Чтение онлайн

В дальнейшем все погубило пристрастие биохимиков к стандартным объектам. Нуклеиновые кислоты стали выделять из дрожжей (растительный материал) и зобной железы (тимуса) теленка (животный материал). Первую кислоту, по предварительным грубым анализам содержащую рибозу, окрестили растительной нуклеиновой кислотой, а вторую — с дезоксирибозой — животной, или тимонуклеиновой. Эти названия и продержались до 40-х годов нашего века.

За первые тридцать лет XX столетия группа, возглавляемая А. Левиным (Рокфеллеровский институт, США), установила, что нуклеиновые кислоты — длинные цепочки сахаров-пентоз, сшитые остатками фосфорной кислоты (фосфорная кислота — Н3РО4; два гидроксила ОН идут на присоединение пентоз, а третий — свободный и придает нуклеину кислые свойства). К каждой пентозе присоединено азотистое основание — аденин, тимин, гуанин, цитозин и урацил. Тимин (как следует из названия) был выделен только из тимонуклеиновой кислоты и был верным ее индикатором.

Ошибкой школы Левина было то, что ученые доверились результатам в то время еще грубых анализов, из которых как будто бы следовало, что нуклеиновые основания имеются во всех кислотах в равном количестве. Так возникла тетрануклеотидная теория, утверждавшая, что все нуклеиновые кислоты — продукты полимеризации четырех нуклеотидов (азотистое основание + сахар называется нуклеотидом). Тимонуклеиновая кислота обозначалась, например, (АГЦТ) n, где n — число этих оказавшихся мифическими звеньев, а А, Г, Ц, Т — соответственно аденин, гуанин, цитозин и тимин. В «растительной» нуклеиновой кислоте тимин замещался урацилом. Такое вещество — полимер из четырех оснований — действительно казалось слишком простым, чтобы быть материальным фактором наследственности. Простота строения, конечно, не может быть препятствием: теория информации свидетельствует, что любую структуру можно закодировать лишь двумя сигналами, например, единицей и нулем в разных сочетаниях. Но тогда еще не было теории информации.

Первую лопату земли в пропасть, разделявшую «растительную» и «животную» нуклеиновые кислоты, бросили не биохимики, а специалисты по химии клетки — цитохимики. В 1924 году Р. Фельген открыл цветную реакцию на тимонуклеиновую кислоту — знаменитый реактив Фельгена, окрашивающий ядро клеток на микроскопических препаратах. Оказалось, что ядра растительных клеток также красятся «по Фельгену». Оставалось сделать последний шаг, как правило, самый трудный, — выделить из растительных клеток животную нуклеиновую кислоту и тем самым доказать ее общность для живой природы.

К сожалению, знающие себе цену биохимики не очень охотно занимались нуклеиновыми кислотами, где все казалось ясным после работ Левина. То ли дело загадочные белки, несомненная основа жизни, а стало быть, и наследственности! Культ личности никогда не доводил до добра, даже если эта «личность» оказывалась химическим веществом. Тем не менее, продолжали находиться, по тогдашней мерке, чудаки, те, кто и на линованой бумаге пишут поперек и для которых вопросы «модности» объекта и методики первостепенными не являются.

К числу их относился молодой биохимик, лишь недавно перебравшийся в Московский университет из Ташкента, Андрей Николаевич Белозерский. Опираясь на данные цитохимии, он предпринял весьма трудную по тем временам попытку — выделить тимонуклеин из растительных клеток. Многим это казалось попросту диким — все равно что попытаться выделить хлорофилл из животных клеток.

Опыт удался: переработав совместно с И. И. Дубровской многие килограммы проростков конского каштана, А. Н. Белозерский получил в 1936 году чистую тимонуклеиновую кислоту из растения. Тем самым пропасть, разделявшая царства растений и животных, была уничтожена навсегда.

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.