Поиск и изучение нуклеиновых кислот

 

Проблемой нуклеиновых кислот занимался еще в 1868 году швейцарский химик Ф. Мишер, открывший в клетках гноя особое вещество, названное им «нуклеином», поскольку оно встречалось исключительно в клеточном ядре (nucleus – ядро). Это была ДНК. Она находится в каждой из двух биллионов клеток человеческого организма и в клетках всех прочих организмов. Мы знаем также, что ДНК присутствует и в некоторых бактериофагах и вирусах. Спустя 30 лет в клетках дрожжей открыли другую нуклеиновую кислоту, ее мы теперь сокращенно обозначаем РНК.

Во всех клеточных ядрах организма (фото 47) количество ДНК всегда одинаково.

ДНК – длинная макромолекула, основными структурными элементами которой являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из 29–35 атомов. Нуклеотид построен из трех структурных элементов: органического основания, углевода и фосфорной кислоты. Углевод, который в ДНК называется дезоксирибозой, и фосфорная кислота во всех нуклеотидах одинаковы; органических оснований в нуклеотидах несколько: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) или цитозин (Ц).

РНК отличается от ДНК тремя основными особенностями: вместо дезоксирибозы содержит близкий к ней сахар – рибозу; вместо тимина (Т), присутствующего только в ДНК, – урацил (У), и наконец, в отличие от ДНК, являющейся двойной цепью, напоминает простую длинную цепь, в которой нуклеотиды расположены последовательно в ряд. До сих пор в этом отношении известно только единственное исключение – бактериофаг с шифром ØX174 имеет ДНК в виде простой, а не двойной цепи.

Простая цепь РНК состоит из чередующихся молекул рибозы и остатков фосфорной кислоты, причем к каждой молекуле рибозы перпендикулярно оси цепи присоединяется одно из четырех нуклеотидных оснований – У, Г, Ц или А. Часть молекулы РНК изображена в виде следующей схемы:

 

где Р означает рибозу, Ф – остаток фосфорной кислоты, У, Ц, А и Г – различные нуклеотидные основания.

Изучение структуры ДНК продолжалось долгие годы начиная с 20‑х годов, когда о ДНК было известно примерно столько же, сколько мы сейчас рассказали.

В начале 50‑х годов профессор Е. Чаргафф и его коллеги установили, что в молекуле ДНК определенно взаимосвязаны два спаренных основания, причем всегда аденин с тимином (А – Т), а гуанин с цитозином (Г – Ц). Количественные отношения между этими парами в молекуле ДНК одного и того же биологического вида всегда постоянны, но различаются у разных видов. Чем более родственны виды между собой, тем более сходны и количественные отношения этих пар в ДНК и наоборот, чем меньше родства между видами, тем эти отношения менее сходны.

Приблизительно в это же время американский биохимик Л. Полинг исследовал вместе со своим сотрудником Р. Кори структуру белка. Они установили, что полипептиды (ряды связанных в цепи аминокислот) образуют некоторое подобие спирали, так называемую α‑спираль.

Вскоре после этого англичанин М. Уилкинс и другие исследователи доказали, что и макромолекулы ДНК имеют такую же спиральную структуру. Американец Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик на основании этих и других данных построили структурную модель молекулы ДНК. За эту, по существу, новаторскую работу Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены в 1962 году Нобелевской, премии по медицине и физиологии. Уотсон и Крик в своей модели наглядно изобразили структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали. Внешние витки этой макромолекулы образуют цепи, в которых закономерно чередуются молекулы дезоксирибозы (Д) и фосфорной кислоты (Ф). Цепи как бы намотаны на внутренний «цилиндр», состоящий из спаренных оснований А – Т и Г – Ц. С наружной стороны основания присоединены к дезоксирибозе другой цепи. Между собой основания связаны водородными мостиками, известными по многим другим соединениям. Внутреннюю организацию молекулы ДНК можно изобразить следующей схемой:

 

Обе цепи обхватывают внутренний цилиндр так, что их витки всегда находятся на его противолежащих сторонах. Каждый поворот цепей на 360° размещает новые 10 пар нуклеотидов. Модели молекул ДНК с их двойными спиралями наглядно изображены на прилагаемом рисунке.

Количество нуклеотидов в ДНК возрастает с усложнением организмов. Бактериофаги содержат в своих молекулах ДНК около 5000–10 000 нуклеотидов, но у бактерий их уже около 5 000 000. Каждая клетка человеческого организма содержит до 800 000 молекул ДНК, и в каждой из них имеется около 40 000 нуклеотидов.

 

ДНК в роли диктатора

 

Мы уже упоминали, что ДНК как «трансформационный фактор» изменяет наследственные свойства пневмококков. Мир микробов представляет нам все больше свидетельств того, что ДНК является генетическим материалом клетки, управляющим тысячами происходящих в ней химических реакций. Эти реакции направлены на сохранение и размножение клеточных структур. Деятельность ДНК, таким образом, тесно связана с размножением и наследственностью.

Вопросами передачи наследственных свойств от поколения к поколению занимается генетика, давно установившая, что главным органом, «ответственным» за эту передачу, является клеточное ядро, хотя в последнее время стала известна немалая роль в этих процессах и самой цитоплазмы. Эта ответственность за передачу наследственных свойств сосредоточена в ядре, в образованиях, которые называются хромосомами (фиг. V и VI). Позднее генетики доказали, что носителями тех или иных характерных особенностей организма, передающихся из поколения в поколение, являются определенные участки хромосом, ген ы. С генами тесно связана и способность клетки осуществлять определенные химические реакции. Как же работают гены и какова их сущность? Долгое время для ученых это оставалось загадкой.

 

 

Модель двойной спирали ДНК. Внешние цепочка возникают соединением остатков дезоксирибозы (пятиугольники на правых схемах) с остатками фосфорной кислоты. «Мостики» между остатками дезоксирибозы образуются соединением двух пар А – T и Г – Ц.

 

В 40‑х годах начался период «химизации» генетики. Два американских генетика, Дж. Бидл и Э. Тейтем, экспериментально показали, что возникновение и активность каждого фермента в клетке контролируется определенным геном; их теорию характеризует утверждение «один ген – один фермент». Это было еще одним шагом к познанию генов, которые в то время считали белками.

Через некоторое время пришло открытие химического состава «передаточного начала» бактерий, и генетики уточнили свое представление о генах. Их стали считать нуклеопротеидами, то есть сложными соединениями ДНК с белком.

В процессе митоза, когда клетка подготавливается к делению на две новые, с хромосомами происходят удивительные превращения. Каждая хромосома делится вдоль на две части, и обе части попадают в ядра двух новых, дочерних клеток. Таким образом, обе клетки получают поровну тот генетический материал, количество которого в материнской клетке перед митозом (в так называемой интерфазе) удвоилось. Но поскольку генетический материал содержит ДНК, очевидно, что и ее количество увеличилось в два раза. В настоящее время это уже достоверно доказано.

Но если ДНК является химическим носителем наследственности, как сейчас принято считать, то перед нами неизбежно встают новые вопросы. Как именно «закодированы» в молекуле ДНК эти наследственные особенности? Каким образом обеспечивается постоянство этого «кода» из поколения в поколение?

 

Генетический алфавит

 

Авторы модели ДНК представляют систему «кодирования» следующим образом: различные свойства ДНК в разных организмах объясняются различием в составе нуклеотидов в ее молекуле. Нуклеотиды, по их мнению, являются своего рода генетическим алфавитом, при помощи которого в ДНК «химическим почерком» закодированы наследственные особенности организма. А поскольку ДНК содержит по меньшей мере несколько тысяч нуклеотидов, возникают неограниченные возможности комбинаций во взаимном чередовании и порядке пар А – Т, Г – Ц в ее молекуле. Каждая новая комбинация придает новые свойства ДНК.

Молекулы ДНК в клетке, поясняют далее Дж. Уотсон и Ф. Крик, способны к «самовоспроизведению» (редупликации) с сохранением постоянного расположения нуклеотидов. Мы знаем, что внутренний «цилиндр» молекулы ДНК состоит из пар оснований А – Т и Г – Ц, соединенных между собой водородными связями. Редупликация молекул ДНК может идти следующим образом. Водородные связи между парными нуклеотидами на одном конце молекулы постепенно начинают прерываться и обе спиральные цепи ДНК «разматываются», освобождаясь друг от друга. Такая развернувшаяся цепь удерживается связями между остатками молекул дезоксирибозы и фосфорной кислоты, «выставив» перпендикулярно оси свои основания. В окружающей среде находятся синтезированные клеткой свободные нуклеотиды, которые могут входить в реакцию со свободными основаниями развернутой цепи ДНК. Но к каждому основанию может приблизиться и соединиться с ним только нуклеотид, имеющий парное, «дополняющее» основание. Это значит, что к развернутой цепи начнет присоединяться другая, недостающая цепь ДНК, причем точно такая, какая была в другой половине макромолекулы и отделилась, чтобы подобным же образом извлечь из среды то, чего ей недостает до полной молекулы ДНК. В результате этих процессов образуются две молекулы ДНК, каждая из которых имеет половину материнской молекулы, дополненную вновь синтезированной. Дочерние молекулы становятся, таким образом, точной копией материнской ДНК. При этом сохраняется и состав генетического материала.

Здесь мы должны, однако, предупредить читателя, что то, о чем он только что прочел, было всего‑навсего гипотезой Уотсона и Крика о редупликации ДНК. Вы можете справедливо заметить, что правильность гипотез должна быть доказана экспериментально.

Описанную гипотезу подтвердил американский биохимик А. Корнберг, которому удалось открыть полимеразу ДНК – фермент, участвующий в процессе редупликации. Получив из клеток кишечных бактерий Escherichia coli ДНК и фермент, он соединил их в пробирке, добавив туда же смесь соответствующих нуклеотидов. Через некоторое время количество ДНК в пробирке значительно увеличилось, причем были использованы присутствующие в среде свободные Нуклеотиды. За свое открытие он получил в 1959 году Нобелевскую премию по физиологии и медицине. Эту премию разделил с ним профессор С. Очоа, открывший независимо от Корнберга фермент – полимеразу РНК, которая синтезирует рибонуклеиновую кислоту. Совсем недавно Корнберг обнаружил еще один фермент, участвующий в синтезе ДНК, и назвал его фосфатазой ДНК.

 

 

Модель редупликации молекулы ДНК. К развернутым цепочкам (вверху) присоединяются дополнительные цепочки того же состава, что и в материнской молекуле.

 

Гипотезу о редупликации ДНК подтвердили в 1958 году М. С. Месельсон и Ф. Сталь. Они культивировали бактерии Е. coli в жидкой питательной среде, содержащей вещества с радиоактивным азотом ¹⁵N. ДНК этих бактерий оказалась потом «меченной» радиоактивным элементом всюду, где в ее макромолекулах содержится атом азота. Затем ученые культивировали бактерии в жидкой питательной среде, содержащей нерадиоактивный азот ¹⁴N. При выращивании бактерии размножались, и можно было наблюдать, как радиоактивный азот ДНК равномерно распределялся по дочерним молекулам ДНК. В каждой последующей генерации бактерий отмечалась половинная радиоактивность ДНК по сравнению с предыдущей. Иначе говоря, при каждой редупликации ДНК радиоактивность материнской макромолекулы равномерно распределялась в двух дочерних макромолекулах, которые создавали недостающие им цепи, привлекая для этого нуклеотиды с нормальным азотом.