Неподвластно оно ювелирам,
модельерам удастся едва ль
переделать гармонию мира —
ДНК, завитую в спираль.
Две цепочки закручены ловко,
совершенна материи суть,
в двухцепочечной экипировке
закодирован жизненный путь…
Светлана Кабанова
Разве можно быть мудрой, имея такое сложное строение? Мудрой можно быть всегда, если очень захотеть. А разве уж такое сложное строение нашей красавицы-ДНК? Строение окажется простым, если разобраться, из каких составных частей оно состоит. Поможет нам в этом расшифровка аббревиатуры ДНК — дезоксирибонуклеиновая кислота. Первая часть «дезоксирибо-» происходит от одноименного названия «дезоксирибозы», или углеводного остатка (одного из видов сахаров), соединенного химически и фонетически со второй частью названия — «нуклеиновая кислота». Что такое «нуклеиновая» и что такое «кислота»?
Основная часть ДНК живых организмов находится в ядре клетки, поэтому название кирпичиков, строительных блоков ДНК — нуклеотидов, а также ее собственное название «нуклеиновая» произошли от латинского слова «nucleus» (ядро). Логично, не правда ли, дорогой читатель?
«Но при чем здесь кислота? — спросите вы. — Разве в ядре клетки может находиться кислота, которая разъедает всё вокруг?» Вы правы, такой вопрос необходимо было задать. Ответ на него, тем не менее утвердительный — да, это кислота! Кислый вкус и едкие свойства любых кислот обусловлены их способностью образовывать в водных растворах так называемые ионы гидроксония, обозначаемые в химии H3O+. Этим же свойством обладает и ДНК, но поскольку масса ее молекулы очень велика, а количество получаемых ионов гидроксония несоизмеримо мало, то ДНК является слабой кислотой, которая не способна разъедать свое окружение.
Что же представляют собой строительные блоки пусть химически слабой, но, тем не менее, жизненно важной для нас дезоксирибонуклеиновой кислоты? Каждый нуклеотид состоит из трех взаимосвязанных звеньев: 1 — одного из азотистых оснований с изящными названиями: аденин, тимин, гуанин и цитозин; 2 — упомянутого ранее сахара дезоксирибозы и 3 — фосфатной группы (остатка фосфорной кислоты). Мудрая матушка-природа постаралась соединить ну-клеотиды между собой так, чтобы в результате получилась удивительная двух цеп очечная спираль, уникально закрученная вокруг своей оси.
Как же образуются длинные цепочки ДНК? Ключевую роль в этом играют дезоксирибоза и фосфатная группа, соединяясь в названные в их честь сахарофосфатные цепи. Результат этой коммуникации вы можете увидеть на рисунке, где бежевым прямоугольником выделен нуклеотид, голубыми пятиугольниками обозначены молекулы дезоксирибозы (углеводные остатки), а черными латинскими буквами "Р" — остатки фосфорной кислоты.
Азотистым основаниям, как вы правильно предположили, предусмотрена роль другого порядка: с помощью химических связей, именуемых водородными, они соединяют две цепочки ДНК друг с другом. Необходимо отметить, что в поиске партнеров азотистые основания проявляют жуткий консерватизм: аденин образует водородные связи только с тимином, а гуанин — только с цитозином. В результате образуются «верные» супружеские пары, называемые комплементарными (от лат. «compleraentum» — дополнение). Водородные связи (Н-связи) на рисунке изображены желтыми пунктирными линиями. Азотистые основания на этом рисунке обозначены по начальной букве: А — аденин; Т — тимин; Г — гуанин; Ц — цитозин.
Пространственное изображение комплементарных пар азотистых оснований вы можете увидеть на втором рисунке, где бирюзовым цветом обозначены цепи ДНК, красным и зеленым — пары «аденин-тимин», а синим и желтым — пары « гуанин-цитозин ».
Итак, модная химическая завивка цепям (нитям) ДНК сделана. Получилось красиво, не правда ли? Однако кроме внешней красоты, комплементарность пар азотистых оснований является основой главной функции ДНК — хранения и передачи наследственных признаков.
Как же происходит реализация генетической программы из поколения в поколение? Об этом мы с вами поговорим в следующий раз, а сейчас мне хотелось бы представить ученых, без фундаментальных открытий которых мы не смогли бы сейчас любоваться безукоризненными завитушками ДНК.
Прежде всего следует упомянуть имя швейцарского врача и физиолога, профессора Базельского университета Иоганна Фридриха Мишера (Johannes Friedrich Miescher). В 60-е годы XIX века в биохимические лаборатории при Тюбингенском университете стремились попасть начинающие ученые со всего мира. В их числе был Иоганн Фридрих Мишер, который в одной из таких лабораторий исследовал химический состав клеток гноя. Специфика работы была такова, что молодой человек должен был ежедневно соскребать большое количество гноя с бинтов, которые ему доставляли из местных больниц. Чтобы облегчить этот изнурительный труд, Мишер решил попробовать не соскребать, а растворить, смыть гной с повязок. Окунув однажды бинты с гноем в раствор соляной кислоты и пепсина (белка, расщепляющего пищу), Мишер обнаружил, что клетки растворились, но не полностью. В жидкости лопнувших клеток плавали белые крупинки. Ядро! — догадался ученый — Nucleus! Это действительно были ядра, а вещество, находившееся в ядрах, Фридрих Мишер назвал нуклеином. Так скромно, в тиши лаборатории, располагавшейся над изящным сводом арки в старинном замке, в 1869 году произошло открытие ДНК.
Современное название нашей героине было дано практически сразу. Фридрих Мишер вскоре определил, что она обладает кислотными свойствами, и назвал ее «нуклеиновая кислота». Но до установления структуры и функции ДНК коллегам Мишера пришлось преодолеть почти столетний путь неустанных поисков, разочарований, надежд и успехов. В ДНК долго пришлось убеждать сомневающихся и доказывать, что именно она играет главную роль в клетке и в организме — роль генетической матрицы, на которой записаны программы развития и функционирования всего живого. Обстоятельства складывались так, что вначале ученые не принимали ее всерьез, считая лишь возможным резервуаром фосфора или азота. Роль носителей генетической информации в то время отводилась белкам. Незаслуженно «обиженной» ДНК оставалась до 1952 года, когда на основании результатов блестящего эксперимента, проведенного американскими исследователями Алфредом Дей Херши (Alfred Day Hershey) и Мартой Чейз (Martha Chase), было убедительно доказано, что генетический код находится в ДНК, а не в белках.
Как это было сделано? В качестве объекта исследования был взят один из бактериофагов — вирусов, поражающих клетки бактерий. Удобство заключалось в том, что структура выбранного бактериофага Т2 к тому времени уже была определена: он состоит из молекулы ДНК, покрытой снаружи белковой оболочкой. Какая удобная модель, не правда ли? Никаких лишних компонентов, только ДНК и белки, роль которых в жизнедеятельности клетки и планировалось установить. Ученым было также известно, что в ДНК содержится фосфор, а в некоторых белках — сера. Учитывая эти факты, Херши и Чейз предположили, что хранителем наследственной информации будут те молекулы, которые окажутся воспроизводимыми непосредственно в клетке бактерии, инфицированной бактериофагом Т2. А как же наглядно определить, какая из составляющих, белки или ДНК, бактериофага Т2 воспроизводится в зараженных бактериальных клетках? Для этого на помощь ученым пришли радиоактивные метки или маркёры. В качестве радиоактивных меток для ДНК бактериофага Т2 Херши и Чейз использовали изотопы фосфора-32, для метки белков — серу-35.
Исследователи предположили, что если носителем наследственной информации является ДНК, то в клетках бактерий, зараженных бактериофагами Т2, будет обнаружен фосфор-32. Если же роль хранителя генетического кода в живых организмах играют белки, то в инфицированных бактериях должна присутствовать сера-35. Что же получилось? Бактериофаг Т2 сбрасывал свою белковую оболочку с серой-35, а затем проникал в клетку бактерий и встраивал свою ДНК с радиоактивным фосфором-32 в ДНК бактериальной клетки-хозяина. Далее клетки инфицированных бактерий вынуждены были терпеть тот факт, что ДНК бактериофага Т2 не просто находится встроенной в их ДНК, но и при этом на правах паразита запускает внутри них высокоскоростную машину синтеза полноценных бактериофагов Т2 с новой белковой оболочкой. Но в белковой оболочке новообразованных бактериофагов Т2 не оказалось серы-35. Следовательно, белки бактериофагов Т2 были построены с использованием ресурсов только бактериальной клетки-хозяина, изначальные же белки бактериофага, помеченные серой-35, оказались здесь ни при чем. В противоположность этому, фосфорная радиоактивная метка была найдена в зараженных бактериофагом Т2 клетках бактерий. Следовательно, генетическая информация находится в ДНК, а не в белках. Всё гениальное, действительно, просто!
Интересно отметить, что за свои фундаментальные труды Алфред Херши в 1969 году стал обладателем Нобелевской премии по физиологии и медицине. Однако не за вышеуказанную бесспорную реабилитацию ДНК и подтверждение ее главной роли в наследственности, а за открытие генетической структуры вирусов, что также является поворотным событием в истории биологии.
«А почему же не была дана высокая оценка открытию генетической функции ДНК?»
— спросите вы. Ответ положительный: дана, но другим ученым, потому что Нобелевская премия не может присуждаться дважды одному и тому же человеку по одной и той же дисциплине.
Поскольку XX век явился началом фундаментального переворота в биологии, то у экспертов из Нобелевского комитета были основания присматриваться ко многим ученым, занимающимся изучением структуры и свойств ДНК. Вначале их внимание привлек американский биохимик российского происхождения Фибус Левин (Phoebus Levene), который в 20-х годах ХХ-го века путем химического анализа установил, что ДНК состоит из известных нам дезоксири-бозы, азотистых оснований и фосфатной группы.
Однако факт установления структуры ДНК без объяснения механизмов ее действия высокому жюри оказался недостаточным. Поиски кандидатов на престижнейшую премию были продолжены и вскоре увенчались успехом. Первым из ее будущих лауреатов оказался известнейший американский ученый, «истинный гений» по словам Эйнштейна, Лайнус Карл Полинг (Linus Carl Pauling), который несомненно заслуживает того, чтобы рассказать о нем подробнее. Итак, Лайнус Полинг пророчески предположил, что наша героиня имеет структуру двойной спирали. Но как и в случае с Алфредом Херши, Лайнус Полинг не получил Нобелевскую премию за это открытие. Возможно, сказался тот факт, что по иронии судьбы ученый не смог присутствовать на научной конференции в 1953 году в Лондоне, где были продемонстрированы рентгеновские снимки ДНК. Но поскольку Полинг обладал широчайшим диапазоном научных интересов, неполный список которых включает в себя квантовую механику, кристаллографию, минералогию, иммунологию, структурную химию и эволюцию, то в 1954 году за работы по теории химической связи ему присудили первую Нобелевскую премию по химии. Первую? Да, потому что вторую. Нобелевскую премию мира Лайнус Полинг получил в 1962 году за свою активную гражданскую позицию, направленную против распространения ядерного оружия. Пока существуют в мире только два человека, являющихся дважды лауреатами Нобелевской премии: Мария Склодовская-Кюри и Лайнус Карл Полинг.
Итак, научной мысли осталось совсем немного: суммировать имеющиеся знания химической и пространственной структуры ДНК и подтвердить их экспериментально. В 1953 году это было сделано и представлено на упомянутой выше научной конференции в Лондоне. Человечество, наконец, узнало, как устроена загадочная, многоуровневая, интеллигентная молекула ДНК! «За открытия, касающиеся молекулярной структуры нуклеиновых кислот и их значения для передачи информации в живых системах» — так компактно охарактеризовал суть исключительного для биологии открытия Нобелевский комитет, присуждая в 1962 году американскому биологу Джеймсу Дьюи Уотсону (James Dewey Watson), британскому врачу Фрэнсису Крику (Francis Crick) и физику Морису Фредерику Уилкинсу (Maurice Frederick Wilkins) Нобелевскую премию по физиологии и медицине.
Хотелось бы отдельно упомянуть имя талантливой коллеги Мориса Уилкинса, женщины-биофизика Розалинд Франклин (Rosalind Franklin). Полученные ею рентгенограммы отличались особой четкостью и также были использованы Уотсоном и Криком в качестве доказательной базы спиралевидной структуры ДНК. К сожалению, Розалинд Франклин безвременно ушла из жизни в 1958 году, поэтому и не была включена в список нобелевских лауреатов 1962 года: Нобелевскую премию не присуждают посмертно.
Что изменило открытие пространственной структуры и генетической функции ДНК? Оно ознаменовало переход от биологии экспериментальной к биологии прикладной. Началась эра генной инженерии, биотехнологии, выделения и клонирования отдельных генов и целых организмов.
Не навязчиво и постепенно
ДНК нам расскажет о том,
как работают слаженно гены.
Вы довольны их скромным трудом?
Светлана Кабанова
Как вы догадались, крупнейшим открытием XX века является не только установление Уотсоном и Криком двуспиральной модели ДНК, но и предположение этими учеными механизма хранения и копирования генетического материала. Гипотеза Уотсона и Крика вскоре многократно подтвердилась, и теперь любой учебник биологии гордо пестрит рисунками, демонстрирующими раскручивание двойной спирали ДНК и дальнейшую судьбу ее цепочек при синтезе белков и делении клеток. Более детально рассмотрением этих вопросов мы займемся чуть позже, а пока хотелось бы сфокусировать внимание на детях ДНК, ее участках, очень разных, иногда непохожих друг на друга, но выполняющих жизненно важные функции, без которых никто из нас не мог бы существовать — генах.
Действительно ли гены — это однообразные чередующиеся участки ДНК или среди них есть своя иерархия? Существуют ли гены-начальники и гены-подчиненные? Когда гены действуют сообща и когда — поодиночке? Что такое «генетические паразиты»? Могут ли у интеллигентной ДНК быть непослушные дети? Об этом мы поговорим в следующий раз.
источник: д-р Светлана Кабанова "Её величество ДНК" «Partnеr»№ 9(192)/2013
