ДНК – история открытия. Как открыли днк Структура днк была впервые установлена

08.04.2015 13.10.2015

Открытие ДНК или нуклеиновых кислот, позволило вывести молекулярную биологию и медицину на совершенно новый уровень, их роль в нашем организме сложно переоценить. Благодаря этим веществам существует понятие наследственности, именно они передают ряд признаков из поколения в поколения. Также биосинтез белков, который происходит в любом организме, абсолютная заслуга нуклеиновых кислот.

Что собой представляют нуклеиновые кислоты?

Существует два типа этих веществ, дезоксирибонуклеиновая кислота, больше знакома как ДНК, она несёт всю генетическую информацию. Второй тип - это рибонуклеиновая кислота или РНК, в её функции входит перенос и временное хранение всё той же генетической информации. Устроены ДНК и РНК по одному принципу, по своему химическому составу их называют двойняшками, но они не являются близнецами, так как отличия у них имеются. Они оба представляют собой сложные полимерные молекулы, состоящие из нуклеотидов, отдельных звеньев, но главное отличие их в углеводном компоненте, у ДНК сахар - дезоксирибоза, а у РНК - рибоза. Форма ДНК известна как жёсткая спираль, состоящая из двух цепей, а РНК чаще выглядит как сложный клубок, иногда может сформироваться в виде спирали из цепочек. Сегодня известно понятие нуклеиновой кислоты, а ещё чуть более полувека назад о подобных названиях никто не слышал.

К истокам открытия

Во многих научных изданиях, посвящённых истории ДНК, встречаются имена английского физика Френсиса Крика и американского биолога Джеймса Уотсона. Да, им действительно удалось в 1953 году разгадать тайну строения молекулы и они вошли в историю, но изначально открыта она была значительно раньше, молодым и неизвестным врачом из Швейцарии - Фридрихом Мишером, в далёком 1869 году.

Открытие Мишера

Врач отправился в Германию для написания своей диссертации, где ему поручили разобрать химический состав гноя. Работой Мишер остался доволен, он считал, что лейкоциты, входящие в состав гноя являются элементарными клетками.
Процесс исследования молодого учёного заключался в помещении бинтов с содержанием гноя, полученных из местной больницы, в солевой раствор, в котором лейкоциты отделялись от ткани и осаждались на дно сосуда. После чего полученный осадок, он помещал в щелочную среду, где он должен был раствориться, но каково было его удивления, когда полученное вещество осталось в прежнем состоянии, несмотря на воздействие специальных ферментов. Мишер стал интенсивнее изучать полученные ядра, то, что это были именно они, он не сомневался, хотя до его открытия биохимические лаборатории не занимались подобными экспериментами. Открытием врач поделился с наставником и владельцем лаборатории Гоппе-Зейлером, к исследованию подопечного, профессор отнёсся скептически. Он не любил поспешных выводов и не торопился озвучивать новое открытие. Гоппе-Зейлер вместе с российским химиком Любавиным, работающим в его лаборатории, скрупулёзно изучали работу Мишера, и им удалось получить нуклеин из клеток крови и дрожжей. И тогда, об открытии в 1871 году узнали массы и оно вошло в историю.

Сплетение наук ради совместной цели

Проблемой того времени стало непонимание важности открытия, была выдвинута гипотеза о том, что нуклеиновые кислоты отвечают за генетическую предрасположенность, но позже от неё отказались. Понадобилось ещё полвека, чтоб вновь доказать факт существования связи. Учёных не переставал мучить вопрос, почему дети имеют сходства с родителями, какой секрет этого феномена? Вот тогда к открытию Мишера вернулись Уотсон и Крик, для решения столь важного вопроса были сплетены разные науки:

• физика;
• химия;
• биология;
• медицина;
• даже математика.

Каждый из учёных смотрел на нуклиды со стороны своей науки, но ради общего благого дела они объединились. Химикам удалось
узнать состав молекулы ДНК, физики определили, при помощи рентгена, что она имеет форму спирали с двумя цепочками, а биолог Уолтсон помог разобраться в парности веществ входящих в её состав. Он определил, что ДНК состоит из определённых элементов, и они притягиваются, тимин соединяется с аденином, а цитозин с гуанином. Эти частицы стали означать буквами А, Т, Г и Ц. При этом цитозин склеивается только гуанином, соответственно их количество должно быть одинаковым между собой, а тимин с аденином по аналогичному принципу. После сопоставления всех факторов Крик и Уотсон вместе начали строить модель ДНК из молекулярного конструктора, элементами которого послужили атомные шарики, работу проделали для того, чтоб разобраться с принципом действия молекулы. Условно «размотав» спираль из ДНК, получатся отдельные цепочки, которые способны достроить себе подобную и обратно склеиться между собой (А с Т, Г с Ц), где был один ген становится два и так далее. Таким образом, была разгадана теоретическим путём тайна генов и 25 апреля 1953 года была опубликована первая информация о загадочной молекуле ДНК. Уже через несколько лет была выведена новая наука физико-химическая или молекулярная биология.

Роль ДНК в жизни человека

Точно доведёнными являются несколько функций этой молекулы:

• она является носителем генетического кода;
• функция репликации позволяет передавать генетическую информацию в разные поколения клеток;
• реализация информации происходит через белки, а ДНК участвует в их транскрипции или ещё называют этот процесс трансляции.

Помимо основной наследственной или генной функции, существуют различные гипотезы влияния молекулы на возможность существования организма. Согласно одной из них, от ДНК зависит кодирование видовых размеров органов, а другая (получила название «нулевая») твердит, что 95% составляющей молекулы не выполняет никакой функции. Несмотря на различные предположения, с точки зрения медицины открытие стало незаменимым. Благодаря открытию структуры ДНК были достигнуты следующие результаты в медицине и генетике:

• выявлена взаимосвязь между многими наследственными заболеваниями и изменениями в её структуре;
• создана вакцина для предотвращения гепатита;
• разработан инсулин для поддержания больного сахарным диабетом;
• медики научились вводить полноценно работающие гены в организм пациента для восстановления метаболических процессов, нарушенных мутационными генами, этот метод позволяет лечить больных, например, гемофилией и иммунодефицитом;
• определения родственной связи путём забора генетического материала.

Существует ли дальнейшая перспектива развития?

Технологии движутся вперед, и учёные ищут новые пути использования знаний о молекуле ДНК, которые позволят открыть новые перспективы в области генетики и медицины. Так, например, секвенирования ДНК, другими словами, прочтение изначальной её структуры, первый такой эксперимент длился около 13 лет и стоил порядка трёх миллионов долларов, то сейчас эта технология обойдётся в пару тысяч, а времени займёт не больше недели. Следующим шагом этого направления обещают специалисты, станет выполнение секвенирования за несколько часов и стоимостью 100 долларов.

Ещё одним прогнозом считается расшифровка за ближайшую четверть века большинства заболеваний на генетическом уровне, что позволит продлить жизнь человека ориентировочно на 10–20 лет.

А знаете ли вы?

На примере открытия молекулы ДНК и стремительном развитии новой науки молекулярной биологии и связанной с ней различных технологий, можно быть уверенным, что судьба человечества в надёжных руках современных учёных!

В материалах рубрики использованы статьи и заметки следующих изданий: «Economist» и «New Scientist» (Англия), «American Scientist», «Discover», « IEEE Spectrum», «Science News», «Scientific American Mind», и «Wired» (США), «Ça m’interesse», « Ciel et Еspace», «Le Journal du CNRS», «La Recherche» и «Science et Vie» (Франция), а также сообщения агентств печати и информация из интернета.

Фридрих Мишер в последние годы жизни.

В университете Тюбингена хранится пробирка с ДНК, выделенной Мишером.

Как правило, с молекулой ДНК связывают имена английских биологов Дж. Уотсона и Ф. Крика, открывших в 1953 году структуру этой молекулы. Однако само соединение было открыто не ими. Но первооткрыватель упоминается далеко не в каждом справочнике или учебнике.

Открыл дезоксирибонуклеиновую кислоту в 1869 году молодой швейцарский врач Фридрих Мишер, работавший тогда в Германии. Он решил изучить химический состав клеток животных, а в качестве материала выбрал лейкоциты. Этих защитных клеток, поедающих микробы, много в гное, и Мишер заручился сотрудничеством коллег из местной хирургической больницы. Ему стали привозить корзины с гнойными повязками, снятыми с ран. Мишер испытал разные способы отмывания лейкоцитов с марли бинтов и стал выделять из отмытых клеток белки. В процессе работы он понял, что кроме белков в лейкоцитах присутствует какое-то загадочное соединение. Оно выпадало в осадок в виде белых хлопьев или нитей при подкислении раствора и снова растворялось при его подщелачивании. Рассматривая свой препарат лейкоцитов под микроскопом, учёный обнаружил, что после отмывания лейкоцитов с бинтов разбавленной соляной кислотой от них остались одни ядра. И сделал вывод: неизвестное соединение содержится в ядрах клеток. Мишер назвал его нуклеином, от латинского nucleus — ядро.

О ядре клетки тогда почти ничего не знали, хотя за три года до открытия Мишера, в 1866 году, известный немецкий биолог Эрнст Геккель предположил, что ядро отвечает за передачу наследственных признаков.

Желая подробнее изучить нуклеин, Мишер разработал процедуру его выделения и очистки. Обработав осадок ферментами, переваривающими белок, он убедился, что это не белковое соединение - ферменты оказались неспособны разложить нуклеин. Он не растворялся в эфире и других органических растворителях, то есть не был жировым веществом. Химический анализ был тогда крайне трудоёмким, медленным и не очень точным, но Мишер провёл его и убедился, что нуклеин состоит из углерода, кислорода, водорода, азота и больших количеств фосфора. В то время практически не были известны органические молекулы с фосфором в их составе. Всё это убедило Мишера, что он открыл какой-то новый класс внутриклеточных соединений.

Написав статью о новом открытии, он послал её своему учителю, одному из основателей биохимии, Феликсу Хоппе-Зейлеру, издававшему журнал «Медико-химические исследования». Тот решил проверить столь необычное сообщение в своей лаборатории. Проверка заняла целый год, и Мишер уже опасался, что кто-нибудь самостоятельно откроет тот же нуклеин и опубликует результаты первым. Зато в очередном номере журнала за 1871 год статья Мишера сопровождалась двумя статьями самого Хоппе-Зейлера и его сотрудника, подтверждавшими свойства нуклеина.

Вернувшись в Швейцарию, Мишер занял пост заведующего кафедрой физиологии Базельского университета и продолжил исследования нуклеина. Здесь он нашёл другой богатый и более приятный в работе источник нового соединения - молóки лососёвых рыб (они и сейчас используются для массового получения ДНК). Рейн, протекающий через Базель, был тогда полон лососей, и Мишер сам ловил их сотнями для своих исследований.

В статье об обнаружении нуклеина в молоках, опубликованной в 1874 году, Мишер писал, что это вещество явно связано с процессом оплодотворения. Но он отверг мысль о том, что в нуклеине может быть закодирована наследственная информация: соединение казалось ему слишком простым и единообразным для хранения всего разнообразия наследственных признаков. Тогдашние методы анализа не позволяли найти существенных различий между нуклеином человека и лосося.

Позже Мишер занимался исследованием физиологии лососёвых, по заказу швейцарского правительства разрабатывал дешёвый и здоровый рацион для тюрем, написал поваренную книгу для рабочих, основал в Базеле Институт анатомии и физиологии, изучал роль крови в процессе дыхания... Ещё при его жизни нуклеин переименовали в «нуклеиновую кислоту», что очень раздражало первооткрывателя. Мишер скончался от туберкулёза в 1895 году. Почти полвека после его смерти считалось, что молекула ДНК, состоящая всего из четырёх типов блоков, слишком проста для хранения наследственной информации, и на эту роль выдвигали гораздо более разнообразные белки.

Нуклеиновые кислоты впервые были открыты в ядре человеческих клеток швейцарским исследователем Фридрихом Мишером в 1869 году. В начале XX века биологам и биохимикам удалось выяснить структуру и основные свойства клетки. Было установлено, что одна из нуклеиновых кислот, ДНК, представляет собой чрезвычайно большую молекулу, состоящую из структурных единиц, названных нуклеотидами, каждый из которых содержит азотистые основания.

Морис Уилкинс и Розалин Франклин, учёные из Кембриджского университета, провели рентгеноструктурный анализ молекул ДНК и показали, что они представляют собой двойную спираль, напоминающую винтовую лестницу. Полученные ими данные привели американского биохимика Джеймса Уотсона к мысли исследовать химическую структуру нуклеиновых кислот. Национальное общество по изучению детского паралича выделило субсидию. В октябре 1951 году в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета Уотсон занялся исследованием пространственной структуры ДНК совместно с Джоном К. Кендрю и Френсисом Криком, физиком, интересовавшимся биологией и писавшим в то время докторскую диссертацию.

Уотсону и Крику было известно, что существует два типа нуклеиновых кислот - дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и рибонуклеиновая кислота (РНК), каждая из которых состоит из моносахарида группы пентоз, фосфата и четырёх азотистых оснований: аденина, тимина (в РНК - урацила), гуанина и цитозина. В течение последующих восьми месяцев Уотсон и Крик обобщили полученные результаты с уже имевшимися и в феврале 1953 г. сделали сообщение о структуре ДНК. Месяцем позже они создали трёхмерную модель молекулы ДНК, сделанную из шариков, кусочков картона и проволоки.

Согласно модели Крика - Уотсона, ДНК представляет собой двойную спираль, состоящую из двух цепей дезоксирибозофосфата, соединённых парами оснований аналогично ступенькам лестницы. Посредством водородных связей аденин соединяется с тимином, а гуанин - с цитозином. С помощью этой модели можно было проследить репликацию самой молекулы ДНК. По Уотсону и Крику, две части молекулы ДНК отделяются друг от друга в местах водородных связей, что очень похоже на расстёгивание застёжки-молнии. Из каждой половины прежней молекулы синтезируется новая молекула ДНК. Последовательность оснований функционирует как матрица, или образец, для образования новых молекул ДНК. Открытие химической структуры ДНК было оценено во всем мире как одно из наиболее выдающихся биологических открытий века.

ДНК выполняет чрезвычайно важную роль, необходимую как для поддержания, так и для воспроизведения жизни. Во-первых, это хранение наследственной информации, которая заключена в последовательности нуклеотидов одной из её цепей. Наименьшей единицей генетической информации после нуклеотида являются три последовательно расположенных нуклеотида - триплет. Расположенные друг за другом триплеты, обусловливающие структуру одной цепи, представляют собой так называемый ген. Вторая функция ДНК - передача наследственной информации из поколения в поколение. ДНК участвует в качестве матрицы в процессе передачи генетической информации из ядра в цитоплазму к месту синтеза белка.

Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине 1962 года «за открытия в области молекулярной структуры нуклеиновых кислот и за определение их роли для передачи информации в живой материи». В речи на презентации А. В. Энгстрем из Каролинского института охарактеризовал ДНК как «полимер, составленный из строительных блоков нескольких типов - моносахарида, фосфата и азотистых оснований... Моносахарид и фосфат - повторяющиеся элементы гигантской молекулы ДНК, кроме того, она содержит четыре типа азотистых оснований. Открытием является порядок пространственного соединения этих строительных блоков».

Что изменило это открытие в нашей жизни за прошедшие 50 с лишним лет ?

В 1969 году учёные впервые синтезировали искусственный фермент, в 1971 году - искусственный ген. В конце XX века стало возможным создание полностью искусственных микроорганизмов. Так, в лабораториях были созданы искусственные бактерии, вырабатывающие необычные для них аминокислоты, а также жизнеспособные «синтетические» вирусы. Ведутся работы по созданию более сложных искусственных организмов - растений и животных.

Изучение структуры и биохимии ДНК привело к созданию методики модификации генома и клонирования. В 1980 году был выдан первый патент на проведение экспериментов с генами млекопитающих, а год спустя была создана трансгенная мышь с искусственно модифицированным геномом. В 1996 году на свет появилось первое клонированное млекопитающее - овечка Долли, потом к ней присоединились клонированные мыши, крысы, коровы и обезьяны.

В 2002 году был успешно завершён проект «Геном человека», в ходе которого была создана полная генетическая карта человеческих клеток. И в том же году начались попытки клонирования человека, хотя пока ни одна из них не завершена (по крайней мере, научные данные об успешном клонировании человека отсутствуют).

Ещё в 1978 году был создан инсулин, практически полностью идентичный человеческому, а потом его ген был внедрён в геном бактерий, превратившихся в «фабрику инсулина». В 1990 году впервые был опробован метод генной терапии, который позволил спасти жизнь четырёхлетней девочке, страдавшей тяжёлым расстройством иммунитета. Сейчас полным ходом идёт изучение генетических механизмов развития самых разных заболеваний - от рака до артрита - и поиск методов исправления вызывающих их генетических «ошибок». А всего в клинической практике применяется более 350 препаратов и вакцин, при создании которых используется генная инженерия.

Анализ ДНК нашёл широкое применение даже в криминалистике. Он используется во время судебных процессов по признанию отцовства (кстати, этот метод стал настоящим подарком для музыкантов, политиков и актёров, которые были вынуждены доказывать в суде свою непричастность к рождению приписываемых им детей), а также для установления личности преступника. Стоит отметить, что о подобной возможности использования ДНК говорил ещё сам Джеймс Уотсон, предлагавший создать базу данных, в которую вошли бы персональные структуры ДНК всех жителей планеты, что позволило бы ускорить процесс идентификации преступников и их жертв.

С помощью ДНК можно «ловить» не только преступников, но и, например, наркотики или биологическое оружие. Американские криминалисты используют систему контроля структуры ДНК растений-наркотиков для создания базы данных обо всех разновидностях марихуаны. Эта база позволит отследить источник практически любого образца наркотиков. В скором будущем в США начнут применяться основанные на анализе ДНК методы обнаружения биологических атак - планируется установить в общественных местах специальные датчики, которые будут автоматически «вылавливать» из воздуха опасные микроорганизмы и подавать предупреждающий сигнал.

В 1982 году была впервые проведена успешная модификация генома растения. А пять лет спустя на полях появились первые сельскохозяйственные растения с модифицированным геномом (это были помидоры, устойчивые к вирусным заболеваниям).

Сейчас с помощью генной инженерии выращиваются практически все продукты питания, особенно такие культуры, как соя и кукуруза. С 1996 года, когда началось коммерческое использование генетически модифицированных продуктов, общая площадь их посевов возросла в 50 раз. Общая площадь посевных площадей под трансгенными культурами в мире в 2005 году составила 90 миллионов га. Правда, правительства многих стран запретили выращивание и ввоз таких продуктов, так как ряд исследований показали, что они могут представлять опасность для здоровья человека (аллергия, поражение репродуктивной функции и др.).

Возможность изучения структуры ДНК позволила придать новый импульс историческим исследованиям. Так, например, были идентифицированы останки Николая Второго и его семьи, а также подтверждены и опровергнуты некоторые исторические сплетни (в частности, было доказано, что один из основателей США Томас Джефферсон имел незаконнорожденных детей от чернокожей рабыни).

С помощью анализа ДНК удалось проследить происхождение и людей, и целых народов. Например, было показано, что гены японцев практически идентичны генам одного из племён Центральной Америки. А чернокожие американцы всего за 349 долларов могут узнать, из какого района Африки и даже из какого племени происходили их предки, привезённые на невольничьих кораблях много лет назад.

Что даст нам ДНК в ближайшем будущем ?

Очевидно, это будет клонирование человека и его органов, что решит проблему нехватки донорских сердец и лёгких для пересадки. Появятся новые лекарства, благодаря которым уйдут в прошлое неизлечимые генетические заболевания...

Открытие ДНК и нуклеопротеидная теория наследственности.….стр.4
Доказательства роли ДНК как материального носителя наследственной информации.………………………………………………… ………..стр.6
Изучение химического состава и структуры ДНК ………………..стр.9

Установление строения молекул ДНК……………………………..стр.17
Разнообразие форм и размеры ДНК………………………………..стр.25
Функции ДНК………………………………………………………..стр. 27
Двойная спираль: открытие, изменившее мир…………………….стр.29

Аннотация

Цель реферата - Рассмотреть историю открытия, функции, строение и химический состав ДНК.

Задачи реферата - изучить информацию о ДНК и сделать вывод, об открытии, изменившем мир.

Ключевые слова: ДНК, нуклеиновые кислоты, нуклеотид, аденин, тимин, гуанин, цитозин, двойная спираль.

Введение

Вопросы наследственности, передачи отдельных признаков от родителей потомству, самовоспроизводства живых организмов на Земле издавна волновали человечество. В разные эпохи различными учеными выдвигалось множество теорий, своеобразно объясняющих подобные процессы. Наиболее древняя из них датирована VI-V вв. до н. э. Это так называемое энцефаломиелоидное учение древнегреческого врача и натурфилософа Алкмеона из Кротона. Но истинные ответы на эти вопросы человечество смогло найти лишь спустя несколько тысяч лет, с появлением и развитием генетики - науки о наследственности и изменчивости организмов.
С развитием точных наук и техники менялись методы и уровни изучения живой материи. Наряду с классической генетикой, появились такие важные направления, как цитогенетика, генетика человека, генетика микроорганизмов, биохимическая, эволюционная генетика, космическая генетика, молекулярная генетика и многое др.
Именно с молекулярной генетикой связана история изучения структуры и значения ДНК в понимании наследственности.
Долгое время считалось, что генетическим материалом клетки являются нуклеопротеиды - белки, входящие в состав ядра. Но в 1953 году английские исследователи Уотсон и Крик обнаружили, изучили и представили графически структуру уникальных биополимеров - нуклеиновых кислот. Они были названы так в связи с местом их обнаружения - в ядре. Последующие исследования показали удивительное сходство состава нуклеиновых кислот у всех живых организмов - от вируса до человека. Эти биополимеры играют ведущую роль в синтезе белков и определяют наследственные свойства организмов. В клетках имеется два вида нуклеиновых кислот - ДНК и РНК.
Еще из школьных учебников мы знаем, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) - универсальный носитель генетической информации и наследственных признаков у всех существующих на Земле организмов. Исключение составляют только некоторые микроорганизмы, например, вирусы - универсальным носителем генетической информации у них является РНК - одноцепочечная рибонуклеиновая кислота.

Глава 1.
1.1 Открытие ДНК и нуклеопротеидная теория наследственности

Особое место в молекулярной биологии занимают нуклеиновые кислоты. Собственно само возникновение молекулярной биологии обязано работам по нуклеиновым кислотам. Именно в этой области сделаны открытия, позволившие расшифровать механизм важнейшей стороны жизни – наследственности. Эти открытия принадлежат к величайшим достижениям науки XX в., и их значение по праву сравнивают с открытиями радиоактивности и расщепления атомного ядра. Результаты проведенных работ поражают тем, что еще совсем недавно решение вопроса, каким образом происходит передача свойств от клетки к клетке в ряду поколений, представлялось делом невообразимо отдаленного будущего.
Исследования в области нуклеиновых кислот привели к созданию и бурному развитию ряда новых биологических дисциплин – молекулярной биологии, бионики, биокибернетики, вызвали мощный приток научных сил к исследованиям в биологии.
Открытие нуклеиновых кислот связано с именем молодого врача из города Базеля (Швейцария) Фридриха Мишера. После окончания медицинского факультета Мишер был послан для усовершенствования и работы над диссертацией в Тюбинген (Германия) в физиолого-химическую лабораторию, возглавляемую Ф. Гоппе-Зейлером. Тюбингенская лаборатория в то время была известна ученому миру. В ней проводились работы по химическому анализу тканей животного организма. Пройдя практику по органической химии, Мишер приступил к работе в биохимической лаборатории. Ему было поручено заняться изучением химического состава гноя. Получив гнойные клетки, Мишер выдерживал их в течение некоторого времени в разбавленном солевом растворе. Исходя из опыта лаборатории, он знал, что при этом протоплазма клеток постепенно растворяется.
Из нерастворившегося осадка, который, по его представлениям, подтвержденным микроскопическими исследованиями, являлся осадком ядер клеток, Мишер экстрагировал слабым раствором соды вещество, которое выпадало в осадок при нейтрализации. Это вещество не распадалось при действии протеолитических ферментов и содержало большое количество фосфора, не экстрагируемого горячим спиртом.
Молодой исследователь сразу понял важность получения нового органического фосфорсодержащего вещества ядерного происхождения. Он был уверен именно в ядерном его источнике. Поэтому Мишер предпринял более тщательное выделение ядер. В то время еще никто в биохимических лабораториях не пытался выделить ядра или какие-либо другие субклеточные компоненты, так что и здесь он был пионером.
Он промывал ядра и обрабатывал их горячим спиртом для удаления липидов, затем препарат ядер экстрагировал разбавленным раствором соды и осаждал осадок после нейтрализации раствора добавлением кислоты. Полученный препарат легко растворялся в щелочи. Новое вещество было подвергнуто элементарному анализу. В нем оказалось 14% азота и примерно 6% фосфора.
Поскольку оно не разлагалось протеолитическими ферментами, новое вещество не являлось белком. Отсутствие растворимости в горячем спирте указывало на то, что это вещество не являлось и фосфолипидом. По-видимому, оно относилось к новому классу биохимических соединений. Ввиду ядерного происхождения Мишер предложил для него название «нуклеин» (лат. «нуклеус» – ядро).
В 1871 г. работу Мишера увидел свет. Существование нуклеина как специфического ядерного вещества стало научным фактом. Вскоре методика Мишера была применена для выделения нуклеина из различных тканей. Наличия нуклеина с точки зрения ученого нельзя было ожидать в эритроцитах млекопитающих, так как в них нет ядер.
Впоследствии Р. Альтманн (1889 г.) сообщил, что выделенный Ф. Мишером "нуклеин" состоит из двух фракций - белковой и нуклеиновых кислот .
Достаточно длительное время считали, что функцию передачи наследственной информации выполняют белки, т. к. нуклеиновые кислоты относительно просты по химической структуре и проявляют "поразительное единообразие" у разных видов растений и животных. Этому заблуждению способствовало предположение Э. Вильсона (сделанное им в 1925 г.) о том, что функциональную роль в хроматине играют белки, а не нуклеиновые кислоты. В 1928 г. крупнейший советский биолог Н. К. Кольцов (1872-1940) разрабатывает гипотезу молекулярного строения и матричной репродукции хромосом, которая легла в основу главнейших принципов и положений современной молекулярной биологии и генетики. Тем не менее, он считает, что хромосома - это гигантская биологическая молекула, обладающая свойством самоудвоения, и что все признаки и свойства организма предопределены строением белка и взаимодействием его молекул, а не ДНК .
Иначе говоря, в конце XIX - начале XX вв. в генетике распространилось ошибочное мнение о том, что материальным носителем генетической информации являются белки. О значении нуклеиновых кислот в данных процессах, а равно и о функциях этих химических соединений в организме ничего не было известно. Поэтому этот период в истории изучения ДНК можно смело назвать нуклеопротеидным.

1.2 Доказательства роли ДНК как материального носителя наследственной информации

Решающим поворотом в генетике было открытие в 1944г. трансформирующей функции ДНК. Группа американских бактериологов - О. Эвери, Ч. Мак-Леод и М. Мак-Карти - проводила исследования вирулентности возбудителя пневмонии бактерии Diplococcus pneumoniae . Их опыты повторил английский бактериолог Ф. Гриффитс. В его опытах использовались два штамма пневмококков с противоположными признаками: с наличием и отсутствием капсул. Клетки капсульного штамма S были вирулентными, а бескапсульного R- безвредными.
Ф. Гриффитс вводил суспензию данных микроорганизмов белым мышам в различных комбинациях. Животные, зараженные вирулентным штаммом S, погибали. При введении бескапсульных бактерий (R) и клеток S-штамма, убитых нагреванием, мыши выживали. Казалось бы, полученные результаты были закономерны, а их причины - очевидны. Но совершенно обескураживающие результаты были получены у последней группы белых мышей. Этим животным вводили суспензию, содержащую живые клетки бескапсульного штамма и убитые вирулентные бактерии. Через некоторое время у мышей обнаруживались клинические признаки пневмококковой инфекции и животные погибали. Проведенный бактериологический анализ показал, что в тканях погибших мышей содержатся клетки пневмококка, окруженные капсулой. Следовательно, невирулентный бескапсульный штамм пневмококков под воздействием убитых бактерий S-штамма получал новый признак - капсулу - и приобретал вирулентные свойства. Такое явление Гриффитс назвал трансформацией.
Однако природу трансформирующего агента в то время установить не удалось. Было известно, что это вещество небелкового происхождения, т. к. все белки при нагревании подвергались денатурации.
Явление трансформации наблюдалось также и в пробирке (in vitro), где смешивали живые клетки бескапсульного и мертвые бактерии вирулентного штаммов Diplococcus pneumoniаe. Через определенное время часть бескапсульных бактерий приобрели капсулу и вирулентность. Эксперименты in vitro полностью исключали участие в феномене трансформации каких-либо систем макроорганизмов.
Задача О. Эвери с сотрудниками состояла в том, чтобы выяснить, какое именно вещество способствует трансформации. Методика определения была выбрана относительно простая. Лизированные клетки капсульного штамма разделялись на различные химические составляющие. Каждый компонент испытывался на наличие трансформирующих свойств. Путем такого отбора удалось получить вещество, обладающее высокой трансформирующей активностью. Это была дезоксирибонуклеиновая кислота - ДНК.
Однако выводы группы О. Эвери о том, что посредством ДНК клетки-реципиенты получали от клеток-доноров новый генетический признак, долгое время многие ученые-генетики подвергали сомнению.
Например, существенные сомнения вызывал уровень очистки ДНК в экспериментах О. Эвери. Предполагалось, что присутствующие в препаратах нуклеиновых кислот белковые примеси и были причиной передачи нового генетического признака, что абсолютно не противоречило нуклеопротеидной теории. Стремясь проверить правильность выводов О. Эвери, Хочкисс добился такой степени очистки ДНК, что доля балластных веществ, в т. ч. и белков, в препарате составляла всего 0,02 %. Полученная таким образом чистая ДНК, тем не менее, обладала трансформирующими свойствами.
Другое возражение против генетической роли ДНК сводилось к тому, что ДНК как химическое соединение каким-то образом препятствовало биосинтезу основного вещества капсулы - полисахарида. То есть ДНК приписывалось физиологическое, а не генетическое воздействие. Чтобы опровергнуть это возражение, Гарриет Тейлор в 1949 г. получила новые данные о пневмококковой трансформации: она использовала два штамма, полностью лишенные капсул. Первый R-штамм был типичной бескапсульной бактерией, образующей шероховатые колонии. Второй, названный ей eхtremely R (ER), отличался ярко выраженными характеристиками и образовывал сильно шероховатые колонии. Выделенная из штамма R ДНК вносилась на среду с клетками ER. Через определенное время большая часть ER-бактерий превращалась в R-формы. Таким образом, было показано, что наличие или отсутствие капсулы не отражается на трансформирующей роли ДНК.
В 1949 г. Хочкисс провел ряд экспериментов, которые подтвердили, что определенной зависимости между ДНК и синтезом бактериальными клетками капсулы на уровне метаболизма не существует. В его опытах трансформации подвергались бактериальные признаки, которые не имеют никакого отношения к капсулообразованию, - устойчивость микробов определенного штамма к пенициллину и стрептомицину передавалась к другому штамму бактерий.
Более наглядно роль ДНК в передаче наследственной информации была установлена в 1952 г. американскими вирусологами А. Д. Херши и М. Чейзом при изучении разложения фага Т2 (вируса бактерий). Опыт состоял в том, что белки, входящие в протеиновую оболочку вириона, были помечены радиоизотопной меткой - S 35 (сера), а ДНК - радиоактивным фосфором - Р32. В дальнейшем вирус культивировался в клетках бактерий. После этого дочерние вирионы - потомство фага - подвергались радиометрическому анализу на распределение радиоактивных меток. Исследования показали, что новое поколение фаговых частиц содержало только фосфор - Р32. Исследователи сделали справедливый вывод о том, что именно ДНК, а не белок передается от родителей к потомству.
О роли ДНК в передаче наследственной информации свидетельствует также открытие в 1952 г. Зайндером и Ледербергом явления трансдукции, заключающееся в переносе генетического материала фагами от одних бактерий к другим. Ученые при этом показали, что в процессе трансдукции активное участие принимает ДНК .
Кроме прямых доказательств об участии ДНК в процессах наследования признаков, наукой был накоплен обширный фактический материал, косвенно подтверждающий высказанные ранее предположения. В частности, об этом говорят данные относительно возникновения вызываемых химическими веществами и радиацией генетических изменений - мутаций.
Значительный вклад в изучение мутагенеза внесли отечественные ученые. Впервые в 1925 г. сотрудники Ленинградского радиевого института Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов воспроизвели мутацию у дрожжевых грибков под влиянием лучей радия . В 1932 г. В. В. Сахаров получил мутацию у дрозофилы под воздействием раствора йодистого калия, в 1933 г. М. Е. Лобашев открыл мутагенное действие аммиака . Несколько позже было показано, что мишенью для действия мутагенов является ДНК. Следовательно, изменение в структуре ДНК способствовало изменению генетической информации.
Открытия, сделанные в конце 40 - начале 50 гг. ХХ в. в области молекулярной генетики, предопределили современное направление исследований не только в изучении наследственности, но и биологии в целом. Важнейшее значение открытия явлений трансформации и трансдукции, а также расшифровки действия мутационных факторов заключается, прежде всего, в доказательстве генетической роли ДНК. Теперь генетики могли с уверенностью констатировать: ДНК является материальным носителем наследственности. Именно эта молекула ответственна за передачу важнейших признаков от родительских особей потомству.

1.3 Изучение химического состава и структуры ДНК

Если основная функция ДНК для многих ученых была понятна, то химическое строение и, в особенности, трехмерная структура нуклеиновых кислот представлялась еще недостаточно ясной. С момента открытия Миллером в 1868 г. "нуклеина" прошло немало времени. Основные сведения по химическому составу были изложены А. Косселем, биохимиком, работавшим на рубеже XIX-XX вв. . Он установил, что нуклеиновая кислота состоит из четырех азотистых оснований, сахара и фосфорной кислоты. Азотистые основания были представлены двумя пуриновыми (аденин, гуанин) и двумя пиримидиновыми (цитозин и урацил) соединениями.
В 20-х гг. минувшего столетия П. Левеном и У. Джонсом в эту схему были внесены важные уточнения. Ими было обнаружено, что нуклеиновые кислоты имеют две разновидности: РНК и ДНК, различные по химическому строению. РНК, или рибонуклеиновая кислота, содержит пятиуглеродный сахар рибозу, а в ДНК присутствует дезоксирибоза. Наконец, ДНК не содержит урацила, как это полагал А. Коссель, вместо него имеется тимин. Кроме того, установлено, что азотистое основание, сахар и остатки фосфорной кислоты образуют соединение, названное нуклеотидом. В свою очередь, нуклеотиды образуют с помощью фосфодиэфирных связей некое подобие цепочки.
В 1924 г. немецкий химик Р. Фельген предложил гистохимический способ окраски ДНК животных, растений и бактерий. Основу методики составлял реактив Шиффа, который окрашивал ДНК в красно-фиолетовый цвет. С помощью реакции Фельгена ученые установили, что ДНК содержится преимущественно в ядре клетки, а РНК - в цитоплазме.
До 1950 г. среди генетиков и биохимиков господствовала тетрануклеотидная теория Ф. А. Левина. Согласно этой теории, все нуклеиновые кислоты - это монотонные макромолекулы, представляющие собою единообразное повторение четырех азотистых оснований - тетрануклеотидов. При этом полярные соотношения аденина, гуанина, цитозина и тимина представлялись как приблизительно равные. Ошибочность этой теории заключалась в том, что структуру ДНК понимали как элементарное химическое соединение, придавая ему линейный характер. Наличие вторичных и третичных структур у ДНК не учитывалось. Это привело к тому, что долгое время ученые считали, что ДНК не способна выполнить функцию носителя информации.
Эту теорию опроверг Э. Чаргафф. В 1948 г. Эрвин Чаргафф и Хочкисс применили для количественной оценки компонентов нуклеиновой кислоты тогда еще новый метод хроматографии на бумаге. Анализируя, таким образом, различные образцы ДНК от животных, растений и человека, ученые обнаружили, что точного количественного соответствия азотистых оснований ни в одном из случаев не наблюдалось. Напротив, в зависимости от биологического происхождения ДНК, состав молекулы будет различен. Следовательно, обнаружилось, что ДНК отнюдь не монотонная макромолекула. Обобщая данные своих исследований, Э. Чаргафф в 1949 г. сформулировал правило эквивалентности, которое вошло в историю генетики как правило Чаргаффа. Оно гласит: количественные отношения гуанина всегда равны содержанию цитозина, а содержание аденина соответствует содержание тимина. Математически это можно записать так:

А + Г = ц + Т А + Г = Ц + Т

В 1952 г. на основании работ Э. Чаргаффа и Хочкисса была сформулирована теория, объясняющая, каким образом ДНК содержит в себе генетическую информацию. Основное положение этой теории звучит так: "Генетическая информация определяется специфической последовательностью четырех нуклеотидных оснований в полинуклеотидной цепи.
Следует отметить, что установленные опытным путем количественные соотношения азотистых оснований в молекуле ДНК, выраженные в правиле Чаргаффа, не случайны. Отечественные генетики А. С. Спирин и А. Н. Белозерский пришли к выводу, что зависимость содержания гуанин-цитозиновых пар определяется филогенетическими (т. е. сложившимися в процессе эволюции) связями между организациями различной видовой принадлежности.
В 1912 г. отец и сын Брегги изобрели метод рентгеновской кристаллографии, основанный на том, что пучок параллельных рентгеновских лучей, падающих на регулярное скопление атомов, образует так называемую дифракционную картину. Дифракционная картина зависит главным образом от атомной массы атомов и их пространственного расположения. В 40-х гг. Астбюри использовал данный метод для определения пространственной структуры ДНК. На основании полученных рентгенограмм автор предположил, что биополимер ДНК представляет собой стопку из уложенных один над другим нуклеотидов. При этом нуклеотиды представлялись им в виде плоских дисков.
Астбюри оставил работу по дальнейшему изучению структуры ДНК. Исследования в начале 50-х гг. по структуре ДНК продолжили три группы ученых. Первую группу возглавил известный в то время своими работами по расшифровке вторичной структуры белков Лайнус Полинг. Вторая группа работала под руководством английского биофизика, члена Лондонского королевского общества Мориса Уилкинса, и, наконец, третью группу представляли Джеймс Уотсон и Френсис Крик.
Первыми представила свою модель в 1952 г. группа Л. Полинга. Однако она не получила всеобщего признания.
Сотрудникам Уилкинса удалось получить очень четкие рентгенограммы ДНК, на которых отчетливо было видно, что молекула нуклеиновой кислоты состоит из двух нитей, и, в частности, подтвердилась гипотеза Астбюри о межнуклеотидном расстоянии, равном 0, 34 нм. Ранее Чаргафф не смог полностью объяснить своих правил, основанных на результатах тщательной аналитической работы с различными образцами ДНК. Однако уже в 1953 г. это сделали молодые ученые Джеймс Уотсон и Френсис Крик. Они создали структурную модель молекулы ДНК, которая полностью соответствовала ограничениям в нуклеотидном составе ДНК согласно правилам Чаргаффа.
История этого открытия, ставшего крупнейшим событием в естествознании XX в., очень живо и интересно рассказана одним из авторов новой структурной модели молекулы ДНК в книге «Двойная спираль». Молодые и безвестные ученые встретились впервые в 1951 г. в Кембридже (Англия), куда Уотсон был направлен из Чикаго для усовершенствования в научных исследованиях. Крик работал в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и занимался изучением пространственной структуры белковых молекул. В лаборатории в основном применялся метод дифракции рентгеновских лучей на кристаллах белков. Уотсон заинтересовался ДНК еще до приезда в Англию. В США Уотсон занимался проблемами генетики и биологии бактериофагов (вирусов бактерий). После опытов Эвери он был уверен, что наследственность фагов заключена в фаговой ДНК. Так как ДНК к этому времени была обнаружена в хромосомах всех клеток, то можно было предположить, что ДНК составляет вещество генов. Именно поэтому, попав в лабораторию, пользующуюся рентгеновскими методами, Уотсон решил заняться структурой ДНК. Как биолог, он понимал, что при выборе определенной структуры ДНК нужно учитывать существование какого-то простого принципа удвоения молекулы ДНК, заложенного в ее структуре. Ибо важнейшим свойством генов является их способность к удвоению и передаче идентичных наследственных свойств в ряду поколений от предков к потомкам.
Интерес Уотсона к структуре ДНК разделил Крик, который также понимал огромную важность расшифровки наследственного материала. Значительное влияние на работу ученых оказал метод построения молекулярных моделей веществ с учетом всех валентных углов, межатомных расстояний и отбором наиболее вероятных конфигураций атомных группировок. В 1952 году Лайнусу Полингу, используя этот метод, удалось расшифровать пространственную структуру полипептидной цепи, предложив для нее спиральную конформацию (? –спираль Полинга-Кори). Криком была создана теория дифракции рентгеновских лучей на спиралях, позволяющая определить, находится исследуемая структура в спиральной конформации или нет. В то время рентгенограммы ДНК уже существовали. Их получили в Лондоне Морис Уилкинс и Розалинд Фрэнклин. При этом оказалось, что ДНК может давать два типа структур в зависимости от содержания воды в препарате. При значительной гидратации ДНК находится в так называемой В-форме, которая переходит в кристаллическую А-форму при потере воды.
По характеру рентгенограммы В-формы ДНК Уотсон и Крик поняли, что исследуемая структура находится в спиральной конформации. Они знали также, что молекула ДНК представляет собой длинную линейную полимерную цепь, состоящую из мономеров-нуклеотидов. Фосфодезоксирибозный костяк этого полимера непрерывен, а сбоку к дезоксирибозным остаткам присоединены азотистые основания. Для построения моделей оставалось решить вопрос, сколько цепей линейного полимера уложено в компактную структуру.
На основании рентгенограммы В-формы ДНК Уотсон и Крик предположили, что молекула ДНК состоит из двух линейных полинуклеотидных цепей с фосфодезоксирибозным остовом снаружи молекулы и азотистыми основаниями внутри ее. На рентгенограмме меридиональный рефлекс, соответствующий 3,4 нм, был гораздо интенсивнее остальных. Это могло означать, что пуриновые и пиримидиновые основания толщиной 3,4 нм уложены плоскостями друг на друга перпендикулярно оси спирали. Кроме того, все данные рентгеноструктурного метода и электронной микроскопии говорили о том, что диаметр спирали равен примерно 20 нм. Оставалось также решить вопрос о порядке расположения азотистых оснований двух цепей внутри биспирали.
Уотсон предположил сначала, что пары азотистых оснований (по одному от каждой цепи) образуются по принципу «подобное взаимодействует с подобным». Он считал, что в двух линейных цепях молекулы ДНК аденин расположен на уровне аденина, гуанин – на уровне гуанина и т. д. Таким образом, две линейные полинуклеотидные цепи в молекуле ДНК совершенно идентичны и по составу азотистых оснований и по их последовательности. Была сделана попытка построить модель структуры ДНК, исходя из этого предположения. Однако пурины меньше пиримидинов, и на модели биспирали наблюдались то вспучивания, то сжатия.
Рассматривая другие возможные комбинации пар азотистых оснований, Уотсон обнаружил, что пары аденин–тимин и гуанин–цитозин имеют одинаковый размер и стабилизируются водородными связями.
Сразу же объяснялись и правила Чаргаффа: если в биспирали ДНК аденин одной цепи всегда соединяется с тимином другой цепи, а гуанин всегда входит в паре с цитозином, то аденина в составе ДНК должно быть всегда столько же, сколько тимина, а гуанина – столько же, сколько цитозина. Ясно было также, как должно происходить удвоение молекулы ДНК. Каждая цепь комплементарна другой, и в процессе репликации ДНК цепи биспирали должны разойтись и на каждой полинуклеотидной цепи должна достроиться комплементарная к ней цепь.

Оставалось лишь построить точную модель подобной структуры с учетом всех требований рентгенографии и законов стереохимии, что ученые и сделали. Они построили остроумную модель и убедились, что все межатомные расстояния и валентные углы подошли. Таким образом, не оставалось сомнения в том, что, созданная ими структурная модель ДНК соответствует законам стереохимии. Рентгеноструктурные данные подтверждали наличие такой структуры. Чрезвычайно заманчивые перспективы открывались и в объяснении биологических явлений. Так, репликацию ДНК можно было представить в свете новой модели как расхождение цепей родительской ДНК и надстройку на них комплементарных цепей. Результатом явились две новые идентичные молекулы ДНК, в каждой из которых одна цепь была родительской, а другая – вновь синтезированной (так называемый полуконсервативный способ репликации).
Модель Уотсона–Крика (рис. 1) получила широкое распространение и в настоящее время подтверждена экспериментом. Итак, в соответствии с этой моделью молекула нативной ДНК состоит из двух линейных полинуклеотидных цепей, спирально закрученных вокруг общей оси и соединенных друг с другом межнуклеотидными водородными связями. Обе цепочки образуют правозакрученные спирали, но эти спирали являются антипараллельными по отношению к оси биспирали, т. е. порядок расположения атомов в их фосфатно-углеводных составах имеет противоположное направление. Пентозофосфатные составы каждой спирали находятся с внешней стороны молекулы, а пуриновые и пиримидиновые основания расположены в виде стопки внутри молекулы и связаны друг с другом водородными связями. При этом в молекуле ДНК возможно существование только двух комплементарных пар. Плоскости пар азотистых оснований перпендикулярны к оси биспирали.

Рис. 1

Первичная структура ДНК состоит из нуклеотидных цепей, у которых скелетную основу составляют чередующиеся сахарные и фосфатные группы, соединенные ковалентными связями, а боковые части представлены одним из четырех оснований и присоединяются одна к другой молекулой сахара. Нуклеотиды расположены друг за другом и связаны ковалентно с фосфатом и сахарным остатком, образуя полинуклеотидную цепь.
Вторичная структура была сформулирована Д.Уотсоном и Ф. Криком. Две идущие рядом нити, скрепленные одна с другой перемычками и свившиеся в двойную спираль, и есть молекула ДНК. Обе нити одинаковы по длине, остатки пар А-Т и Г -Ц разделены одинаковыми расстояниями. Двойная спираль имеет упорядоченный характер, так как каждая связь основание - сахар находится на одинаковом расстоянии от оси спирали и повернута на 36°, причем в каждой из них в зависимости от вида ДНК могут быть до миллионов блоков - нуклеотидов. Порядок их чередования определяет наследственную информацию, записанную в ДНК и передаваемую следующим поколениям. Первое предположение о роли нуклеиновых кислот в качестве генетического материала сформулировал доцент Петербургского университета А. Щепотьев (1914). Химики понимали, что ДНК собрана из нуклеотидов, имеющих фосфатную группу, связанную ковалентно с пятиуглеродным сахаром, который связан с одним из четырех азотистых оснований. Нуклеотиды соединены друг с другом так, чтобы фосфатная группа одного была связана с сахаром предыдущего, и из их чередующихся комбинаций образуется длинная цепочка - сахарофосфатный остов молекулы. По одну сторону под прямым углом к остову располагаются основания.
Молекула ДНК оказалась закручена в спираль: снаружи спирали - остов, а внутри - перпендикулярные ему основания. На один виток спирали приходилось примерно по десять нуклеотидов, а ее толщина указывала, что скручено более одной нити. Итак, вторичная структура отражает форму нуклеиновой кислоты. Степень скручивания ДНК зависит от ферментов.

Р.Франклин исследовала на фотопленке пятна от рентгеновского излучения, рассеянного кристаллами очищенной ДНК (1952). В обсуждении результатов принимал активное участие и физик М.Уилкинс, работавший в той же лаборатории. Полученные рентгенограммы стимулировали многих ученых к поиску модели структуры ДНК. История открытия структуры ДНК описана американским биохимиком Дж. Уотсоном в его книге «Двойная спираль» (1968). В 1951 г. Уотсон встретился в Копенгагене с Уилкинсом и ознакомился с рентгенограммами ДНК.
Уотсон и Крик, разобравшись в структуре пуринов (А, Г) и пиримидинов (Т, Ц), решили, что они должны быть связаны между собой. Для объяснения правила Чаргаффа ДНК должна состоять из двух цепей, которые должны закручиваться так, чтобы сохранялись определенные углы между разными группами атомов. И возникла двойная спираль, в которой пурины и пиримидины выстроены по типу ступенек лестницы: «перекладины» - основания, «веревки» - сахарофосфатные остовы.
Каждая перекладина образована из двух оснований: А и? или Г и Ц, что и объясняет правило Чаргаффа. Так как в каждой паре есть одно основание с одним кольцом и одно - с двумя, величина перекладин одинаковая, и остовы цепей находятся на одном расстоянии. Основания присоединены к двум противоположным цепям, удерживаемым водородными связями между основаниями. Поскольку звеньями цепи являются пары Ц с Г и А с Т, удобнее использовать образ лестницы, составленной из ступенек-пар ЦГ, ГЦ, ТА и AT, следующих в определенном порядке. Из-за закрученности в спираль молекула похожа на винтовую лестницу со ступеньками из пар нуклеотидов.
В живых клетках цепи очень длинные, содержат до 108 пар в ряд и свиты в плотный клубок. У человека длина такой винтовой лестницы в размотанном состоянии достигает нескольких метров, и это одна молекула. Отсюда - огромность числа возможных вариантов расположения молекул в ДНК. И это разнообразие связано с разнообразием жизни, а расположение четырех типов пар в молекуле ДНК задает всю программу, говорит клетке, как ей развиваться и что делать.
Диаметр двойной спирали 2· 10 -9 м (2 нм), расстояние между соседними парами оснований спирали 0,34 · 10 -9 м (0,34 нм), полный оборот спирали завершается через 10 пар, а длина зависит от организма, которому принадлежит эта молекула ДНК. Длина плодовой мушки (дрозофилы) 4· 10 -3 м, а самой длинной ее хромосомы - в 10 раз больше. У простейших вирусов ДНК содержит несколько тысяч звеньев, у бактерий - несколько миллионов, а у высших - миллиарды. Если выстроить в одну линию молекулы ДНК, заключенные в одной клетке человека, то получится длина в 2 м, т. е. длина в миллиард раз больше толщины. Но она умещается в клеточном ядре, значит, ее «укладка» такова, чтобы по всей длине она была доступна для белков, которым нужно «читать» гены. Основания, соединенные слабой водородной связью, взаимно дополняют друг друга, и каждая цепь автоматически поставляет информацию для нахождения партнера. В эукариотических клетках основные части ДНК и белков сплетены так, что напоминают нить бус. Каждая такая «бусинка» окружена четырьмя ядерными блоками и содержит около 200 сдвоенных оснований, а «нить» состоит из ДНК и ядерного белка (гистона), отличного от того, что входил в состав «бусинок».
В публикации (1953) Крик и Уотсон отметили, что такая структура хорошо объясняет и процесс «воспроизводства» этой молекулы. При рассоединении цепей возможно присоединение новых нуклеотидов к каждой из них, тогда около каждой старой возникнет новая цепь, точно ей соответствующая. Так впервые пришли к структуре, способной к самовоспроизведению. Число два удовлетворило биологов, поскольку и клетки, и хромосомы воспроизводятся путем деления исходной на две.
Третичная структура ДНК, определяемая трехмерной пространственной конфигурацией молекул, пока изучена недостаточно.
Исследования показали, что ДНК может существовать в двух формах: А (при низкой влажности) и В (при высокой). Для обеих форм построили молекулярные модели. Из дифракционных картин волокон ДНК информацию получить было достаточно трудно, так как у цепи ДНК вдоль оси расположены волокна беспорядочно, но была подтверждена ее спиральная структура. К настоящему времени исследователи научились синтезировать в необходимом количестве и получать в достаточно чистом виде короткие участки ДНК заданной последовательности, что позволяет закристаллизовать фрагменты молекулы длиной от 4 до 24 пар оснований и исследовать эти кристаллы с помощью рентгеноструктурного анализа. Исследования дали действительную похожесть обеих форм на гибкую лестницу, закрученную спирально вокруг центральной оси.

Глава 2.

2.1 Установление строения молекул ДНК

Вспомним, что основными строительными компонентами организма служат полимеры. Нуклеиновые кислоты - это тоже полимеры, хотя они сильно отличаются по своему строению от белков. Их еще называют полинуклеотидами, потому что они состоят из мономеров - нуклеотидов. Нуклеотид состоит из трех частей: основания, связанного с сахаром, который, в свою очередь, связан с фосфатом (РO4). Нуклеиновая кислота называется по сахару, который входит в ее состав; рибонуклеиновая кислота (РНК) содержит рибозу, а дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) содержит дезоксирибозу (в которой кислорода на один атом меньше). Основания представляют собой большие кольцевые молекулы с атомами азота. Нуклеотиды ДНК имеют одно из четырех оснований: аденин, гуанин, цитозин и тимин (обозначаются A, G, С и Т; в РНК тимин заменяет урацил - U). Цитозин, тимин и урацил имеют по одному кольцу атомов и называются пиримидиновыми основаниями; аденин и гуанин имеют по два кольца и называются пуриновыми основаниями (рис 1.). Атомы углерода и азота в кольцах для удобства обозначают порядковыми номерами; атомы углерода сахара - от 1" до 5".

Рис 1

Полинуклеотид (ДНК или РНК) образуется посредством связывания фосфата одного нуклеотида с сахаром другого именно так, что атом углерода 3" одного нуклеотида связывается через фосфатную группу с атомом углерода 5" следующего нуклеотида (рис 2.):

Рис 2

Поэтому каждая молекула ДНК имеет полярность 3" --> 5", подобно тому, как белковая цепь имеет полярность от аминного конца до карбоксильного. Сами основания присоединены к одной стороне сахарофосфатного остова молекулы.
До 1952 года обычно предполагалось, что молекулы ДНК состоят из четырех видов нуклеотидов, чередующихся в регулярном порядке, поэтому казалось, что все молекулы более или менее одинаковы и не могут переносить информацию. Но когда Эрвин Чаргафф тщательно проанализировал состав ДНК различных организмов, обнаружилось, что нуклеотиды содержатся в них не в равной пропорции, а наблюдается следующее соотношение:
1) общее количество пуринов (А + G) почти точно соответствует общему количеству пиримидинов (С + Т);
2) количество А почти равно количеству Т, а количество G - количеству С (А = Т, G = С);
3) отношение (А + Т) : (G + С) сильно варьируется у разных организмов.
В 1953 году Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик окончательно установили структуру ДНК. Уотсон был учеником Лурии, членом «фаговой группы» и прекрасно знал об экспериментах Херши-Чейз. Крик был физиком, разрабатывавшим мощный аналитический метод рентгеноструктурного анализа. С помощью рентгеновских лучей можно определить структуру молекул, даже если нельзя сфокусироваться на них, как фокусируются световые лучи в микроскопе. Посылаемые на материал рентгеновские лучи отклоняются на своем пути от атомов, и по изображению, оставленному ими на фотопленке, можно предполагать, как расположены атомы в кристалле. При помощи этой техники биофизики Морис Уилкинс и Розалинда Франклин из лондонского Королевского колледжа получили рентгенограммы, указывающие на то, что ДНК имеет спиралевидную структуру - нечто вроде штопора. Уотсон и Крик попытались построить модель ДНК при помощи атомных моделей нуклеотидов. Им это удалось, потому что они объединили данные Уилкинса и Франклин с данными Чаргаффа и общей гипотезой о роли ДНК в наследственности. Уотсон рассказывает историю открытия в автобиографической книге «Двойная спираль». Чтобы получить более объективную информацию о ходе работ, эту книгу, пожалуй, лучше читать вместе с книгой Анны Сейр «Розалинда Франклин и ДНК».
Основная догадка Уотсона и Крика заключалась в том, что главная роль в структуре ДНК принадлежит основаниям, и надо как-то учитывать правило Чаргаффа: А = Т, G = С. Они предположили, что молекула ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей с противоположной полярностью, закрученных друг относительно друга по спирали (рис. 7.6).

Между собой эти цепи удерживаются посредством оснований, соединенных попарно, причем аденин может соединяться только с тимином, а гуанин - только с цитозином:

Между основаниями существуют слабые водородные связи, в которых слегка отрицательно заряженные атомы О и N связаны между собой посредством водорода (имеющим небольшой положительный заряд). Основания, которые связываются друг с другом, называются комплементарными друг другу; это значит, что их форма соответствует друг другу, как рука соответствует перчатке или ключ - замку. Именно комплементарность оснований определяет механизм наследственности, а через него и все основные законы биологии. Модель Уотсона и Крика объясняла правило Чаргаффа, и благодаря ей стало возможным понять, каким образом ДНК переносит генетическую информацию. Короткая заметка Уотсона и Крика в журнале «Nature» за 1953 год скромно обещала некоторые перспективы в исследовании ДНК, но в действительности произвела грандиозную революцию в науке.

Модель ДНК и генетика
В отличие от работы Менделя, статья Уотсона и Крика сразу же привлекла внимание научного сообщества, поскольку она объясняла механизм наследственности. Сразу становилось понятно, что последовательность оснований ДНК может передавать информацию, то есть служить генетическим кодом. Информация обычно представляет собой последовательность, например последовательность букв и знаков препинания на письме или последовательность точек и тире в азбуке Морзе. Кроме того, генетический код должен как-то передаваться от одной копии ДНК другой в ходе деления клетки. Процесс получения двух копий (или реплик) изначальной молекулы ДНК называется репликацией, и модель Уотсона-Крика объясняет, как это возможно.
В каждой молекуле ДНК одному нуклеотиду соответствует комплементарный ему нуклеотид, и одна цепь ДНК целиком комплементарна другой. Репликацию выполняет сложный фермент ДНК-полимераза, которая начинает разрывать двойную спираль, словно застежку-молнию, оставляя по одному основанию на каждой цепи (рис. 7.7). Здесь мы приведем лишь крайне упрощенное описание процесса.

Рис. 7.7. При репликации ДНК комплекс ферментов разъединяет цепи двойной молекулы, и каждое открытое основание привлекает к себе комплементарный нуклеотид. Этот процесс продолжается, пока из двух цепей не вырастут две идентичные молекулы

В действительности все происходит гораздо сложнее, особенно если учитывать, что цепи ДНК могут расти только с 3"-конца. Суть процесса сводится к тому, что молекулы ДНК-полимеразы движутся вдоль каждой цепи и синтезируют комплементарные цепи, образуя, таким образом, двойную спираль вместо одинарной. Каждое свободное основание связывается исключительно с комплементарным нуклеотидом. Например, открытый цитозин привлекает к себе новый гуанин, а открытый аденин - тимин. В клетке содержится достаточно свободных нуклеотидов, потому что в процессе метаболизма они образуются постоянно, и полимераза связывает парные основания вместе. Так, каждая цепь определяет формирование комплементарной ей цепи с последовательностью, идентичной последовательности прежней парной цепи. В конечном счете, получаются две спирали, идентичные начальной молекуле.
Нуклеотидная последовательность ДНК должна хранить генетическую информацию, и последнее предположение, вытекающее из модели Уотсона-Крика, состоит в том, что мутации происходят в тех случаях, когда одно основание заменяется на другое или когда цепь рвется и перестраивается. Такое случается редко, но если происходит, то в клетке имеются механизмы исправления некоторых ошибок. Тем не менее, в каждом организме содержится огромное количество ДНК, и если вероятность вставки ошибочного основания равна только одной миллионной, то на каждые 10 миллионов оснований будет приходиться 10 ошибок, и мутация становится силой, с которой следует считаться.

Проверка модели
Настоящая научная ценность модели измеряется тем, что можно на практике проверить все выводы, к которым она приводит. Модель Уотсона-Крика не только вобрала в себя все известные факты о ДНК и наследственности, но и позволила высказать ряд новых предположений.
Рассмотрим репликацию ДНК с общей точки зрения. Каждая цепь остается нетронутой, но две цепи одной молекулы расходятся, и к каждой старой цепи пристраивается новая. Это называется полуконсервативной репликацией ДНК, потому что вся родительская ДНК целиком не сохраняется, но остается каждая из ее цепей. Предположим, что начальная молекула окрашена в красный цвет, а новые нуклеотиды - в зеленый. Тогда после репликации каждая дочерняя молекула будет наполовину красной и наполовину зеленой. Если они снова подвергнутся репликации, то из получившихся молекул две по-прежнему будут наполовину красными и наполовину зелеными, а две - полностью зелеными. Обозначим изначальную молекулу сплошными линиями, а новые - прерывистыми. Получается следующая схема:

В 1954 году Мэтью Меселсон и Франклин Сталь придумали способ проверить эти выводы. В совместной работе с Джеромом Виноградом они открыли, что густой раствор хлорида цезия (CsCl) при центрифугировании на большой скорости образует градиент плотности. Инструмент, называемый ультрацентрифуга, может развивать скорость до 60 тыс. оборотов в минуту, то есть до 1000 оборотов в секунду. Судя по тем относительно медленным центрифугам, которые бывают в парках развлечений, можно представить, какая центробежная сила образуется в мощной центрифуге. Под воздействием этой силы довольно тяжелые ионы цезия начинают перемещаться ко дну центрифужной пробирки. После нескольких часов центрифугирования в растворе CsCl образуется непрерывный градиент плотности, то есть ближе к дну плотность увеличивается, а к поверхности уменьшается. В таком растворе молекулы ДНК останавливаются в том месте раствора, плотность которого равна их плотности.
Меселсон и Сталь выращивали бактерии в среде с содержанием тяжелых изотопов азота (15N в отличие от обычного l4N). Клетки включали этот азот в свои ДНК, то есть их ДНК становились плотнее обычных ДНК. Таким образом, эти ДНК становились мечеными («красными» в нашем примере). Потом исследователи переносили бактерии в среду с обычной концентрацией азота, и поэтому все новые ДНК, образовавшиеся после этого, имели обычную плотность (в нашем примере «зеленые»). Через различные интервалы времени исследователи подвергали пробы ДНК центрифугированию в растворе CsCl и определяли их плотность (в ультрацентрифуге были оптическая система и фотокамера). Сначала все ДНК были плотными. После первого деления они стали наполовину плотными. После второго деления половина ДНК была наполовину плотной и половина ДНК была легкой. Именно так и должна была вести себя ДНК согласно модели Уотсона-Крика.
Второй вывод заключался в том, что при репликации ДНК должна наблюдаться «развилка». Две цепи не могут разделяться сразу по всей длине; они разрываются с какого-то конца, и к разъединившимся участкам пристраиваются новые цепи. Молекулы ДНК можно разглядеть при помощи авторадиографии - метода, при котором регистрируют распределение радиоактивных изотопов в молекуле. При этом часто используют тритий (3Н), изотоп водорода, потому что его атомы при распаде испускают электроны с малой энергией, которые легко поглощаются многими веществами. Если такой электрон попадает на фотографическую пленку или гель, то на ней остается темное пятно, указывающее на местоположение атома трития. Изображение, полученное от распада многих атомов, называется авторадиографией, потому что радиоактивное вещество как бы само себя фотографирует.
Авторадиографии ДНК получают, выращивая некоторые клетки (такие как бактерии или быстро растущие корни растений) в среде, содержащей тимидин (один из нуклеотидов ДНК с пиримидиновым основанием - тимин), помеченный тритием. Тритий, таким образом, включается во все вновь образующиеся ДНК. Затем материал тонким равномерным слоем располагают на пленке (корне растений, к примеру), тщательно раздавливают и распределяют. После промывки и удаления тимидина пленку покрывают фотоэмульсией и оставляют в темном месте, иногда на несколько месяцев. При проявлении эмульсии на пленке возникают темные зерна серебра в тех местах, где распадались атомы трития. Так на фотографии можно опознавать меченые клетки и их части.
и т.д.................

В. Иванов, доктор физико-математических наук

Шестьдесят лет назад было сделано замечательное научное открытие. 25 апреля 1953 года была опубликована статья о том, как устроена самая загадочная молекула – молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты. Сокращенно её называют ДНК. Эта молекула встречается во всех живых клетках всех живых организмов. Обнаружили ее ученые более ста лет назад. Но тогда никто не знал, как эта молекула устроена и какую роль играет в жизни живых существ.
Окончательно разгадать тайну удалось английскому физику Френсису Крику и американскому биологу Джеймсу Уотсону. Их открытие было очень важным. И не только для биологов, которые узнали наконец, как устроена молекула, управляющая всеми свойствами живого организма. Одно из крупнейших открытий человечества было сделано так, что совершенно невозможно сказать, какой науке это открытие принадлежит, – так тесно слились в нем химия, физика и биология. Этот сплав наук и есть самая яркая черта открытия Крика и Уотсона.

НА ОДНУ МОЛЕКУЛУ МОЖНО ВЗГЛЯНУТЬ ПО-РАЗНОМУ

Ученых давно интересовала тайна главного свойства всех живых организмов – размножение. Почему дети – идет ли речь о людях, медведях, вирусах – похожи на своих родителей, бабушек и дедушек? Для того, чтобы открыть тайну, биологи исследовали самые разные организмы.
И ученые выяснили, что за сходство детей и родителей отвечают особые частицы живой клетки – хромосомы. Они похожи на маленькие палочки. Небольшие участки палочки-хромосомы назвали генами. Генов очень много, и каждый отвечает за какой-нибудь признак будущего организма. Если говорить о человеке, то один ген определяет цвет глаз, другой – форму носа... Но из чего состоит ген и как он устроен, этого ученые не знали. Правда, было уже известно: в хромосомах содержится ДНК и ДНК имеет какое-то отношение к генам.
Разгадать тайну гена хотели разные ученые: каждый смотрел на эту тайну с точки зрения своей науки. Но чтобы узнать, как устроен ген, маленькая частица ДНК, надо было узнать, как устроена и из чего состоит сама молекула.
Химики, которые исследуют химический состав веществ, изучали химический состав молекулы ДНК. Физики стали просвечивать ДНК рентгеновскими лучами, как обычно они просвечивают кристаллы, чтобы узнать, как эти кристаллы устроены. И выяснили, что ДНК похожа на спираль.
Биологи интересовались загадкой гена, конечно, больше всех. И Уотсон решил заняться проблемой гена. Для того, чтобы поучиться у передовых биохимиков и побольше узнать о природе гена, он отправился из Америки в Европу.
В то время Уотсон и Крик еще не знали друг друга. Уотсон, проработав некоторое время в Европе, никак существенно не продвинулся в выяснении природы гена.
Но на одной из научных конференций он узнал, что физики изучают строение молекулы ДНК с помощью своих, физических методов. Узнав это, Уотсон понял, что тайну гена ему помогут раскрыть физики, и отправился в Англию, где устроился работать в физическую лабораторию, в которой исследовали биологические молекулы. Здесь-то и произошла встреча Уотсона и Крика.

КАК ФИЗИК КРИК ЗАИНТЕРЕСОВАЛСЯ БИОЛОГИЕЙ

Крик вовсе не интересовался биологией. До тех пор, пока ему на глаза не попалась книжка известного физика Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?".
В этой книжке автор высказал предположение, что хромосома похожа на кристалл. Шредингер заметил, что "размножение" генов напоминает рост кристалла, и предложил ученым считать ген кристаллом. Это предложение заинтересовало Крика и других физиков. Вот почему.
Кристалл – очень простое по структуре физическое тело: в нем все время повторяется одна и та же группа атомов. А устройство гена считали очень сложным, раз их так много и все они разные. Если гены состоят из вещества ДНК, а молекула ДНК устроена так же, как кристалл, то получается: она одновременно и сложная и простая. Как же так? Уотсон и Крик понимали: физики и биологи слишком мало знают о молекуле ДНК. Правда, кое-что было известно о ДНК химикам.

КАК УОТСОН ПОМОГ ХИМИКАМ, А ХИМИКИ – КРИКУ

Химики знали, что в состав молекулы ДНК входят четыре химических соединения: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Их обозначили по первым буквам – А, Т, Г, Ц. Причем аденина было столько же, сколько тимина, а гуанина – сколько цитозина. Почему? Этого химики понять не могли.
Они догадывались: это как-то связано со структурой молекулы. Но как, не знали. Химикам помог биолог Уотсон.
Уотсон привык к тому, что в живой природе многое встречается парами: пара глаз, пара рук, пара ног, существуют, например, два пола: мужской и женский... Ему казалось, что и молекула ДНК может состоять из двух цепочек. Но если ДНК похожа на спираль, как выяснили физики при помощи рентгена, то как в этой спирали две цепочки держатся друг за друга? Уотсон предположил, что при помощи А, Г, Ц и Т, которые, как руки, протянуты друг к другу. Вырезав из картона контуры этих химических соединений, Уотсон долго прикладывал их то так, то эдак, пока вдруг не увидел: аденин прекрасно соединяется с тимином, а гуанин с цитозином.
Уотсон рассказал об этом Крику. Тот быстро сообразил, как должна выглядеть двойная спираль на самом деле – в пространстве, а не на рисунке.
Оба ученых начали строить модель ДНК.
Как это – "строить"? А вот как. Из молекулярного конструктора, который напоминает детский конструктор-игрушку. В молекулярном конструкторе деталями служат шарики-атомы, которые пристегиваются друг к другу кнопочками в том порядке, в каком расположены атомы в веществе.
Молекулярный конструктор придумал другой ученый – химик Полинг. Он строил модели молекул белков и выяснил, что в них обязательно должны быть участки, похожие на спирали. Очень скоро это подтвердили физики той лаборатории, где работал Крик. Важная биологическая проблема была решена теоретическим путем.
Способ Полинга так понравился Крику, что он предложил Уотсону построить модель ДНК при помощи молекулярного конструктора. Вот так была создана модель знаменитой Двойной спирали ДНК, которую вы можете увидеть на рисунке.
И что замечательно: из-за того, что А в одной цепи может "склеиваться" только с Т в другой, а Г – только с Ц, автоматически выполняется "химическое" правило, по которому количество А равно количеству Т, а количество Г равно количеству Ц. Но самое о главное, что, глядя на Двойную спираль ДНК, сразу понятно, как решить загадку размножения генов. Достаточно "размотать" косичку ДНК, и каждая цепочка сможет достроить на себе новую так, чтобы А склеивалось с Т, а Г – с Ц: был один ген – стало два. Из-за того, что размеры пар А-Т и Г-Ц одинаковы, молекула ДНК по структуре в самом деле напоминает кристалл, как предполагали физики.
И в то же время этот "кристалл" может содержать самые разные сочетания А, Т, Ц, Г, и поэтому все гены разные.
Решение проблемы гена Уотсоном и Криком привело к тому, что буквально за 2–3 года сформировалась целая новая область естествознания, которую назвали молекулярной биологией. Часто ее называют физико-химической биологией.

КАК ПЕРЕСТАЛИ СПОРИТЬ "ФИЗИКИ" И "ЛИРИКИ"

Можно привести и другие примеры взаимного проникновения разных наук друг в друга. Математика, например, широко используется в астрономии, физике и даже в... лингвистике, науке о строении языка.
Математические методы, например, позволяют установить подлинного автора неизвестных рукописей. Отыскали в архивах неизвестное стихотворение, а кто его автор? Ученые предполагают, что написал известный поэт. Но как проверить это предположение? Математики подсчитывают, сколько раз в этом произведении встречается какое-нибудь определенное слово, или, скажем, в какой последовательности встречаются слова в тексте. Такие же расчеты делают и в известном произведении предполагаемого автора. Результаты сравнивают. Если они совпадают – значит, найдена подлинная рукопись. Так математики возвращают нам, читателям, украденные временем произведения известных писателей и поэтов.
Или, например, физика и музыка... Что может быть общего у точной науки с искусством? Оказывается, есть общее.
На струнных инструментах – на скрипке, виолончели – музыкант сам выбирает нужную высоту звука. Не нравится скрипачу, как звучит, к примеру, нота "до", кажется ему, что она должна звучать чуть выше или, наоборот, чуть ниже, – он сам подберет на струне точное звучание. Пианист этого сделать не может. На клавиатуре каждая клавиша – определенная нота. Сколько раз ни нажимай, она будет звучать одинаково. Значит, для точного исполнения музыкального произведения рояль должен быть очень точно настроен. Физики высчитали ту частоту колебания звука, по которой музыкальные клавишные инструменты можно настроить наиболее точно. Как видите, трудно пришлось бы музыкантам и лингвистам без физиков и математиков.
Современному человеку необходимо обладать знаниями самыми разнообразными. Сегодняшнему ученому это особенно важно. В наше время появилось много наук составных: физическая химия и химическая физика, даже, как вы теперь знаете, физико-химическая биология. Какое отношение все это имеет к вам? Самое прямое.
В школе я не думал даже, что когда-нибудь стану заниматься биологией. Увлекался больше точными науками. А вот теперь биологией занимаюсь.
Неправильно разделять школьные предметы на те, которые нужны, и те, которые не нужны. Кто знает, что может пригодиться потом?