В связи с очевидностью генетической роли нуклеиновых кислот возникает вопрос: каким образом происходит «перевод» генетических сообщений с их алфавитом из 4 букв-оснований на язык белка? Как кодируется каждая из 20 аминокислот, входящих в молекулу белка?
На ДНК, в которой содержится и хранится информация о структуре белка, синтезируется и-РНК, которая точно копирует структуру ДНК.
Химическая активизация аминокислот для синтеза белка происходит путем их связывания с небольшими по величине молекулами транспортной РНК (т-РНК). Структура т-РНК также кодируется геномом клетки. Каждая аминокислота связывается только со «своей» т-РНК. В свою очередь т-РНК «узнает» участок и-РНК, кодирующий данную аминокислоту. Две группы биохимиков — группы Ниренберга и Кораны — синтезировали искусственным путем множество различных тринуклеотидов (триплетов) — тройки рибонуклеиновых оснований. Затем они проверяли способность их к связыванию с различными т-РНК. Оказалось, что тринуклеотид ГУУ связывал т-РНК# переносящую валин. Тройка УУГ реагировала с лейциновой т-РНК и т. д. Таким образом, было показано, что каждая аминокислота в составе белка кодируется тройкой нуклеиновых оснований в составе и-РНК. К настоящему времени составлен довольно полный словарь перевода триплетов РНК на язык белковых последовательностей.
В отличие от транскрипции РНК с цепочек ДНК процесс синтеза белка в клетке при участии и-РНК именуется трансляцией.
Образование молекул белка происходит на рибосомах — небольших даже по клеточным масштабам частицах, находящихся в цитоплазме (рис. 6). Процесс трансляции и-РНК на язык белков происходит не на отдельных рибосомах, а на комплексах из нескольких рибосом — полирибосомах. Число рибосом в полирибосоме зависит от длины транслируемой и-РНК. Предполагают, что объединение рибосом в полирибосомы осуществляется посредством нити и-РНК.
Следовательно, в ходе подготовки к трансляции РНК на рибосомах происходит сборка полирибосом. Помимо этого, идет присоединение активизированных аминокислот к соответствующим молекулам т-РНК. В ходе трансляции в активный центр рибосомы вместе с т-РНК поступают одна за другой тройки нуклеотидов и-РНК. При этом каждый раз возникает связь между данной тройкой и распознающим участком на соответствующей т-РНК. После образования этой связи аминокислота, присоединенная к т-РНК, входит в контакт с синтезирующей белковой цепочкой и происходит включение данной аминокислоты в белок. Когда молекула и-РНК пройдет рибосому полностью, закончится и сборка молекулы белка. Готовый белок сходит с рибосомы и выделяется в окружающее пространство.
Белоксинтезирующий аппарат клеток — структура весьма динамичная. Информационная РНК может использоваться несколько раз для трансляции, после чего разрушается. Рибосомы более долговечны, однако срок их существования также невелик — порядка нескольких суток.
Суть процессов реализации генетической информации в живых организмах отражена в общепризнанной теперь схеме Крика — Уотсона (рис. 7). В ней утверждается первичная роль ДНК в хранении наследственных задатков, а также основополагающая роль РНК в переносе генетических сообщений внутри клеток.
На рис. 7 видно, что белок может транслироваться лишь с РНК и не наоборот. Однако РНК может в принципе синтезироваться не только с ДНК. В ряде случаев, как, например, у РНК-содержащих вирусов или в кровяных пластинках (тромбоцитах) у млекопитающих, существуют биохимические реакции, в которых молекулы РНК образуются на основе РНК. Эти варианты схе/лы Крика — Уотсона (РНК-репликация и РНК-транскрипция), судя по всему, немаловажны для существования РНК вирусов.
Помимо этого, многие РНК-содержащие вирусы из числа опухолеродных способны переводить свой генетический материал в ДНК форму, что требует синтеза ДНК на базе рибонуклеиновых последовательностей.
