Чтение онлайн

Стало очевидным, что, если наследственность записана в молекулах нуклеиновых кислот, следовательно, в основе размножения генетического материала лежит размножение молекул. Именно этот принцип был четко сформулирован в гипотезе Н. К. Кольцова еще в 1928 году, когда он выдвинул мысль, что наследственные молекулы размножаются матричным путем. Он полагал, что исходная материнская молекула служит матрицей, по подобию которой в клетке строится копия, полностью повторяющая структуру исходной молекулы. Н. К. Кольцов, как и его современники, считал, что молекулярной основой наследственности служит белок. Теперь оказалось, что наследственность записана в молекулах ДНК. Понимание механизма матричного катализа конкретно приняло другой вид.

Молекула ДНК состоит из двух цепей, которые связаны между собою непрочными водородными связями. При размножении молекулы эти связи рвутся, и цепи освобождаются одна от другой. В каждой цепи все азотистые основания обладают силами притяжения парных к нему, комплементарных оснований. Запас таких оснований имеется в цитоплазме клетки. Они подходят к однонитевой молекуле ДНК и входят в состав строящейся, второй нити. Так из одной двойной молекулы ДНК возникают две дочерние двойные молекулы. По закону комплементарности при синтезе дочерних молекул каждая из них целиком повторяет исходную. При делении клетки нет материнской и дочерней молекулы. В каждую из двух новых, образующихся молекул попадает половинка разделившейся материнской молекулы, что и приводит к молекулярному равенству как материнской, так и обеих дочерних молекул. Все они обладают равноценной генетической информацией.

Раскрытие природы удвоения (ауторепродукции) молекул ДНК было гигантским шагом в истории новой биологии. Наступила эпоха изучения и вмешательства в глубины молекулярной механики размножения живого.

Однако какие особенности молекулы ДНК обеспечивают специфику наследственности вида и наследственные индивидуальные особенности особи? В молекуле ДНК имеется только четыре разных азотистых основания - А, Т, Г, Ц. Это указывало, что генетическое содержание молекул основано на специфике их взаимоположения, то есть на разных порядковых сочетаниях азотистых оснований вдоль линейной структуры этой молекулы. Было показано, что ген - это отрезок молекулы ДНК, в котором в среднем содержится около 1000 азотистых оснований. Эти основания линейно расположены в строго специфическом порядке, свойственном каждому гену. Картина дробимости гена и его внутренний линейный план предстали перед исследователями воочию на внутримолекулярном уровне. Запись биологической информации в молекуле ДНК была разгадана как особая форма кода. Под кодом понимается запись сложного содержания с помощью простых символов. Так, например, азбука Морзе содержит только два знака в виде тире и точки, и при этом, комбинируя эти две буквы кода, с помощью телеграмм можно передать любую мысль человека. Генетическая программа записывается с помощью четырехбуквенного кода. Азотистые основания через комбинации в их взаиморасположениях создают биологическую специфичность вида и особи.

Вполне понятно, что в свете этих данных новое содержание получила и теория мутаций. Наследственность организмов относительно устойчива. Но столь же характерна для живого и его изменчивость, без чего не было бы эволюции организмов. Эта изменчивость в исходном ее виде представлена появлением уклонений в отдельных признаках. Так, например, среди обычных рыжих лисиц появляется белая, среди обычно вирулентных форм вируса вдруг возникает особенно злокачественная форма, среди высоких пшениц возникает карлик и т. д. Такое появление изменений получило название мутаций. Проникнуть в тайну их природы долго не удавалось. Теперь в свете молекулярных основ наследственности стало очевидным, что природа мутаций коренится в химических преобразованиях молекул ДНК. При мутации изменяется то или иное азотистое основание в данном ее отрезке (в гене), что дает новые особенности генетической информации. Представим, что в отрезке одной нити молекулы ДНК имеется такой порядок оснований: АТТЦГААЦ. Во время синтеза, в результате ошибки, одно из оснований незаконно внедрится в молекулу, и она после синтеза примет такой вид:

А Т Т Ц Г А А Ц

Т А А !А! Ц Т Т Г

После этой ошибки новая молекула при синтезе на измененной нити будет иметь новую структуру:

+-+

Т А А|А|Ц Т Т Г

А Т Т|Т|Г А А Ц

+-+

Ее генетическая информация изменена, вместо исходной пары ЦГ, в ней имеется пара оснований AT.

Управлять процессами мутаций - значит овладеть одной из самых могущественных сил природы. Несколько десятилетий назад было открыто, что радиация и многие химические соединения проникают в клетку и вызывают многочисленные мутации. Теперь начато самое глубокое изучение взаимодействия энергии радиации и специфической энергии химических веществ, вступающих в реакцию с молекулами ДНК и изменяющих в ней порядок оснований или их количество.

В течение последних 25 лет роль белка в передаче наследственности была развенчана, наследственность оказалась связанной с нуклеиновыми кислотами. Однако основные жизненные процессы все же представляют собою форму существования белковых тел. Это показывало, что молекулы ДНК, переходя по поколениям, должны определять появление специфичных видовых и индивидуальных белков. Встала проблема взаимоотношения белков и нуклеиновых кислот в процессах устойчивого воспроизведения по поколениям наследственно закрепленного типа обмена веществ.

Работами по биохимической генетике было показано, что роль молекул ДНК в основном и состоит в том, что они кодируют синтез молекул белка. Как было установлено в 1960 году, в определенные моменты своей жизни на одной из нитей молекулы ДНК синтезируется короткая, равная величине отдельного гена, молекула особой информационной рибонуклеиновой кислоты (и-РНК). Эта короткая молекула воспринимает на себя информацию данного гена. Она уходит в цитоплазму, достигает особых зернистых структур, называемых рибосомами, и здесь происходит процесс передачи генетического кода на процесс синтеза специфических белков. Аминокислоты из цитоплазмы приносятся в рибосомы в активированном состоянии другим видом РНК, получившим название транспортных. Протягиваясь сквозь рибосому, молекула и-РНК обеспечивает нужный порядок связи аминокислот, что и дает специфический белок.

Структура белка в закодированном виде представлена в соответствующем гене, где отдельная аминокислота, как это было показано в 1961 году, кодируется тройкой азотистых оснований. Эти отрезки гена в виде трех оснований получили название кодонов. Детальные биохимические исследования раскрыли все связи, которые существуют между разными типами кодонов и 20 аминокислотами, из сочетания которых строится все неимоверное разнообразие типов белков, нужных для осуществления явлений жизни на всем ее поле, от вирусов до человека.

В 1967 году было установлено, что генетический код, то есть порядок оснований в отдельных кодонах, программирующих вставку определенной аминокислоты, оказался одинаковым у бактерий, у одной из южноафриканских жаб и у млекопитающих - морских свинок. Это показало, что принципы генетического кода универсальны, его форма возникла на заре жизни и устойчиво сохраняется до сих пор.

Открытие природы синтеза белков, программируемого молекулами ДНК, ввело исследователей в глубины обменных процессов в клетке. Здесь методы генетики и биохимии слились воедино. Одновременно показано, что ДНК кодирует не только белки для общих процессов жизнедеятельности клетки, но и те белки, без которых невозможна жизнь самих молекул ДНК.

Размножение, функционирование и само существование молекул ДНК в клетке невозможно без действия сложного комплекса белков-ферментов. При удвоении молекул ДНК новая цепь из дочерних молекул их создается с помощью особого фермента, называемого полимеразой, который был открыт в 1956 году. Этот фермент может быть выделен из клетки и может работать в искусственно созданных системах - аналогах клетки. Если в такую систему поместить набор разрозненных азотистых оснований и полимеразу, то, несмотря на ее наличие, синтеза молекул ДНК все же не происходит. Он идет только лишь при наличии в этом "бульоне" из азотистых оснований какой-либо молекулы ДНК. Эта молекула служит затравкой и матрицей при синтезе, новая, синтезируемая молекула повторяет строение затравки.

Короткие отрезки молекулы ДНК были созданы чисто химическим путем, и они приобрели способность быть матрицей при синтезе. Химический синтез коротких молекул ДНК был осуществлен путем соединения нуклеотидов, которые содержат азотистое основание, остаток сахара и фосфорной кислоты. Нуклеотид, несущий аденин, был связан с нуклеотидом, содержащим цитозин, затем шесть таких двойных нуклеотидов удалось связать в цепь: АЦ АЦ АЦ АЦ АЦ АЦ. Этот искусственно созданный отрезок молекулы ДНК был помещен в среду, содержащую полимеразу и набор азотистых оснований. Синтез ДНК происходил точно по заданной матрице, воспроизводя все взаимоположения оснований этой короткой, химически созданной цепи ДНК.