Десять великих идей науки. Как устроен наш мир. - Питер Эткинз

Рис. 2.6. Этот снимок дифракции рентгеновских лучей, полученный Розалиндой Франклин, был решающей для понимания детальной структуры ДНК частью экспериментальных данных. Он подтверждает, что эта молекула имеет форму двойной спирали, а детали фотографии могут быть использованы для определения размеров этой спирали.

Структура ДНК теперь повсеместно известна как знаменитая символическая правосторонняя двойная спираль, в которой одна длинная нить нуклеиновой кислоты обернута вокруг другой, образуя сплетенную пару (рис. 2.7), которая весьма похожа на сплетенные лестницы входа для публики в музее Ватикана[10], что выглядит немного иронично. Ключевым моментом, однако, оказывается то, что нуклеотидные основания одной нити являются парными к нуклеотидам другой (рис. 2.8), так что аденин всегда в паре с тимином (что мы обозначаем как A…T), а гуанин всегда вместе с цитозином (что обозначаем как G…C). Эта парность соответствует наблюдению Чарграффа, показавшему, что количество аденина в его образцах таково же, как количество тимина, а количество гуанина равно количеству цитозина: комплементарность гарантирует равенство их количеств. Можно также отметить, что относительно маленький пурин (аденин и гуанин) всегда спарен с более крупным пиримидином (тимин и цитозин), поскольку таким способом поддерживается форма двойной спирали: два больших пурина попадают в выпуклость, а два маленьких пиримидина в снижающуюся часть витка спирали. Парность соответствует и другому наблюдению Чарграффа: количество пуринов (A+G) в образце равно количеству пиримидинов (T+C).

Рис. 2.7 Двойная спираль ДНК. Две нити нуклеиновой кислоты накручены друг на друга, образуя сплетенную двойную спираль с одним узким и одним широким желобом. Две нити удерживаются вместе водородными связями между основаниями, причем пуриновые основания (A, G), представленные длинными стержнями, связаны с пиримидиновыми основаниями (C, T), представленными короткими стержнями. Парными всегда являются А…T и G…C.

Рис. 2.8. Пары оснований, которые удерживаются вместе на нити ДНК, создавая двойную спираль. Водородные связи между молекулами представлены линиями. Заметьте, что пурин связывается с пиримидином и что объемы обеих пар приблизительно одинаковы.

Две нити нуклеиновой кислоты сцеплены между собой благодаря весьма специфическому виду химической связи, известному как водородная связь. Когда я говорю «специфический вид связи», я не имею в виду его малую распространенность, поскольку почти каждая молекула воды в каждом океане связана со своими соседями посредством этого вида, так что только в океанах есть 1044 таких случаев, не считая гораздо большего их числа в других местах. Водородная связь является специфической в том смысле, что она формируется необычным путем и только между несколькими определенными атомами, среди которых кислород и азот. При образовании этой связи атом водорода (который настолько мал, насколько вообще это возможно для атома) попадает между двумя другими атомами и, действуя подобно клею, связывает их вместе. Одним из ключей к пониманию двойной спирали является то, что, как видно на рис. 2.8, форма и расположение атомов азота, кислорода и водорода в тимине и аденине как раз подходят для формирования двух очень удобных водородных связей. Цитозин и гуанин тоже очень удачно подходят друг к другу, но образуют три водородных связи. Тот факт, что водородные связи много слабее, чем обычные химические связи, держащие вместе атомы устойчивых молекул, означает, что две составляющих двойной спирали могут довольно легко отрываться друг от друга, оставляя сами нити нуклеиновой кислоты неповрежденными, в точности так же, как испаряется вода без разрушения ее индивидуальных молекул.

Теперь мы способны понять, почему Уотсон и Крик смогли заключить свою короткую, но удивительную статью скромным замечанием:

От нашего внимания не ускользнуло, что специфический вид образования пар, который мы постулировали, немедленно предлагает возможный механизм копирования генетического материала.

Конечно, именно тот факт, что модель оказалась столь пригодной для объяснения копирования, и стал реальной причиной того, что она столь быстро была принята, несмотря на то даже, что детализированная, точная структура молекулы была установлена лишь в конце 1970-х гг. Чтобы понять суть этой привлекательной и неотразимой идеи, предположим, что две нити имеют следующие последовательности нуклеотидных оснований:

…АССAGTAGGTCА…

…TGGTCATCCAGT…

где первое A в верхней нити связано водородной связью с первым T в нижней нити, C таким же образом связано с G и так далее. Затем предположим, что нити разделились на

…АССAGTAGGTCА… и …TGGTCATCCAGT…

Теперь предположим, что в клетке существует запас нуклеотидных оснований. Тогда они будут прикрепляться к разделенным нитям, каждая из которых создает шаблон для создания новой нити, и сформируют

…ACCAGTAGGTCA… и …TGGTCATCCAGT…

…TGGTCATCCAGT… и …ACCAGTAGGTCA…

Теперь у нас есть две идентичных двойных спирали там, где раньше была одна. У нас есть репродуцирование!

На этом месте относительно легко установить соответствие с хромосомной моделью репродуцирования, которую мы обсуждали ранее в этой главе. Все, что нужно для этого сделать, это представить себе хромосому как нить ДНК. Тогда процесс митоза является просто — это слово, как всегда, нуждается в проверке — удвоением двойной спирали.

Теперь это слово — «просто». Одна из встающих перед нами проблем состоит в том, что молекула ДНК очень длинная: если ДНК человека из набора двадцати трех его хромосом (с одной молекулой ДНК в каждой хромосоме) вытянуть и соединить между собой, их длина окажется около метра, и все это хозяйство должно быть заключено в малюсенькое ядро клетки. Поскольку хромосомы являются двойными и в теле человека содержится около ста триллионов клеток, общая длина хромосом внутри каждого из нас огромна. Вспомним две сотни клеток, необходимых для покрытия точки над i: эти клетки содержат около 400 метров ДНК. Чтобы достичь такого чудесного мастерства в упаковке, двойная спираль наматывается на кластеры из молекул белка, называемые гистонами, которые работают как веретено. Затем эти веретена наматываются друг на друга, Катушка наматывается сама на себя, становясь суперкатушкой, а насколько туго она намотана, зависит от того, скатывались ли хромосомы так, как это происходит при митозе, или распространялись по ядру, как это бывает в остальное время жизни клетки (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Двойная спираль ДНК подвергается большому количеству скручиваний и сверхскручиваний при паковке в ядро клетки. Эта диаграмма демонстрирует детали упаковки. Внизу мы видим саму двойную спираль ДНК. Эта молекула обертывается вокруг молекул гистонов, изображенных в виде сфер, и результирующая катушка ДНК сворачивается, чтобы вышло сооружение из катушек, свернутых в катушку, показанное на третьем снизу уровне диаграммы. Эта катушка из катушек скручивается снова, снова и снова, чтобы достичь сверхскрученной упаковки молекул, и сама эта сверхскрученная молекула скручивается в хромосому, показанную наверху.

В ДНК человека имеется примерно 3 миллиарда пар оснований, а у маленького вируса только около пяти тысяч. Мы можем гордиться своей сложностью. Однако у тритона (Triturus cristatus) имеется 20 миллиардов пар оснований, что и для нас открывает перспективу. Мы можем, извиваясь подобно тритонам от такой неприятности, возражать, что большая часть ДНК избыточна. Возможно, у тритонов она в особенности избыточна, и могла возникнуть, когда на поздней стадии своей эволюции этот вид принял в свои клетки удвоенное количество хромосом (то есть стал «диплоидным», как мы), а до этого имел «одинарное» множество (то есть был «гаплоидным», как клетка гаметы).

Молекула ДНК есть хранилище информации, по существу представляющей собой послание, передаваемое через поколения. Это послание содержит всю информацию, необходимую для конструирования и поддержания организма, в котором оно обитает. Возникают очевидные вопросы: что это за информация, как она кодируется, как она интерпретируется?

Рабочими пчелами в улье из клеток-ячеек, который представляет собой живой организм, являются белки. Белки могут быть структурными, как в мускулах, хрящах, копытах, когтях и волосах, или могут быть функциональными, как в гемоглобине и бесчисленных ферментах, контролирующих процессы, образующие состояние «быть живым». Спецификация белков есть центральная функция наследственности, так что мы можем быть уверенными, что ДНК есть некий вид проекта или рецепта наших белков. Это подтверждено экспериментально, поскольку изменения ДНК влекут изменения белков. Чаще всего такие изменения приводят к плохому функционированию белков, которое мы называем болезнью. Но иногда они благоприятны, и в этом случае болезнь получает повышение до статуса эволюции.