенными на регулярных расстояниях. Как остов, так и боковые цепочки белка заметно отличаются по химической природе от остова и боковых цепочек нуклеиновой кислоты. К тому же у белков существует двадцать различных видов боковых цепочек, тогда как у нуклеиновых кислот – только четыре.

Общая химическая формула полипептидной цепи дана на рис. А-2. «Боковые цепочки» присоединены в точках, обозначенных R, R’, R» и т. д. Точная химическая формула каждой из двадцати различных боковых цепочек известна, и ее можно найти в любом учебнике по биохимии.

Каждая полипептидная цепь образуется путем соединения «головой» к «хвосту» небольших молекул, называемых аминокислотами. Общая формула аминокислоты дана на рис. А-3, где R обозначает боковую цепочку – свою у каждой аминокислоты из волшебной двадцатки. В ходе этого процесса при каждом соединении теряется одна молекула воды. (Реальные этапы химических реакций несколько сложнее, чем это простое общее изложение.)

Рис. А-2. Базовая химическая формула полипептидной цепочки (на рисунке показано около трех звеньев). C – углерод, N – азот, O – кислород, H – водород. R, R’, R» – различные боковые цепочки (R означает «радикал»).

Все аминокислоты, встроенные в белки (кроме глицина), – это L-аминокислоты, тогда как их зеркальные отображения называются D-аминокислотами. Эта терминология относится к трехмерной конфигурации вокруг верхнего атома углерода на рис. А-3.

Синтез белка происходит на сложном биохимическом станке, который называется рибосомой. Ей помогают комплекс небольших молекул РНК, называемых тРНК (транспортная РНК), и ряд специальных ферментов. Информация о последовательности передается с помощью молекулы РНК, именуемой мРНК (матричной РНК). Чаще всего такая мРНК – она одноцепочечная – синтезируется в виде копии определенного участка ДНК по правилу парности оснований. Рибосома ползет вдоль матричной РНК, считывая ее последовательность оснований по три за один прием (см. приложение В). Общий процесс таков: ДНК ~~> РНК ~~> белок. Волнистые стрелки отображают направление, в котором передается информация о последовательности.