Поиск и изучение нуклеиновых кислот

Проблемой нуклеиновых кислот занимался еще в 1868 году швейцарский химик Ф. Мишер, открывший в клетках гноя особое вещество, названное им "нуклеином", поскольку оно встречалось исключительно в клеточном ядре (nucleus - ядро). Это была ДНК. Она находится в каждой из двух биллионов клеток человеческого организма и в клетках всех прочих организмов. Мы знаем также, что ДНК присутствует и в некоторых бактериофагах и вирусах. Спустя 30 лет в клетках дрожжей открыли другую нуклеиновую кислоту, ее мы теперь сокращенно обозначаем РНК.

Во всех клеточных ядрах организма (фото 47) количество ДНК всегда одинаково.

Фото 47. Ультратонкий срез бактериальной клетки, позволяющий видеть ее ядро (в центре)

ДНК - длинная макромолекула, основными структурными элементами которой являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из 29-35 атомов. Нуклеотид построен из трех структурных элементов: органического основания, углевода и фосфорной кислоты. Углевод, который в ДНК называется дезоксирибозой, и фосфорная кислота во всех нуклеотидах одинаковы; органических оснований в нуклеотидах несколько: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) или цитозин (Ц).

РНК отличается от ДНК тремя основными особенностями: вместо дезоксирибозы содержит близкий к ней сахар - рибозу; вместо тимина (Т), присутствующего только в ДНК, - урацил (У), и наконец, в отличие от ДНК, являющейся двойной цепью, напоминает простую длинную цепь, в которой нуклеотиды расположены последовательно в ряд. До сих пор в этом отношении известно только единственное исключение - бактериофаг с шифром ∅X174 имеет ДНК в виде простой, а не двойной цепи.

Фото 48. Хромосомы мухи Drosophila

Простая цепь РНК состоит из чередующихся молекул рибозы и остатков фосфорной кислоты, причем к каждой молекуле рибозы перпендикулярно оси цепи присоединяется одно из четырех нуклеотидных оснований - У, Г, Ц или А. Часть молекулы РНК изображена в виде следующей схемы:

где Р означает рибозу, Ф - остаток фосфорной кислоты, У, Ц, А и Г - различные нуклеотидные основания.

Изучение структуры ДНК продолжалось долгие годы начиная с 20-х годов, когда о ДНК было известно примерно столько же, сколько мы сейчас рассказали.

В начале 50-х годов профессор Е. Чаргафф и его коллеги установили, что в молекуле ДНК определенно взаимосвязаны два спаренных основания, причем всегда аденин с тимином (А - Т), а гуанин с цитозином (Г - Ц). Количественные отношения между этими парами в молекуле ДНК одного и того же биологического вида всегда постоянны, но различаются у разных видов. Чем более родственны виды между собой, тем более сходны и количественные отношения этих пар в ДНК и наоборот, чем меньше родства между видами, тем эти отношения менее сходны.

Приблизительно в это же время американский биохимик Л. Полинг исследовал вместе со своим сотрудником Р. Кори структуру белка. Они установили, что полипептиды (ряды связанных в цепи аминокислот) образуют некоторое подобие спирали, так называемую α-спираль.

Вскоре после этого англичанин М. Уилкинс и другие исследователи доказали, что и макромолекулы ДНК имеют такую же спиральную структуру. Американец Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик на основании этих и других данных построили структурную модель молекулы ДНК. За эту, по существу, новаторскую работу Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены в 1962 году Нобелевской премии по медицине и физиологии. Уотсон и Крик в своей модели наглядно изобразили структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали. Внешние витки этой макромолекулы образуют цепи, в которых закономерно чередуются молекулы дезоксирибозы (Д) и фосфорной кислоты (Ф). Цепи как бы намотаны на внутренний "цилиндр", состоящий из спаренных оснований А - Т и Г - Ц. С наружной стороны основания присоединены к дезоксирибозе другой цепи. Между собой основания связаны водородными мостиками, известными по многим другим соединениям. Внутреннюю организацию молекулы ДНК можно изобразить следующей схемой:

Обе цепи обхватывают внутренний цилиндр так, что их витки всегда находятся на его противолежащих сторонах. Каждый поворот цепей на 360° размещает новые 10 пар нуклеотидов. Модели молекул ДНК с их двойными спиралями наглядно изображены на прилагаемом рисунке.

Количество нуклеотидов в ДНК возрастает с усложнением организмов. Бактериофаги содержат в своих молекулах ДНК около 5000 - 10 000 нуклеотидов, но у бактерий их уже около 5 000 000. Каждая клетка человеческого организма содержит до 800 000 молекул ДНК, и в каждой из них имеется около 40 000 нуклеотидов.