Глава 29. Генетический код
Вся известная нам жизнь структурно однотипна. Она основана на едином генетическом коде и всё указывает на её происхождение от единого общего предка.
Базой жизни является генетическая информация, закодированная в ДНК и интерпретируемая с помощью РНК-копий. Это служит основой для производства белков, управляющих всеми биохимическими процессами в клетках.
Гены – это своеобразные инструкции по работе организма, единицы наследственности, передаваемые от предыдущих поколений будущим. По отдельности они выполняют достаточно прямолинейную функцию. Но комбинация генов создаёт исключительное жизненное разнообразие.
Каждый ген является отрезком молекулы ДНК. В клетке содержится 46 цепочек ДНК. Они располагаются парами. От своих родителей мы получаем по одной копии парных молекул, 23 от отца и 23 от матери.
В каждой цепочке в одной паре есть гены, определяющие наши индивидуальные черты – от цвета глаз до длины ног. В другой паре находятся гены с абсолютно идентичными свойствами. Таким образом, каждый из нас получает по два гена-близнеца, отвечающих за большинство черт организма.
Информация о наследственности закодирована в нуклеиновой кислоте. Её хранилищем является ДНК.
Несмотря на псевдонаучные «открытия», генов отдельных болезней (за немногим исключением) не существует. Тем более, нет генов, отвечающих за определённые черты характера, вредные привычки и преступные наклонности.
Человек устроен очень сложно, а сегодня, к тому же, очень зависим от социальной среды. Наша индивидуальность определяется работой целой группы генов, именно поэтому столь сложно понять все особенности их функционирования.
В нашем теле 100 000 000 000 000 клеток. И в каждой из них имеется набор генов, определяющих характерные черты личности. Клетка в голове содержит абсолютно тот же набор генов, что в руке или ноге. При этом существует группа мастер-генов, каждый из которых отвечает за развитие отдельной части тела. Мастер-ген «инструктирует» эмбриональные клетки с одинаковым ДНК, определяет какой из них стать клеткой сердца, лёгких, крови и так далее.
Гены и белки состоят из одинаковых нуклеотидов и аминокислот. Сам генетический код универсален. Все живые существа генетически совершенно одинаковы. С точки зрения биологии можно сказать, что жизнь на Земле зародилась только один раз, и до сих пор существует всего лишь её единственная форма.
Немецкими учёными был проведен уникальный эксперимент. Ген, управляющий глазом мыши, ввели в личинку плодовой мухи. Никакой монстр в результате не родился. К удивлению учёных, ген мышиного глаза не только создал глаз у мухи, но это был именно глаз мухи, а не мыши.
Выяснилось, что два существа, эволюционно разошедшиеся 500 млн. лет назад, способны к обмену генетическим материалом словно ближайшие родственники. Получается, что жизнь создана по каким-то единым схемам, по единому базовому плану.
Нашу жизнедеятельность обеспечивают белки. Изменение ДНК автоматически приводит к изменению белков. Обычно такие перемены вызывают нарушения в функционировании живого существа, то есть ведут к болезни. Однако, некоторые изменения благотворны. И они становятся двигателями эволюции.
Организм человека содержит более 30 000 разных белков, но сконструирован всего из 20 аминокислот. Но, как я уже указывал, общее число аминокислот огромно.
У Природы практически безграничный ресурс для потенциального совершенствования жизни во Вселенной. Поэтому внеземная жизнь может быть основана на совсем других аминокислотах.
Порядок взаимосвязи двадцати аминокислот в нашем теле устанавливает ДНК. Очень интересно, что есть ещё одна, двадцать первая аминокислота, которая как бы находится в резерве. Это селеноцистеин, в котором атом селена замещает атом меди и, при необходимости, помогает ферментам защитить клетки от кислорода.
Кислород – необычайно сильный окислитель и, в принципе, это самый опасный химический элемент для живых клеток. В дальнейшем я расскажу, почему мы дышим ядом в прямом смысле этого слова. Пока же в очередной раз поразимся прозорливости Природы, которая подготовила страховку на случай, если бы с кислородным дыханием что-то пошло не так.
Что представляет собой генетический код?
Вспомните, что ДНК состоит из четырёх нуклеотидов: A, C, G, T. Если представить их в виде букв, то они формируют слова (кодоны). Кодоны, в свою очередь, определяют последовательность связи аминокислот.
Всего аминокислот 20, а букв для их определения только 4. Поэтому базовый генетический код не может быть однобуквенным. Тогда он способен определить не более четырёх аминокислот, а реально их двадцать.
Также не подойдет и двухбуквенный код типа АС. Двухбуквенных комбинаций только шестнадцать, что тоже недостаточно.
Поэтому генетический код является триплетным, основанным на трёхбуквенных словах-кодонах (ACG, AGT, CGT и т.д.). Трёхбуквенный код может определить (4х4х4) шестьдесят четыре аминокислоты, что более чем достаточно.
Удивительно, что нет никаких препятствий для использования переменного кода. Часть аминокислот вполне могла обозначаться двумя буквами (от AC до GT), и только, когда бы исчерпались все 16 вариантов, можно было перейти к трём буквам (ACG и т.д.). Но почему-то именно в этом вопросе Природа проявила несвойственную ей математическую красоту.
Мало того, триплетный код является заведомо избыточным. Из 64-х возможных вариантов кодирования задействовано лишь 20. Очень интересно, с какой целью Природа оставила столь большой резерв?
На примере упомянутого селеноцистеина (номер 21, код TGA), видно насколько гигантский потенциал является не задействованным. Поскольку все 64 кодона потенциально жизнеспособны, у Природы есть очень большой задел для творчества. Если она смогла создать homo sapiens на базе 20-и аминокислот, то что (кто?) может появиться на базе 64-х?
Конечно, для нас интереснее всего понять геном человека, который является наследственным кодом жизни. В расшифрованном виде его можно записать как текст, в котором 3 100 000 000 знаков (нуклеотидов).
Если читать запись ежедневно без сна и отдыха, то её полная расшифровка займёт 30 лет. Напомню, что столь огромный объём информации, содержится в каждой клетке нашего организма без исключения.
Генетическая программа очень стабильная. В ней чётко прописаны все жизненные процессы. Она напоминает совершенную и безошибочную компьютерную программу.
Детальное изучение генетического кода привело к ряду удивительных открытий, ставящих под сомнение наше особое положение в Природе. У человека примерно столько же генов, как у травы. У водорослей ненамного меньше, около 20 000. По структуре генов мы отличаемся от мыши процентов на 10. У нас 46 хромосом, а у папоротников больше 600. Тритон генетически богаче нас более, чем в 5 раз.
Когда учёные установили эти показательные факты, стало ясно, что сложность организма определяется не числом генов, а тем, как именно они используются. Сам по себе геном лишь говорит нам из чего мы сделаны, но абсолютно не объясняет, как мы функционируем.
Достаточно неожиданными стали и сравнительные данные генома разных людей на разных континентах. Судя по ДНК, мы все чрезвычайно близкие родственники. Совпадение генома составляет 99,9%. Это достаточно странное генетическое однообразие для нашей планеты. У других видов в ДНК встречается в десятки раз больше расхождений, чем у людей. Совершенно непонятно, почему именно люди настолько генетически идентичны.