caenogenesis 
Введение в биологию (начало)
Введение в биологию. Часть №1
Введение в биологию. Часть №2
Введение в биологию. Часть №3
Введение в биологию. Часть №4
Введение в биологию. Часть №5
Введение в биологию. Часть №6
Тема VIII
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
Полимер, мономерами которого являются нуклеотиды, называется нуклеиновой кислотой. Такой полимер в некотором отношении сложнее, чем белок, потому что сам по себе нуклеотид - это (как мы теперь знаем) многокомпонентная молекула, более сложная, чем любая аминокислота. В нуклеиновой кислоте остатки сахара, принадлежащие разным нуклеотидам, соединены через фосфатные группы, так что получается длинная цепочка чередующихся остатков сахара и фосфата - так называемый сахаро-фосфатный остов, вбок от которого торчат радикалы азотистых оснований.
Разные нуклеиновые кислоты называются по-разному в зависимости от того, какой у них в нуклеотидах сахар. Если это рибоза, то кислота рибонуклеиновая, а если дезоксирибоза, то, соответственно, дезоксирибонуклеиновая. Сокращения, обозначающие эти кислоты - ДНК и РНК - скорее всего уже знакомы большинству читателей и без меня. В нашем перенасыщенном информацией мире про них труднее не услышать, чем услышать.
Вот так могла бы выглядеть конденсация нуклеотидов в нуклеиновую кислоту (в данном случае рибонуклеиновую, то есть РНК):
Мы видим тут две вещи. Во-первых, в момент образования связи между нуклеотидами от них отщепляется вода, как при реакции образования сложного эфира (с химической точки зрения это, собственно, и есть реакция образования сложного эфира, где в роли спирта пятиуглеродный сахар, а в роли кислоты фосфат). Во-вторых, получающийся в результате фосфатный мостик всегда расположен между 3'-углеродом одного сахара и 5'-углеродом другого. У возникающей молекулы - два конца, на одном из которых свободный фосфат (это 5'-конец), а на другом свободный гидроксил (это 3'-конец). Запомним это! Различать направления 5'→3 и 3'→5' для нас будет чрезвычайно важно, некоторые биологические функции нуклеиновых кислот без этого просто нельзя понять. Хорошо еще, что ДНК и РНК - линейные полимеры, то есть неветвящиеся; чисто химически их ветвление возможно, но современные живые организмы эту возможность почти нигде не реализуют.
Чем ДНК и РНК отличаются друг от друга? Начнем с того, что ДНК практически всегда имеет форму двойной спирали и используется для долговременного хранения генетической информации. РНК же почти всегда одноцепочечная и используется разными способами для передачи генетической информации, но не для ее постоянного хранения (исключение можно найти только у такой довольно экзотичной формы жизни, как РНК-содержащие вирусы). Знаменитая двойная спираль ДНК - это на самом деле объединение двух совершенно самостоятельных молекул ДНК, которые удерживаются вместе множеством водородных связей. Молекулы РНК так обычно не взаимодействуют.
А вот на этой картинке очень наглядно показаны два чисто химических отличия ДНК от РНК. О первом из них уже говорилось: в ДНК везде дезоксирибоза вместо рибозы. Второе отличие касается азотистых оснований: в ДНК нет урацила, вместо него там тимин. Нет сомнений, что эти отличия должны иметь эволюционное объяснение, и довольно скоро мы попробуем такое объяснение отыскать.
Исторически сложилось так, что поначалу в центре внимания биологов оказалась не РНК, а именно ДНК. Ее больше, и выделить ее для химического анализа легче. Вообще-то говоря, на самом деле ДНК - не столько кислота, сколько соль. Кислотой ее называют из-за фосфатных групп, но в физиологических условиях эти фосфатные группы диссоциируют (отдают протоны), и остаются обнаженные отрицательные заряды, которые компенсируются положительно заряженными ионами натрия (их всегда много в растворе). Так что правильнее было бы называть ДНК дезоксирибонуклеатом натрия - между прочим, ее так и называют в некоторых работах середины XX века. Но сейчас название "ДНК" настолько закрепилось, что менять его, видимо, уже не придется.
Главный источник ДНК в природе - ядра клеток эукариот, то есть организмов, которые так и названы по признаку наличия ядра (напомню, что к ним относятся животные, растения, грибы и разные одноклеточные вроде амеб и инфузорий). Что такое клеточное ядро, мы пока "не знаем", и нам неважны никакие детали его устройства, кроме самых простых фактов: клеточное ядро - это находящаяся внутри клетки полость, ограниченная оболочкой из двух мембран, в целом подобных наружной мембране, и содержащая очень много ДНК. Между прочим, само название "нуклеиновые кислоты" происходит именно от слова, обозначающего ядро (nucleus). Вместе с белками, на которые она намотана, ядерная ДНК образует хорошо видимые под микроскопом нити. Но и в клетках не имеющих никакого ядра организмов-прокариот, то есть бактерий и архей, ДНК тоже всегда есть. Она есть абсолютно в любой современной живой клетке. Исключением могут быть только заведомо умирающие клетки вроде, например, наших красных кровяных телец - эритроцитов (которые, надо заметить, и клетками-то не все биологи согласны считать). Кроме того, молекулы ДНК просто огромны, у эукариот они могут состоять буквально из миллиардов нуклеотидных звеньев. В общем, не заметить такое вещество было бы трудно. Но вот что и как оно делает - оставалось загадкой в течение больше чем 80 лет. В следующей части разговора мы немного (совсем чуть-чуть!) отойдем от логического порядка изложения в пользу исторического и посмотрим, как наука о ДНК развивалась.
Интермеццо, или краткая сага о ДНК
Уважаемые читатели могли убедиться, что в этих заметках я избегаю глубокого погружения в историю науки. В конце концов, наша цель - научиться понимать современную биологию, не больше и не меньше; извилистые пути, пройденные научной мыслью десятилетия и века назад, тут могут подождать. И все же ради истории исследований ДНК хочется сделать исключение. Эта тема так важна и в то же время так поучительна, что я позволю себе остановиться на ней - хотя бы в виде предельно сжатого обзора, фиксирующего главные вехи.
Первый этап: открытие. Само существование ДНК открыл в 1869 году швейцарец Фридрих Мишер (Johann Friedrich Miescher). Это открытие ни в коей мере нельзя назвать случайным. Фридрих Мишер, 25-летний на тот момент молодой ученый, чуть ли не с рождения вошел в научную элиту своего времени: он был сыном профессора-медика, а его родной дядя - Вильгельм Гис (Wilhelm His) - оказался выдающимся эмбриологом и анатомом, имя которого нередко упоминается в учебниках и сейчас, в XXI веке. Скорее всего, именно от Гиса еще совсем юный Фридрих Мишер воспринял мечту раскрыть самые фундаментальные тайны живой природы. В 17 лет он поступил на медицинский факультат, но работать практикующим врачом, судя по всему, не собирался ни дня. Ему просто нужна была хорошая естественно-научная база, чтобы приступить к поиску, как он говорил, "теоретических оснований жизни".
Мишер очень рано пришел к общему с Гисом убеждению, что "последние оставшиеся вопросы, касающиеся развития тканей, могут быть решены только на базе химии" (Dahm, 2005). И он решил стать биохимиком; такого слова тогда еще не было, но было понятие "физиологическая химия", означавшее то же самое. Поработав в немецких химических лабораториях, Мишер приобрел серьезную квалификацию химика-органика - и занялся изучением химического состава живых клеток.
Свой любимый объект - гной - Мишер обнаружил в хирургической клинике, по соседству с которой в тот момент работал. Из гноя оказалось очень удобно получать целые клетки, в первую очередь, конечно, клетки иммунной системы - лейкоциты. Именно из лейкоцитов Мишер выделил вещество, обладавшее следующими четырьмя свойствами:
● Оно всегда находится в высокой концентрации в клеточных ядрах, но практически отсутствует в окружающей части клетки (так называемой цитоплазме).
● Его молекулы - большие, сравнимые по размеру с молекулами белков.
● Оно определенно является по химическим свойствам кислотой.
● Оно состоит из углерода, водорода, кислорода, азота и довольно большого количества фосфора, но совершенно не содержит серы.
К тому времени биохимики уже знали, что в белках сера встречается непременно (как мы сейчас понимаем, она входит в состав некоторых аминокислот). Зато фосфора в них нет. Это означало, что открытое Мишером вещество - не белок, а нечто другое. Сам Мишер назвал это вещество "нуклеин", от латинского nucleus - ядро. Через двадцать лет Рихард Альтман (Richard Altmann) переименовал "нуклеин" в "нуклеиновую кислоту"; это название в науке и прижилось.
Мишер прекрасно понимал, что "нуклеин" - не белок, и думал, что это вещество выполняет какую-то специфическую функцию в клеточных ядрах. Чтобы изучить химию нуклеина подетальнее, он использовал сперматозоиды - мужские половые клетки, в которых, кроме ядра, почти ничего и нет.
Между тем мнение, что процессы передачи наследственной информации связаны с клеточным ядром, к тому времени уже вошло в научный оборот (это называлось ядерной теорией наследственности). Почему бы "нуклеину" не оказаться материальным носителем наследственных качеств? И действительно, в 1874 году Мишер записал: "Если бы мы предполагали, что какое-то одно вещество является специфической причиной оплодотворения, в первую очередь нам, несомненно, пришлось бы рассмотреть нуклеин".
Второй этап: рутина. Фридриху Мишеру необыкновенно повезло. В своем стремлении раскрыть главную химическую тайну жизни он сразу выбрал абсолютно верное направление действий. Полученные им данные подготовили науку к грандиозному прорыву. Но вот самого прорыва как раз и не случилось. В течение следующих сорока лет - примерно с 1890 по 1930 годы - исследования нуклеиновых кислот оставались, в общем, непопулярной областью биохимии. Люди, которым хватало квалификации, чтобы ставить биохимические опыты, гораздо больше интересовались белками. Тогда уже было ясно, что белки - универсальные химические "слагаемые" жизни. В отношении нуклеиновых кислот такой уверенности не было даже у энтузиастов, при том, что исследование этих веществ по чисто химическим причинам было заметно более трудоемким, чем исследование белков. Неудивительно, что желающих этим заниматься находилось относительно немного.
Правда, и в этот период случались озарения. Вопрос о биологической роли ДНК не обошел стороной, например, известный физиолог Жак Лёб (Jacques Loeb).
В вышедшей в 1906 году книге "Динамика живой материи" Лёб совершенно четко сформулировал два предположения:
● Наследственная информация при оплодотворении, скорее всего, передается каким-то одним строго определенным химическим веществом.
● Нуклеиновые кислоты являются гораздо более вероятными кандидатами на роль этого вещества, чем ядерные белки.
Чуть позже американский биолог Леонард Троланд (Leonard Thompson Troland) высказал смелую гипотезу: нуклеиновые кислоты - это своего рода небелковые ферменты, запускающие процесс копирования генетической информации (Troland, 1917). Между прочим, скоро мы убедимся, что Троланд был не так уж и неправ.
Увы и увы, сто лет назад все эти идеи разбились о полное равнодушие профессиональных генетиков, интересы которых в тот период были совершенно другими. Очень показательно, что ни Лёб, ни Троланд генетиками как раз и не являлись. Впрочем, самих генетиков тут тоже можно понять. Их юная наука, только в 1905 году получившая свое название, развивалась невероятно бурно - на то, чтобы охватить все возможные направления, просто-напросто не хватало рук. А ведь при этом ни формальный аппарат генетики, ни создавшие ей славу "фирменные" методы исследований изначально ни с какой химией связаны не были. В результате генетики начала XX века практически единодушно считали, что поиск химического носителя наследственной информации - дело далекого будущего, а пока на это отвлекаться не надо.
Таким образом, биохимики (те из них, кому это было интересно) были вынуждены изучать ДНК едва ли не в гордом одиночестве. "Сухой остаток" от этой долгой трудной работы был довольно скромным. Стало известно, что нуклеиновая кислота - это полимер, состоящий из нуклеозидов, соединенных фосфатными мостиками, то есть, иными словами, из нуклеотидов. Было выяснено, что нуклеотиды в ДНК бывают четырех типов (адениновый, гуаниновый, цитозиновый или тиминовый). Никаких далеко идущих выводов эти факты не породили. Ну, вещество себе и вещество. Понятно, что участвует в ядре в каких-то биохимических процессах, ну так мало ли там всего разного участвует! Где-то так, по-видимому, и думало большинство биологов к началу тридцатых годов XX века.
Третий этап: споры. Между тем гигантский маховик под названием "развитие научных представлений" продолжал проворачиваться. В 1926 году Герман Мёллер (Hermann Joseph Muller) открыл радиационный мутагенез, то есть повышение частоты мутаций под действием электромагнитных лучей, в данном случае - рентгеновских. Мутация - это, попросту говоря, любое изменение любого гена. Если попадание кванта рентгеновского излучения может изменить структуру гена, значит, ген - это молекула? А если молекула, то должна же у нее быть какая-то химическая формула! И, таким образом, вопрос о химической природе носителя наследственной информации вновь встал на повестку дня.
В начале тридцатых годов практически все биологи, которые вообще этим вопросом задавались, считали, что гены - это белки.
Почему?
Во-первых, к тому времени уже все знали, что белки химически разнообразнее: в них входит 20 типов мономеров, а в состав ДНК - всего 4 типа. Во-вторых, биохимики, изучавшие ДНК в первой трети XX века, наряду с множеством полезных открытий допустили одну простительную, но тем не менее серьезную неточность. Они решили, что четыре типа нуклеотидов (А, Т, Г и Ц) входят в состав ДНК в строго равных концентрациях:
[А]=[Т]=[Г]=[Ц]
Самое логичное объяснение этих данных выглядело так: ДНК, какой бы длины она ни была, состоит из одинаковых четырехнуклеотидных блоков, в каждом из которых есть по одному А, по одному Т, по одному Г и по одному Ц. Представить, что такой полимер может каким-то образом хранить информацию, было и вправду довольно трудно. Проще было считать ДНК рядовым участником обмена веществ, разве что специфичным почему-то именно для клеточных ядер.
Впрочем, мнения были разные. В 1933 году работавший в США хорватский биолог Милислав Демерец (Milislav Demerec) опубликовал буквально витавшую к тому времени в воздухе гипотезу, что любой ген - это молекула, пусть и большая, но одна-единственная (Demerec, 1933). Тогда мутация - просто изменение взаимного расположения атомов в этой молекуле. А в качестве примера того, из чего такая молекула могла бы состоять, Демерец привел не что иное, как гипотетический четырехнуклеотидный блок ДНК! Биология опять почти нашла материальный носитель наследственности - и опять отступила (правда, теперь уже ненадолго). На этот раз биологов подвела химия. Структура нуклеиновых кислот была все-таки еще слишком плохо известна; к примеру, на предложенной Демерецем формуле ДНК значилась гликозидная связь между остатками сахара, чего на самом деле ни в каких нуклеиновых кислотах не бывает.
Тут нам неизбежно придется вспомнить Николая Константиновича Кольцова, занимавшего в интересующие нас годы должность директора Института экспериментальной биологии в Москве, на улице Воронцово поле, что у Яузского бульвара. О роли Кольцова в российской биологии написано немало статей и книг. Сейчас достаточно сказать, что он одним из первых задумался не только о химической основе наследственных свойств, но и о молекулярном механизме их передачи, и тут сумел во многом, что называется, опередить свое время. В 1935 году Кольцов опубликовал следующую гипотезу: ген - это участок очень длинной белковой цепочки, возможно, состоящей из тысяч или десятков тысяч аминокислот, чередованием которых, собственно, и кодируется генетическая информация. Забегая вперед сообщим, что если бы Кольцов заменил белок на ДНК, а аминокислоты на нуклеотиды, он бы оказался попросту абсолютно прав. К сожалению, такого чуда не случилось. В тех же самых статьях Кольцов убежденно возражает Демерецу: ДНК - "сравнительно простое органическое соединение, которому было бы странно приписывать роль носителя наследственных свойств". То ли дело белки! Приведу сокращенную цитату:
"Некоторые цитологи придают нуклеиновой кислоте особо важное значение. Так, Демерец считает, что все гены являются лишь вариантами или даже просто изомерами нуклеиновой кислоты. Я никак не могу с этим согласиться, так как молекулярная структура нуклеиновой кислоты слишком проста и однородна. Ведь это прежде всего не белковая молекула. У всех животных и растений нуклеиновая кислота одинакова или почти одинакова: думать о миллионах изомеров этой молекулы не приходится. Я считаю поэтому, что нуклеиновая кислота никакого отношения к генам не имеет".
В данном случае беда Кольцова была в том, что он слишком доверял биохимикам. А последние как раз в те годы стали склоняться к мнению, что ДНК - вообще не полимер, а относительно небольшая молекула, состоящая всего-то из четырех нуклеотидов (те самые А, Т, Г, Ц). Просто в ядре таких молекул много, вот и получается большая масса. Сам Кольцов биохимиком не был и не мог оценить, насколько эти данные надежны или ненадежны. Если бы он отважился допустить, что его открытая "на кончике пера" молекула наследственности - не состоящий из тысяч аминокислот белок, а состоящая из тысяч нуклеотидов ДНК, - это могло бы изменить всю мировую биологию. Но, насколько можно судить, Кольцову такое в голову не пришло. И никому другому в тридцатые годы - тем более.
Полемика Кольцова и Демереца хорошо показывает, сколь непрямыми путями обычно идет научная мысль. Две идеи, каждая из которых в отдельности была совершенно верна, столкнулись и разошлись.
Слияния не произошло.
Хотя ждать его оставалось уже недолго.
Четвертый этап: эксперименты.
В 1944 году Освальд Эвери (Oswald Theodore Avery) экспериментально показал, что ДНК и только ДНК может вызвать трансформацию одной разновидности бактерий в другую - в данном случае безопасного штамма пневмококка в болезнетворный (Avery et al., 1944). Вот этот момент и надо считать открытием генетической роли ДНК.
Освальд Эвери в течение всей своей научной карьеры, то есть больше сорока лет, занимался пневмококками - грамположительными бактериями, которые вызывают воспаление легких. Тут надо сказать, что ему невероятно повезло с объектом. Сам факт, что некая "растворимая субстанция" может передаваться от одной бактерии к другой и менять наследственные свойства бактерии-реципиента, был открыт именно на пневмококках еще в 1920-х годах. Но вот ответ на вопрос, что это за субстанция такая, требовал очень тонких, технически сложных биохимических опытов, поставить которые долгое время никто не мог. Эвери стал первым. Он долго работал над этой темой, продолжил работу несмотря на то, что уже вышел в официальную отставку по возрасту, и добился-таки успеха (в момент выхода главной статьи ему было 67 лет).
На самом деле поворотная точка была пройдена в марте 1943 года, когда Эвери прочитал перед попечителями Рокфеллеровского фонда небольшой доклад, завершавшийся выводом: трансформирующая субстанция - это ДНК. Задержка выхода статьи на год объясняется в основном тем, что с ее подачей медлили, обдумывая каждое слово. Эвери и его сотрудники прекрасно понимали, насколько важный результат они получили.
В том же 1944 году австралиец Фрэнк Макфарлейн Бёрнет (Frank Macfarlane Burnet) опубликовал ключевой тезис: ДНК ведет себя так, как будто гены из нее и состоят. После работы Эвери этот вывод вроде бы напрашивался, так что выяснение приоритета тут видится похожим на знаменитый спор о том, кто первый сказал "э". На самом деле все было не так просто. Очень многие крупные биологи и после 1944 года по инерции держались за убеждение, что гены состоят из белка, а ДНК - в лучшем случае всего лишь мутагенное вещество (правда, вызывающее какие-то уж очень странные предсказуемые мутации). Именно так считал, например, знаменитый генетик Феодосий Григорьевич Добржанский (Theodosius Dobzhansky). Сам Эвери, насколько можно судить, колебался. И вообще, без споров не обошлось. Бёрнет - между прочим, выдающийся вирусолог и иммунолог, впоследствии совсем за другие заслуги получивший Нобелевскую премию - оказался смелее большинства мэтров.
Так или иначе, теперь все убедились, что, во всяком случае, некое отношение к генетической информации ДНК имеет точно.
Объект был определен, и охота началась.
Пятый этап: двойная спираль.
Результаты Эвери (которые вскоре были подтверждены и в других лабораториях) оживили угасший было интерес биохимиков к нуклеиновым кислотам. Во второй половине 1940-х годов эта тема пережила своего рода ренессанс. Эрвин Чаргафф (Erwin Chargaff), высококвалифицированный биохимик, довольно быстро опроверг сбивавшую всех с толку старую "тетрануклеотидную теорию", согласно которой ДНК состоит из одинаковых блоков по 4 нуклеотида. Как мы помним, эта теория исходила из того, что четыре азотистых основания присутствуют в ДНК в равных количествах. Чаргафф показал, что это неверно. На самом деле количество аденина строго равно количеству тимина, а количество гуанина строго равно количеству цитозина:
[А]=[Т]
[Г]=[Ц]
Эти соотношения называются правилами Чаргаффа. Отношение [А+Т]/[Г+Ц] константой как раз не является и может отличаться у разных организмов. А вот правила Чаргаффа соблюдаются всегда. Что это может означать? Никаких четырехнуклеотидных блоков в составе ДНК нет, иначе соотношения точно были бы иными. Но почему бы там не быть не четверкам, а парам? Правила Чаргаффа прекрасно совмещаются с предположением, что нуклеотиды входят в ДНК в составе пар: или А-Т, или Г-Ц.
Вспомним, что, собственно, означают буквы А, Т, Г, Ц: аденин и гуанин - пуриновые основания, цитозин и тимин - пиримидиновые. Тут возникает дополняющее правила Чаргаффа важное утверждение: в одной и той же молекуле ДНК общее количество пуриновых оснований (А и Г) всегда строго равно общему количеству пиримидиновых (Т и Ц). В этом плане предполагаемые пары А-Т и Г-Ц устроены одинаково - в каждой паре одно основание пуриновое, другое пиримидиновое.
Оставался последний шаг: установить трехмерную структуру молекулы ДНК, решив задачу из области науки, которая называется стереохимия.
Пытаясь разобраться в устройстве ДНК, Джеймс Уотсон (James Dewey Watson) и Фрэнсис Крик (Francis Crick) увидели, что возникающие между азотистыми основаниями водородные связи делают пары аденин-тимин и гуанин-цитозин фактически идентичными друг другу по общей форме. И там и там получается одна и та же структура из трех колец:
Между А и Т две водородные связи, а между Г и Ц три, поэтому пара Г-Ц должна быть прочнее (это действительно так). Зато в обеих парах - один пурин и один пиримидин, как и ожидалось.
Надо заметить, что решить эту задачу Уотсон и Крик смогли не с первого раза. Помните, мы говорили, что у азотистых оснований бывают две изомерные формы - спиртовая и кетонная? Так вот, в учебниках сороковых годов обычно изображалась спиртовая форма. Уотсон и Крик исходили именно из нее, и ничего собрать у них не получалось, пока профессиональный химик Джерри Донохью (Jerry Donohue) не объяснил им, что это бесполезное занятие: в физиологических условиях азотистые основания находятся не в спиртовой форме, а в кето-форме! Ни Уотсон, ни
Крик химиками вообще-то не были, так что эта помощь оказалась драгоценной.
Но теперь у них получилась модель, идеально соответствующая правилам Чаргаффа. Оставалось сопоставить ее с данными рентгеноструктурного анализа, дававшего размытые и нечеткие, но все-таки "снимки" молекул ДНК в рентгеновских лучах. С самим Чаргаффом, кстати говоря, у Уотсона и Крика взаимодействие не сложилось - тот счел их дилетантами, с которыми и разговаривать-то серьезно не стоит. "Презрение Чаргаффа к нам достигло предела, когда Фрэнсис вынужден был признаться, что не помнит химических различий между четырьмя азотистыми основаниями", - писал потом Уотсон. Но это уже было неважно.
В конце концов Уотсон и Крик собрали полностью отвечавшую рентгеноструктурным данным модель молекулы ДНК, состоящей из двух цепочек, где против любого основания в одной цепочке должно стоять дополнительное к нему (комплементарное) основание в другой: против А - Т, против Т - А, против Г - Ц, против Ц - Г. Причем эти цепочки должны быть антипараллельны, то есть противоположно направлены. С параллельными цепочками модель не собиралась, антипараллельность оказалась совершенно обязательным условием. Кстати отметим, что две цепочки ДНК нигде не имеют ковалентных связей между собой, так что формально это две отдельные молекулы - их просто традиционно принято считать за одну.
В пространстве молекула ДНК имеет форму двойной спирали, напоминающую двойной штопор (такие редко, но встречаются). Очевидно, что если ее раскрутить, то к каждой из двух цепочек можно будет автоматически достроить комплементарную - конечно, при наличии в окружающем растворе нужных мономеров-нуклеотидов. Стереохимия азотистых оснований просто не допустит другого варианта: к аденину может пристроиться только тимин, к гуанину - только цитозин, и так далее. А это означает, что Уотсон и Крик открыли не более и не менее как механизм копирования наследственной информации.
В свете этого осознания авторский комментарий, сделанный Уотсоном и Криком в их знаменитой статье 1953 года, воистину выглядит шедевром скромности. Там сказано:
“It has not escaped our notice that the specific pairing we have postulated immediately suggests possible copying mechanism for the genetic material”.
В переводе: “Нашего внимания не избежало то, что постулированное нами специфическое спаривание немедленно предполагает возможный механизм копирования генетического материала” (Watson, Crick, 1953).
По существу задача была решена в тот момент, когда удалось установить одинаковую форму пар А-Т и Г-Ц. Именно тогда Фрэнсис Крик принялся рассказывать всем в кембриджской закусочной, что они только что раскрыли секрет жизни (отчего даже Уотсону стало не по себе).
Но, действительно, собрать правильную трехмерную модель ДНК после этого было делом техники.
С другой стороны, вся эта история хорошо показывает, насколько коллективным процессом является наука. Уотсон и Крик при всем их таланте оказались еще и необычайно удачливы: они получили готовое условие задачи, которую оставалось только решить. Например, их модель двойной спирали была бы невозможна без результатов, полученных Чаргаффом; причем получить эти результаты самостоятельно Уотсон и Крик не могли - у них просто не было такой квалификации. А Чаргафф, в свою очередь, работал на основе "тетрануклеотидной теории", хоть и опроверг ее. Двигаясь таким образом вспять по цепочке ученых, каждый из которых делал возможной работу следующего, мы получим некий причудливый граф, где Уотсон и Крик будут располагаться в одной из вершин. О чем-то подобном писал еще философ XII века Бернар Шартрский: "Мы подобны карликам, усевшимся на плечах великанов; мы видим больше и дальше, чем они, не потому, что обладаем лучшим зрением, и не потому, что выше их, но потому, что они нас подняли и увеличили наш рост собственным величием".
Главное в двойной спирали ДНК - не то, что она спираль, а то, что она двойная. Теоретически двойная цепь ДНК могла бы быть и линейной, как застежка-молния, без всякой спиральности (так называемая SBS-форма, от англ. side by side - бок о бок); на ее свойства как носителя информации это не повлияло бы. Спиральная конформация более энергетически выгодна по чисто химическим причинам, из-за углов между ковалентными связями. Но тут химия совпала с эстетикой: двойная спираль просто красива. Неудивительно, что она быстро стала общеизвестным символом глубинного механизма жизни. На фотографии - небоскреб в форме двойной спирали, построенный в 2013 году в Тайбэе.
<конец исторического отступления>
В чем смысл химических отличий между ДНК и РНК?
Напомню, что главное из этих отличий выражено в самом названии: в состав РНК входит рибоза, а в состав ДНК - дезоксирибоза. Добавив к этому факту кое-что еще, мы получим следующую картину:
● РНК гораздо легче синтезируется, потому что реакция синтеза дезоксирибозы требует более сложных ферментных систем, чем реакция синтеза рибозы.
● Ликвидация 2'-гидроксильной группы резко уменьшает химическую активность ДНК, в том числе ее подверженность реакциям гидролиза (распада с участием воды).
● ДНК практически никогда не бывает одноцепочечной, а в двуцепочечной форме она очень устойчива из-за огромного количества водородных связей и - дополнительно - из-за стэкинг-взаимодействия между плоскими кольцами азотистых оснований.
Создается явное впечатление, что ДНК была “специально придумана” как долговременное надежное хранилище информации.
Есть и другое важное отличие. Некоторые РНК способны вести себя как ферменты, катализируя определенные химические реакции (например, разрезание или синтез других РНК). Такие РНКовые аналоги ферментов называются рибозимами. Эта способность не является редкостью, не требует большой длины РНК или какой-то уникальной нуклеотидной последовательности. Рибозимы часто бывают длиной в 100-200 нуклеотидов или меньше. Самый маленький известный рибозим имел длину всего 13 нуклеотидов (Jeffries, Symons, 1989).
Это означает, что химическая эволюция могла создать рибозимы очень легко. Даже при совершенно случайном переборе последовательностей РНК рибозимы обязательно появятся, причем довольно быстро.
У ДНК каталитическая способность резко ослаблена все той же потерей 2'-гидроксильной группы. Таким образом предотвращается, например, случайное возникновение саморазрезающихся рибозимов - в РНК бывает даже такое. Живым организмам совершенно не нужна каталитическая способность ДНК; наоборот, чем она инертнее, тем лучше. Для редактирования генетической информации есть другие молекулы, главным образом специальные белки. ДНК должна ее просто хранить.
Открытие рибозимов вызвало к жизни так называемую гипотезу РНК-мира: первоначально живые системы состояли в основном из молекул РНК, которые “работали” и носителями информации, и катализаторами всевозможных реакций. Только потом специализированными катализаторами стали белки, а специализированными хранителями информации - молекулы ДНК. За самой РНК остались функции, связанные с передачей генетической информации и частично с регуляцией работы генов.
Теперь вспомним еще одно отличие, уже нам известное: в состав ДНК вместо урацила входит тимин. Напомним, что тимин отличается от урацила всего лишь одной дополнительной метильной группой (-CH3). Дело тут, скорее всего, вот в чем. Есть еще одно азотистое основание - цитозин - которое входит и в РНК, и в ДНК, и при этом является химически довольно неустойчивым. Цитозин легко подвергается спонтанному дезаминированию - потере аминогруппы, вместо которой присоединяется гидроксил (на самом деле он превращается в кетогруппу, но это в данном случае несущественно). А цитозин с гидроксилом вместо аминогруппы - это не что иное, как урацил. Получается, что если хранить генетическую информацию на РНК, то она будет неизбежно постепенно "засоряться" урацилом, образующимся из-за спонтанного дезаминирования цитозина.
А вот из ДНК урацил исключен вообще. Всеобщая замена урацила на тимин дает возможность легко исправлять ошибку дезаминирования, “настроив” соответствующие ферменты на вырезание любых нуклеотидов с урацилом как заведомо ошибочных. Но такая замена имеет смысл только в том случае, если ДНК уже используется для хранения генетической информации! Получается сильный чисто химический аргумент за то, что ДНК была выбрана живыми системами на роль долговременного хранилища информации “специально”.
Есть гипотеза, что ДНК как таковая была “изобретена” ДНК-содержащими вирусами, которые потом инфицировали РНК-содержащие клетки и передали им свою технологию хранения информации (Pina et al., 2011). Если это верно - значит, современная клетка, содержащая ДНК, возникла путем симбиоза примитивной РНК-содержащей клетки с крупным ДНК-содержащим вирусом. Более того, есть подкрепленное кое-какими молекулярно-биологическими данными предположение, что этот симбиоз произошел трижды независимо в трех главных эволюционных ветвях клеточных организмов - у предков бактерий, архей и эукариот (Forterre, 2006).
Если и это окажется правдой, то эволюционное древо земной жизни будет выглядеть довольно неожиданно.
Journal information