Тайная жизнь тела. Клетка и ее скрытые возможности

Опыт повторили в пробирке, и он дал тот же результат – убитые нагреванием клетки передали свой признак – капсулу – бескапсульным клеткам вместе со способностью вызывать болезнь. Значит, никакой инородный агент из тканей животных на реакцию не влиял.

Тогда ученые решили воздействовать на безкапсульный штамм разными частями «убитого» штамма по очереди – чтобы выяснить, какой именно химический компонент клетки содержит в себе передающийся признак. И так добрались до нашего знакомого нуклеина – точнее, дезоксирибонуклеиновой кислоты.

Казалось бы, истина восторжествовала. Но не тут-то было. Тайна ДНК так долго будоражила лучшие умы планеты, что столь простое решение ученый мир принять просто не смог. Опыты высмеивались, их результаты подвергались сомнению, исследователям указывали на то, что они, дескать, не смогли добиться полной чистоты эксперимента и просто «проморгали» какой-нибудь белок, который (в силу сложности своего строения) и мог быть единственным претендентом на роль хранителя «наследственных тайн».

Описанный эксперимент проводили снова и снова, но он с обескураживающим постоянством давал одни и те же результаты. Возможно, споры затянулись бы еще на несколько лет, если бы параллельно не был изобретен пенициллин. С одной стороны, он снял остроту проблемы с заболеваемостью пневмонией (и позволил ученым отвлечься от практической медицины), а с другой – стал основой для новой серии экспериментов.

Дело в том, что, пока изобретенный антибиотик проверяли в лабораторных условиях, было замечено, что есть штаммы микробов, на которые пенициллин не действует. Причем этот признак также оказался наследуемым. Более того, в схожих опытах с использованием убитых нагреванием, но устойчивых к пенициллину штаммах и живых, но неустойчивых, признак «устойчивости» передавался от первых ко вторым. Но самое интересное, что передавался он только при воздействии на штаммы дезоксирибонуклеиновой кислотой.

Оставалось ответить на главный вопрос: как простое соединение нескольких химических элементов может «запоминать» и «передавать» потомству нужную информацию? Впрочем, для начала было бы неплохо вообще узнать, что представляет собой молекула ДНК и как указанные химические вещества в ней сочетаются.

История о проволочном человеке

В этой истории главным действующим лицом становится сооружение из проволоки. Молодые ученые Крик и Уотсон в течение двух лет пытались представить себе, как именно может выглядеть молекула ДНК – что она собой представляет? Они извели тонны металлической проволоки, пытаясь выстроить объяснимую с точки зрения органической химии конструкцию. Как мы помним (а ученые к середине XX века уже знали это доподлинно), ДНК состоит из четырех азотистых оснований – гуанина, цитозина, тимина и аденина. Эти основания связаны между собой атомами водорода. В теории все выглядело просто. Но когда ученые пытались создать пространственную модель ДНК, они выяснили, что соединения получаются какими-то кособокими – азотистые основания оказались разного размера и никак не хотели выстраиваться в циклическую цепочку.

Как только не переставляли кусочки своей проволочной скульптуры Уотсон и Крик. Они изгибали проволоку под разными углами, прилаживали шарики (изображающие основания) в различных комбинациях и сочетаниях – модель не складывалась. За два года ученые так привыкли к своей металлической модели (которая была выше человеческого роста!), что начали относиться к ней как к живой и даже разговаривали с ней, пытаясь выведать ее секрет.

А решение, как это обычно и водится, пришло с неожиданной стороны. Изучая химическое строение ДНК, ученые выяснили, что гуанин, цитозин и тимин имеют на периферии атомы кислорода и ряд двойных связей. Эти двойные связи могут перемещаться в молекуле так, что периферийные атомы кислорода будут связаны или двойной связью, или простой. Первый вариант назвали кетонной связью, второй получил название енольной. Оказалось, что Крик и Уотсон учитывали только енольную форму соединения оснований, пренебрегая кетонной. Как только в модель подставили первую, проблема оказалась решена! Ученые изготовили новые модели из картона и обнаружили, что пара аденин – тимин имеет такую же форму и размеры, что и пара гуанин – цитозин. Это позволяло уложить пары внутрь двойной спирали, подобно ступенькам винтовой лестницы. Проволочный человечек наконец-то получил устойчивость, а теория – доказательную базу!

Глава 2. Как ДНК передает информацию

Все, что мы знаем о ДНК сегодня, имеет в своей основе открытие, сделанное в 1953 году. Изящность предложенной модели сразу же покорила научный мир. Стало понятно, что генетический код представляет собой последовательность нуклеотидов (элементов) в двойной спирали ДНК. В случае необходимости двойная спираль расплетается, и с одной из ее половин информация считывается на строящуюся молекулу рибонуклеиновой кислоты (РНК), которая передает эту информацию каждому произведенному ею белку (см. выше). Кроме того, при полном разделении спиралей ДНК каждая из половин может стать матрицей для достройки второй половины («самовоспроизведение»).

Расшифровка структуры ДНК стала одним из самых крупных открытий в истории науки. Оно позволило лучше понять такие проблемы, как взаимодействие наследственности и внешней среды, мутации и их последствия для синтеза белка, и, главное, приблизило человечество к пониманию самого происхождения жизни.

Но как ДНК передает информацию?

Когда мы обмениваемся информацией, мы используем буквы и звуки. Точно так же поступает и ДНК. Только в этом случае роль звуков и букв играют основания азотистой кислоты.

Итак, молекула ДНК состоит из двух гигантских цепочек. Каждое звено в ней сложено из состоит углевода дезоксирибозы (то есть рибоксиновой кислоты, лишенной кислорода), остатка фосфорной кислоты и одного из четырех азотистых оснований (А, Г, Т или Ц). Последовательность звеньев в цепочке может быть любой, но эта последовательность строго связана с последовательностью звеньев в другой (парной) полимерной цепочке: напротив А должно быть Т, напротив Т должно быть А, напротив Ц должно быть Г, а напротив Г должно быть Ц (это правило назвали правилом комплементарности; то же самое правило мы можем наблюдать в пазлах, когда выемке одного элемента соответствует выпуклость другого).

Две полимерные цепи закручены в правильную двойную спираль. Внешне она напоминает веревочную лестницу, завитую в правую спираль. Ступенями в этой лестнице являются пары нуклеотидов, а связывающие их «боковинки» состоят из сахарофосфатного остова.

Последовательность пар нуклеоидов нерегулярна. То есть каждая ДНК отличается друг от друга именно этой самой последовательностью. Расположение парных оснований по цепи ДНК представляет собой код, определяющий тот порядок, в соответствии с которым производятся белки, производимые каждой клеткой.

Если вернуться к аналогии с человеческой речью (точнее, с текстом), то каждое азотистое основание можно назвать одной буквой. Получается, что алфавит ДНКового текста содержит всего четыре «буквы». Как же из этих «букв» формируются «слова» и «предложения»?

Очень понятно это объясняет книга, написанная Вячеславом Тарантулом. Она называлась «Геном человека: Энциклопедия, написанная четырьмя буквами». Автор пишет: «Белковые молекулы всех существующих на земле организмов построены всего из 20 аминокислот. Сразу после создания модели ДНК стало ясно, что существует некий код, переводящий четырехбуквенный ДНКовый текст в двадцатибуквенный аминокислотный текст. Элементарные расчеты говорили о том, что число возможных сочетаний, в которых четыре нуклеотида могут быть по-разному расположены в «тексте», достигает астрономических значений. Так, молекула ДНК, состоящая, к примеру, всего из 100 пар нуклеотидов, может теоретически кодировать в сотой степени различных белковых «текстов». Какова же ситуация на самом деле?

Одним из первых в этом пытался разобраться русский физик Г. Гамов, эмигрировавший в Америку. Наслушавшись многочисленных разговоров о ДНК и узнав, что она содержит – как и карты – всего четыре «масти», Гамов решил «разложить пасьянс» с целью понять устройство генетического кода. Ему сразу стало ясно, что код не может быть «двоичным», то есть одну аминокислоту в белке должна кодировать не двойка нуклеотидов – «букв», а как минимум тройка. Дело в том, что сочетание из четырех по два дает всего 16 комбинаций, а этого недостаточно для кодирования всех 20 аминокислот. Следовательно, рассуждал Гамов, код должен быть по крайней мере трехбуквенным, то есть каждую аминокислоту должна кодировать тройка «букв» в любых сочетаниях. На этом он и остановился, поскольку далее возникало множество вопросов. В частности, такой: число сочетаний из четырех по три равно 64, а аминокислот всего 20. Зачем же такая избыточность в трехбуквенном коде?

Тайна древнего шифра

Тогда уже существовал хорошо известный путь, который, в частности, был проделан в свое время французом Жаном Шампольоном при дешифровке иероглифов Древнего Египта. В качестве основного подспорья для решения стоящей перед ним задачи он использовал базальтовую плиту, которую обнаружили во время военной кампании Наполеона в Египет и которая получила название Розеттский камень. На плите одновременно присутствовали две надписи: одна была иероглифическая, а другая – сделанная греческими буквами на греческом языке. К счастью, и язык, и письмо древних греков были в то время уже хорошо известны ученым. В результате сравнение двух текстов Розеттского камня привело к расшифровке египетской иероглифики. Этим путем и двинулись ученые при расшифровке генетического кода. Надо было сравнить два текста: текст, записанный в ДНК, с текстом, записанным в белке. Однако первоначально ученые не умели «читать» ДНК, а одного известного в то время белкового текста было недостаточно. Пришлось искусственно синтезировать разнообразные короткие фрагменты РНК и синтезировать на них в искусственных системах фрагменты белка. Весной 1961 года в Москве на Международном биохимическом конгрессе М. Ниренберг сообщил, что ему удалось «прочесть» первое «слово» в ДНКовом тексте. Это была тройка букв – AAA (в РНК, соответственно, YYY), то есть три аденина, стоящие друг за другом, – которая кодирует аминокислоту фенилаланин в белке. Так было положено начало расшифровке генетического кода.