Эта увлекательная химия

В семье родился ребенок. К счастливым родителям приходят родственники, знакомые, разглядывают нового гражданина и восклицают: "А глаза-то у него мамины!", "Нос зато папин", "Губы как у дедушки". Действительно, дети всегда чем-то похожи на своих родителей, да и от бабушки с дедушкой у них есть кое-что во внешности и в характере.

Но почему дети похожи на родителей? Почему у мышей не рождаются слонята, почему из семечка пшеницы не вырастает дуб или осина? Почему, наконец, у всех людей две руки, две ноги, а нос один-единственный? Что управляет развитием организма? Эти и многие другие подобные вопросы издавна интересовали людей. Ответы на некоторые из них были получены лишь в последние десятилетия.

Мы знаем теперь, что именно вещества, вполне определенные химические соединения, имеющие строго фиксированные температуры плавления, растворяющиеся или не растворяющиеся в тех или иных растворителях, невзрачные с виду бесцветные вещества и определяют в конечном счете, быть ли ребенку синеглазым в маму или кареглазым в деда. Эти вещества- уже известные нам белки и нуклеиновые кислоты. Белки начали изучать давно, нуклеиновые же кислоты лишь в последние десятилетия стали сенсационно знаменитыми.

Но прежде чем говорить о нуклеиновых кислотах, необходимо дать читателю представление об одном из классов химических соединений — о гетероциклах.?

Что такое гетероциклы?

В третьей главе мы говорили о бензоле — одной из основных "строительных деталей" органических молекул. Действительно, как мы уже видели, бензольные кольца входят в состав многих веществ, встречающихся в природе и синтезированных человеком. Это и нафталин, и антрацен, это и некоторые аминокислоты (фенилаланин,тирозин).

Чем интересна молекула бензола? Все шесть π — электронов трех двойных связей образуют общее усредненное облако, придающее бензолу свойства ароматической системы. Что это значит? Это значит, что молекула бензола плоская (все шесть атомов углерода и шесть атомов водорода, с ними соединенные, лежат в одной плоскости), и атомы водорода легко замещаются на различные группировки (говорят, что бензол легко вступает в реакции электрофильного замещения). В то же время присоединение каких-либо атомов или молекул по двойным связям в случае ароматического бензола очень затруднено.

Заменим один из атомов углерода в молекуле бензола на атом какого-то другого элемента, например, на азот. Такую операцию можно провести, только заменить придется не один атом углерода, а всю группу С-Н (на место четырехвалентного углерода встает трехвалентный азот). Мы получили новое соединение, называемое пиридином:

Не углеродные атомы, включенные в цикл, называются гетероатомами, а соединения, содержащие в кольце гетероатом,- гетероциклическими, или просто гетероциклами.

А нельзя ли заменить на азот две группы СН в молекуле бензола? Можно, причем мы получим три?

разных соединения:

Все эти вещества известны, синтезированы и их химия хорошо изучена. Для нас, поскольку предстоит разговор о нуклеиновых кислотах, интересен пиримидин.

Известны гетероциклы, содержащие не шесть членов в цикле, а пять, и тоже являющиеся ароматическими. На первый взгляд это кажется странным — ведь ароматические системы должны содержать шесть, а не пять π-электронов. Но и в пятичленных гетероциклах на пять атомов тоже приходится шесть я-электронов. По два π-электрона дают две двойные связи, а гетероатом (например, атом азота в пирроле) также предоставляет в общее пользование два электрона:

Это та же пара электронов, что и в молекуле аммиака и любого амина, которая позволяет амину присоединять протон с образованием аммонийной соли.

В качестве гетероатома в пятичленных ароматических системах может выступать не только азот, но и кислород (гетероцикл фуран), и сера (тиофен). В пределах одного пятичленного цикла могут быть заключены два гетероатома (одинаковые или разные); из таких соединений назовем имидазол:

Два бензольных кольца могут соединяться в двух местах и образовывать конденсированную систему нафталин. Может бензол сконденсироваться и с гетероциклом, например, с пирролом. В этом случае получается гетероцикл индол, который входит в состав аминокислоты триптофана.

Наконец, возможно и такое сочетание: два конденсированных гетероцикла. Самый интересный для нас случай, когда эти гетероциклы — пиримидин и имидазол; продукт такой "конденсации" — пурин — содержит четыре атома азота:

Гетероциклы входят в состав важнейших в биологическом отношении соединений. Здесь и аденозин-трифосфат (АТФ), и никотинамиддинуклеотид (НАД) и аминокислоты, и витамины, и лекарства, и антибиотики, и красители... И наконец, гетероциклы — необходимая составная часть нуклеиновых кислот, к разговору о которых мы и переходим.

Немного истории, а точнее — предыстории

Осень 1868 г. В Германии, в Тюбингене, в лаборатории биохимика Гоппе-Зейлера начинает работать молодой, скромный сотрудник по имени Фридрих Ми- шер. Из гнойных клеток Мишер выделял клеточные ядра, из которых, в свою очередь, получал щелочные экстракты. Действуя на такой экстракт кислотой, ученый выделил какое-то новое вещество с сильнокислотными свойствами, которое он назвал нуклеином. Мишер определил, что нуклеин помимо углерода, водорода и кислорода содержит изрядное количество азота и фосфора.

Статью, в которой излагались результаты этой работы, молодой ученый принес Гоппе-Зейлеру. Тот настолько заинтересовался исследованием коллеги, что, считая эту работу очень важной, решил сам проверить выводы Мишера. Лишь через два года работа молодого физиолога, подтвержденная опытами маститого биохимика, увидела свет,

Так были открыты нуклеиновые кислоты. Дальнейшая история этих интереснейших веществ была длинной и трудной. Отметим лишь основные вехи этой истории.

1879 г. Коссель в лаборатории Гоппе-Зейлера начинает исследование, в результате которого стали известны основные составные части нуклеиновых кислот: фосфорная кислота, пуриновые и пиримидиновые основания и какие-то сахара.

Конец прошлого века. У исследователей возникает еще смутная, неясная догадка о том, что именно нуклеиновые кислоты (или нуклеин, по терминологии того времени) и есть вещество наследственности. "Нуклеину приписывается выдающееся значение в развитии и размножении клеток", — читаем в "Энциклопедическом словаре" Брокгауза и Эфрона, изданном в 1897 г. Однако работать с "нуклеином" было очень трудно, состав его оказался весьма сложным. Интерес к нуклеиновым кислотам поостыл, забыли об их предполагаемой роли в развитии и размножении.

Первая треть XX века. Левин в Рокфеллеровском институте (США) окончательно устанавливает, что в клетках имеются два вида нуклеиновых кислот. В состав первой в качестве сахара входит D-рибоза, углеводный компонент второй кислоты — D-дезоксирибоза.

Конец 30-х годов. Определена молекулярная масса нуклеиновых кислот. Для кислот, содержащих дезоксирибозу (позже их назовут дезоксирибонуклеиновыми, ДНК) она оказалась равной сотням тысяч и даже миллионам углеродных единиц. Вторая кислота (впоследствии названная рибонуклеиновой, РНК) легче — ее молекулярная масса от 20 до 200 тысяч.

1938 год. Окончательно установлено, что вся клеточная ДНК сосредоточена в ядре, в то время как РНК содержится в цитоплазме клетки.

40-е годы. Найдены методы разделения и количественного определения ДНК и РНК в животных и растительных тканях и показано, что в растениях и в животных содержатся одни и те же нуклеиновые кислоты двух видов — ДНК и РНК.

Надо сказать, что открытие наследственной функции нуклеиновых кислот тесно связано с вполне практическими, медицинскими исследованиями. Еще в 20-е годы интенсивно изучалась природа пневмонии — воспаления легких. Возбудители этой болезни были известны. Это бактерии пневмококки. Однако не все пневмококки способны вызвать болезнь. Есть среди них и безвредные. Спрашивается, чем они друг от друга отличаются? Был поставлен такой эксперимент! болезнетворные пневмококки убивали нагреванием, а потом к ним добавляли живые, но безвредные бактерии. Оказалось, что при этом безвредные пневмококки частично превратились ("трансформировались") в болезнетворных, притом это свойство оказалось устойчивым в потомстве (наследуемым). Стало ясно, что какое-то вещество переходит из убитой бактерии в живую и вызывает ее трансформацию. В 1944 г, американец О. Эвери показал, что только одно вещество передает болезнетворные свойства от убитой бактерии к живой. Им оказалась ДНК. Ни белки, ни какие-либо другие компоненты клетки в передаче наследуемых признаков никакой роли не играют.

Все эти события были все-таки лишь предысторией главных событий в молекулярной биологии. А главным было решение вопроса: в какой форме записана наследственная информация в ДНК, как она реализуется. Чтобы немного разобраться в этом, посмотрим, как устроена молекула ДНК, каковы ее составные части.

Основания, нуклеозиды, нуклеотиды...

Дезоксирибонуклеиновую кислоту можно сравнить с телеграфной лентой, на которой записана вся информация, необходимая клетке для ее существования, нормальной работы, размножения. Мы еще разберем подробнее, как хранится эта информация. Сейчас же скажем, что для записи всего огромного многообразия признаков, которые хранятся в каждой клетке организма, понадобится не одна тысяча фраз. Но фразы состоят из слов, а слова — из букв. Вот об этих буквах, из которых складываются слова и фразы наследственной записи, мы и хотим сейчас поговорить. Поскольку вся информация записана на длинных молекулах ДНК, которые мы сравнили с телеграфной лентой, сейчас мы затронем только эту кислоту.

Посмотрите на эту страницу. На ней имеется информация (в данном случае — некоторая информация о ДНК), которая выражена в конечном счете самыми мелкими единицами — буквами русского алфавита. Но каждая буква не есть какой-то неделимый элементарный знак, она состоит из нескольких черточек, которые и придают ей особое, только этой букве присущее начертание. Например, из трех черточек, располагая каждый раз две из них одинаковым манером, а третью — иначе, можно составить три различные буквы: Н, П, И.

Примерно такую же картину мы видим и в записи наследственных признаков. Каждая элементарная буковка наследственной записи состоит из трех частей, причем две части — две черточки каждой буквы — одинаковы. Одна из этих черточек — D-дезоксирибоза. Это углевод, содержащий пять атомов углерода и три гидроксила; в молекуле ДНК дезоксирибоза присутствует в циклической форме. Вторая палочка, общая для всех "букв" — остаток фосфорной кислоты НРОГ. Наконец, третья палочка, которая и придает букве специфический вид, так что эту букву уже не спутаешь ни с какой другой,- это азотистое основание. Азотистых оснований известно четыре. Два из них (аденин и гуанин)-это производные пурина, а два других (тимин и цитозин)-производные пиримидина.

Тут нужно заметить, что гуанин, тимин и цитозин могут существовать в двух таутомерных формах. В ДНК всегда присутствует форма с кетонной группой С=0, а не с гидроксилом ОН..

Как же собрать из отдельных черточек буквы? Первая палочка — основание. Присоединим к нему через один из атомов азота сахар дезоксирибозу (вторая палочка). Получим так называемый нуклеозид. Это две трети нашей буквы. Добавим третью палочку — к одному из гидроксилов дезоксирибозы присоединим остаток фосфорной кислоты. Получим целиком всю букву, которая называется нуклеотидом.

Вот как "складываем" буквы ДНК из отдельных частей:

(Основание+ Дезоксирибоза = Нуклеозид) +Фосфат = Нуклеотид (Аденин + Дезоксирибоза = Дезоксиаденозин) + Фосфат = Дезоксиадениловая кислота (А)

(Гуанин + Дезоксирибоза = Дезоксигуанозин) + Фосфат = Дезоксигуаниловая кислота (Г)

(Тимин + Дезоксирибоза = Тимидин) + Фосфат = Тимидиловая кислота (Т)

(Цитозин + Дезоксирибоза = Дезоксицитидин) + Фосфат = Дезоксицитидиловая кислота (Ц)

Приведем для примера формулы нуклеозида и нуклеотида. Нуклеозид дезоксиаденозин (а) — это еще только две трети "буквы" А; дезоксиадениловая кислота (б)-это уже целая буква А в наследственной записи:

В русском алфавите 33 буквы, в латинском — 25, арабский алфавит включает 28 букв. В алфавите на-следственной записи всего 4 буквы: А, Г, Т, Ц (по начальной букве русского названия соответствующего азотистого основания). Не мало ли? Не обидела ли себя природа?

Но вспомним — в азбуке Морзе только два знака: точка и тире. В "алфавите", которым пользуются электронно-вычислительные машины, вся информация, поступающая и выходящая из машины, также записывается на двух буквенном языке (эти буквы можно обозначить по-разному, не меняя сути: "да" и "нет" или "О" и "1"). Так что, как видим, любую информацию можно прекрасно записывать, обходясь при этом двумя "буквами", тем более — четырьмя.

К ДНК приходит заслуженная слава

Итак, к началу 50-х годов стало ясно, что наследственная информация записана в виде последовательности нуклеотидов в ДНК, а уже в 1953 г. удалось выяснить, как же именно осуществляется передача наследственных признаков, каков физико-химический механизм этого процесса.

Нуклеиновые кислоты были открыты в 1868 г., но известность к ним пришла лишь 85 лет спустя. Зато какая слава! ДНК, вероятно, самое знаменитое вещество на свете. И справедливости ради нужно сказать, что слава эта вполне заслуженная. Наверное, действительно, ДНК — самое интересное, самое сложное и самое важное вещество из всех тех, что существуют в природе или были созданы человеком. Ведь длинная молекула ДНК — это та телеграфная лента, на которой особым языком, всего четырьмя буквами записано, каким быть зарождающемуся организму. И запись эта наиподробнейшая, здесь оговорено все — от цвета глаз до отдельных особенностей характера человека.

Что же произошло в 1953 г., через 85 лет после "рождения" ДНК?

...В 1951 г. 22-летний американский биолог Джеймс Уотсон присоединился к маленькой группе физиков и химиков Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, изучавшей пространственную структуру молекул белков. Возглавлял группу австрийский химик Макс Перутц, а руководителем Кавендишской лаборатории был лауреат Нобелевской премии, один из основателей рентгенографического метода в кристаллографии сэр Лоуренс Брэгг.

Впоследствии Уотсон в своей книге "Двойная спираль" вспоминал о начале работ по структуре ДНК следующим образом.

В группе выделялся 35-летний физик Фрэнсис Крик. И выделялся он, пожалуй, не столько способностями и умом (который, как показали дальнейшие события, его товарищи недооценивали), сколько феноменальной говорливостью. Такие способности были отнюдь не по душе спокойному, холодноватому Лоуренсу Брэггу, истинному англичанину. Но что делать — приходилось терпеть неугодного сотрудника, проводившего порой целые дни, а то и ночи, в громогласных рассуждениях обо всем на свете и в то же время в свои 35 лет не сделавшего еще ничего сколько-нибудь значительного в науке.

До появления Уотсона Крик не задумывался о роли ДНК в передаче наследственных признаков. Но он счел эту тему чрезвычайно интересной. Крик даже бросил физику и увлекся биологией после того, как в 1946 году прочитал книгу одного из основателей квантбвой механики Шредингера "Что такое жизнь с точки зрения физики?". В ней Шредингер поставил, среди прочих, один принципиальный вопрос: чем объясняется высокая устойчивость генов — молекул наследственного вещества, построенного из легких атомов С, Н, N, О, Р? Каким образом на протяжении огромного числа поколений сохраняются наследственные признаки? Каким образом они передаются? Есть ли специальное вещество наследственности, которое, переходя из клетки в клетку, руководит наследственной программой организма? Впрочем, убеждение, что такое вещество есть и что отдельные признаки организма определяются некоторыми неизменными "порциями" этого вещества, генами, утвердилось задолго до Уотсона и Крика.

Интересно, что открытие ДНК (1868 г.) по времени почти совпадает с первыми работами, положившими начало классической генетике.

В 1865 г. в трудах Брюннского общества естествоиспытателей была напечатана статья священника местного августинского монастыря Грегора Менделя. Она скромно называлась "Опыты с растительными гибридами". Журнал этот не пользовался известностью среди ученых и результаты Менделя в то время не вошли в научный обиход. Лишь 35 лет спустя одновременно и независимо трое других ученых провели опыты, по существу близкие опытам Менделя (о которых они ничего не знали) и пришли к тем же выводам. Выводы эти были исключительной важности. В чем их суть?

Скромный монах занимался скрещиванием разных сортов гороха. Он брал горох с белыми цветками и переносил пыльцу с его тычинок на рыльца растений с красными цветками. Растения дали семена, которые Мендель на следующий год высеял на своем небольшом участке.

Чего можно было ожидать? Новые растения-дети могли бы, например, иметь розовые лепестки (произошло смешение признаков: красный + белый = розовый), или у части растений цветки оказались бы красными, а у другой части — белыми. Произошло ни то, и ни другое — все растения были с красными цветками.

Мендель сделал вывод (первый закон Менделя): в растениях, получающихся при скрещивании двух ро-дителей. отличающихся по какому-либо признаку, не происходит никакого растворения, смешивания признаков, а наблюдается преобладание одного признака (сильного, доминантного) над другим (слабым, рецессивным).

Мендель скрестил между собой красноцветковых растений-детей, собрал полученные семена и на следующую весну посеял их. Когда растения зацвели, он увидел прелюбопытнейшую картину: три четверти растений были с красными цветками, а одна четверть — с белыми. Четверть "внуков" пошла в белоцветковую "бабушку", хотя все родители как две капли воды были вылитыми красноцветковыми "дедушками".

Мендель сделал второй вывод (второй закон Менделя): во втором поколении у внуков проявляются признаки, характерные для одного из дедов — признаки расщепляются.

Итак, признаки не исчезают бесследно, они наследуются в неизменном виде, переходят от родителей к детям, от детей к внукам. Мендель пришел к заключению, что наследственность управляется некими дискретными единицами. Он назвал их факторами, позже они получили другое название — гены. Так началась классическая генетика.

В 30-е годы прошлого века в биологии утвердилась клеточная теория: все живые организмы — животные, растительные, бактериальные — состоят из клеток. Новые клетки образуются только путем деления пред-шествующих клеток. Как это происходит?

Если рассматривать делящуюся клетку в микроскоп, то в ее ядре можно увидеть продолговатые тельца, хорошо окрашиваемые специальными красителями,- хромосомы (от "хрома"-"цвет" и "сома"-* "тело"). Во время деления хромосомы похожи на четки: на центральную нить нанизаны утолщенные тельца. Оказалось, что хромосомы существуют в виде отдельных, физиологически и структурно обособленных единиц и в промежутках между делениями, хотя у многих клеток они в это время не окрашиваются красителями и не видны в микроскоп.

Число хромосом в любой клетке организма данного вида строго постоянно. У человека их 46, у маленького рачка — 208, а у микроскопической радиолярии — целых 1600. На одной из стадий деления количество хромосом удваивается* так что? например, делящаяся клетка человека содержит некоторое время не 46, а 92 хромосомы. После этого ядро клетки делится пополам, и половина хромосом оказывается в одном, а половина в другом новообразованном ядре. Оказалось, что практически вся ДНК клетки находится в хромосомах. Более того, в хромосоме бактерий ничего, кроме ДНК, вообще не содержится. Таким образом, удвоение хромосом — это удвоение ДНК.

Так что же такое ген?

Как только стало ясно, что в ядрах клеток сосредоточена наследственная информация и что эта информация дискретна и передается в виде неизменных порций — генов в различных их комбинациях, генетики широким фронтом развернули эксперименты, из которых стали вырисовываться количественные закономерности, управляющие наследственностью с ее изменениями. Было обнаружено, что действуя на хромосомы различными излучениями и химически активными веществами, можно вызвать мутации, т. е. изменения наследственных признаков. Все хромосомы выглядят под микроскопом не совсем одинаково. Сопоставляя вид хромосом с изменениями внешних признаков, удалось построить карты генов — генетики уже точно знали, где, на какой хромосоме, в каком месте располагается тот или иной ген, например ген окраски глаз или формы крыльев, у плодовой мушки — дрозофилы. Но молекулярная природа генов все еще не была известна, не было понятно, каким образом воспроизводится наследственный материал.

В 1927 г. русский биолог Н. К. Кольцов в статье "Наследственные молекулы" высказал предположение, что в ядрах клеток, а точнее — в хромосомах, находятся длинные полимерные молекулы. Вдоль такой молекулы и располагаются отдельные участки, управляющие передачей тех или иных признаков, — гены.

Кольцов предположил далее, что перед делением клетки каждая молекула, несущая гены, выстраивает рядом точную копию самой себе, после чего молекулы расходятся: оригинал в одну из клеток, копия — в другую. "Сложные молекулы не могут создаваться в организме заново", — писал Кольцов. И дальше: "Всякая, конечно, сложная органическая молекула возникает из окружающего раствора только при наличии уже готовой молекулы, причем соответствующие радикалы помещаются... на те пункты имеющейся налицо и служа- щей затравкой молекулы, где лежат такие же радикалы". Таким образом, Кольцов очень проницательно отметил, что наследственная информация на молекулярном уровне может передаваться подобно тому, как происходит кристаллизация веществ из раствора на затравке из кристаллов. Фактически в этом и состоит матричный принцип синтеза новых биополимерных молекул на пред существующих молекулах того же типа. К сожалению, в 20-е годы роль ДНК в передаче наследственности была еще совершенно неясна, и Кольцов считал, что вещество наследственности — это белок, содержащийся в хромосомах. Представление о том что гены — это молекулы особых белков, — просуществовало довольно долго, и окончательно от него отказались лишь Уотсон и Крик в начале 50-х годов.

Здесь изображен кусочек ДНК, состоящий всего из четырех 'букв' — нуклеотидов. Слева — более простое условное изображение того же фрагмента. Кружками обозначены фосфаты, пятиугольниками — дезоксирибоза. Основания изображены различными фигурами, смысл которых станет ясен из дальнейшего. Маленькими буквами обозначены основания: а — аденин, г — гуанин, т — тимин, ц — цитозин, большие буквы — соответствующие им нуклеотиды: А, Г, Т, Ц

Что же было известно до Уотсона и Крика и что нового дала их работа? Прежде всего, они были твердо убеждены, что именно ДНК — носитель наследственной информации. Было известно, что молекула ДНК имеет очень большую молекулярную массу и что это, по-видимому, длинная цепь, образованная из множества нуклеотидов. Нуклеотиды соединяются между собой через фосфатные остатки — один фосфат при-соединен к двум гидроксильным группам, принадлежащим двум остаткам сахаров соседних нуклеозидов. Последовательность нуклеотидов — это первичная структура ДНК. Далее, было известно, что в ДНК со-держание аденина точно равно содержанию тимина, а количество гуанина точно равно количеству цитозина. Это так называемые правила Чаргаффа, установленные в конце 40-х -начале 50-х годов. Наконец, Крик располагал ренгенограммами образцов ДНК, полученными Розалиндой Фрэнклин.

Нужно было на основании этих данных решить, как же устроена молекула ДНК, как она расположена в пространстве и каким образом, почему, благодаря каким особенностям ДНК является веществом наследственности (а в это Уотсон и Крик верили свято).

С какой стороны подступиться, с чего начать? Очень импонировал обоим ученым путь, который привел Лайнуса Полинга к открытию знаменитой α-спирали белковой молекулы. Уотсон пытался понять, как именно Полинг открыл α-спираль. Вот что писал Уотсон.

Рентгенограма кристалла ДНК, получения Р. Фрэнклин. Расчет Крика показывает, что такую рентгенограмму может дать спиральная молекула

"Вскоре я усвоил, что Полинг достиг этого, опираясь больше на здравый смысл, чем на сложные математические выкладки. В своих рассуждениях он иногда оперировал уравнениями, но и тут в большинстве случаев можно было бы обойтись словами. Ключ к успеху Лайнуса надо было искать в том, что он доверился простым законам структурной химии, α-Спираль была открыта не с помощью простого созерцания рентгенограмм; главный фокус состоял в том, чтобы задать себе вопрос: какие атомы предпочитают соседствовать друг с другом? Основными рабочими инструментами были не бумага и карандаш, а набор молекулярных моделей, на первый взгляд напоминающих детские игрушки.

Мы не видели, что могло бы помешать нам решить проблему ДНК таким же способом. Нужно было только сконструировать набор молекулярных моделей и начать играть ими".

Вот так, "играя" с моделями, Уотсон и Крик и открыли свою знаменитую двойную спираль. Крик, как физик, произвел кое-какие расчеты и показал, что рентгенограмма кристаллической ДНК, полученная Фрэнклин, лучше всего соответствует именно спиральной укладке длинной молекулы в виде двух переплетающихся цепей.

Как же соединяются две нити ДНК, какие силы удерживают их в переплетенном состоянии? Силы те же, что и в структуре Полинга — водородные связи.

Уотсон, собирая модели нуклеотидов и так, и этак в разных сочетаниях, нашел, что идеальным вариантом является такой, когда фосфатно-сахарный остов образует основу каждой из нитей, а азотистые основания обращены внутрь. Причем против аденина должен располагаться только тимин, а гуанин прекрасно подходит к цитозину. Два основания каждой такой пары соединены водородными связями. Аденин и тимин двумя связями, а гуанин и цитозин — тремя. Сразу нашло объяснение правило Чаргаффа: в молекуле ДНК А = Т и Г = Ц.

По своим размерам аденин настолько хорошо подходит к тимину, а гуанин — к цитозину, что получающаяся двунитевая спираль имеет по всей длине совершенно правильную конфигурацию, и толщина спирали в любом месте одинакова (диаметр ее составляет 2 нм).

В молекуле ДНК против аделина одной цепи двойной спирали обязательно располагается тимин другой цепи (а). Такие же отношения существуют между гуанином и цитозин (б)

Теперь легко объяснить, как происходит воспроизведение молекул ДНК: молекула расплетается на две нити, на каждой нити строится вторая дополнительная к ней нить, и обе образовавшиеся двунитевые молекулы расходятся в две дочерние клетки.

Не нужно только думать, что две нити ДНК при репликации (т. е. при удвоении) расплетаются как веревка, составленная из двух прядей. С какой скоростью должны были бы вращаться в таком случае, например, концы нитей ДНК кишечной палочки, состоящей из трех миллионов пар нуклеотидов? На каждый виток приходится 10 пар азотистых оснований. Клетка кишечной палочки делится каждые 20 мин, т. е. за это время должна раскрутиться ДНК длиной 1 мм (именно такова длина трехмиллионно нуклеотидной ДНК кишечной палочки). Получается, что скорость расплетания должна была бы составлять 15 000 оборотов в минуту. Это совершенно немыслимая скорость. Приходится предположить, что при удвоении молекулы ДНК она сначала расщепляется во многих местах, так что наращивание второй молекулы идет одновременно по всей длине ДНК.

Так схематично можно представить процесс репликации молекул ДНК

Нам бы очень не хотелось, чтобы у читателя возникло впечатление, будто Крик и Уотсон пришли к своему открытию легко и просто. Были и мучительные поиски, и разочарования, и бессонные ночи. О том, как непросто все было, говорит хотя бы такой факт.

В разгар работы над структурой ДНК, когда многое еще было неясно, но кое-что в будущей структуре начало вырисовываться, Крику и Уотсону стало известно, что Лайнусу Полингу, творцу а-спиральной модели молекулы белка, кажется, удалось решить проблему структуры ДНК. Можно представить себе, как это известие взволновало Уотсона и Крика. Они принялись лихорадочно читать рукопись еще не опубликованной статьи и скоро поняли, что Полинг был далек от истины: его модель представляла собой трехнитевую спираль, в которой сахарофосфатный остов всех трех нитей находился в центре, а азотистые основания торчали в разные стороны. На этот раз?

Полинг, самый проницательный химик мира, как его охарактеризовал Уотсон, допустил ошибку.

Да, "просто, мудро, изящно", но вовсе не так легко, как это теперь нам кажется. Впрочем, на протяжении своей работы они всегда придерживались принципа — в природе все просто и изящно. Если им приходила в голову гипотеза, которая казалась недостаточно красивой и простой, они ее сразу отбрасывали.

Итак, был предложен красивый, простой, убедительный механизм "размножения" молекул ДНК. В каком соотношении он находится с геном? Сегодня мы знаем, что ген — это часть очень длинной молекулы ДНК.

В 1969 г. сотрудники Гарвардской медицинской школы в США под руководством Д. Беквита сумели выделить отдельный ген, "отстричь" его от остальной цепи ДНК. Этот ген находится в ДНК бактерии кишечной палочки и служит для синтеза фермента, который помогает бактерии усваивать сахар лактозу. Удалось даже рассмотреть выделенный ген под микроскопом. Его длина — 0,0015 мм, состоит он из 4700 пар нуклеотидов.

Вся же молекула ДНК, хранящая наследственные признаки сложных организмов, в сотни раз длиннее. Можно представить себе, какие сложные, какие длинные цепи молекул ДНК хранятся в ядре каждой из миллиардов наших клеток. Так, у млекопитающих в ядрах клеток содержатся ДНК, состоящие из 109 нуклеотидов. Ясно, что такими числами можно записывать огромное количество информации.

В то же время молекулы ДНК простейших вирусов относительно малы. Удалось взвесить и сфотографировать ДНК одного из бактериофагов. Эта ДНК представляет собой кольцо с длиной окружности около 2 мкм, состоящее из 5600 пар нуклеотидов. Молекулярная масса такой "крошечной" ДНК составляет 6 миллионов углеродных единиц. Функции бактериофага весьма примитивны, поэтому он и обходится та-кой короткой ДНК.

Как же реализуется информация, заложения в последовательности нуклеотидов в ДНК? Что, собственно, определяет эта последовательность? Оказалось, что последовательность нуклеотидов определяет только одно: последовательность аминокислот в Новосинтезируемых белках.

Фактически, текст, записанный четырех буквенным алфавитом из нуклеотидов, переводится в другой текст, записанный 20-буквенным алфавитом аминокислот. Каждый ген, т. е. определенный отрезок цепи ДНК, кодирует биосинтез одного белка (правило: один ген — один белок), точнее — одного полипептида, поскольку некоторые белки состоят из нескольких полипептидных цепей.

О ферментах

Мы уже не раз упоминали слово "фермент". Пожалуй, ни один процесс в биологической системе не обходится без участия фермента, а чаще всего-многих ферментов. Биохимию в целом можно определить как химию ферментативных реакций. Ферментов известно множество. Так, одна-единственная клетка простейшей бактерии использует в своей жизнедеятельности около тысячи разных ферментов.

Ферменты катализируют тысячи реакций, идущих в живой клетке — при дыхании, обмене веществ, размножении... И самое замечательное свойство ферментов — работают они чрезвычайно быстро. Чтобы расщепить какой-либо белок или молекулу полиуглевода (крахмал, целлюлозу) на составные части, их нужно кипятить с крепкими растворами кислот или щелочей несколько часов. Ферменты пищеварительных соков — пепсин, протеаза, амилаза — гидролизуют эти вещества за несколько секунд при температуре 37 °С. Ферменты — это биологические катализаторы.

"Ферменты есть, так сказать, первый акт жизненной деятельности,- говорил академик И. П. Павлов.- Все химические процессы направляются в теле именно этими веществами, они есть возбудители всех химических превращений. Все эти вещества играют огромную роль, они обусловливают собой те процессы, благодаря которым проявляется жизнь, они и есть в полном смысле возбудители жизни. Они составляют основной пункт, центр тяжести физиологохимического знания".

Как же действуют ферменты, почему они ускоряют в тысячи раз те или иные реакции??

Каждый фермент — это молекула белка, свернутая в клубок, глобулу. Важнейшая часть такой глобулы — активный центр, небольшая область, в которой и проходит реакция, управляемая и ускоряемая ферментом. Можно представить себе несколько механизмов действия ферментов. Предположим, что реакция заключается во взаимодействии двух молекул. Сначала эти молекулы подходят друг к другу на достаточно близкое расстояние, затем между ними формируется химическая связь — образуется новая молекула. Но в отсутствие фермента, т. е. катализатора, такая реакция идет очень медленно — пока две молекулы найдут друг друга в огромном по сравнению с ними пространстве внутриклеточной жидкости... А если и найдут, и подойдут друг к другу, это еще не значит, что между ними возникнет химическая связь. Для этого молекулы должны быть активированы, обладать дополнительной энергией. А теперь представим себе, что в активном центре молекулы фермента есть два "гнезда", точь-в-точь подогнанные под эти две молекулы; они укладываются в эти гнезда, их концы оказываются рядом — возникает новая химическая связь, образуется новая молекула: она по своей конфигурации уже не подходит к активному центру в глобуле фермента и фермент эту молекулу выталкивает. На освободившееся место встают две другие реагирующие молекулы...

Не правда ли, очень похоже на работу машины по брошюровке книг: специальные щипцы захватывают несколько листов бумаги, сверху опускается металлическая скобка, мгновение — и листы сшиты, их подхватывают другие щипцы и выталкивают из машины.

Но фермент может действовать не только механически, он может на какое-то время сам связываться с одной из реагирующих молекул. Такая молекула, после того как к ней присоединится фермент, обладает уже иными химическими свойствами, она гораздо охотнее реагирует с нужной молекулой. После этого фермент отщепляется.

Так выглядит молекула лизоцима (модель). Ясно видна 'щель'

Посмотрим, как фермент лизоцим расщепляет молекулу полисахарида. Активный центр в молекуле лизоцима имеет форму щели, в которую укладывается длинная лента полисахарида. При этом фермент изменяет свою конфигурацию, атомы, образующие щель, смещаются один относительно другого и молекула полисахарида оказывается разрезанной на две половины, которые тут же отделяются от молекулы фермента. В данном случае действие лизоцима напоминает работу машины по обрезке сброшюрованной книги: сшитые листы кладутся на специальный стол, две части машины — стол и нож — перемещаются относительно друг друга и обрезанные листы выталкиваются из машины.

Это, конечно, только схема. В действительности все гораздо сложнее, и еще очень многие детали биохимических процессов пока неясны. Непонятно, например, как происходит дифференцировка, т. е. почему в результате слияния двух микроскопических клеток развивается организм, состоящий из множества клеток, совершенно различных по своему строению и функции: одни образуют кровь, другие становятся клетками печени, третьи формируют кожу. Каждый фермент, каждая биохимическая реакция ставят перед органиком, биохимиком множество задач, которые образуют в совокупности поистине необозримое поле деятельности для многих будущих поколений исследователей.

Изучая сложнейшие процессы, происходящие в живой клетке, восхищаясь легкостью, с какой ферменты осуществляют превращения веществ, ученые задумываются: а нельзя ли, поучившись у природы, провести в колбах и реакторах искусственные химические процессы, копирующие, моделирующие биохимические реакции? Начатые по инициативе академика Н. Н. Семенова, такие исследования в области "химической бионики" успешно ведутся в нашей стране под руководством члена-корреспондента АН СССР А. Е. Шилова.