Реферат: Успехи в изучении материальных основ наследственности
Первые два (аденин и гуанин) относятся к так называемым тгуриновым основаниям, а два вторых (цитозин и тимин) - к пиримидиновым основаниям.
Между каждым из оснований, входящих в пару, возникают слабые по своей энергии так называемые водородные связи. Между тимином и аденином их образуется две, а между гуанином и цитозином - три. Но хотя эти связи и слабые, молекула ДНК становится вполне стабильной. В силу того, что вдоль оси молекулы ДНК располагается огромное число пар оснований (сотни и тысячи таких пар), суммарная энергия связи двух нитей ДНК оказывается значительной.
В конце 1953 г. Уотсон и Крик, проанализировав результаты, полученные химиками (Эрвином Чаргаффом и другими) и физиками (в основном рентгеноструктурщиками Морисом Уилкинсом и Розалиндой Франклин), пришли к выводу, что две нити молекулы ДНК только тогда могут приблизиться на расстояние, позволяющее возникнуть водородным связям (а это расстояние вполне определенное и не превышает двух ангстрем), если напротив аденина поместится тимин, а напротив гуанина - цитозин, да если к тому же обе нити ДНК будут антипараллельны.
Последнее замечание имеет глубокий смысл и связано с расположением молекул в сахаро-фосфатном каркасе нитей-ДНК. Оказалось, что остатки фосфорной кислоты, расположенные по обе стороны от молекулы сахара-дезоксирибозы, присоединяются всегда к разным атомам углерода сахара. Так как эти атомы имеют свои номера с первого по пятый (ведь дезоксирибоза - пятичленный, или пятиатомный сахар), то и получается, что предшествующий сахару фосфат присоединяется к атому углерода, имеющему номер 3' (три-штрих), а последующий - к атому углерода 5 (пять-штрих). Значок «штрих» у этих атомов ставят для того, чтобы отличать атомы углерода сахарного остатка от атомов углерода, входящих в состав азотистых оснований (в них есть свои атомы углерода под номером 3 и 5, но уже обозначаемые без штрихов). С помощью этих значков удается точно пронумеровать все атомы в нуклеотидах, составляющих ДНК. Таким образом, мы можем не только точно указать номера всех атомов в ДНК, но еще и указать направление одной нити. Его обозначают чаще всего для краткости как: 5' → 3'.
Когда Уотсон и Крик уже догадались, что спираль ДНК может 'быть стабильной, только если напротив аденилового нуклеотида поместить тимидиловый, а напротив гуанилового цитидиловый, им пришлось долго помучиться, прежде чем они нашли верное решение. Чтобы представлять себе точную пространственную картину сложнейшей молекулы ДНК, авторы изготовили так называемые шариковые модели Сахаров, фосфатов, оснований. Размеры каждого из атомов, слагающих эти молекулы, были физикам известны, расстояния между атомами и углы, образующиеся между ними, также были установлены, и Уотсон и Крик начали лепить каркасы молекул, пристраивая шарики нужного размера к стержням нужной длины, повернутым к тому же на нужный угол.
Когда подготовительная работа была окончена, и Уотсон и Крик собрали модели нуклеотидов, они начали пристраивать один нуклеотид к другому. Задача заключалась в том, чтобы, по крайней мере, по две водородные связи могли возникнуть между двумя нуклеотидами. Для этого нужно было, чтобы расстояния между атомами, объединяемыми водородной связью, были строго определенным. Такие комбинации возникали, как уже говорилось, только в двух парах: аденин + тимин и гуанин +ЦИТ03ИН.
Все шло нормально до тех пор, пока Уотсон и Крик прикладывали друг к другу отдельные нуклеотиды. Стоило собрать их в цепи, в нити, как вся стройность нарушалась. Одна цепь смещалась относительно другой цепи. И, лишь когда Уотсон догадался перевернуть одну цепь вверх ногами, все стало на свои места: расстояния между атомами стали приемлемыми для возникновения водородных связей. Так стало ясно, что нити в ДНК антипараллельны. Одна идет в направлении 3' →5'-, а вторая от 5' к 3'- атому.
Наличие водородных связей между основаниями, да и верность всей картины, нарисованной Уотсоном и Криком, затем были строго подтверждены многими физико-химическими исследованиями, и сейчас ни у кого не вызывает сомнения, что ДНК устроена точно так, как предсказали Уотсон и Крик. Обоим ученым и Морису Уилкинсу, сделавшему основные рентгеноструктурные снимки ДНК для анализа ее структуры, была присуждена Нобелевская премия. Некоторое время наличие антипараллельности нитей ДНК мало волновало ученых. Но чем дальше, тем в большей мере выявляется роль этого правила.
Как мы увидим из дальнейшего рассказа, во многих процессах, связанных с ДНК (при размножении клеток, при возникновении перестроек хромосом и т.д.), с ней взаимодействуют многочисленные ферменты.
Одни присоединяются к ДНК чтобы произвести удвоение молекул, другие разрывают одну из нитей. Но каждый фермент всегда точно узнает начало и конец нити, ее направление и взаимодействует только с определенным атомом в определенной нити ДНК. Фермент, ведущий репликацию ДНК, никогда не будет этого делать в направлении от б'-атома к 3-атому, а только от 3' к 5'. Некоторые нуклеазы (ферменты, разрывающие сахаро-фосфатный остов ДНК) разрезают ДНК вблизи 3'-атома, а другие только около 5'. Более того, некоторые ферменты делают это перед нужным атомом, а другие только позади его. Структура ДНК оказалась важнейшим свойством наследственных молекул.
3. Рибонуклеиновая кислота (РНК)
До начала 90-х годов прошлого века химики сумели расщепить нуклеин Мишера на белковую и нуклеиново-кислотную часть. В 1891 г. профессор Берлинского университета немецкий биохимик Альбрехт Коссел выделил из нуклеина первые азотистые основания - гуанин, аденин, гипоксантин и ксантин. Хотя год спустя Штрекер сумел искусственно получить ксантин из гуанина при действии на него азотистой кислоты, а Гоппе-Зейлер обнаружил, что гипоксантин - это также продукт разложения аденина («Азотистого кислотою он переводится в гипоксантин:. при гниении без доступа воздуха из аденина также образуется гипоксантин», - писал Гоппе-Зейлер в 1895 г.), химики тех времен не предполагали, что ни ксантин, ни гипоксантин в нуклеиновых кислотах не содержится. Ученые применяли слишком жесткие методы воздействия на нуклеин (кипячение в кислотах, перегонка), и за счет этого наряду с действительными составными частями нуклеина из него были «получены» вещества, никогда в нем не содержавшиеся. Продукты распада аденина и гуанина были приняты за нормальные компоненты. Но так или иначе, то, что нуклеиновые кислоты содержат в своем составе пуриновые основания, стало известно еще в 90-х годах XIX в.
Еще через 10 лет А. Косселю посчастливилось выделить из нуклеиновых кислот тимин и цитозин, а немец Асколи изолировал урацил. С азотистыми основаниями было покончено, но сахара пока идентифицированы не были, и так и оставалось неясным, почему в формуле нуклеина, предложенной Ф. Мишером, стоял фосфор.
Лишь в 1909 г. П. Левин разгадал эту загадку и нашел в составе нуклеиновой кислоты фосфорную кислоту и пятичленный сахар. Этим сахаром, по его определению, была рибоза. Еще два десятилетия потребовались для обнаружения последнего неизвестного компонента нуклеиновых кислот - дезокси-рибозы (это было сделано в 1930 г. Левиным). Так, спустя 60 лет после пионерской работы Ф. Мишера, биохимики выяснили состав нуклеиновых кислот но до полного выяснения их структуры надо было ждать еще более 30 лет. Пока же еще одно затруднение подстерегало ученых.
Мы только что говорили о типах азотистых оснований, найденных в нуклеиновых кислотах, и перечисляли их: аденин и гуанин (пуриновые основания), и тимин, цитозин и урацил (пиримидиновые основания).
Уже к 20-м годам химики утвердились во мнении, что в одних нуклеиновых кислотах содержатся цитозин и тимин, а в других - цитозин и урадил. Вместе тимин и урацил не были найдены ни разу.
Затем картина как будто прояснилась. Многим начало казаться, что в животных клетках находится тимин-содержащая кислота (ее назвали тимонуклеиновой), а в растительных - урацил-содержащая. Поскольку последнюю чаще всего выделяли из дрожжей, то ее и назвали дрожжевой.
Но еще через десятилетие удалось окончательно установить, что такое деление неправильно. И ту и другую кислоту нашли и в растениях, и в животных. Зато выяснилось другое: в ядрах всех клеток в основном находили тимонуклеиновую кислоту, а в цитоплазме в основном-дрожжевую.
Парадокс разрешился только в конце 40-х годов. Француз Касперссон, русский Б.В. Кедровский, американцы Мирский, Шпигельман и Камен не только подтвердили ядерную локализацию тимонуклеиновой кислоты, но и вплотную подошли к выяснению роли обеих кислот.
К этому времени различия в составе кислот были твердо установлены. Оказалось, что тимонуклеиновая кислота содержит в своем составе сахар - дезоксирибозу. Потому ее и стали называть ДНК. А дрожжевая кислота содержала вместо дезоксирибозы похожий на нее сахар - рибозу, потому ее и начали называть рибонуклеиновой (РНК).
Второе отличие заключалось в том, что в РНК вместо тимина содержалось похожее на тимин основание - урацил. Третье отличие относилось уже к структуре РНК. Как правило, растворенную РНК никогда не находили в виде двунитевой молекулы. РНК всегда была представлена одной нитью. Только позднее было обнаружено, что некоторые вирусы не имеют ДНК вовсе. Генетическая информация в них записана в молекулах РНК, и, когда таким вирусом заражается клетка, в нее проникает однонитевая молекула РНК, но затем, когда настает время размножения вируса, из однонитевои РНК получается двунитевая молекула. Обе нити соединяются водородными связями, и правила Уотсона- Крика полностью выполняются: напротив гуанина встает цитозин, а напротив аденина - урацил (ведь в РНК все тиминовые основания заменены урациловыми). Эта двунитевая РНК получила название «репликативная форма».
Итак, состав и структура нуклеиновых кислот стали известны. В 1953 г. Уотсон и Крик предложили свою модель. Главным ее преимуществом было то, что она объясняла механизм генетической записи и способ передачи этой информации потомкам. В ходе исследований этого процесса и сама роль - нуклеиновых кислот, и их взаимодействие друг с другом, и роль в передаче наследственной информации выяснились в полной мере. Генетика и биохимия объединились, и появилась новая наука - биохимическая генетика. Однако прежде нужно кратко напомнить о том, что в изучении наследственности огромную роль сыграло объединение генетиков и цитологов- специалистов в области исследования устройства живой клетки.
У высших многоклеточных организмов еще в конце прошлого века были найдены в ядрах клеток особые структуры - хромосомы, которые и оказались материальными носителями наследственных свойств. Число, форма, поведение хромосом, как выяснилось, строго индивидуальны для каждого вида организмов, и как по фотографии криминалисты опознают Преступника, так и по снимку хромосом опытный цитолог может иногда определить, с каким организмом он имеет дело.
Собственно, открытие хромосом и выяснение их роли в передаче наследственных признаков и дало возможность создать новую науку - генетику, потому что, следя за изменениями формы - морфологии хромосом и соответственно признаков у организма, удалось сделать первые шаги к установлению точных законов генетики, и лишь затем найти другие пути вмешательства в сложные взаимодействия генетических структур. Так родился союз генетики - науки о наследственности, и цитологии - науки об устройстве живой клетки.
Блистательны были последствия такого союза. До сих пор тонкость и точность результатов классической генетики - почтенной науки, бесхитростно управлявшейся с помощью метода скрещивания организмов, различающихся какими-либо наследуемыми признаками, и цитологии, тоже обходившейся лишь лупами, да довольно примитивными микроскопами, удивляют ученый мир. Шутка ли сказать, пользуясь этими простейшими методами, классические генетики сумели построить генетические карты высших организмов, точнее которых до сих пор наука не знает; им удалось показать, что ген - эта ничтожная по размерам частица хромосом, не превышающая в длину 3-4 мк (да и то в развернутом виде), представляет сложную структуру.
Но как ни были велики успехи классической генетики, пришел час, когда понадобилось идти еще дальше, в глубь этих микронных корпускул, и узнать, что скрывается внутри них. Так появился новый союз - генетики, химии и физики. Появилась новая наука, которую окрестили молекулярной генетикой. На смену пергаментным мешочкам, скрывавшим оплодотворенные завязи, и простеньким микроскопам, в которые можно было рассматривать клетки, пришло самое сложное из всего доступного физикам и химикам оборудования: ультрацентрифуги, вращающие объекты с ускорениями в сотни тысяч раз большими ускорения силы тяжести; электронные микроскопы, в которые можно было разглядеть сами наследственные молекулы - ДНК и РНК; установки электронного парамагнитного и ядерного резонанса, позволявшие следить за быстрыми химическими реакциями, и многое другое. В стенах биологических .институтов появились физики, математики, кибернетики, химики, кристаллографы. И одно из первых детищ молекулярной биологии -структура ДНК -была предложена биологом, ставшим по сути дела кристаллофизикой и физиком-теоретиком. ДНК была найдена в составе хромосом всех без исключения организмов, поведение ее было детально изучено.
Долгое время в стороне оставался мир микробов. У них не удавалось найти хромосом, да и работать с микроорганизмами генетики не умели. Причем большая часть биологов полагала, что у мельчайших обитателей планеты все устроено по иным, нежели у высших организмов, законам. Но в 50-60-х годах этого века генетикам удалось разрушить преграду, отделившую микробы от высших организмов. Правда, у них не нашли хромосом, какие привыкли видеть в клетках животных и растений. Но зато нашли подобие хромосом в виде единичных молекул ДНК. Нашлось и некое подобие ядра. Его, по аналогии с нуклеусом, назвали нуклеоидом.
Выяснилось, что с микробами проще работать, чем с животными или растениями: они размножаются в рекордно короткие сроки, всего за считанные десятки секунд. Их гораздо проще выращивать и при желании можно культивировать в огромных количествах. Характер же наследования признаков, устройство и работа генов оказались схожими с таковыми у высших организмов. Так открылось обширное поле деятельности для молекулярных генетиков, которых выдающийся американский генетик М. Дельбрюк метко окрестил «серьезными детьми, любящими задавать глубокомысленные вопросы». В числе первых вопросов, требовавших немедленного разрешения, были вопросы о том, что же собой представляют гены, как размножаются молекулы ДНК и при этом сохраняют неизменной запись генетической информации и каков же механизм возникновения изменений генетической программы, иначе говоря, каковы молекулярные принципы появления мутаций.
Однако прежде чем рассказать о том, как ученые смогли найти ответ на многие из этих вопросов, нужно хотя бы кратко познакомиться с современными данными об устройстве клеток.
Список литературы
1. Азимов А. Краткая история биологии. М., 1997.
2. Кемп П., Армс К. Введение в биологию. М., 2000.
3. Либберт Э. Общая биология. М.,1978 Льоцци М. История физики. М., 2001.
4. Найдыш В.М. Концепции современного естествознания. Учебное пособие. М., 1999.
5. Небел Б. Наука об окружающей среде. Как устроен мир. М., 1993.
