Что за безумное стремленье!

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.

Дело еще больше усложняется тем, что каждая рибосома состоит не только из обширного комплекса белковых молекул, но и из ряда молекул РНК, две из которых довольно крупные. Эти молекулы РНК не являются матрицами. Они составляют элемент строения рибосомы.

По мере синтеза полипептидной цепи она сворачивается, укладываясь в хитроумную трехмерную структуру, необходимую белку, чтобы выполнять свою крайне специализированную функцию.

Белковые молекулы очень разнообразны по размерам. Типичная может состоять из нескольких сотен аминокислотных остатков. Поэтому ген обычно представляет собой отрезок ДНК в тысячу или более нуклеотидных пар, который кодирует одну полипептидную цепочку. Другие участки ДНК выполняют регуляторную роль, помогая включать и выключать определенные гены.

Рис. А-3. Общая формула аминокислоты. Аминогруппа – это NH3+. Кислотная группа – COO—. Боковая группа, различная у каждой аминокислоты, обозначена R. C – углерод, N – азот, O – кислород, H – водород.

Рис. А-4. Схема, иллюстрирующая «центральную догму». Стрелками показаны разные направления передачи информации о последовательностях. Сплошными стрелками обозначены типичные виды передачи. Пунктирными – более редкие. Обратите внимание, что стрелок, направленных от белков, не существует.