Реферат: Лайнус Карл Полинг : Как жить долго и быть здоровым
В начале 1953 г. Уотсон и Крик познакомились (полулегально!) с последними данными Франклин по диффракции рентгеновских лучей на препаратах В-формы ДНК в условиях высокой влажности. Они сразу узнали признаки спирали с шагом 34 A и диаметром 20 A . Для проверки срочно нужны были стереомодели, однако мастерские задерживали изготовление металлических деталей, моделирующих пурины и пиримидины. Тогда Уотсон нарезал их из толстого картона и стал раскладывать на плоскости стола. Тут его и настигло озарение. Впоследствии он вспоминал: "И вдруг я заметил, что пара аденин - тимин, соединенная двумя водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин - цитозин, тоже соединенная, по меньшей мере, двумя водородными связями. <...> Если пурин всегда соединяется водородными связями с пиримидином, то две нерегулярные последовательности оснований прекрасно укладываются регулярно в центре спирали. При этом аденин всегда должен спариваться только с тимином, а гуанин только с цитозином, и правила Чаргаффа, таким образом, неожиданно оказывались следствием двуспиральной структуры ДНК. А главное, такая двойная спираль подсказывала гораздо более приемлемую схему репликации. Последовательности оснований двух переплетенных цепей комплементарны друг другу. <...> Поэтому было очень легко представить себе, как одна цепь может стать матрицей для другой".
В течение ближайших дней была построена стерео-модель двуцепочечной ДНК. Она оказалась правовинтовой спиралью с противоположной ориентацией цепей.
"Уже через два дня Морис (Уилкинс. - В.Р.) позвонил нам и сказал, что, как убедились они с Рози (Франклин. - В.Р.) рентгенографические данные явно подтверждают существование двойной спирали".
В мае 1953 г. вышла первая статья о двойной спирали ДНК.
"Полинг впервые услышал о двойной спирали от Дельбрюка. Полинг, как и Дельбрюк, был сразу же покорен. ... Открытие двойной спирали принесло нам не только радость, но и облегчение. Это было невероятно интересно и сразу позволило нам сделать важное предположение о механизме дупликации генов".
Модель Уотсона - Крика благодаря своим неоспоримым достоинствам признали быстро и повсеместно. Она полностью выдержала также испытание временем. Одним ударом она разрешила множество трудных проблем; прежде всего объяснила правила Чаргаффа и рентгеноструктурные данные. Сам Чаргафф, который весьма скептически относился к тандему Уотсон - Крик, не смог ничего возразить по существу, его критика скорее напоминала брюзжание: "...мне кажется, что то огромное искусство и изобретательность, которые были затрачены на конструирование различных малоподходящих моделей, по существу пропали даром".
Модель утвердила матричный принцип, основанный на парной комплементарности нуклеотидов (т.е. на принципе "близкодействия"), из чего вытекала простая и естественная схема матричной репликации. Ясно, что в этом случае копирование отдельной матрицы можно произвести только в два этапа:
позитив --> негатив --> позитив.
Однако двуцепочечность спирали решает и эту проблему. Двойная цепь способна к точному копированию в один этап благодаря двум сопряженным матричным процессам, т.е. обладает вожделенным генетическим свойством - удвоением путем контактного гомологичного выстраивания сегментов на матрице:
позитив - негатив-->позитив – негатив + позитив – негатив
Наконец, модель как бы открыла путь для понимания других фундаментальных генетических процессов и свойств. Оказалось, что генетическое разнообразие можно свести к вариантам порядка мономеров, как предполагали Кольцов, Дельбрюк, Шредингер и многие другие. Тогда сохранение порядка обеспечивает консервативность наследственности. Двойная цепь ДНК, где стандартный сахаро-фосфатный костяк расположен снаружи, а вся специфичность (водородные связи оснований) спрятана внутри и менее доступна для воздействий, прекрасно соответствовала ожиданиям генетиков. Изменения же порядка мономеров, очевидно, должны были вызывать наследственные изменения, т.е. мутации.
В 1962 г. Дж.Уотсон, Ф.Крик и М.Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой материи. К сожалению, Р.Франклин не дождалась такого признания, она умерла в 1958 г.
Оценим полученные результаты с точки зрения информационно-кибернетического подхода. Материальный носитель генетической информации найден - это нуклеиновые кислоты (ДНК и, как стало ясно позже, РНК). Определен также промежуточный получатель генетической информации - белки. Те и другие имеют ряд общих особенностей: это линейные полимеры, построенные из небольшого разнообразия мономеров - нуклеотидов и аминокислот. В обоих случаях у мономеров есть стандартная, универсальная часть, позволяющая им соединяться в последовательности произвольной длины и порядка. Кроме этого, мономеры имеют специфические боковые группы (основания, радикалы аминокислот), порядок которых определяет функциональные свойства соответствующих последовательностей. Разнообразие перестановок астрономическое. Между мономерами полинуклеотидов существуют особые парные отношения комплементарности (A - T, G - C), позволяющие полинуклеотидам выполнять матричные функции.
Ясно, что ситуация весьма напоминает лингвистические и другие информационные системы, где информация кодируется при помощи порядка символов. Налицо алфавиты (мономеры), тексты (последовательности), матричный принцип копирования (комплементарность). Можно ожидать, что существуют некие правила кодирования, которые используются клеткой.
"Крик и Гам"
Этим словесным каламбуром Н.В.Тимофеев-Ресовский охарактеризовал события, последовавшие за расшифровкой структуры ДНК. Уотсон и Крик, разумеется, хорошо понимали генетико-информационный смысл и значение своей модели. Недаром Уотсон в своей книге сообщает: "Буквально все имевшиеся тогда факты убеждали меня в том, что ДНК служит матрицей, на которой образуются цепочки РНК. В свою очередь, цепочки РНК были вполне вероятным кандидатом на роль матриц для синтеза белка. <...> Идея бессмертия генов была похожа на правду, и я повесил на стену над своим столом листок с надписью
ДНК --> РНК --> Белок.
Стрелки обозначают не химические превращения, а перенос генетической информации..."
В 1958 г. Крик сформулировал этот принцип как "центральную догму" молекулярной генетики.
Однако вскоре после публикации модели в бой вступила неожиданная и свежая сила. Это был крупнейший физик-теоретик Г.А.Гамов (в английской транскрипции Дж.Эн. Геймов). В конце 20-х - начале 30-х годов Гамов был гордостью молодой советской теоретической физики. Его, выпускника и аспиранта Ленинградского университета, друга Л.Д.Ландау, послали за границу в Геттинген (Германия) к М.Борну, а затем в Копенгаген (Дания) к Н.Бору для научной стажировки. Там он выполнил ряд теоретических работ высочайшего класса и был признан одним из самых обещающих молодых физиков Европы. Интересно, что одна из его статей в 1930 г. была опубликована совместно с молодым немецким физиком-теоретиком Дельбрюком. А в 1932 г., когда Гамова не выпустили за границу, его доклад Сольвеевскому конгрессу представил его друг Дельбрюк.
В 1932 г. по представлению В.А.Вернадского и двух других академиков Гамова избрали член-корреспондентом АН СССР. Ему было 28 лет, его воспевали поэты:
"...советский парень Гамов <...> уже до атома добрался лиходей"
(Д.Бедный).
Но в 1933 г., выехав на очередной Сольвеевский конгресс, Гамов не дождался продления командировки и не вернулся, став невозвращенцем. За этот большой грех его отлучили от Академии наук, от Родины. И посмертно восстановили только в 1990 г.
Гамову принадлежали два крупнейших открытия: теория альфа-распада и космологическая теория "горячей Вселенной" - работы нобелевского уровня. Третьим своим основным достижением Гамов считал постановку проблемы генетического кода.
Вот как сам Гамов описывал этот момент: "Прочитав в "Nature" в мае 1953 г. статью Уотсона и Крика, которая объясняла, как наследственная информация хранится в молекулах ДНК в форме последовательности четырех видов простых атомных групп, известных как "основания" (аденин, гуанин, тимин и цитозин), я задался вопросом, как эта информация переводится в последовательность двадцати аминокислот, которые образуют молекулы протеина. Простая идея, которая пришла мне в голову, состояла в том, что можно получить 20 из 4 подсчетом числа всех возможных триплетов, образующихся из четырех различных сущностей. Возьмем, например, колоду игральных карт, в которой мы обращаем внимание только на масть карты. Сколько триплетов одного и того же вида можно получить? Четыре, конечно: трое червей, трое бубен, трое пик и трое треф. Сколько триплетов с двумя картами одной и той же масти и одной другой? Пусть мы имеем четыре выбора для третьей карты. Поэтому мы имеем 4x3 = 12 возможностей. В дополнение мы имеем четыре триплета со всеми тремя различными картами. Итак, 4+12+4=20, а это и есть точное число аминокислот, которое мы хотели получить".
Таким образом, Гамов первым сформулировал проблему генетического кода. Генетическая информация записана в полинуклеотидах в виде последовательности символов четырех типов: A, T, G и C. Затем она перекодируется в последовательность 20 типов (аминокислот). Кодирующие группы символов могут быть только триплетными. Правила соответствия триплетных групп нуклеотидных символов (в дальнейшем названных кодонами) и символов аминокислот образуют генетический код. Главная задача - расшифровать этот код, в том числе - объяснить происхождение числа 20, имея в наличии 64 триплета.
Чтобы понять такой поворот мысли, надо учесть некоторые обстоятельства.
Во-первых, Гамов сравнил последовательность нуклеотидов с длинным числом, записанным в четверичной системе счета. В шутку он назвал его "звериным числом", имея в виду религиозную легенду из "Апокалипсиса", где имя антихриста ("зверя из бездны") скрыто под неизвестным числом. Расшифровка "звериного числа" необходима для победы над зверем. Кроме того, 20 - число аминокислот - он назвал "магическим числом", предполагая, что объяснить его из внутренней структуры кода - это и значит решить проблему.
Первая статья Гамова и Томкинса была послана в "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America", и отвергнута редакцией, поскольку Томкинс - это мифический персонаж популярных книг Гамова, а не реальное лицо. Эта статья вышла в свет в 1954 г. в Докладах Датской академии наук в Копенгагене от имени одного Гамова.
Во-вторых, летом 1953 г. Уотсон и Крик составили стандартный список из 20 аминокислот, непосредственно участвующих в синтезе белков, а вторичные их производные исключили. Впоследствии этот список был канонизирован.
В-третьих, Гамов очень непринужденно использовал карточную терминологию. Чего стоят хотя бы такие пассажи: "Возьмем, например, колоду игральных карт..." или "Допустим, мы играем в "упрощенный покер..." и далее по тексту. Образ оказался очень точным. Действительно, имеем четыре масти - две черных с ножками (пурины) и две красных без ножек (пиримидины). Последовательность нуклеотидов можно представить в до боли знакомом виде.
Природа как бы играет с теоретиком в "упрощенный покер", игра азартная, а выигрыш - крупнейшее открытие XX века. Ясно, что души теоретиков дрогнули! Сбывались предсказания Шредингера! Интерес к проблеме стремительно достиг апогея. Начался оптимистический этап в изучении генетического кода.
В-четвертых, Гамов попытался использовать для решения проблемы генетического кода методы дешифровки шпионских кодов, в которых имел некоторый опыт. Вначале он предложил гипотезу о "перекрывающемся ромбическом коде", когда можно было проследить за определенными закономерностями в структуре известных полипептидов. В своей автобиографии Гамов писал: "...работа была столь же трудна, как расшифровка секретного военного кода на основе только двух коротких посланий, добытых шпионами. Так как в то время я (Гамов. - В.Р.) был консультантом в Военно-морском министерстве Соединенных Штатов в Вашингтоне, я пошел к адмиралу, под командованием которого находился, и спросил, можно ли поручить сверхсекретной криптографической группе расшифровку японского кода. В результате в моем отделе Университета им.Дж.Вашингтона появились три человека...
Я поставил перед ними задачу, и через несколько недель они сообщили мне, что она не имеет решения. То же заключение было получено моими друзьями-биологами: Мартинасом Ичасом, уроженцем Литвы, и Сиднеем Бреннером, уроженцем Южной Африки. Это исключило возможность перекрывающегося кода..."
В целом такая же судьба постигла и другие гипотезы. Гамов и Ичас предложили гипотезу "комбинаторного" кода, где все триплеты одинакового состава считались синонимами; 64 триплета образовали 20 групп (магическое число!); код был вырожден, триплеты в тексте не перекрывались. Очень похоже на правду! Но и этот код был забракован.
Крик, Гриффитс (племянник открывателя трансформации) и Л.Орджел предложили идею "кода без запятых", когда триплеты в тексте не отделены какими-либо знаками, но считываются единственным образом: кодирующие - 20 гетеротриплетов, а все их циклические перестановки (40) - некодирующие. Четыре гомотриплета в этом случае - тоже некодирующие. Этот вариант также не подтвердился, хотя сама проблема "кодов без запятых" исследуется математиками до сих пор.
В этом умственном состязании участвовали многие выдающиеся математики, физики, химики, инженеры, а также - научная молодежь. Однако, несмотря на остроумие многих предложений, все они оказались неверными.
"Природа хитра..." - заключил Гамов через 10 лет.
Оптимистический этап изучения генетического кода закончился. Наступило время экспериментального решения, которое в итоге оказалось очень успешным и совершенно иным. Имя Гамова почти исчезло из научной литературы по молекулярной биологии. В 1968 г. он умер.
Значение работ Гамова было очень точно сформулировано Криком: "Важность работы Гамова состояла в том, что это была действительно абстрактная теория кодирования, которая не была перегружена массой необязательных химических деталей..." Иначе говоря, это был информационно-кибернетический подход в чистом виде, который позднее полностью себя оправдал при разработке теории молекулярно-генетических систем управления и генетического языка.
Молекулярные основы жизни оказались в центре научных интересов Л. Полинга. Вместе со своими сотрудниками Л. Полинг, выполнил ряд блестящих исследований по структуре белка и установил, что заболевание серповидно-клеточной анемией связано с образованием в эритроцитах человека аномального гемоглобина. Серповидно-клеточная анемия была названа Л. Полингом "Молекулярной болезнью". По мнению исследователя, изменение структуры и функции макромолекул или недостаток физиологически активных молекул в организме могут служить причиной расстройства здоровья и ряда заболеваний человека. В связи с этим понятен интерес Л. Полинга к проблемам заместительной терапии, в частности к витаминотерапии, направленной на концепцию дефицита в организме соединений, обеспечивающих оптимальный уровень физиологических процессов. С полным основанием к числу важнейших активаторов жизненных процессов и средств, повышающих устойчивость организма к простудным и инфекционным заболеваниям, относит Полинг витамин С
Человек и другие мутанты
Передо мной
аптечный пузырек с этикеткой: "Аскорбиновая кислота 0,05 г. Детям 1 шт.,
взрослым 2 - 3 шт. ". Сверяюсь с таблицами...
Чтобы жить дольше и чувствовать себя лучше, таких желтеньких таблеток нужно глотать не менее двадцати в день, а лучше сразу пятьдесят или сто.
Бред какой-то. Однако Лайнуса Полинга, одного из отцов современной биохимии, открывателя белковой альфа-спирали, я привыкла уважать. Как говорил К.С.Льюис, если человек, сделавший невероятное заявление, до этого был разумен и правдив, мы не имеем права сразу назвать его лжецом или дураком. Надо, по крайней мере, выслушать его аргументы.
