Краткая история биологии. От алхимии до генетики - Азимов Айзек. Страница 30
Как только были выделены кристаллические вирусы, появилась возможность анализировать их химически. Конечно, они являют собой протеин, однако особую разновидность протеина. Разработка методов меченых атомов сделала возможным исследование химической природы индивидуальных субклеточных структур. Выяснилось, что хромосомы, а, следовательно, и гены, представляют собой нуклеопротеин.
Молекула нуклеопротеина состоит из протеина, связанного с несущим фосфорную составляющую веществом, известным как нуклеиновая кислота. Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 г, швейцарским биохимиком Фридрихом Майшером (1844 — 1895). Впервые эти кислоты были обнаружены в ядре клетки. Позже, когда их обнаружили и вовне ядра, было поздно переименовывать — и они сохранили свое название.
Нуклеиновые кислоты были впервые в деталях исследованы германским биохимиком Альбрехтом Кесселем (1853 — 1927), который в 1880-х годах и позже выделил из нуклеиновых кислот составляющие их блоки. Блоки включали в себя фосфорную кислоту и сахара, которые Кесселю не удалось идентифицировать. Два идентифицированных вещества с молекулами, состоящими из двойных спиралей атомов, Кессель назвал аденином и гуанином (иногда они просто именуются А и Г). Еще их называют пуринами. Кессель также открыл три разновидности пиримидинов (с одиночным кольцом атомов, включая два атома азота), которые называются цитозин, тимин, урацил.
Русский ученый, работавший в Америке, Фабус Арон Теодор Левин (1869 — 1940) продолжил разработки в 1920—1930-х годах. Он показал, что в молекуле нуклеиновой кислоты молекула фосфорной кислоты, молекула сахара и один из пуринов или пиримидинов формируют трехчленный блок, названный им нуклеотидом. Молекула нуклеиновой кислоты состоит из цепочек этих нуклеотидов, как протеины состоят из цепочек аминокислот. Нуклеотидная цепочка составлена из фосфорной кислоты одного из нуклеотидов, присоединенной к сахарной группе другого нуклеотида. Таким образом, строится «сахарофосфатный позвоночник», от которого отходят индивидуальные группы пуринов и пиримидинов.
Далее Левин показал, что молекулы Сахаров, находящиеся в нуклеиновых кислотах, бывают двух типов: рибоза (содержащие только пять атомов углерода вместо шести, как у общеизвестных Сахаров) и деоксирибоза (как рибоза, только в молекуле на один атом меньше кислорода). Каждая молекула нуклеиновой кислоты содержит только один тип Сахаров — но не оба вместе. Таким образом, различаются два типа нуклеиновых кислот: рибоксинуклеиновая кислота (РНК) и деоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Каждая содержит пурины и пиримидины только четырех разновидностей. У ДНК в составе нет урацила и имеется А (аденин), Г (гуанин), С (цитозин) и Т (тимин). У РНК в составе нет тимина, но есть А, Г, У.
Шотландский химик Александер Робертус Тодд (190-7 — 1997) подтвердил сделанные Левиным выводы в 1940-х годах синтезом различных нуклеотидов.
Поначалу биохимики не придали должного значения нуклеиновым кислотам. В каждом отдельном случае открытия ассоциаций протеина с непротеиновыми составляющими протеин считался основной частью молекулы, а непротеиновая составляющая — подчиненной. Нуклеопротеины находили в хромосомах и вирусах, однако считалось само собой разумеющимся, что нуклеино-кислотная часть является подчиненной, а протеин — самостоятельная составляющая,
В 1890-х годах Кессель сделал несколько немаловажных выводов. Клетки спермы почти полностью состоят из плотно упакованных хромосом и несут химическую субстанцию, включающую полный набор «инструкций», по которым родительские характеристики передаются следующему поколению. Однако он обнаружил, что клетки спермы содержат очень простые протеины, гораздо более простые, чем те, что находятся в тканях, в то время как содержимое нулеиновых кислот кажется аналогичным содержимому тканей. Ввиду этого более вероятно, что инструкции по наследованию заключены в неизмененных молекулах нуклеиновых кислот спермы, нежели в упрощенных протеинах, содержащихся в ней. Нуклеиновые молекулы гораздо мельче (состоят всего из четырех нуклеотидов), поэтому им гораздо проще нести генетические инструкции.
Поворотный момент наступил в 1944 г., когда группа ученых под руководством американского бактериолога Освальда Теодора Звери (1877 — 1955) вела исследования со штаммами пневмококков (бактерий, вызывающих пневмонию). Некоторые из штаммов были «гладкими» (вокруг клетки у них наличествовала капсула) — с индексом S, некоторые — «шероховатыми» (без капсулы), им присваивался индекс R.
Далее эксперимент пошел по следующему пути: к штамму без капсул прибавляли экстракт штамма S. Бескаисульные бактерии (R), которые, предположительно, не могли сами ранее вырабатывать капсулу, начинали самостоятельно выполнять эту задачу. Самый ошеломляющий вывод последовал при анализе ориентирующей на изменение физических свойств вытяжки (S): она содержала только нуклеиновые кислоты. Протеин не присутствовал в ней вообще.
В данном случае именно нуклеиновая кислота, а не протеин была генетической субстанцией. С этого момента признано, что нуклеиновая кислота является первоочередным и ключевым веществом жизни.
Начиная с 1944 г ., полностью подтвержден новый взгляд на природу нуклеиновых кислот, и ярчайшим подтверждением явилось исследование природы вирусов. Было выявлено, что наружной оболочкой вируса является протеин, а внутренним содержимым — молекула нуклеиновой кислоты. Биохимику Хайнцу Франкел-Конрату удалось расчленить эти две составляющие. При этом оказалось, что протеиновая составляющая абсолютно неинфекционна — она мертва. Нуклеиновая составляющая проявила небольшую инфекционность, однако ей не хватало для проявления своих свойств протеиновой составляющей.
Работа с радиоизотопами показала, что когда бактериофаг внедряется в бактериальную клетку, то проникает сквозь клеточную оболочку лишь нуклеиновая составляющая. Протеиновая составляющая остается снаружи. Внутри клетки нуклеиновая кислота не только привносит выработку все большего количества нуклеиновых молекул, но и протеиновых молекул для формирования оболочки, причем своего характерного протеина, а не протеина бактериальной клетки. В дальнейшем не было сомнений, что именно молекула нуклеиновой кислоты, а не протеина несет генетическую информацию.
Молекулы вирусов содержат либо только ДНК, либо только РНК, либо и то и другое. Внутри клетки ДНК находится только в генах. Поскольку гены — это блоки, несущие наследственность, значение нуклеиновых кислот сводится к значению ДНК.
После работы Звери нуклеиновые кислоты начали пристально изучать. Обнаружилось, что они представляют собой огромные молекулы. После того как выяснилось, что предыдущие методы экстракции были слишком грубыми для расщепления молекул на фрагменты, были разработаны более тонкие методики. Они показали, что молекулы нуклеиновых кислот так же велики или даже больше, чем протеиновые молекулы.
Биохимик Эрвин Шаргафф расчленил молекулы нуклеиновых кислот и подверг фрагменты сепарации методом хроматографии. Он доказал, что в молекуле ДНК число пу-риновых групп равно числу пиримидиновых групп. Число же адениновых групп (пурин) обычно равно числу тиминовых групп (пиримидин), в то время как число гуаниновых групп (пурин) равно числу цитозиновых (пиримидин). Графически можно это выразить как А=Т и Г=Ц.
Британский физиолог Морис Хью Фредерик Уилкинс применил методику рентгеновской дифракции к структуре ДНК еще в 1950-х годах, и его коллеги биохимики Фрэнсис Комптон Крик и Джеймс Деви Уот-сон разработали молекулярную структуру, полученную экспериментально Уилкинсом.
Полинг как раз разработал теорию спиральной структуры протеинов, и Крик с Уотсоном взяли ее на вооружение в отношении данных, полученных Уйлкинсом. Однако в данном случае спираль должна была получиться двойная. Ученые предположили, что «остов» спирали составляют двойные сахаро-фосфатные цепочки, закручивающиеся вокруг общей оси и формирующие цилиндрическую молекулу. Пурины и ииримидины направлены внутрь, приближаясь к центру цилиндра. Чтобы сохранить диаметр цилиндра однородным, пурин (крупная составляющая) должен прилегать к пиримидину (малая составляющая). Специфически: А прилегает к Т, а Г прилегает к Ц. Именно таким образом объясняются наблюдения и выводы Шаргаффа.