?

Log in

No account? Create an account
Previous Entry Share Next Entry
Введение в биологию (VIIIa)
caenogenesis
Тема VIIIa
НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ (продолжение)


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.

  • 1
Замечательно. И курс, и отступление :).

Введение в биологию (сборка)

Пользователь pomarki сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию (сборка)» в контексте: [...] Введение в биологию (VIIIa). НУКЛЕОТИДЫ [...]

Введение в биологию от caenogenesis

Пользователь m_3713 сослался на вашу запись в своей записи «Введение в биологию от caenogenesis» в контексте: [...] Введение в биологию (VIIIa). НУКЛЕОТИДЫ [...]

  • 1