Как работают гены

Еще в конце девятнадцатого века, а точнее в 1869 году швейцарский врач Ф. Мишер искал способы эффективной борьбы с гнойными инфекциями. Ему было важно отыскать средство, которое может быстро подавить накопление гнойных масс на пораженных участках. Много средств было испробовано, но самый необычный результат он получил, обрабатывая раны бычьей желчью. Сравнивая под микроскопом материал до и после обработки, он заметил, что под действием бычьей желчи исчезают клетки лейкоцитов, но остается какая–то субстанция, которая потом не растворяется, ни в спирте, ни в крепких кислотах, а растворяется только в щелочах. Продолжая наблюдения, Мишер установил, что это стойкое вещество является остатком ядерной массы. Ядро клетки тогда называли нуклеус. Отсюда появилось название – нуклеиновое вещество или просто нуклеин.

Позднее, в 1889 году в лаборатории Гоппе-Зейлера в Страсбургском университете было обнаружено, что эта органическая масса имеет кислую реакцию среды. Это положило начало термину нуклеиновые кислоты (Н.К.) Автор термина немецкий химик Рихард Альтман. В тот же период немецким биохимиком Альбрехтом Косселем (1853 – 1927) были определены составные части нуклеиновых кислот – установлено, что в их входят некоторые азотистые основания, есть углеводный компонент – рибоза или дезоксирибоза и фосфорная кислота. За эти исследования А. Косселю была присуждена Нобелевская премия 1910 г.

После этого потребовалось еще 60 лет для того чтобы установить не только состав, но и структуру нуклеиновых кислот, их функции, их непосредственное участие в делении клеток, в хранении и передаче наследственной информации. Десятки лабораторий всего мира работали над этими проблемами. К 1930 году было известно, что в состав Н.К. входят 5 (всего пять) химических элементов – углерод, водород, кислород, азот и фосфор. К 1940 году установили, что эти элементы соединяются в три самостоятельных вещества – пятиуглеродный сахар – рибозу, гетероциклическое соединение – азотистое основание и группу РО4 – остаток уже известной фосфорной кислоты. Эти три молекулы соединяются между собой в стойкие блоки – нуклеотиды. Если группа РО4 во всех нуклеотидах одинаковая, то азотистые основания разные. Всего их 5 типов – аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил. Сахаров оказалось два типа – базовый сахар – рибоза и производный – дезоксирибоза, который у третьего углеродного атома не имеет атома кислорода (дез-окси, т.е. «без кислорода»).

Затем было установлено, что среди нуклеиновых кислот существует два несколько различных вещества. Одно – более тяжелое соединение, с молярной массой до 20 – 40 миллионов ед., содержит сахар дезоксирибозу и азотистые основания аденин, гуанин, цитозин, тимин. Эту молекулу и стали называть дез-окси-рибо-нуклеиновая кислота – сокращенно ДНК. Вторая молекула более легкая с молекулярной массой порядка 2 – 4 миллиона ед. Она включает сахар рибозу и азотистые основания аденин, гуанин, цитозин. урацил. Ее назвали рибо-нуклеиновая кислота – РНК. Целым рядом экспериментов было показано, что за наследственные функции больше отвечает молекула ДНК.

Только в 1953 году молодой американский биохимик Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик, работая совместно, выяснили, каким образом, все эти составные части соединяются друг с другом. Они создали первую модель молекулы ДНК. Этому предшествовали несколько выдающихся работ других исследователей. В частности было уже известно правило Э. Чаргаффа о равенстве количества азотистых оснований – число молекул аденина всегда равно числу молекул тимина (А = Т), а количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц). Розе Франклин к этому времени удалось получить рентгенограмму молекулы ДНК. И самым удивительным было то, что ДНК разных организмов оказалась практически одинакова (А.Н. Белозерский, О. Эвери, У. Стенли и другие). Но все еще не было представления о ее пространственной структуре. Эту задачу и решили Уотсон и Крик. На представленной ими модели нуклеотиды соединялись в двух направлениях – продольном, где нуклеотиды следовали друг за другом, соединяясь только между сахаром и фосфором, и поперечном, где соединения происходили только между азотистым основаниям. Причем, аденин соединялся только с тимином, а цитозин только с гуанином. Получалась длинная двойная спираль, этакая спирально закрученная винтовая лестница (рис. 1).

Рис. 1. Схема строения ДНК (DNA) и РНК (RNA)

Такая структура объясняла две самые главные функции ДНК, – каким образом это соединение может самостоятельно удваиваться, обеспечивая размножение клеток, и как осуществляет запись информации.

Удвоение или редупликация происходит, если эти две закрученные цепочки развести, а потом дать им подстроить к себе недостающие части. Тогда вместо одной молекулы получаются две, совершенно одинаковые. На этом строится процесс самовоспроизводства, который обеспечивает размножения организмов.

Запись информации осуществляется последовательностью соединения нуклеотидов по продольной оси. Эта последовательность ничем не лимитируется, и из 4 разных нуклеотидов можно получить бесконечное множество различных комбинаций. Таким образом, природе удалось решить, казалось бы, не решаемую проблему, как одним и тем же веществом, состоящим из совершенно одинаковых элементов, обеспечить разнообразие всех, обитающих на Земле живых организмов. И резерв разнообразия еще не исчерпан. Если принять, что на Земле живут около 500 тысяч видов растений, более двух с половиной миллионов животных, и около миллиона видов бактерий и вирусов, то эта цифра будет составлять порядка 4 миллионов видов, а количество сочетаний из 4 нуклеотидов на цепочке ДНК в 10 миллионов нуклеотидов будет составлять 4 10000000 . Так что еще далеко не все освоено.

Расшифровка структуры ДНК стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За это открытие ученым Джеймсу Уотсону, Фрэнсису Крику и Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.

Вопрос второй. Каким образом химическая молекула обеспечивает физическую форму и физиологическую активность организмов?

В период шестидесятых и последующих лет двадцатого века развитие молекулярной биологии пошло еще более бурными темпами. Открытия следовали одно за другим. Каждое поражало воображение и ставило новые вопросы. После того, как стало известно, что молекулы ДНК есть в каждой клетке каждого организма, и что у всех строение этой молекулы принципиально одинаково, встал вопрос о том, как же достигаются различия в работе разных клеток, и столь разнообразные результаты их работы?

Рис. 3. Ядро живой растительной клетки (фото автора)

Основная масса ДНК находится в ядре и никогда его не покидает (рис. 3). Что же происходит в цитоплазме клеток? Основную часть цитоплазмы составляют белки. Белков много и они разные. Почему? Ответ на этот вопрос был получен при расшифровке генетического кода.

2.3. Генетический код

Естественно весь научный мир интересовало, есть ли связь между ДНК и белками. В 1957 –1963 годах множество ученых из разных стран работали над этой проблемой. Исследовалось строение белков, изучались белки бактерий, формировалось учение о вирусах и их взаимоотношениях с клетками других организмов, синтезировались искусственно молекулы РНК и некоторые участки ДНК (Г. Гамов 1957, Ф. Крик, Л Барнет 1961, 1963, М. Ниренберг и Дж. Маттеи 1961, 1963, К. Корана 1966, и многие другие). К 1966 году связь между ДНК и белками была не только доказана, но и расшифрована.