Заглянем в будущее - Семенов Николай Николаевич. Страница 27

Гемоглобин — важный белок, но вряд ли имеется в организме сколь-нибудь значительное число «неважных» белков, без которых можно было бы обойтись. Среди белков бездельников нет. Знать механизм действия каждого из них — задача, которая рано или поздно должна быть и будет решена. И ее решением будут заниматься поколения ученых, которые сейчас сидят на школьных и вузовских скамьях и которые сегодня уже в рядах армии исследователей.

До большинства белков у молекулярных биологов еще не дошли руки. А вот за гемоглобин взялись как следует. В мире существует примерно 100–200 человек, которые занимаются изучением связи структуры и свойств гемоглобина. Гемоглобин — это их профессия.

Поскольку нет преград для международных общений ученых, работающих в области структуры и свойств гемоглобина, — это вещество не взрывчато и в качестве материала для атомной бомбы не подходит, люди, занимающиеся одной проблемой, тянутся друг к другу. Им не приходится рыться в журналах для того, чтобы найти статьи друг друга. Они часто встречаются на симпозиумах и конференциях, ведут активную переписку и, таким образом, всегда в курсе последних событий.

Эта международная коллективность работы является характерной приметой сегодняшних фундаментальных (или, как говорят на Западе, «чистых») наук.

Не приходится и говорить, сколь дотошно знают эти 100–200 человек свой предмет. Не так давно мне пришлось присутствовать на докладе, посвященном гемоглобину. Докладчик помнил наизусть, какой аминокислотный остаток расположен за каким. «Обратите внимание, — говорил он, — вот на это место молекулы гемоглобина. Здесь расположен триптофан номер 93, вот здесь, где 48-й остаток сопряжен с 54-м, основная цепь молекулы изгибается…» Рассказ о молекуле гемоглобина шел в тех же тонах и был похож на рассказ географа, прожившего с десяток лет на крошечном острове, где он изучил расположение каждой кочки и толщину ствола каждого дерева.

Нет никакого сомнения, что, «навалившись» таким образом на гемоглобин, это дружное интернациональное общество откроет в течение ближайших лет все секреты его деятельности. А затем отправится на штурм других белков так, как это делает группа строителей, построившая Братскую ГЭС и отправляющаяся после этого на Усть-Илим.

Можно допустить, что, изучив в деталях связь структуры, форму завитков всех белков с их функцией в организме, наука составит рецепты подправки скверно работающих молекул.

Однако представляется более вероятным, что через несколько десятилетий научная медицина будет заниматься исправлением директора клетки — молекулы ДНК. Эта молекула занята фабрикацией белков. Так что вместо того, чтобы подправлять недоброкачественную продукцию, выпускаемую заводом, не лучше ли заменить его директора и парк машин и автоматов?..

Структура молекулы ДНК — дезоксирибонуклеиновой кислоты — была скорее угадана, чем экспериментально найдена. Авторы этого замечательного открытия Д. Уотсон и Ф. Крик широко пользовались сведениями из родственных областей — химии, генетики, кристаллографии. Разумеется, без эксперимента они не смогли бы обойтись. Но тем не менее можно без преувеличения сказать, что они придумали двойную спираль, а когда придумали, то сразу же увидели, как легко и непринужденно эта модель объясняет все известные факты. Такая изящная гипотеза не могла оказаться неверной. И не оказалась. Серия исследований, последовавших за работой Д. Уотсона и Ф. Крика, показала безошибочность модели двойной спирали.

Молекула ДНК командует живым организмом. Она выполняет две функции. Во-первых, служит матрицей для синтеза другой тождественной молекулы ДНК — это процесс, лежащий в основе деления клетки. Во-вторых, ДНК фабрикует белки. Эту операцию она выполняет в две стадии. Молекула ДНК матрицирует молекулы РНК (рибонуклеиновой кислоты), а уж эти молекулы по кусочкам изготовляют разные белки.

Молекула ДНК ответственна за передачу наследственных признаков. Значит, молекула ДНК — это и есть ген? Нет, не так. Генами являются участки молекулы ДНК. Но об этом чуть позже.

Какому главному условию должна удовлетворять молекула, ответственная за передачу наследственности? Принципиальный ответ на этот вопрос был дан еще в 1945 году одним из первооткрывателей квантовой механики Э. Шредингером в своей маленькой книжке «Что такое жизнь?», которая оказала огромное влияние на тех, кто через десятилетие стал называть себя молекулярными биологами. Э. Шредингеру было ясно, что молекула, ответственная за передачу наследственности, должна быть апериодическим кристаллом. Сочетанием этих двух слов, звучащих примерно как «сладкая горечь», поскольку периодичность является признаком кристалла, Э. Шредингер хотел подчеркнуть, что ген должен каким-то образом (каким именно, он не имел представления) сочетать в себе упорядоченность с беспорядком.

Упорядоченность необходима по той причине, что имеется огромное множество одинаковых генов, входящих в состав разных клеток. Но строгий порядок несовместим с идеей хранилища наследственной информации. Упорядоченная система может быть описана десятком, ну сотней параметров, что свидетельствует об информативной бедности ее. Мы не можем послать сколько-нибудь содержательную телеграмму при помощи одних точек, или одних тире, или точек, регулярно чередующихся с тире.

Напротив, система, в которой точки и тире следуют друг за другом в произвольной последовательности, имеет неограниченные возможности для передачи информации.

До того как Д. Уотсон и Ф. Крик приступили к работе, уже было известно, что молекула ДНК представляет собой длинную цепь с боковыми привесками четырех типов. Эти привески, называемые нуклеотидами, суть тимин, цитозин, аденин и гуанин. Первые два привеска поменьше размером, хоть и разные, но очень похожи друг на друга. Два других, побольше, также отличаются друг от друга совсем незначительно.

Незадолго до того, как два будущих нобелевских лауреата приступили к своему поиску, химики стали подозревать, что нуклеотиды молекул ДНК разных особей следуют друг за другом в разном порядке. Длинная молекула, в которой похожие друг на друга, но все же разные нуклеотиды расположены в произвольном порядке, вполне соответствует идее Э. Шредингера об апериодическом кристалле.

Молекула ДНК простейшей бактерии имеет огромную длину. Число привесков измеряется 6 миллионами. Нетрудно прикинуть, что с помощью 6 миллионов слов четырехбуквенного алфавита мы сможем составить книгу объемом в 3 тысячи страниц. Так что концы с концами сходятся великолепно. Трех тысяч страниц вполне хватит, чтобы обрисовать во всех тончайших деталях строение бактерии.

Задачей Д. Уотсона и Ф. Крика являлось придать идее длинной апериодической молекулы конкретные черты и предложить такую модель, которая объяснила бы две основные функции молекулы ДНК — репликацию, то есть способность производить свои копии, и производство молекул белка, строго специфичных для каждого организма.

Д. Уотсон и Ф. Крик показали, что при сближении двух молекул ДНК существует лишь единственный удобный способ сплетения в одно целое двух тождественных молекул. Оказалось, что маленькому привеску тимину удобно подойти к большому аденину, а маленькому привеску цитозину удобно подойти к гуанину.

Природа пошла по пути механика, изготовляющего замок. Замок открывается лишь тогда, когда все выступы ключа попадут в соответствующие впадины замка. Так же точно существует единственная возможность сплетения молекул в двойную спираль: маленькие привески играют роль скважин, а большие — выступов ключей. Достаточно в одну из спариваемых молекул внести изменения, как свивание в двойную спираль станет невозможным.

Принцип «ключ-замок» непредвзято объясняет деление клеток. Двойная спираль расплетается, и каждая из половинок «собирает из имеющегося сырья» вторую молекулу, тождественную родительской.