РЕФЕРАТ
«УСПІХИ У ВИВЧЕННІ матеріальних основ спадковості»
1. Закони Менделя
Двадцяте століття для біології почався з сенсаційного відкриття. Одночасно три ботаніка, голландець Гуго де Фріз, німець К. Корренс та австрієць К. Чермак, повідомили, що ще за 35 років до цього, нікому не відомий чеський учений Йоганн Грегор Мендель відкрив основні закони спадковості. 1900 р., рік вторинного відкриття законів Менделя, прийнято тепер вважати роком народження генетики.
Основна мета, яку переслідував Мендель, полягала в тому, щоб зрозуміти закони, що визначають розвиток нащадків батьків, розрізнялися своїми спадковими ознаками. Перший етап освіти будь-якого організму - злиття статевих клітин батьків - материнської яйцеклітини і батьківського сперматозоїда. Всі ті ознаки, якими характеризуються і батьківський, і материнський організм, були закодовані в їхніх статевих клітинах, і утворюється з злилися статевих клітин організм повинен був нести ознаки і батька, і матері.
Але закони, що визначають перекомбінацію цих ознак у нащадків, ніяк не вдавалося з'ясувати, хоча багато вчених і до Менделя намагалися визначити долю ознак після схрещування. Щоправда, французький вчений Шарль Ноден за два роки до Менделя опублікував результати своїх дослідів, в яких був близький до висновків Менделя, але його робота так і не зрозуміли його сучасниками. Помилка попередників Менделя полягала в тому, що вони намагалися в одному схрещуванні простежити за долею відразу багатьох ознак, Та при цьому ще так погано підбирали пари для схрещування, що все безнадійно заплутувалося. Потрібно було якось спростити завдання, не прагнути з маху вирішити всі проблеми, але це-то і виявилося найважчим.
Менделю 'допомогла його тяга до точних наук. Щоб знайти 20 невідомих, потрібно вирішити 20 рівнянь, для 19 невідомих їх потрібно 19, для 18-18 і т. д. Значить, перше, на що треба звернути увагу, - це кількість ознак, за якими слід стежити. Потрібно так підібрати пари для схрещування, щоб живі організми не відрізнялися один від одного нічим, крім однієї ознаки. Тільки одного і ні в якому разі не більше! Розв'язавши рівняння першого ступеня, можна буде перейти і до більш складних завдань. Як не була проста ця перша думка Менделя, вона виявилася великим кроком вперед.
Але які організми взяти для схрещування? Мендель знову вирішив йти по шляху максимального спрощення завдання. Він зупинив свою увагу на рослинах. Є самозапильних і перекрестноопиляющіеся рослини. Перші запилюються в основному своєї власної пилком, у других пилок з квіток однієї рослини переноситься різними шляхами (вітром, комахами) на квіти інших рослин. Мендель вирішив взяти для дослідів самозапильних рослини. Раз потрібно стежити за успадкуванням всього однієї ознаки, скажімо, забарвлення віночка квітки, то у перекрестноопиляемих рослин вітер може випадково занести пилок з якого-небудь іншої рослини, і тоді весь досвід піде нанівець. Висновок один - працювати треба тільки з самоопилітелямі, наприклад з горохом. Оцінюючи цей вибір, К. Корренс писав згодом: «Не може підлягати ніякому сумніву, що успіх Менделя був обумовлений тим, що він вибрав для своїх дослідів саме цей об'єкт, так як квіти гороху запилюються майже виключно своєю власною пилком». Ніякі чужі статеві клітини не могли порушити своїм втручанням чистоту досвіду.
До початку схрещувань Мендель перебрав 34 сорти гороху і залишив для дослідів лише 7 пар сортів. Кожна пара відрізнялася одна від одного тільки по одній ознаці. В одного сорту насіння були гладкими, в іншого зморшкуватими, стебло одного сорту був високий (до 2 м), іншого ледве-ледве дотягував до 60 см, забарвлення віночка квітки в одному сорті була пурпурової, в іншому білою. Протягом трьох років Мендель акуратно стежив за насінням і рослинами всіх 7 пар сортів, щоб переконатися в тому, що це чисті від забруднення іншими насінням сорту. Переконавшись у тому, що його сорти справді «вільні від 'домішок», Мендель приступив до схрещування. Він взяв насіння сорту рослини з пурпурним віночком квітки і насіння сорту, у якого квітка був білим. Вилучив з пурпурного квітки тичинки з пиляками, переніс на рильце маточки пилок з білої квітки. Пройшов призначений термін, рослина зав'язалися плоди, і восени в руках Менделя було насіння цього гібрида. Коли навесні Мендель висіяв насіння гібридів у грунт і дочекався розпускання бутонів, він виявив, що всі квіти гібридних організмів мали точно таку ж пурпурну забарвлення, що і один з батьків. Що ж сталося? Чому забарвлення віночка точно повторила колір віночка батьківської рослини? Може бути досвід просто не вдався, пилок виявилася недієвою? Це заперечення було відкинуто з багатьох причин. По-перше, якби пилок не взяла участі в заплідненні, ніяких горошин не утворилося б взагалі, адже власна пилок була видалена ще в тичинках. По-друге, досвіду могла б перешкодити стороння пилок, занесена випадково з красноцветкового рослини. Але горох-строгий самоопилітель і занесення чужий пилку був виключений. По-третє, і це було найголовніше, в інших схрещуваннях (з сортами, що відрізнялися іншими ознаками) Мендель одержав принципово той же результат. У всіх випадках у нащадків першого схрещування проявлявся ознака тільки одного з батьків. З двох ознак, включених в схрещування, один виявився настільки сильним, що повністю придушив прояв іншої ознаки. Мендель назвав його домінантним. Непроявівшійся слабкий ознака отримав назву рецесивний. Таким чином, перше правило або закон Менделя був сформульований: в гібридах першого покоління не відбувається ніякого взаємного розчинення ознак, а спостерігається домінування одного (сильного) ознаки над іншим (слабким) ознакою.
У це ж літо Мендель провів другу частину досвіду. На цей раз він схрестив між собою пурпурово-червоних братів і сестер, отриманих після першої гібридизації. Отримані від схрещування насіння він висіяв наступної весни. Тепер на грядках менделевської городу зеленіли сходи, отримані від схрещування красноцветкових гібридів між собою. Ось-ось повинні були розпуститися бутони. Якими будуть квіти? Власне, чекати чого-небудь особливого не доводилося. Здавалося, результат досвіду можна вгадати безпомилково. Що може статися від схрещування чорної - собаки з чорним собакою? Очевидно, чорна собака. А від схрещування червоної квіткової гороху з краеноцветковьгм горохом? Очевидно рослина з червоними квітками. Але коли розпустилися бутони, Мендель виявив, що у чверті всіх рослин забарвлення вінець була білою. Ознака білого забарвлення, здавалося зниклий після першого схрещування, знову з'явився в онуків. Сталося те, що Мендель влучно назвав розщеплений найм.
При з'єднанні зачатків білоквітковий і красноцветкового рослин спадкові фактори білих квіток не розчинялися, не зникали, а лише тимчасово придушувалися домінантними факторами краснолепестковості. Зовнішній вигляд таких гібридів був оманливий. Гібридна природа виявлялася тільки після другого схрещування. Пригнічений 'білий фактор одного батька іноді зустрічався з таким же пригніченим білим зачатком другий батьківської рослини, і як тільки це відбувалося, розвивалися білі квіти. Закономірність появи у нащадків другого покоління ознак, пригнічених в гібридах першого покоління, Гуго де Фріз назвав у 1900 р. другим законом Менделя або законом розщеплення.
А тепер належить розповісти про найцікавіше. Величезне значення відкритих Менделем закономірностей полягала не стільки в тому, що він описав явища домінування і розщеплення, а в тому, що він зумів виявити закономірності появи тих чи інших форм при розщепленні і завдяки цьому прийшов до передбачення про наявність генетичних структур у клітинах і процесах зберігання і передачі спадкової інформації.
Коли Мендель проаналізував кількісно частоту появи ознак (домінантного і рецесивного) у другому поколінні, то він виявив, що у всіх випадках є одна і та ж чисельна закономірність. Після схрещування сорту гороху з гладкими насінням з сортом із зморшкуватими насінням Мендель одержав 253 насіння. Всі вони були гладкими. Після схрещування їх між собою відбулося розщеплення. Утворилося 7324 насіння. 5474 так і залишилися гладкими, а 1850 були зморшкуватими. Ставлення гладких (домінантних) до зморшкуватим (рецесивним) дорівнювало 2,96:1. В іншому досліді, де враховувалося успадкування забарвлення насіння, з 8023 насіння, отриманого після другого схрещування, 6022 виявилися жовтими та 2001 - зеленими. Ставлення жовтих до зелених дорівнювало 3,01. Мендель зробив подібні розрахунки для всіх семи пар сортів. Результат був скрізь один і той же. Розщеплення домінантних і рецесивних ознак дорівнювало в середньому відношенню 3:1.
Мендель чітко розумів, що виявлена ним закономірність не може бути справедливою для окремо взятого рослини, а виявляється тільки при вивченні великого числа організмів. Цей статистичний характер, так само як і багато статистичних явища, виявлені згодом при вивченні інших явищ, були важливою особливістю закономірності, відкритій Менделем. Видатний американський генетик Томас Морган в 20-ті роки спеціально зібрав дані 15 дослідників, що повторювали роботи Менделя на різних організмах. Ці вчені тільки для ознаки забарвлення сім'ядоль зібрали дані про 269 101 сім'ядолі. У їх дослідах розщеплення дорівнювало 3,004: 0,996. Ймовірна похибка вимірювання не перевищувала 0,0026.
Але Мендель не обмежився тільки випадком моногібридного схрещування, тобто такого схрещування, коли організми відрізнялися тільки однією ознакою. Грунтуючись на цих закономірностях, він спочатку розрахував, а потім і експериментально довів, як відбувається розщеплення ознак і в будь-яких більш складних випадках. Як і належить людині, знайомому з математикою, Мендель перевірив свої висновки в дослідах з рослинами, що відрізнялися двома, а потім трьома ознаками, і порахував, що цього достатньо, щоб визнати, що в будь-яких більш складних випадках його формули будуть вірні.
Мендель почав з простих дослідів: спочатку вивчив генетичну стабільність сортів гороху, потім виявив правилі домінування, потім розщеплення, після цього проаналізував кількісні закономірності розщеплення для організмів, що відрізнялися одним, двома і трьома ознаками, нарешті, дав формули для будь-яких схрещувань, і так, все ускладнюючи свою роботу, піднімався сходинка за сходинкою до вершини своєї теорії - передрікання принципів устрою генетичного матеріалу. І саме в цих прогнозах він випередив сучасну йому науку майже на півстоліття. У його час нічого не було відомо про матеріальних носіях спадковості, а Мендель описав, їх властивості, подібно астрономам, пророкували ще ніким не бачені планети. Мендель припустив, що раз існують домінантність і рецесивність, які проявляються при схрещуваннях, значить статеві клітини несуть спадкові чинники, що визначають один властивість домінантності, інший властивість рецесивними. Так він, по суті справи, передбачив існування генів, кожен з яких відповідає за властивість цілком певної ознаки.
Він припустив, що раз ці статеві чинники поєднуються в клітинах гібридного організму, то значить всі клітини тіла несуть по два фактора одного ознаки, і в залежності від природи цих факторів організм 'буде містити однакові фактори (такі організми стали іменувати гомозиготними) або різні фактори ( гетерозиготний організм за цією ознакою). Це і пояснює, чому при схрещуванні організмів, зовні абсолютно схожих один на одного, раптом у потомстві виліпити особини, за своїм виглядом несхожі на своїх прямих батьків, а нагадують за ознаками діда чи бабусю.
І, нарешті, Мендель висловлює припущення, яке по праву вважають одним з найбільш важливих його законів. Він приходить до думки, що статеві клітини (гамети) несуть тільки "по одному завдатку кожного з ознак і чисті від інших задатків цього ж ознаки. Цей закон отримав назву «закон чистоти гамет».
Після восьмирічного праці Мендель міг впевнено повідомити про свої результати. Мабуть, через виняткову скромність він не зважився передати свої висновки для опублікування в якій-небудь широко відомий науковий журнал. Робота Г. Менделя з'явилася в четвертому номері журналу Брюннского товариства дослідників природи. Це провінційне видання було мало поширене серед вчених, видавалося воно невеликим тиражем, і не дивно, що ніякого ефекту в науковому світі статтю Менделя не справила.
Після 1868 р. Мендель почав сліпнути. Позначилося нелюдське напруження, з яким він протягом більше 10 років розглядав і сортував десятки тисяч рослин, квіток, стебел, листя, насіння. У 1884 р., так і не отримавши визнання, великий чеський учений Йоганн Грегор Мендель помер. А через 16 років, де Фриз, Корренс і Чермак сповістили науковий світ про відкриття Менделя. Всі троє займалися вивченням закономірностей успадкування ознак при схрещуваннях: де Фриз - у енотери, маку і дурману, Корренс - у кукурудзи а Чермак - у гороху. Всі троє відкрили закон розщеплення а потім разом натрапили на роботу Менделя, який набагато більш ретельніше, доказательнее і глибше вивчив цю проблему. Тоді всі троє опублікували захоплені статті про Менделе, почавши період менделізму в генетиці. Сотні дослідників в усьому світі стали продовжувати дослідження Менделя, закони Менделя вдалося пояснити поведінкою хромосом. І вже в наші дні гени були вивчені на молекулярному рівні, і матеріальні носії спадковості, існування яких передбачив Мендель, стали вивчати за допомогою методів біології, фізики, хімії та математики.
2. ДНК - хранитель спадкової інформації
Майже одночасно з Менделем видатний австрійський біохімік Фрідріх Мішер зробив відкриття, також багато десятиліть залишалося маловідомим. Мішер виявив, що в ядрах вищих організмів містяться молекули, до нього не відомі вченим. Вони відрізнялися за своєю будовою та властивостями від білків, ліпідів і вуглеводів, мали високий молекулярний вагу і головне виявлялися в ядрах клітин. На ім'я ядра (Нуклеус по-латині) Мішер назвав новий клас речовин нуклєїн.
Через кілька років, коли вдалося поліпшити методи очищення нуклєїн, стало ясно, що нуклєїн складаються з двох сортів молекул - простих білків і особливих кислот, названих нуклеїновими. Ще через кілька десятиліть біохіміки встановили, що нуклеїнові кислоти поділяються на два типи - дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) і РНК (РНК).
Деякі біологи ще в минулому столітті висловлювали припущення про можливу роль нуклеїнових кислот у передачі спадковості (зокрема, брати Оскар і Ріхард Гертвіга). Їхні припущення грунтувалися на тому, що саме ядра грали роль в - передачі спадковості. Пізніше було знайдено, що в ядрах перебувають хромосоми, 'поведінка яких вказувало на їх роль у зберіганні спадкових ознак. Але саме в хроматиновой матеріалі ядер біохіміки та виявляли максимальну кількість нуклеїнових кислот.
Тим не менше ці початкові, буквально пророчі • погляди на роль нуклеїнових кислот були забуті вже на початку XX ст. Хоча біологи та хіміки накопичували дані про можливу роль нуклеїнових кислот у зберіганні та реалізації генетичної інформації, до початку 50-х років більшість біологів пов'язувало здійснення «генетичних таїнств» з активністю білкових молекул.
Перехід від цих поглядів до реального стану речей було зроблено тільки в 1953 р. двома дослідниками - англійцем, фізиком за фахом Френсісом Криком, і американцем, біологом Джеймсом Уотсоном. Вони запропонували гіпотезу про будову ДНК, гіпотезу, що пояснює не тільки нескладні і тому суперечливі хімічні дані, але і генетичні канони. На думку Уотсона і Крику, ДНК повинна була складатися з двох ниткоподібних молекул, згорнутих спіраллю, яка могла розкручуватися, і тоді на кожній половині добудовувався би дзеркально подібний партнер, завершуючи «розмноження» молекул. Цей принцип «подвійної молекули» із дзеркально розташовуваними радикалами в сусідніх частинах молекули був запропонований ще в 1928 р. радянським біологом Н.К. Кольцовим, але він не вірив, що нуклеїнові кислоти несуть спадкову запис і запропонував свою модель «подвійний молекули» для білкових структур. Тепер принцип Кольцова отримав хімічне втілення в структурі подвійної спіралі ДНК, запропонованої Уотсоном і Кріком.
Будова ДНК сьогодні настільки широко відомо, що досить дати тільки найпростіше її опис. Остов молекули становлять залишки п'ятичленних цукру дезокси-рибози і фосфатні залишки, сполучені один з одним. До кожного цукрового залишку приєднано по одному азотистій підставі, яких в ДНК зустрічається чотири види.
Перші два (аденін і гуанін) відносяться до так званих тгуріновим підставах, а два других (цитозин і тимін) - до пірімідіновим підставах.
Між кожним з підстав, що входять в пару, виникають слабкі за своєю енергією так звані водневі зв'язки. Між тиміном і аденіном їх утворюється дві, а між гуаніном і цитозином - три. Але хоча ці зв'язки і слабкі, молекула ДНК стає цілком стабільна. У силу того, що вздовж осі молекули ДНК розташовується величезна кількість пар основ (сотні і тисячі таких пар), сумарна енергія зв'язку двох ниток ДНК виявляється значною.
Наприкінці 1953 р. Уотсон і Крик, проаналізувавши результати, отримані хіміками (Ервіном Чаргаффом та іншими) і фізиками (в основному рентгеноструктурщікамі Морісом Вілкінсом і Розаліндою Франклін), прийшли до висновку, що дві нитки молекули ДНК лише тоді можуть наблизитися на відстань, що дозволяє виникнути водневим зв'язкам (а це відстань цілком визначене і не перевищує двох ангстрем), якщо навпроти аденіну поміститься тимін, а навпаки гуаніну - цитозин, та якщо до того ж обидві нитки ДНК будуть антіпараллельни.
Останнє зауваження має глибокий сенс і пов'язане з розташуванням молекул в цукрово-фосфатному каркасі ниток-ДНК. Виявилося, що залишки фосфорної кислоти, розташовані по обидві сторони від молекули цукру-дезоксирибози, приєднуються завжди до різних атомів вуглецю цукру. Так як ці атоми мають свої номери з першого по п'ятий (адже дезоксирибоза - п'ятичленних, або пятіатомний цукор), то і виходить, що передує цукру фосфат приєднується до атома вуглецю, що має номер 3 '(три-штрих), а наступний - до атома вуглецю 5 (п'ять-штрих). Значок «штрих» у цих атомів ставлять для того, щоб відрізняти атоми вуглецю цукрового залишку від атомів вуглецю, що входять до складу азотистих основ (у них є свої атоми вуглецю під номером 3 і 5, але вже позначаються без штрихів). З допомогою цих значків вдається точно пронумерувати всі атоми в нуклеотидах, складових ДНК. Таким чином, ми можемо не тільки точно вказати номери всіх атомів в ДНК, але ще й вказати напрямок однієї нитки. Його позначають найчастіше для стислості як: 5 '→ 3'.
Коли Уотсон і Крик вже здогадалися, що спіраль ДНК може 'бути стабільною, тільки якщо навпроти аденілових нуклеотидів помістити тіміділовий, а навпаки гуанілового цітіділовий, їм довелося довго мучитися, перш ніж вони знайшли вірне рішення. Щоб представляти собі точну просторову картину складної молекули ДНК, автори виготовили так звані кулькові моделі Сахаров, фосфатів, підстав. Розміри кожного з атомів, що складають ці молекули, були фізикам відомі, відстані між атомами і кути, які утворюються між ними, також були встановлені, і Уотсон і Крик почали ліпити каркаси молекул, пристроюючи кульки потрібного розміру до стержнів потрібної довжини, поверненим до того ж на потрібний кут.
Коли підготовча робота була закінчена, і Уотсон і Крик зібрали моделі нуклеотидів, вони почали прилаштовувати один нуклеотид до іншого. Завдання полягало в тому, щоб, принаймні, по дві водневі зв'язки могли виникнути між двома нуклеотидами. Для цього потрібно було, щоб відстані між атомами, об'єднуються водневим зв'язком, були суворо визначеним. Такі комбінації виникали, як уже говорилося, тільки у двох парах: аденін + тимін і гуанін + ЦІТ03ІН.
Все йшло нормально до тих пір, поки Уотсон і Крик прикладали один до одного окремі нуклеотиди. Варто було зібрати їх у колі, в нитки, як вся стрункість порушувалася. Одна ланцюг зсувалася щодо іншої ланцюга. І, лише коли Уотсон здогадався перевернути один ланцюг догори ногами, все стало на свої місця: відстані між атомами стали прийнятними для виникнення водневих зв'язків. Так стало ясно, що нитки в ДНК антіпараллельни. Одна йде в напрямку 3 '→ 5'-, а друга від 5' до 3'-атому.
Наявність водневих зв'язків між основами, та й вірність всієї картини, намальованої Уотсоном і Криком, потім були суворо підтверджені багатьма фізико-хімічними дослідженнями, і зараз ні в кого не викликає сумніву, що ДНК влаштована так, як передбачили Уотсон і Крик. Обом вченим і Морісу Вілкінсу, який зробив основні рентгеноструктурні знімки ДНК для аналізу її структури, була присуджена Нобелівська премія. Деякий час наявність антипараллельно ниток ДНК мало хвилювало вчених. Але чим далі, тим більшою мірою виявляється роль цього правила.
Як ми побачимо з подальшого оповідання, у багатьох процесах, пов'язаних з ДНК (при розмноженні клітин, при виникненні перебудов хромосом і т.д.), з нею взаємодіють численні ферменти.
Одні приєднуються до ДНК щоб справити подвоєння молекул, інші розривають одну з ниток. Але кожен фермент завжди точно дізнається початок і кінець нитки, її напрямок і взаємодіє тільки з певним атомом в певній нитки ДНК. Фермент, провідний реплікацію ДНК, ніколи не буде цього робити в напрямку від б'-атома до 3-атому, а тільки від 3 "до 5 '. Деякі нуклеази (ферменти, що розривають цукрово-фосфатний кістяк ДНК) розрізають ДНК поблизу 3'-атома, а інші тільки близько 5 '. Більш того, деякі ферменти роблять це перед потрібним атомом, а інші тільки позаду його. Структура ДНК виявилася найважливішим властивістю спадкових молекул.
3. Рибонуклеїнова кислота (РНК)
До початку 90-х років минулого століття хіміки зуміли розщепити нуклєїн Мішер на білкову та нуклеїново-кислотну частину. У 1891 р. професор Берлінського університету німецький біохімік Альбрехт Коссель виділив з нуклєїн перший азотисті основи - гуанін, аденін, гіпоксантин і ксантин. Хоча рік тому Штрекер зумів штучно отримати ксантин з гуаніну при дії на нього азотистої кислоти, а Гоппе-Зейлера виявив, що гіпоксантин - це також продукт розкладання аденіну («азотистою кислотою він переводиться в гіпоксантин:. При гнитті без доступу повітря з аденіну також утворюється гіпоксантин », - писав Гоппе-Зейлера в 1895 р.), хіміки тих часів не припускали, що ні ксантин, ні гіпоксантин в нуклеїнових кислотах не міститься. Вчені застосовували занадто жорсткі методи впливу на нуклєїн (кип'ятіння в кислотах, перегонка), і за рахунок цього поряд з дійсними складовими частинами нуклєїн з нього були «отримані» речовини, ніколи в ньому не містилися. Продукти розпаду аденіну та гуаніну були прийняті за нормальні компоненти. Але так чи інакше, те, що нуклеїнові кислоти містять у своєму складі пуринові основи, стало відомо ще в 90-х роках XIX ст.
Ще через 10 років А. Коссела пощастило виділити з нуклеїнових кислот тимін і цитозин, а німець Асколі ізолював урацил. З азотистими підставами було покінчено, але цукру поки ідентифіковані не були, і так і залишалося незрозумілим, чому у формулі нуклєїн, запропонованої Ф. Мішер, стояв фосфор.
Лише в 1909 р. П. Левін розгадав цю загадку і знайшов у складі нуклеїнової кислоти фосфорну кислоту і п'ятичленних цукор. Цим цукром, за його визначенням, була рибоза. Ще два десятиліття потрібні були для виявлення останнього невідомого компонента нуклеїнових кислот - дезокси-рибози (це було зроблено в 1930 р. Левіним). Так, через 60 років після піонерської роботи Ф. Мішер, біохіміки з'ясували складу нуклеїнових кислот але до повного з'ясування їх структури треба було чекати ще більше 30 років. Поки ж ще одне утруднення підстерігало вчених.
Ми тільки що говорили про типи азотистих основ, знайдених в нуклеїнових кислотах, і перераховували їх: аденін і гуанін (пуринові основи), і тимін, цитозин і урацил (піримідинові підстави).
Вже до 20-х років хіміки утвердилися в думці, що в одних нуклеїнових кислотах містяться цитозин і тимін, а в інших - цитозин та ураділ. Разом тимін і урацил не були знайдені жодного разу.
Потім картина ніби прояснилася. Багатьом почало здаватися, що в тваринних клітинах знаходиться тимін-містить кислота (її назвали тімонуклеіновой), а в рослинних - урацил-містить. Оскільки останню найчастіше виділяли з дріжджів, то її і назвали дріжджовий.
Але ще через десятиліття вдалося остаточно встановити, що такий поділ неправильно. І ту і іншу кислоту знайшли і в рослинах, і в тварин. Зате з'ясувалося інше: в ядрах всіх клітин в основному знаходили тімонуклеіновую кислоту, а в цитоплазмі в основному-дріжджову.
Парадокс розв'язалася лише в кінці 40-х років. Француз Касперсоном, російська Б.В. Кедровський, американці Мирський, Шпігельман і Камен не тільки підтвердили ядерну локалізацію тімонуклеіновой кислоти, але і впритул підійшли до з'ясування ролі обох кислот.
До цього часу відмінності у складі кислот були твердо встановлені. Виявилося, що тімонуклеіновая кислота містить у своєму складі цукор - дезоксирибозу. Тому її і стали називати ДНК. А дріжджова кислота містила замість дезоксирибози схожий на неї цукор - рибозу, тому її й почали називати рибонуклеїнової (РНК).
Друга відмінність полягала в тому, що в РНК замість тиміну містилося схоже на тимін підстава - урацил. Третя відмінність ставилося вже до структури РНК. Як правило, розчинену РНК ніколи не знаходили у вигляді двунітевой молекули. РНК завжди була представлена однією ниткою. Тільки пізніше було виявлено, що деякі віруси не мають ДНК зовсім. Генетична інформація в них записана в молекулах РНК, і, коли таким вірусом заражається клітка, в неї проникає однониткових молекула РНК, але потім, коли настає час розмноження вірусу, з однонітевоі РНК виходить двунітевих молекула. Обидві нитки з'єднуються водневими зв'язками, і правила Уотсона-Кріка повністю виконуються: навпаки гуаніну встає цитозин, а навпаки аденіну - урацил (адже в РНК всі тимінових підстави замінені ураціловимі). Ця двунітевих РНК отримала назву «репликативная форма».
Отже, склад і структура нуклеїнових кислот стали відомі. У 1953 р. Уотсон і Крик запропонували свою модель. Головною її перевагою було те, що вона пояснювала механізм генетичної запису і спосіб передачі цієї інформації нащадкам. У ході досліджень цього процесу і сама роль - нуклеїнових кислот, та їх взаємодію один з одним, і роль у передачі спадкової інформації з'ясувалися в повній мірі. Генетика і біохімія об'єдналися, і з'явилася нова наука - біохімічна генетика. Однак спершу потрібно коротко нагадати про те, що у вивченні спадковості величезну роль зіграло об'єднання генетиків і цитологів-фахівців у галузі дослідження пристрою живої клітини.
У вищих багатоклітинних організмів ще наприкінці минулого століття були знайдені в ядрах клітин особливі структури - хромосоми, які й виявилися матеріальними носіями спадкових властивостей. Число, форма, поведінка хромосом, як з'ясувалося, суворо індивідуальні для кожного виду організмів, і як по фотографії криміналісти пізнають Злочинця, так і по знімку хромосом досвідчений цитолог може іноді визначити, з яким організмом він має справу.
Власне, відкриття хромосом і з'ясування їх ролі в передачі спадкових ознак і дало можливість створити нову науку - генетику, тому що, стежачи за змінами форми - морфології хромосом і відповідно ознак у організму, вдалося зробити перші кроки до встановлення точних законів генетики, і лише потім знайти інші шляхи втручання у складні взаємодії генетичних структур. Так народився союз генетики - науки про спадковість, і цитології - науки про устрій живої клітини.
Блискучі були наслідки такого союзу. До цих пір тонкість і точність результатів класичної генетики - поважної науки, нехитро управляється за допомогою методу схрещування організмів, що розрізняються будь-якими успадкованими ознаками, і цитології, теж обходилася лише лупами, та досить примітивними мікроскопами, дивують вчений світ. Легко сказати, користуючись цими найпростішими методами, класичні генетики зуміли побудувати генетичні карти вищих організмів, точніше яких до цих пір наука не знає; їм вдалося показати, що ген - ця незначна за розмірами частка хромосом, що не перевищує в довжину 3-4 мк ( та й то в розгорнутому вигляді), представляє складну структуру.
Але як не були великі успіхи класичної генетики, прийшов час, коли знадобилося йти ще далі, в глиб цих мікронних корпускул, і дізнатися, що ховається всередині них. Так з'явився новий союз - генетики, хімії та фізики. З'явилася нова наука, яку охрестили молекулярної генетикою. На зміну пергаментним мішечках, що приховували запліднені зав'язі, і простеньким мікроскопів, в які можна було розглядати клітини, прийшло найскладніше з усього доступного фізикам і хімікам обладнання: ультрацентрифугу, обертаючі об'єкти з прискореннями в сотні тисяч разів більшими прискорення сили тяжіння; електронні мікроскопи, в які можна було розгледіти самі спадкові молекули - ДНК і РНК; установки електронного парамагнітного і ядерного резонансу, що дозволяли стежити за швидкими хімічними реакціями, і багато іншого. У стінах біологічних. Інститутів з'явилися фізики, математики, кібернетики, хіміки, кристалографії. І одне з перших дітищ молекулярної біології-структура ДНК-була запропонована біологом, який став по суті справи кристалофізики і фізиком-теоретиком. ДНК була знайдена в складі хромосом всіх без виключення організмів, поведінка її було детально вивчено.
Довгий час в стороні залишався світ мікробів. У них не вдавалося знайти хромосом, та й працювати з мікроорганізмами генетики не вміли. Причому більша частина біологів вважала, що у найдрібніших мешканців планети все влаштовано за іншими, ніж у вищих організмів, законам. Але в 50-60-х роках цього століття генетикам вдалося зруйнувати перешкоду, який відокремив мікроби від вищих організмів. Правда, у них не знайшли хромосом, які звикли бачити в клітинах тварин і рослин. Але зате знайшли подобу хромосом у вигляді одиничних молекул ДНК. Знайшлося й щось на кшталт ядра. Його, за аналогією з нуклеусом, назвали нуклеоїдом.
З'ясувалося, що з мікробами простіше працювати, ніж з тваринами або рослинами: вони розмножуються в рекордно короткі строки, всього за лічені десятки секунд. Їх набагато простіше вирощувати і при бажанні можна культивувати у величезних кількостях. Характер ж успадкування ознак, пристрій і робота генів виявилися схожими з такими у вищих організмів. Так відкрилося велике поле діяльності для молекулярних генетиків, яких видатний американський генетик М. Дельбрюк влучно охрестив «серйозними дітьми, люблячими задавати глибокодумні питання». У числі перших питань, що потребували негайного вирішення, були питання про те, що ж собою представляють гени, як розмножуються молекули ДНК і при цьому зберігають незмінною запис генетичної інформації і який же механізм виникнення змін генетичної програми, інакше кажучи, які молекулярні принципи появи мутацій.
Однак перш ніж розповісти про те, як вчені змогли знайти відповідь на багато з цих питань, потрібно хоча б коротко ознайомитися з сучасними даними про пристрій клітин.
Список літератури
1. Азімов А. Коротка історія біології. М., 1997.
2. Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 2000.
3. Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 2001.
4. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
5. Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.
«УСПІХИ У ВИВЧЕННІ матеріальних основ спадковості»
1. Закони Менделя
Двадцяте століття для біології почався з сенсаційного відкриття. Одночасно три ботаніка, голландець Гуго де Фріз, німець К. Корренс та австрієць К. Чермак, повідомили, що ще за 35 років до цього, нікому не відомий чеський учений Йоганн Грегор Мендель відкрив основні закони спадковості. 1900 р., рік вторинного відкриття законів Менделя, прийнято тепер вважати роком народження генетики.
Основна мета, яку переслідував Мендель, полягала в тому, щоб зрозуміти закони, що визначають розвиток нащадків батьків, розрізнялися своїми спадковими ознаками. Перший етап освіти будь-якого організму - злиття статевих клітин батьків - материнської яйцеклітини і батьківського сперматозоїда. Всі ті ознаки, якими характеризуються і батьківський, і материнський організм, були закодовані в їхніх статевих клітинах, і утворюється з злилися статевих клітин організм повинен був нести ознаки і батька, і матері.
Але закони, що визначають перекомбінацію цих ознак у нащадків, ніяк не вдавалося з'ясувати, хоча багато вчених і до Менделя намагалися визначити долю ознак після схрещування. Щоправда, французький вчений Шарль Ноден за два роки до Менделя опублікував результати своїх дослідів, в яких був близький до висновків Менделя, але його робота так і не зрозуміли його сучасниками. Помилка попередників Менделя полягала в тому, що вони намагалися в одному схрещуванні простежити за долею відразу багатьох ознак, Та при цьому ще так погано підбирали пари для схрещування, що все безнадійно заплутувалося. Потрібно було якось спростити завдання, не прагнути з маху вирішити всі проблеми, але це-то і виявилося найважчим.
Менделю 'допомогла його тяга до точних наук. Щоб знайти 20 невідомих, потрібно вирішити 20 рівнянь, для 19 невідомих їх потрібно 19, для 18-18 і т. д. Значить, перше, на що треба звернути увагу, - це кількість ознак, за якими слід стежити. Потрібно так підібрати пари для схрещування, щоб живі організми не відрізнялися один від одного нічим, крім однієї ознаки. Тільки одного і ні в якому разі не більше! Розв'язавши рівняння першого ступеня, можна буде перейти і до більш складних завдань. Як не була проста ця перша думка Менделя, вона виявилася великим кроком вперед.
Але які організми взяти для схрещування? Мендель знову вирішив йти по шляху максимального спрощення завдання. Він зупинив свою увагу на рослинах. Є самозапильних і перекрестноопиляющіеся рослини. Перші запилюються в основному своєї власної пилком, у других пилок з квіток однієї рослини переноситься різними шляхами (вітром, комахами) на квіти інших рослин. Мендель вирішив взяти для дослідів самозапильних рослини. Раз потрібно стежити за успадкуванням всього однієї ознаки, скажімо, забарвлення віночка квітки, то у перекрестноопиляемих рослин вітер може випадково занести пилок з якого-небудь іншої рослини, і тоді весь досвід піде нанівець. Висновок один - працювати треба тільки з самоопилітелямі, наприклад з горохом. Оцінюючи цей вибір, К. Корренс писав згодом: «Не може підлягати ніякому сумніву, що успіх Менделя був обумовлений тим, що він вибрав для своїх дослідів саме цей об'єкт, так як квіти гороху запилюються майже виключно своєю власною пилком». Ніякі чужі статеві клітини не могли порушити своїм втручанням чистоту досвіду.
До початку схрещувань Мендель перебрав 34 сорти гороху і залишив для дослідів лише 7 пар сортів. Кожна пара відрізнялася одна від одного тільки по одній ознаці. В одного сорту насіння були гладкими, в іншого зморшкуватими, стебло одного сорту був високий (до 2 м), іншого ледве-ледве дотягував до 60 см, забарвлення віночка квітки в одному сорті була пурпурової, в іншому білою. Протягом трьох років Мендель акуратно стежив за насінням і рослинами всіх 7 пар сортів, щоб переконатися в тому, що це чисті від забруднення іншими насінням сорту. Переконавшись у тому, що його сорти справді «вільні від 'домішок», Мендель приступив до схрещування. Він взяв насіння сорту рослини з пурпурним віночком квітки і насіння сорту, у якого квітка був білим. Вилучив з пурпурного квітки тичинки з пиляками, переніс на рильце маточки пилок з білої квітки. Пройшов призначений термін, рослина зав'язалися плоди, і восени в руках Менделя було насіння цього гібрида. Коли навесні Мендель висіяв насіння гібридів у грунт і дочекався розпускання бутонів, він виявив, що всі квіти гібридних організмів мали точно таку ж пурпурну забарвлення, що і один з батьків. Що ж сталося? Чому забарвлення віночка точно повторила колір віночка батьківської рослини? Може бути досвід просто не вдався, пилок виявилася недієвою? Це заперечення було відкинуто з багатьох причин. По-перше, якби пилок не взяла участі в заплідненні, ніяких горошин не утворилося б взагалі, адже власна пилок була видалена ще в тичинках. По-друге, досвіду могла б перешкодити стороння пилок, занесена випадково з красноцветкового рослини. Але горох-строгий самоопилітель і занесення чужий пилку був виключений. По-третє, і це було найголовніше, в інших схрещуваннях (з сортами, що відрізнялися іншими ознаками) Мендель одержав принципово той же результат. У всіх випадках у нащадків першого схрещування проявлявся ознака тільки одного з батьків. З двох ознак, включених в схрещування, один виявився настільки сильним, що повністю придушив прояв іншої ознаки. Мендель назвав його домінантним. Непроявівшійся слабкий ознака отримав назву рецесивний. Таким чином, перше правило або закон Менделя був сформульований: в гібридах першого покоління не відбувається ніякого взаємного розчинення ознак, а спостерігається домінування одного (сильного) ознаки над іншим (слабким) ознакою.
У це ж літо Мендель провів другу частину досвіду. На цей раз він схрестив між собою пурпурово-червоних братів і сестер, отриманих після першої гібридизації. Отримані від схрещування насіння він висіяв наступної весни. Тепер на грядках менделевської городу зеленіли сходи, отримані від схрещування красноцветкових гібридів між собою. Ось-ось повинні були розпуститися бутони. Якими будуть квіти? Власне, чекати чого-небудь особливого не доводилося. Здавалося, результат досвіду можна вгадати безпомилково. Що може статися від схрещування чорної - собаки з чорним собакою? Очевидно, чорна собака. А від схрещування червоної квіткової гороху з краеноцветковьгм горохом? Очевидно рослина з червоними квітками. Але коли розпустилися бутони, Мендель виявив, що у чверті всіх рослин забарвлення вінець була білою. Ознака білого забарвлення, здавалося зниклий після першого схрещування, знову з'явився в онуків. Сталося те, що Мендель влучно назвав розщеплений найм.
При з'єднанні зачатків білоквітковий і красноцветкового рослин спадкові фактори білих квіток не розчинялися, не зникали, а лише тимчасово придушувалися домінантними факторами краснолепестковості. Зовнішній вигляд таких гібридів був оманливий. Гібридна природа виявлялася тільки після другого схрещування. Пригнічений 'білий фактор одного батька іноді зустрічався з таким же пригніченим білим зачатком другий батьківської рослини, і як тільки це відбувалося, розвивалися білі квіти. Закономірність появи у нащадків другого покоління ознак, пригнічених в гібридах першого покоління, Гуго де Фріз назвав у 1900 р. другим законом Менделя або законом розщеплення.
А тепер належить розповісти про найцікавіше. Величезне значення відкритих Менделем закономірностей полягала не стільки в тому, що він описав явища домінування і розщеплення, а в тому, що він зумів виявити закономірності появи тих чи інших форм при розщепленні і завдяки цьому прийшов до передбачення про наявність генетичних структур у клітинах і процесах зберігання і передачі спадкової інформації.
Коли Мендель проаналізував кількісно частоту появи ознак (домінантного і рецесивного) у другому поколінні, то він виявив, що у всіх випадках є одна і та ж чисельна закономірність. Після схрещування сорту гороху з гладкими насінням з сортом із зморшкуватими насінням Мендель одержав 253 насіння. Всі вони були гладкими. Після схрещування їх між собою відбулося розщеплення. Утворилося 7324 насіння. 5474 так і залишилися гладкими, а 1850 були зморшкуватими. Ставлення гладких (домінантних) до зморшкуватим (рецесивним) дорівнювало 2,96:1. В іншому досліді, де враховувалося успадкування забарвлення насіння, з 8023 насіння, отриманого після другого схрещування, 6022 виявилися жовтими та 2001 - зеленими. Ставлення жовтих до зелених дорівнювало 3,01. Мендель зробив подібні розрахунки для всіх семи пар сортів. Результат був скрізь один і той же. Розщеплення домінантних і рецесивних ознак дорівнювало в середньому відношенню 3:1.
Мендель чітко розумів, що виявлена ним закономірність не може бути справедливою для окремо взятого рослини, а виявляється тільки при вивченні великого числа організмів. Цей статистичний характер, так само як і багато статистичних явища, виявлені згодом при вивченні інших явищ, були важливою особливістю закономірності, відкритій Менделем. Видатний американський генетик Томас Морган в 20-ті роки спеціально зібрав дані 15 дослідників, що повторювали роботи Менделя на різних організмах. Ці вчені тільки для ознаки забарвлення сім'ядоль зібрали дані про 269 101 сім'ядолі. У їх дослідах розщеплення дорівнювало 3,004: 0,996. Ймовірна похибка вимірювання не перевищувала 0,0026.
Але Мендель не обмежився тільки випадком моногібридного схрещування, тобто такого схрещування, коли організми відрізнялися тільки однією ознакою. Грунтуючись на цих закономірностях, він спочатку розрахував, а потім і експериментально довів, як відбувається розщеплення ознак і в будь-яких більш складних випадках. Як і належить людині, знайомому з математикою, Мендель перевірив свої висновки в дослідах з рослинами, що відрізнялися двома, а потім трьома ознаками, і порахував, що цього достатньо, щоб визнати, що в будь-яких більш складних випадках його формули будуть вірні.
Мендель почав з простих дослідів: спочатку вивчив генетичну стабільність сортів гороху, потім виявив правилі домінування, потім розщеплення, після цього проаналізував кількісні закономірності розщеплення для організмів, що відрізнялися одним, двома і трьома ознаками, нарешті, дав формули для будь-яких схрещувань, і так, все ускладнюючи свою роботу, піднімався сходинка за сходинкою до вершини своєї теорії - передрікання принципів устрою генетичного матеріалу. І саме в цих прогнозах він випередив сучасну йому науку майже на півстоліття. У його час нічого не було відомо про матеріальних носіях спадковості, а Мендель описав, їх властивості, подібно астрономам, пророкували ще ніким не бачені планети. Мендель припустив, що раз існують домінантність і рецесивність, які проявляються при схрещуваннях, значить статеві клітини несуть спадкові чинники, що визначають один властивість домінантності, інший властивість рецесивними. Так він, по суті справи, передбачив існування генів, кожен з яких відповідає за властивість цілком певної ознаки.
Він припустив, що раз ці статеві чинники поєднуються в клітинах гібридного організму, то значить всі клітини тіла несуть по два фактора одного ознаки, і в залежності від природи цих факторів організм 'буде містити однакові фактори (такі організми стали іменувати гомозиготними) або різні фактори ( гетерозиготний організм за цією ознакою). Це і пояснює, чому при схрещуванні організмів, зовні абсолютно схожих один на одного, раптом у потомстві виліпити особини, за своїм виглядом несхожі на своїх прямих батьків, а нагадують за ознаками діда чи бабусю.
І, нарешті, Мендель висловлює припущення, яке по праву вважають одним з найбільш важливих його законів. Він приходить до думки, що статеві клітини (гамети) несуть тільки "по одному завдатку кожного з ознак і чисті від інших задатків цього ж ознаки. Цей закон отримав назву «закон чистоти гамет».
Після восьмирічного праці Мендель міг впевнено повідомити про свої результати. Мабуть, через виняткову скромність він не зважився передати свої висновки для опублікування в якій-небудь широко відомий науковий журнал. Робота Г. Менделя з'явилася в четвертому номері журналу Брюннского товариства дослідників природи. Це провінційне видання було мало поширене серед вчених, видавалося воно невеликим тиражем, і не дивно, що ніякого ефекту в науковому світі статтю Менделя не справила.
Після 1868 р. Мендель почав сліпнути. Позначилося нелюдське напруження, з яким він протягом більше 10 років розглядав і сортував десятки тисяч рослин, квіток, стебел, листя, насіння. У 1884 р., так і не отримавши визнання, великий чеський учений Йоганн Грегор Мендель помер. А через 16 років, де Фриз, Корренс і Чермак сповістили науковий світ про відкриття Менделя. Всі троє займалися вивченням закономірностей успадкування ознак при схрещуваннях: де Фриз - у енотери, маку і дурману, Корренс - у кукурудзи а Чермак - у гороху. Всі троє відкрили закон розщеплення а потім разом натрапили на роботу Менделя, який набагато більш ретельніше, доказательнее і глибше вивчив цю проблему. Тоді всі троє опублікували захоплені статті про Менделе, почавши період менделізму в генетиці. Сотні дослідників в усьому світі стали продовжувати дослідження Менделя, закони Менделя вдалося пояснити поведінкою хромосом. І вже в наші дні гени були вивчені на молекулярному рівні, і матеріальні носії спадковості, існування яких передбачив Мендель, стали вивчати за допомогою методів біології, фізики, хімії та математики.
2. ДНК - хранитель спадкової інформації
Майже одночасно з Менделем видатний австрійський біохімік Фрідріх Мішер зробив відкриття, також багато десятиліть залишалося маловідомим. Мішер виявив, що в ядрах вищих організмів містяться молекули, до нього не відомі вченим. Вони відрізнялися за своєю будовою та властивостями від білків, ліпідів і вуглеводів, мали високий молекулярний вагу і головне виявлялися в ядрах клітин. На ім'я ядра (Нуклеус по-латині) Мішер назвав новий клас речовин нуклєїн.
Через кілька років, коли вдалося поліпшити методи очищення нуклєїн, стало ясно, що нуклєїн складаються з двох сортів молекул - простих білків і особливих кислот, названих нуклеїновими. Ще через кілька десятиліть біохіміки встановили, що нуклеїнові кислоти поділяються на два типи - дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК) і РНК (РНК).
Деякі біологи ще в минулому столітті висловлювали припущення про можливу роль нуклеїнових кислот у передачі спадковості (зокрема, брати Оскар і Ріхард Гертвіга). Їхні припущення грунтувалися на тому, що саме ядра грали роль в - передачі спадковості. Пізніше було знайдено, що в ядрах перебувають хромосоми, 'поведінка яких вказувало на їх роль у зберіганні спадкових ознак. Але саме в хроматиновой матеріалі ядер біохіміки та виявляли максимальну кількість нуклеїнових кислот.
Тим не менше ці початкові, буквально пророчі • погляди на роль нуклеїнових кислот були забуті вже на початку XX ст. Хоча біологи та хіміки накопичували дані про можливу роль нуклеїнових кислот у зберіганні та реалізації генетичної інформації, до початку 50-х років більшість біологів пов'язувало здійснення «генетичних таїнств» з активністю білкових молекул.
Перехід від цих поглядів до реального стану речей було зроблено тільки в 1953 р. двома дослідниками - англійцем, фізиком за фахом Френсісом Криком, і американцем, біологом Джеймсом Уотсоном. Вони запропонували гіпотезу про будову ДНК, гіпотезу, що пояснює не тільки нескладні і тому суперечливі хімічні дані, але і генетичні канони. На думку Уотсона і Крику, ДНК повинна була складатися з двох ниткоподібних молекул, згорнутих спіраллю, яка могла розкручуватися, і тоді на кожній половині добудовувався би дзеркально подібний партнер, завершуючи «розмноження» молекул. Цей принцип «подвійної молекули» із дзеркально розташовуваними радикалами в сусідніх частинах молекули був запропонований ще в 1928 р. радянським біологом Н.К. Кольцовим, але він не вірив, що нуклеїнові кислоти несуть спадкову запис і запропонував свою модель «подвійний молекули» для білкових структур. Тепер принцип Кольцова отримав хімічне втілення в структурі подвійної спіралі ДНК, запропонованої Уотсоном і Кріком.
Будова ДНК сьогодні настільки широко відомо, що досить дати тільки найпростіше її опис. Остов молекули становлять залишки п'ятичленних цукру дезокси-рибози і фосфатні залишки, сполучені один з одним. До кожного цукрового залишку приєднано по одному азотистій підставі, яких в ДНК зустрічається чотири види.
Перші два (аденін і гуанін) відносяться до так званих тгуріновим підставах, а два других (цитозин і тимін) - до пірімідіновим підставах.
Між кожним з підстав, що входять в пару, виникають слабкі за своєю енергією так звані водневі зв'язки. Між тиміном і аденіном їх утворюється дві, а між гуаніном і цитозином - три. Але хоча ці зв'язки і слабкі, молекула ДНК стає цілком стабільна. У силу того, що вздовж осі молекули ДНК розташовується величезна кількість пар основ (сотні і тисячі таких пар), сумарна енергія зв'язку двох ниток ДНК виявляється значною.
Наприкінці 1953 р. Уотсон і Крик, проаналізувавши результати, отримані хіміками (Ервіном Чаргаффом та іншими) і фізиками (в основному рентгеноструктурщікамі Морісом Вілкінсом і Розаліндою Франклін), прийшли до висновку, що дві нитки молекули ДНК лише тоді можуть наблизитися на відстань, що дозволяє виникнути водневим зв'язкам (а це відстань цілком визначене і не перевищує двох ангстрем), якщо навпроти аденіну поміститься тимін, а навпаки гуаніну - цитозин, та якщо до того ж обидві нитки ДНК будуть антіпараллельни.
Останнє зауваження має глибокий сенс і пов'язане з розташуванням молекул в цукрово-фосфатному каркасі ниток-ДНК. Виявилося, що залишки фосфорної кислоти, розташовані по обидві сторони від молекули цукру-дезоксирибози, приєднуються завжди до різних атомів вуглецю цукру. Так як ці атоми мають свої номери з першого по п'ятий (адже дезоксирибоза - п'ятичленних, або пятіатомний цукор), то і виходить, що передує цукру фосфат приєднується до атома вуглецю, що має номер 3 '(три-штрих), а наступний - до атома вуглецю 5 (п'ять-штрих). Значок «штрих» у цих атомів ставлять для того, щоб відрізняти атоми вуглецю цукрового залишку від атомів вуглецю, що входять до складу азотистих основ (у них є свої атоми вуглецю під номером 3 і 5, але вже позначаються без штрихів). З допомогою цих значків вдається точно пронумерувати всі атоми в нуклеотидах, складових ДНК. Таким чином, ми можемо не тільки точно вказати номери всіх атомів в ДНК, але ще й вказати напрямок однієї нитки. Його позначають найчастіше для стислості як: 5 '→ 3'.
Коли Уотсон і Крик вже здогадалися, що спіраль ДНК може 'бути стабільною, тільки якщо навпроти аденілових нуклеотидів помістити тіміділовий, а навпаки гуанілового цітіділовий, їм довелося довго мучитися, перш ніж вони знайшли вірне рішення. Щоб представляти собі точну просторову картину складної молекули ДНК, автори виготовили так звані кулькові моделі Сахаров, фосфатів, підстав. Розміри кожного з атомів, що складають ці молекули, були фізикам відомі, відстані між атомами і кути, які утворюються між ними, також були встановлені, і Уотсон і Крик почали ліпити каркаси молекул, пристроюючи кульки потрібного розміру до стержнів потрібної довжини, поверненим до того ж на потрібний кут.
Коли підготовча робота була закінчена, і Уотсон і Крик зібрали моделі нуклеотидів, вони почали прилаштовувати один нуклеотид до іншого. Завдання полягало в тому, щоб, принаймні, по дві водневі зв'язки могли виникнути між двома нуклеотидами. Для цього потрібно було, щоб відстані між атомами, об'єднуються водневим зв'язком, були суворо визначеним. Такі комбінації виникали, як уже говорилося, тільки у двох парах: аденін + тимін і гуанін + ЦІТ03ІН.
Все йшло нормально до тих пір, поки Уотсон і Крик прикладали один до одного окремі нуклеотиди. Варто було зібрати їх у колі, в нитки, як вся стрункість порушувалася. Одна ланцюг зсувалася щодо іншої ланцюга. І, лише коли Уотсон здогадався перевернути один ланцюг догори ногами, все стало на свої місця: відстані між атомами стали прийнятними для виникнення водневих зв'язків. Так стало ясно, що нитки в ДНК антіпараллельни. Одна йде в напрямку 3 '→ 5'-, а друга від 5' до 3'-атому.
Наявність водневих зв'язків між основами, та й вірність всієї картини, намальованої Уотсоном і Криком, потім були суворо підтверджені багатьма фізико-хімічними дослідженнями, і зараз ні в кого не викликає сумніву, що ДНК влаштована так, як передбачили Уотсон і Крик. Обом вченим і Морісу Вілкінсу, який зробив основні рентгеноструктурні знімки ДНК для аналізу її структури, була присуджена Нобелівська премія. Деякий час наявність антипараллельно ниток ДНК мало хвилювало вчених. Але чим далі, тим більшою мірою виявляється роль цього правила.
Як ми побачимо з подальшого оповідання, у багатьох процесах, пов'язаних з ДНК (при розмноженні клітин, при виникненні перебудов хромосом і т.д.), з нею взаємодіють численні ферменти.
Одні приєднуються до ДНК щоб справити подвоєння молекул, інші розривають одну з ниток. Але кожен фермент завжди точно дізнається початок і кінець нитки, її напрямок і взаємодіє тільки з певним атомом в певній нитки ДНК. Фермент, провідний реплікацію ДНК, ніколи не буде цього робити в напрямку від б'-атома до 3-атому, а тільки від 3 "до 5 '. Деякі нуклеази (ферменти, що розривають цукрово-фосфатний кістяк ДНК) розрізають ДНК поблизу 3'-атома, а інші тільки близько 5 '. Більш того, деякі ферменти роблять це перед потрібним атомом, а інші тільки позаду його. Структура ДНК виявилася найважливішим властивістю спадкових молекул.
3. Рибонуклеїнова кислота (РНК)
До початку 90-х років минулого століття хіміки зуміли розщепити нуклєїн Мішер на білкову та нуклеїново-кислотну частину. У 1891 р. професор Берлінського університету німецький біохімік Альбрехт Коссель виділив з нуклєїн перший азотисті основи - гуанін, аденін, гіпоксантин і ксантин. Хоча рік тому Штрекер зумів штучно отримати ксантин з гуаніну при дії на нього азотистої кислоти, а Гоппе-Зейлера виявив, що гіпоксантин - це також продукт розкладання аденіну («азотистою кислотою він переводиться в гіпоксантин:. При гнитті без доступу повітря з аденіну також утворюється гіпоксантин », - писав Гоппе-Зейлера в 1895 р.), хіміки тих часів не припускали, що ні ксантин, ні гіпоксантин в нуклеїнових кислотах не міститься. Вчені застосовували занадто жорсткі методи впливу на нуклєїн (кип'ятіння в кислотах, перегонка), і за рахунок цього поряд з дійсними складовими частинами нуклєїн з нього були «отримані» речовини, ніколи в ньому не містилися. Продукти розпаду аденіну та гуаніну були прийняті за нормальні компоненти. Але так чи інакше, те, що нуклеїнові кислоти містять у своєму складі пуринові основи, стало відомо ще в 90-х роках XIX ст.
Ще через 10 років А. Коссела пощастило виділити з нуклеїнових кислот тимін і цитозин, а німець Асколі ізолював урацил. З азотистими підставами було покінчено, але цукру поки ідентифіковані не були, і так і залишалося незрозумілим, чому у формулі нуклєїн, запропонованої Ф. Мішер, стояв фосфор.
Лише в 1909 р. П. Левін розгадав цю загадку і знайшов у складі нуклеїнової кислоти фосфорну кислоту і п'ятичленних цукор. Цим цукром, за його визначенням, була рибоза. Ще два десятиліття потрібні були для виявлення останнього невідомого компонента нуклеїнових кислот - дезокси-рибози (це було зроблено в 1930 р. Левіним). Так, через 60 років після піонерської роботи Ф. Мішер, біохіміки з'ясували складу нуклеїнових кислот але до повного з'ясування їх структури треба було чекати ще більше 30 років. Поки ж ще одне утруднення підстерігало вчених.
Ми тільки що говорили про типи азотистих основ, знайдених в нуклеїнових кислотах, і перераховували їх: аденін і гуанін (пуринові основи), і тимін, цитозин і урацил (піримідинові підстави).
Вже до 20-х років хіміки утвердилися в думці, що в одних нуклеїнових кислотах містяться цитозин і тимін, а в інших - цитозин та ураділ. Разом тимін і урацил не були знайдені жодного разу.
Потім картина ніби прояснилася. Багатьом почало здаватися, що в тваринних клітинах знаходиться тимін-містить кислота (її назвали тімонуклеіновой), а в рослинних - урацил-містить. Оскільки останню найчастіше виділяли з дріжджів, то її і назвали дріжджовий.
Але ще через десятиліття вдалося остаточно встановити, що такий поділ неправильно. І ту і іншу кислоту знайшли і в рослинах, і в тварин. Зате з'ясувалося інше: в ядрах всіх клітин в основному знаходили тімонуклеіновую кислоту, а в цитоплазмі в основному-дріжджову.
Парадокс розв'язалася лише в кінці 40-х років. Француз Касперсоном, російська Б.В. Кедровський, американці Мирський, Шпігельман і Камен не тільки підтвердили ядерну локалізацію тімонуклеіновой кислоти, але і впритул підійшли до з'ясування ролі обох кислот.
До цього часу відмінності у складі кислот були твердо встановлені. Виявилося, що тімонуклеіновая кислота містить у своєму складі цукор - дезоксирибозу. Тому її і стали називати ДНК. А дріжджова кислота містила замість дезоксирибози схожий на неї цукор - рибозу, тому її й почали називати рибонуклеїнової (РНК).
Друга відмінність полягала в тому, що в РНК замість тиміну містилося схоже на тимін підстава - урацил. Третя відмінність ставилося вже до структури РНК. Як правило, розчинену РНК ніколи не знаходили у вигляді двунітевой молекули. РНК завжди була представлена однією ниткою. Тільки пізніше було виявлено, що деякі віруси не мають ДНК зовсім. Генетична інформація в них записана в молекулах РНК, і, коли таким вірусом заражається клітка, в неї проникає однониткових молекула РНК, але потім, коли настає час розмноження вірусу, з однонітевоі РНК виходить двунітевих молекула. Обидві нитки з'єднуються водневими зв'язками, і правила Уотсона-Кріка повністю виконуються: навпаки гуаніну встає цитозин, а навпаки аденіну - урацил (адже в РНК всі тимінових підстави замінені ураціловимі). Ця двунітевих РНК отримала назву «репликативная форма».
Отже, склад і структура нуклеїнових кислот стали відомі. У 1953 р. Уотсон і Крик запропонували свою модель. Головною її перевагою було те, що вона пояснювала механізм генетичної запису і спосіб передачі цієї інформації нащадкам. У ході досліджень цього процесу і сама роль - нуклеїнових кислот, та їх взаємодію один з одним, і роль у передачі спадкової інформації з'ясувалися в повній мірі. Генетика і біохімія об'єдналися, і з'явилася нова наука - біохімічна генетика. Однак спершу потрібно коротко нагадати про те, що у вивченні спадковості величезну роль зіграло об'єднання генетиків і цитологів-фахівців у галузі дослідження пристрою живої клітини.
У вищих багатоклітинних організмів ще наприкінці минулого століття були знайдені в ядрах клітин особливі структури - хромосоми, які й виявилися матеріальними носіями спадкових властивостей. Число, форма, поведінка хромосом, як з'ясувалося, суворо індивідуальні для кожного виду організмів, і як по фотографії криміналісти пізнають Злочинця, так і по знімку хромосом досвідчений цитолог може іноді визначити, з яким організмом він має справу.
Власне, відкриття хромосом і з'ясування їх ролі в передачі спадкових ознак і дало можливість створити нову науку - генетику, тому що, стежачи за змінами форми - морфології хромосом і відповідно ознак у організму, вдалося зробити перші кроки до встановлення точних законів генетики, і лише потім знайти інші шляхи втручання у складні взаємодії генетичних структур. Так народився союз генетики - науки про спадковість, і цитології - науки про устрій живої клітини.
Блискучі були наслідки такого союзу. До цих пір тонкість і точність результатів класичної генетики - поважної науки, нехитро управляється за допомогою методу схрещування організмів, що розрізняються будь-якими успадкованими ознаками, і цитології, теж обходилася лише лупами, та досить примітивними мікроскопами, дивують вчений світ. Легко сказати, користуючись цими найпростішими методами, класичні генетики зуміли побудувати генетичні карти вищих організмів, точніше яких до цих пір наука не знає; їм вдалося показати, що ген - ця незначна за розмірами частка хромосом, що не перевищує в довжину 3-4 мк ( та й то в розгорнутому вигляді), представляє складну структуру.
Але як не були великі успіхи класичної генетики, прийшов час, коли знадобилося йти ще далі, в глиб цих мікронних корпускул, і дізнатися, що ховається всередині них. Так з'явився новий союз - генетики, хімії та фізики. З'явилася нова наука, яку охрестили молекулярної генетикою. На зміну пергаментним мішечках, що приховували запліднені зав'язі, і простеньким мікроскопів, в які можна було розглядати клітини, прийшло найскладніше з усього доступного фізикам і хімікам обладнання: ультрацентрифугу, обертаючі об'єкти з прискореннями в сотні тисяч разів більшими прискорення сили тяжіння; електронні мікроскопи, в які можна було розгледіти самі спадкові молекули - ДНК і РНК; установки електронного парамагнітного і ядерного резонансу, що дозволяли стежити за швидкими хімічними реакціями, і багато іншого. У стінах біологічних. Інститутів з'явилися фізики, математики, кібернетики, хіміки, кристалографії. І одне з перших дітищ молекулярної біології-структура ДНК-була запропонована біологом, який став по суті справи кристалофізики і фізиком-теоретиком. ДНК була знайдена в складі хромосом всіх без виключення організмів, поведінка її було детально вивчено.
Довгий час в стороні залишався світ мікробів. У них не вдавалося знайти хромосом, та й працювати з мікроорганізмами генетики не вміли. Причому більша частина біологів вважала, що у найдрібніших мешканців планети все влаштовано за іншими, ніж у вищих організмів, законам. Але в 50-60-х роках цього століття генетикам вдалося зруйнувати перешкоду, який відокремив мікроби від вищих організмів. Правда, у них не знайшли хромосом, які звикли бачити в клітинах тварин і рослин. Але зате знайшли подобу хромосом у вигляді одиничних молекул ДНК. Знайшлося й щось на кшталт ядра. Його, за аналогією з нуклеусом, назвали нуклеоїдом.
З'ясувалося, що з мікробами простіше працювати, ніж з тваринами або рослинами: вони розмножуються в рекордно короткі строки, всього за лічені десятки секунд. Їх набагато простіше вирощувати і при бажанні можна культивувати у величезних кількостях. Характер ж успадкування ознак, пристрій і робота генів виявилися схожими з такими у вищих організмів. Так відкрилося велике поле діяльності для молекулярних генетиків, яких видатний американський генетик М. Дельбрюк влучно охрестив «серйозними дітьми, люблячими задавати глибокодумні питання». У числі перших питань, що потребували негайного вирішення, були питання про те, що ж собою представляють гени, як розмножуються молекули ДНК і при цьому зберігають незмінною запис генетичної інформації і який же механізм виникнення змін генетичної програми, інакше кажучи, які молекулярні принципи появи мутацій.
Однак перш ніж розповісти про те, як вчені змогли знайти відповідь на багато з цих питань, потрібно хоча б коротко ознайомитися з сучасними даними про пристрій клітин.
Список літератури
1. Азімов А. Коротка історія біології. М., 1997.
2. Кемп П., Армс К. Введення в біологію. М., 2000.
3. Лібберт Е. Загальна біологія. М., 1978 Льоцці М. Історія фізики. М., 2001.
4. Найдиш В.М. Концепції сучасного природознавства. Навчальний посібник. М., 1999.
5. Небел Б. Наука про навколишнє середовище. Як влаштований світ. М., 1993.