Нуклеиновые кислоты представляют собой простую последовательность связанных между собой нуклеотидов. Каждый из них включает в себя по одной молекуле фосфорной кислоты, сахара и органического основания.

Фосфорная кислота во всех случаях одинакова, то есть каждый нуклеотид включает в себя одну и ту же молекулу.

В отличие от фосфорной кислоты, сахара представлены в двух вариантах: рибозы и дезоксирибозы. Эти два сахара никогда не встречаются одновременно в одном и том же полинуклеатиде, то есть в одной и той же цепочке нуклеотидов. И если мы обозначим эти сахара их начальными буквами Р (рибоза) и Д (дезоксирибоза), то получим известные сегодня, наверное, каждому аббревиатуры нуклеиновых кислот (НК): РНК и ДНК.

Основания так же отличаются друг от друга. Но здесь отличий больше. В состав ДНК входит четыре их разновидности: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т); в состав РНК входят три из них: аденин, гуанин, цитозин, но вместо тимина появляется урацил (У).

Таким образом, с позиций структурной химии ДНК представляет собой последовательность связанных между собой дезоксирибонуклеатидов, РКН – последовательность рибонуклеатидов. Словом, не очень сложное образование, но при этом общая длина нуклеатидных цепей может достигать нескольких миллионов звеньев.

В этих молекулярных цепочках каждые три следующие друг за другом основания составляют собой так называемый триплет. Триплетная компоновка одним из первых в 1954 году была предложена Джорджем (Георгием Антоновичем) Гамовым, американским физиком, выходцем из России. Число различных сочетаний из 4 нуклеотидов по два составило бы 42 = 16, что недостаточно для кодирования 20 аминокислот, в то время как число сочетаний по три – 64 (43 = 64)[25].

Каждый триплет имеет своим назначением кодировать какую-то определенную аминокислоту. Другими словами, каждый триплет служит сигналом к включению в состав синтезируемой белковой молекулы строго определенной аминокислоты. Так, например, триплет ГАУ кодирует собой аспарагиновую кислоту, ГЦУ – аланин, ЦЦУ – пролин, УУУ – фенилаланин. Поэтому последовательность ГАУ – ГЦУ – ЦЦУ – УУУ означает собой род жесткой инструкции, согласно которой нужно сначала взять аспарагиновую кислоту, затем подключить к ней аланин, далее – пролин и, наконец, фенилаланин.

Приведем так называемый генетический «словарь»:

Примечание: «Нет» означает, что кодон не кодирует никаких аминокислот; такие кодоны называются бессмысленными.

Собственно, именно в жестком соответствии между триплетами и аминокислотами, которые они кодируют, и состоит связь между нуклеиновыми кислотами и белковым синтезом. Это соответствие было установлено опытным путем: к разрушенным клеткам добавляли синтетические полинуклеотиды известного состава и смотрели, какие аминокислоты включаются в белки. Позднее появилась возможность прямо сравнить последовательности аминокислот в вирусных белках и оснований в вирусных нуклеиновых кислотах. При этом чрезвычайно интересно отметить, что генетический код, за редкими исключениями, одинаков для всех организмов – от вирусов до человека.[26]

Таким образом, можно заключить, что триплет предстает как дискретный сигнал, как некоторая информационная единица, кодовое слово. Иначе – кодон. Всего лишь посредством четырех различных знаков, которые представляют собой молекулы четырех весьма схожих органических соединений, «записана» вся информация о строении биологического организма любого уровня сложности. Все что требуется, – это выстроить их в нужной последовательности.

Казалось бы, всего четыре знака для кодирования того бесконечного многообразия, из которого складывается живая природа, – это очень мало. Но вспомним, еще меньшим числом – всего тремя знаками (точка, тире, пробел) можно кодировать все буквы русского (впрочем, не только русского, но и любого вообще) алфавита, а уже с их помощью – полное содержание всех библиотек и музеев мира.

Однако мы уже могли видеть, что там, где начинается жизнь, вступают в действие более чем астрономические величины: так, например, цепочка, состоящая всего из 50 триплетов дает 2*1090 вариантов. Поэтому ясно, что даже такая коротенькая последовательность сама по себе, случайно, сформироваться не может. Тем более нечего думать о последовательностях, которые включают в себя миллионы самостоятельных звеньев.

Но если невозможна чисто случайная полимеризация, то, может быть, существуют механизмы, позволяющие автоматически отсекать какие-то заведомо неприемлемые варианты. Нельзя ли предположить, что при соблюдении некоторых условий упорядоченные последовательности нуклеотидов начинают формироваться совсем не случайно, что определенным вариантам начинает отдаваться предпочтение?

Эта проблема была сформулирована практически сразу же после расшифровки генетического кода и механизма матричного синтеза белка. Поэтому уже в шестидесятых годах нашего столетия были предложены математические модели (разумеется, очень упрощенные) таких механизмов.

Вот один из них[27].

Материалом, моделирующим синтезируемую молекулу ДНК являются шарики разного веса. Центральным звеном модели выступают обыкновенные рычажные весы, на одну из чаш которых последовательно скатываются шарики из специального накопителя. Накопитель разделен на 2 отсека; в одном из них собраны тяжелые шарики (О), в другом – легкие (о). На коромысле весов установлена специальная заслонка, которая в зависимости от обстоятельств может открывать один сектор накопителя и одновременно закрывать другой. Так, например, если чаши весов находятся в равновесии, или одна из них поднимается вверх, – открывается та часть накопителя, в которой помещены тяжелые шарики, если, напротив, эта же чаша опускается вниз, открывается другой сектор и оттуда поступает легкий шарик.

При каждом падении на чашу весов нового шарика тот, который находился на ней до того, скатывается на переходный мостик, где расположены в каком-то порядке 5 других шариков. При этом первый из них под влиянием толчка скатывается на вторую чашу весов, откуда, в свою очередь, выталкивает шарик, находившийся на ней. И вот этот последний присоединяется к уже начавшей формироваться последовательности.

Будет ли случайна последовательность шариков, которая формируется подобным механизмом? Нет, она обнаружит все признаки некоторой упорядоченности. Рассмотрим процесс поэтапно.

ООоО о оОоОО о(1)

Позиция 1 (слева расположены последние звенья формирующейся последовательности шариков; справа – весы, где крайние шарики расположены на чашах, пять средних – на переходном мостике) иллюстрирует равновесие: на обеих чашах расположены легкие шарики, а значит, по условию следующим должен выпадать тяжелый шарик. Поэтому следующий шаг (позиция 2) будет выглядеть так:

ООоОо о ОоООо О(2)

Теперь правая чаша идет вниз, и, значит, открывается заслонка, выпускающая легкий шар:

ООоОоо О оООоО о(3).

И так далее…

При непрерывной работе (и при достаточных запасах шариков в обоих отсеках) получается длинный ряд чередующихся по сложному закону шариков О и о. На первый взгляд последовательность кажется беспорядочной, однако это совсем не так. Математика говорит, что через каждые 127 шагов она должна в точности повторяться. Если в описанной модели на весах все время находится 7 шариков (два на чашах и 5 на переходном мостике), то максимальный период составляет 2^7 – 1 = 127.