Дарвинизм в XX веке - Медников Борис Михайлович - Страница 31

Годом позже Фельген с сотрудниками выделили тимонуклеин из проростков ржи. Стандартный объект для выделения «растительной» нуклеиновой кислоты — дрожжи — также содержал «животную». Обе нуклеиновые кислоты оказались общими для всего живого (кроме вирусов, но о них после). К этому времени и стали употребительными названия дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты и их сокращения: ДНК и РНК, ныне известные каждому школьнику.

На пути дальнейших исследований в этом направлении лежало бревно тетрануклеотидной теории. Убрать его удалось лишь Дж. Гулланду с сотрудниками через 10 лет после работ Белозерского. Тщательно определив содержание аденина, тимина, гуанина и цитозина в ДНК ряда объектов, они показали, что отношение их отличается от 1: 1: 1: 1.

Это стимулировало работы другого исследователя — классика химии нуклеиновых кислот Э. Чаргаффа. Чаргафф разработал методы, позволяющие определять состав ДНК и РНК в весьма малых количествах вещества (десятки граммов, по тем временам — огромный скачок; это сейчас ухитряются определять состав ДНК в кусочке отдельной хромосомы).

Чаргафф сам признает, что стремление изучать ДНК у него возникло после работ Эйвери, Мак-Леода и Маккарти, показавших, что именно она является тем самым загадочным фактором Гриффитса, изменяющим наследственность бактерий. В результате трехлетних работ его лаборатории от тетрануклеотидной теории ничего не осталось. И ДНК и РНК разных видов растений, животных и микроорганизмов оказались различными по составу. Этого мало — Чаргафф сформулировал свои знаменитые правила для ДНК, которые для будущей молекулярной биологии оказались тем же, что и эмпирические законы Кеплера для астрономии.

Именно: состав ДНК изменяется в довольно широких границах. Разумеется, мы говорим о составе, имея в виду азотистые основания — остатки фосфорной кислоты и углеводы во всех ДНК одинаковые.

Согласно Чаргаффу, сумма содержания аденина и гуанина в ДНК всегда равна сумме цитозина и тимина (А + Г = Ц + Т). Так же и содержание гуанина и тимина равно содержанию аденина и цитозина. Изменяться в ДНК мог лишь процент суммы гуанина и цитозина (% ГЦ). Состав РНК не был так жестко запрограммирован.

Правила Чаргаффа, наряду с рентгенографическими исследованиями английских физиков М. Уилкинса и Р. Франклин, дали возможность физику Ф. Крику и генетику Д. Уотсону в Кембриджской лаборатории разгадать структуру ДНК — она оказалась двойной спиралью, легко разделяющейся на две половинки. В этом строении был великий смысл: отсюда автоматически вытекала возможность самоудвоения, репликации молекулы, репликации гена. Именно этот процесс протекает в клетках при делении, и именно его предсказал Н. К. Кольцов (только он полагал, что ген — белковая молекула). Так протянулась на сто лет цепь от исследователя к исследователю; Крик и Уотсон завершили дело, начатое Мишером в лаборатории Гоппе-Зейлера. Но эстафету от Мишера к ним на протяжении века передавали друг другу Коссель и Левин, Фельген и Белозерский, Гулланд и Чаргафф; лишь наше поколение достигло цели (я хотел написать — финиша, но финиша в науке нет, есть только следующий старт).

Итак, гены оказались гигантскими, хорошо различимыми в электронный микроскоп нитевидными молекулами нуклеиновых кислот — ДНК и РНК. ДНК — генный материал подавляющего большинства организмов. В норме она двуцепочечна — это скрученная в спираль двойная нить, вернее, цепочка, структура которой поддерживается водородными связями, возникающими между смежными азотистыми основаниями нитей. При этом гуанин присоединяется к цитозину, а аденин к тимину. Г всегда столько же, сколько Ц, а А столько же, сколько Т. Из такой структуры автоматически вытекают правила Чаргаффа.

Однако ДНК не всегда двуцепочечна. Некоторые вирусы имеют одноцепочечную ДНК. В такой ДНК правила Чаргаффа не соблюдаются. У множества других вирусов в качестве генного материала выступает РНК (как двуцепочечная, так и одноцепочечная). Встречается у вирусов также и ДНК, содержащая рибозу вместо дезоксирибозы, и РНК с тимином вместо урацила.

Трудно сказать, какая из двух нуклеиновых кислот возникла первой в процессе становления жизни. На этот счет существуют разные мнения. Вернее всего, вначале было нечто среднее: икс-НК, сополимер рибоз и дезоксирибоз, который удается получить сейчас в эксперименте. Впоследствии роль главного носителя генетической информации взяла на себя ДНК по простой причине — она была более устойчива из-за отсутствия одного из гидроксилов в ее пентозе и двуспиральности. Генетическая информация закодирована лишь в одной из цепей. Вторая, комплементарная, нужна для репликации (удвоения) и репарации. Последний термин требует пояснения. Если из какой-либо цепи ДНК в результате мутационного процесса будет вырвано звено, специальные ферменты, репаразы, «исправят» разрыв, вставив основание, комплементарное к оставшемуся соседу: аденин пристроят к тимину, а гуанин — к цитозину.

Вирусы с одноцепочечными нуклеиновыми кислотами вряд ли были первыми обитателями нашей планеты. Все они — паразиты и размножаться могут только в клетках хозяев. У них нет механизмов для репликации ДНК и синтеза белковых молекул, слагающих оболочку. Все это они заимствуют у хозяев. Поэтому, быть может, справедливо мнение, что организация вирусов — результат вторичного упрощения. Они отказались от белоксинтезирующих систем как многие паразитические черви, обитающие в кишечнике, отказались от ставшей ненужной пищеварительной системы. Образно выражаясь, каждая вирусная частица подобна магнитофонной кассете с записью, а клетка, начиная с бактериальной, — целому магнитофону.

У вирусов нуклеиновые кислоты — относительно короткие цепочки. Наименьшие из известных имеют всего 1000–3000 пар звеньев. Начиная с бактерий геном существенно усложняется, хотя бактериальная ДНК также представлена одной молекулой, образующей единственную хромосому. Звеньев в ее цепи уже около трех миллионов. Бактериальные хромосомы — кольцевые, концы их состыкованы.

При делении клетки хромосома удваивается. Этот процесс осуществляет молекула фермента ДНК-полимеразы, похожая несколько на пуговицу с двумя отверстиями. ДНК-полимераза надевается на хромосому и движется по ней, пристраивая к каждой половине ДНК комплементарную ей половину. Эта реакция требует затраты энергии. Естественно, кольцо хромосомы должно при этом разорваться и потом воссоединиться, иначе дочерние кольца останутся связанными и не разойдутся по клеткам.

Каждая новая хромосома имеет одну половину от старой, а другую — синтезированную заново. Такое деление называется полуконсервативным.

Так же удваиваются гены в хромосомах высших организмов с оформленным ядром. Однако геном животных, растений и простейших устроен много сложнее, чем у бактерий, и содержит, кроме ДНК, комплексированные с нею белки. О структуре его до сих пор идут весьма оживленные дискуссии. Механизм многих явлений, наблюдавшихся издавна цитологами, пока еще остается неясным. Мы даже не знаем, состоит ли хромосома ядерных организмов из одной или нескольких молекул ДНК. На этом основании многие считают, что называть хромосомами генный аппарат бактерий неправильно, и предлагают другой термин — генофор, носитель генов. Но, в конце концов, дело не в названии.

РНК досталась не менее важная роль посредника между ДНК и белком, она же отвечает за перенос аминокислот к фабрикам белка — рибосомам и входит в состав тех же рибосом. Лишь у некоторых групп вирусов РНК переносит генетическую информацию от поколения к поколению. Трудно сказать, всегда ли гены этих вирусов были РНКовыми или же это явление вторично. Во всяком случае многие вирусы, в том числе первый из открытых — вирус табачной мозаики, отлично обходятся без ДНК.