ДНК
Молекула
ДНК має форму подвійної спіралі, і її відтворення грунтується на тому, що
кожна ланцюг подвійної спіралі служить матрицею для складання нових молекул.
Сьогодні
ми знаємо, що молекула ДНК є носієм коду, який управляє хімізмом
всього живого (див. Центральна догма молекулярної біології), а подвійна спіраль
молекули ДНК стала одним з найвідоміших наукових символів. Відкриття ДНК, як
і практично всі великі відкриття, не було результатом роботи самотнього генія,
а увінчало собою довгий ланцюг експериментальних робіт. Так, експеримент
Херші-Чейз продемонстрував, що носієм генетичної інформації в клітинах
є саме ДНК, а не білки. Ще в 1920-і роки американський біохімік родом
з Росії Фібус Левін (Phoebus Levene) (1869-1940) встановив, що основні
цеглинки, з яких побудована ДНК, - це пятіатомний цукор дезоксирибоза (вона
позначена літерою Д у слові ДНК), фосфатна група і чотири азотистих підстави
- Тимін, гуанін, цитозин і аденін (їх зазвичай позначають літерами Т, Г, Ц і А). У
Наприкінці 1940-х років американський біохімік австрійського походження Ервін
Чаргафф (Erwin Chargaff) (нар. 1905) з'ясував, що у всіх ДНК міститься рівне
кількість підстав Т і А та, аналогічно, рівну кількість підстав Г і Ц.
Однак відносний вміст Т/А і Г/Ц в молекулі ДНК специфічно для кожного
виду.
В
початку 1950-х років стали відомі два нових факту, пролили світло на природу
ДНК: американський хімік Лайнус Полінг (Linus Pauling) (1901-94) показав, що в
довгих молекулах, наприклад білках, можуть утворюватися зв'язку, закручують
молекулу в спіраль, а в лондонської лабораторії Моріс Уілкінс і Розалінда
Франклін отримали дані рентгеноструктурного аналізу (що базуються на
вдосконаленому застосуванні закону Брегга), що дозволили припустити, що
ДНК має спіральну структуру.
Як
Саме в цей час молодий американський біохімік Джеймс Уотсон відправився на рік у
Кембриджський університет для роботи з молодим англійським фізиком-теоретиком
Френсісом Криком. ( «Про мене тоді практично ніхто не знав, - згадував
згодом Крик, - а ідеї Уотсона вважали ... надто незрозумілими ».)
Експериментуючи з металевими моделями, Крік і Уотсон намагалися об'єднати
різні компоненти молекули в тривимірну модель ДНК.
Щоб
краще уявити собі отримані ними результати, уявіть довгу драбину.
Вертикальні стійки цієї сходи складаються з молекул цукру, кисню і
фосфору. Важливу функціональну інформацію в молекулі несуть сходинки сходів.
Вони складаються з двох молекул, кожна з яких кріпиться до однієї з вертикальних
стійок. Ці молекули - чотири азотистих підстави - є поодинокі
або подвійні кільця, що містять атоми вуглецю, азоту і кисню і здатні
утворювати два або три водневі зв'язки (див. Хімічні зв'язку) з іншими
основами. Форма цих молекул дозволяє їм утворювати зв'язку - закінчені
сходинки - лише певного типу: між А і Т і між Г і Ц. Інші зв'язку
виникнути не можуть. Отже, кожна сходинка представлена або А-Т або
Г-Ц. Тепер уявіть, що ви берете зібрану таким чином сходи за два
кінця і крутить - ви отримаєте знайому подвійну спіраль ДНК.
зчитуючи
сходинки з одного ланцюга молекули ДНК, ви отримаєте послідовність підстав.
Уявіть, що це повідомлення, написане за допомогою алфавіту лише чотири
букв. Саме це повідомлення визначає хімічні перетворення, що відбуваються в
клітці, і, отже, характеристики живого організму, частиною якого
є ця клітина. На другий ланцюга спіралі ніякої нової інформації не
міститься, адже якщо вам відомо підставу, яка знаходиться на одного ланцюга,
ви знаєте і те, якою повинна бути друга половина сходинки. У певному сенсі
два ланцюги подвійної спіралі ставляться один одного так само, як малюнок і негатив.
Відкривши
двуспіральную структуру ДНК, Уотсон і Крик зрозуміли і той простий спосіб, яким
здійснюється відтворення молекули ДНК - як і має відбуватися за
діленні клітини. За їхніми власними словами, «від нашої уваги не вислизнув той
факт, що постульовано нами специфічна парність азотистих основ
безпосередньо вказує на можливий механізм копіювання генетичного
матеріалу ».
Такий
«Можливий механізм копіювання» визначено структурою ДНК. Коли клітина
приступає до поділу і необхідна додаткова ДНК для дочірніх клітин,
ферменти (див. Каталізатори та ферменти) починають «розстібати» сходи ДНК,
як застібку-«блискавку», оголюючи індивідуальні підстави. Інші ферменти
приєднують відповідні підстави, що знаходяться в навколишньому рідкому середовищі,
до парним «оголіли» підставах - А к Т, Г до Ц і т. д. У результаті на
кожній з двох розійшлися ланцюгів ДНК добудовується відповідна їй ланцюг з
компонентів навколишнього середовища, і початкова молекула дає початок двом подвійним
спіралях.
Точно
так само, як кожне велике відкриття засноване на роботі попередників, воно
дає початок новим плідним дослідженням, оскільки вчені використовують
отриману інформацію для руху вперед. Можна сказати, що відкриття подвійної
спіралі дало поштовх подальшому піввіковому розвитку молекулярної біології,
завершився успішним здійсненням проекту «Геном людини».
***
Експеримент Мезельсона-Сталя
Після
того як Уотсон і Крик висловили припущення про двуспіральной структурі ДНК,
це припущення пройшла експериментальну перевірку, як відбувається з будь-якою
науковою гіпотезою. Два молекулярних біолога - Метью Мезельсон (Matthew
Meselson) (нар. 1930) і Франклін Сталь (Franklin Stahl) (нар. 1910) - провели в
1957 році в Каліфорнійському технологічному інституті серію експериментів.
Використана ними методика дозволяла розрізняти маси дуже схожих молекул.
Спочатку вони вирощували бактерії в середовищі, де єдиним джерелом азоту був
ізотоп 15N (звичайний атом азоту, 14N, дещо легше). Через кілька поколінь
весь азот в бактеріальної ДНК був представлений тільки «важким» азотом. Потім
бактерії переносили в середовище, де весь азот був у формі 14N (азот входить до
склад основ ДНК і тому будь-яким поглинається організмом, які синтезують
нові ланцюги молекули). Після одного циклу клітинного ділення вага бактеріальної
ДНК був проміжним між вагою ДНК з 15N і вагою ДНК з 14N. Після двох
циклів клітинного поділу лише один з чотирьох ланцюгів ДНК була «важкою» ДНК і
т. д. Цим дотепним експериментом Мезельсон і Сталь підтвердили, що в
результаті кожного поділу клітини комплементарні ланцюга ДНК містять половину
старої ( «важкої») ДНК і половину нової ( «легкої») ДНК - в точній відповідності
з гіпотезою Уотсона і Кріка.
***
Френсіс Харрі Комптон КРИК
Francis Harry Compton Crick,
1916-2004
Англійська
молекулярний біолог (на фото праворуч). Народився в Нортгемптон в сім'ї взуттєвого
фабриканта. У 1938 році отримав диплом фізика в Університетському коледжі в
Лондоні. У роки війни займався розробкою акустичних і магнітних хв.
Згодом вирішив досліджувати «таємницю життя». У 1951 році, коли Крик вивчав
структуру білків в новому підрозділі, створеному Медичним дослідницьким
радою в Кавендішської лабораторії Кембриджа, студент Джеймс Уотсон
припустив, що для розуміння функції молекули ДНК необхідно з'ясувати її
структуру. Успішні пошуки в цьому напрямку принесли Уотсону і Крику в 1962
році Нобелівську премію в галузі фізіології та медицини. Більш пізні роботи
Крику пов'язані з розробкою центральної догми молекулярної біології. У 1977
Крик році перейшов до інституту Солка в Сан-Дієго, де продовжив пошуки «таємниці
життя », зосередившись на вивчення свідомості.
Джеймс
Дьюї УОТСОН
James
Dewey Watson, р. 1928
Американський
біохімік. Народився в Чикаго, штат Іллінойс. У віці 15 років вступив до
університет Чикаго, який закінчив чотирма роками пізніше. У 1950 році отримали
докторську ступінь доктора в університеті штату Індіана за вивчення вірусів.
Прийшовши сюди Кавендішської лабораторії в 1951 році призвело до співпраці з
Френсісом, криком, що увінчався відкриттям структури ДНК. Крік і Уотсон
поділили Нобелівську премію в галузі фізіології та медицини з Морісом Вілкінсом
(Maurice Wilkins) (нар. 1916), чиї експерименти з дифракцією рентгенівських променів
допомогли встановити двуспіральную структуру ДНК. Розалінда Франклін (Rosalind
Franklin) (1920-58), чий внесок у відкриття структури ДНК, на думку багатьох, був
дуже вагомим, не була удостоєна Нобелівської премії, тому що не дожила до цього
часу.
Список літератури
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://elementy.ru/
