?

Log in

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


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>


  • 1
Вы пишите:
"Вспомнив, что, собственно, означают буквы А, Т, Г, Ц, мы тут же обнаружим, что правила Чаргаффа можно сформулировать и по-другому: в одной и той же молекуле ДНК общее количество пуриновых оснований (А и Г) всегда строго равно общему количеству пиримидиновых (Т и Ц)."
Это не эквивалентная формулировка, а более слабое утверждение!
Вы вместо двух условий
[А]=[Т]
[Г]=[Ц]
дали одно
[А]+[Г]=[Т]+[Ц].

Введение в биологию (сборка)

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

  • 1