| |
 |
Итак, почему же нуклеиновая кислота, а не белок?
Вопрос "почему" в делах научных всегда является не совсем корректным, но его ведь так интересно ставить! Разумеется, нельзя забывать, что ответ на вопрос "почему?" всегда является предположительным, и нельзя считать его такой же непреложной истиной, как экспериментально подтвержденный ответ на вопрос "что?"
Что касается данного случая, то мои предположения таковы: белок слишком уж сложен, и обладает слишком уж большой вариативностью. Если бы шаблон структуры белка хранился в белке же, то было бы гораздо сложнее добиться точного копирования формы этого белка при каждом делении клетки из поколения в поколение живых существ. Слишком много появлялось бы возможностей для совершения ошибки.
А вот полинуклеотидная цепь - другое дело. Ее сахаро-фосфатная основа, столбик атомных колец, имеет гораздо более прочную структуру, чем относительно хрупкая полиглициновая основа белковых молекул, представляющая собой просто цепь атомов. Кроме того, на каждом из звеньев цепочки организму предлагается выбор всего из четырех знаков, а не из двадцати двух, таким образом, его задача упрощается.
Спираль
И все равно, вопрос о том, каким же именно образом генетический код в целости и сохранности передается из клетки в клетку, остается у нас пока без четкого ответа. Пусть даже полинуклеотидная цепочка лучше годится для этой задачи, чем полипептидная, это не объясняет нам, как же все-таки сохраняется код.
Первый шаг к решению этой загадки был сделан в ходе тех же экспериментов (по установлению количества пуринов и пиримидинов), результаты которых разгромили тетрануклеотидную теорию.
На первый взгляд, показалось, что неравенство в количестве пуринов и пиримидинов - признак того, что никакие закономерности установлены вообще не будут. К примеру, количество адениновых групп, как правило, оказывалось больше, чем количество гуаниновых групп, но соотношение их никогда не было одним и тем же у разных видов живых существ. В нуклеиновых кислотах, полученных из морских ежей, аденина обнаруживалось в два раза больше, чем гуанина, а в нуклеиновых кислотах человека - только в полтора. А у других видов живых существ, наоборот, гуаниновых групп оказывалось больше, чем адениновых.
Однако, со временем обнаружились некоторые общие закономерности, верные для всех видов живых существ, от человека до вирусов:
1. Общее количество аденинов во всех изученных нуклеиновых кислотах всегда оказывалось примерно равных общему количеству тиминов в ДНК или урацилов в РНК;
2. Общее количество гуанинов во всех изученных нуклеиновых кислотах всегда оказывалось примерно равных общему количеству цитозинов;
3. Таким образом, общее количество пуринов (аденинов и гуанинов) должно быть равным общему количеству пиримидинов (тиминов и цитозинов в ДНК, урацилов и цитозинов в РНК).
Это были уже интересные закономерности, и дальнейшие события показали, что они являлись также важным ключом к структуре нуклеиновой кислоты. Однако для правильного их использования требовался решающий вклад - и он был сделан в 1953 году, когда английский физик М. Уилкинс произвел исследование нуклеиновых кислот с помощью рентгеновского излучения, а двое коллег - англичанин Ф. Крик и американец Дж. Уотсон, - на основе этой работы выдвинули у себя в Кембриджском университете важную теорию о строении нуклеиновой кислоты. Метод дифракции рентгеновских лучей, с помощью которого впоследствии Кендрю разработает точную модель трехмерной структуры белка, заключается в испускании на вещество пучка рентгеновских лучей. Большая часть лучей проходит сквозь облучаемое вещество напрямую, но некоторая часть, проходя через исследуемый материал, отклоняется от прямой линии.
Если атомы вещества, через которое проходят лучи, расположены в случайном порядке, то и эти отклонения будут случайными. В таком случае, подставив фотографическую пластину под лучи, прошедшие через исследуемое вещество, экспериментатор получает следующую картину - темное пятно в середине, соответствующее попаданию основного пучка лучей, и легкую дымку от отклоненных лучей вокруг основного пятна, постепенно исчезающую по мере удаления от него. Интенсивность этой дымки на заданном расстоянии от центра будет одинаковой в любом направлении.
Если же структура атомов исследуемого вещества упорядочена, то и лучи отклоняются в одних направлениях больше, чем в других. Особенно хорошо это заметно в тех случаях, когда атомы упорядочены строго - например, в кристаллах. Пучок рентгеновских лучей, пропущенный сквозь кристалл, образует на фотопластинке красивый симметричный рисунок из линий, отходящих от центра. По расстояниям до этих линий и по углам, под которыми они расходятся, можно рассчитать относительное расположение атомов в кристалле.
Применять этот метод можно и макромолекулам, составляющие которых повторяются неким упорядоченным образом. В этих случаях расположение атомов не такое жесткое, как в кристаллах, но и не полностью свободное. Дифракционный рисунок рентгеновских лучей получается, таким образом, более размытым и трудным для интерпретации, но и не простой равномерно-градиентной дымкой.
Уотсон и Крик, обрабатывая данные, полученные в результате дифракции рентгеновских лучей, пришли к выводу о том, что нуклеиновая кислота имеет форму трехмерной спирали.
Само по себе предположение это было не столь уж дерзким; как уже указывалось, полипептидная цепочка может изгибаться, а в 1991 году американские химики Лайнус Полинг и Р. Кори убедительно продемонстрировали, что полипептидные цепочки таких белков, как коллаген, имеют форму трехмерных спиралей, связанных водородными связями. (1)
(1) За это достижение и ряд более ранних работ, посвященных связям между атомами, Полинг получил в 1954 году Нобелевскую премию в области химии.
Однако, предложенная Уотсоном-Криком модель нуклеиновой кислоты имела серьезные отличия от белковой модели Полинга-Кори. По Уотсону-Крику, нуклеиновая кислота состоит из двух полинуклеотидных цепочек, свернутых в две взаимосвязанных трехмерных спирали вокруг одной оси. Спиралевидные линии представлены сахарофосфатной основой, а пурины и пиримидины отходят от этих линий по направлению к центральной оси.
Именно эта модель наконец позволила разложить по полочкам все с таким трудом собранные данные о соотношениях пуринов и пиримидинов, и она же, как мы увидим в следующей главе, позволила дать ответ на вопрос о механизме репликации. (1)
(1) За свои работы в этой сфере, Уилкинс, Уотсон и Крик разделили в 1962 году Нобелевскую премию в области медицины и физиологии.
Глава 9
Взаимодействие нитей
Соответствие пуринов и пиримидинов
Две спиралевидные нити молекулы нуклеиновой кислоты удерживаются воедино с помощью водородных связей между пуринами и пиримидинами в той точке, где они сходятся в центре спирали.
Соответственно, возможны три варианта таких водородных связей: связь между двумя пуринами, связь между двумя пиримидинами и связь между пурином и пиримидином.
Поскольку пурин состоит из двух колец, а пиримидин - из одного, то сочетание "пурин-пурин" означало бы появление длинной цепочки из четырех колец от одной нити основы до второй; сочетание "пиримидин-пиримидин" - короткой цепочки из двух колец, а сочетание "пурин-пиримидин" - "средней" цепочки из трех колец.
Если бы в двойной спирали имели место все три варианта, то для осуществления каждого из них требовались бы разные расстояния между нитями. В модели Уотсона-Крика, построенной на основе данных, полученных в результате дифракции рентгеновских лучей, такая организация невозможна. По всей протяженности двойной спирали нити разделяет одно и то же расстояние. Соответственно, все связи должны принадлежать к одному из трех типов - либо "пурин-пурин", либо "пиримидин-пиримидин", либо "пурин-пиримидин".
Но если бы все связи в молекуле принадлежали исключительно к виду "пурин-пурин", то в ней не оставалось бы места пиримидинам, а если бы исключительно к виду "пиримидин-пиримидин", то куда деваться пуринам? Поскольку в природе еще не было обнаружено ни одной молекулы нуклеиновой кислоты, которая не содержала бы и пурины, и пиримидины, то оставалось только исключить вероятность наличия между нитями связей типа "пурин-пурин" и "пиримидин-пиримидин".
Соответственно, единственно допустимым осталось сочетание "пурин-пиримидин". По всей длине спиралевидных нитей торчащему внутрь спирали пурину одной из них должен был соответствовать пиримидин второй, чтобы в середине молекулы их объединила водородная связь.
После этого уже легко было ответить на вопрос о том, какой именно из двух пуринов соединяется с каким именно из двух пиримидинов. Раз во всех исследованных молекулах нуклеиновой кислоты количество аденинов оказывается равным количеству тиминов (или урацилов), а количество гуанинов - равным количеству цитозинов, то понятно, что аденин всегда должен образовывать водородную связь с тимином или урацилом, а гуанин - с цитозином. Только это могло бы объяснить столь точные количественные соответствия веществ друг другу.
Сочетание аденин-тимин приведено на рис. 48; сочетание гуанин-цитозин - на рис. 49.
В случае РНК здесь будет молекула урацила, в котором будет отсутствовать данная стрелочка, а все остальное останется таким же.
Интересно, что и в сочетании аденин-тимин, и в сочетании гуанин-цитозин одна из двух водородных связей соединяет азот (N) и кислород (О). Если бы тимин связывался с гуанином, образовалась бы одна связь "азот-азот" (N-N) и одна связь "кислород-кислород" (О-О); если бы цитозин связывался с аденином, образовалось бы две связи N-N. То есть, ни в одном из этих "неправильных" соединений не оказалось бы водородной связи N-О.
В итоге, можно сказать, что, поскольку расстояние между двумя сахарофосфатными нитями постоянно на всем протяжении молекулы, поскольку и пирины, и пиримидины являются необходимыми ее составляющими, и поскольку существуют водородные связи типа N-О, то мы можем быть уверенными, что в молекуле имеются только сочетания "аденин-тимин (или урацил)" и "гуанин-цитозин" - и больше никаких.
Соответственно, две спирали, объединенные в молекуле нуклеиновой кислоты, являются взаимодополняющими. Они не одинаковы; напротив, они являют друг другу, так сказать, "подходящие противоположности". Если нам удастся точно установить порядок нуклеотидов нити 1 некоей молекулы нуклеиновой кислоты, то мы сразу же сможем установить и порядок нуклеотидов нити 2 той же молекулы. Аденину нити 1 будет соответствовать тимин нити 2 и наоборот (в случае РНК вместо тимина будет урацил). Гуанину нити 1 будет соответствовать цитозин нити 2, и наоборот.
<<... предыдущая стр. :: следующая стр...>>
п»ї1 :: 2 :: 3 :: 4 :: 5 :: 6 :: 7 :: 8 :: 9 :: 10 :: 11 :: 12 :: 13 :: 14 :: 15 :: 16 :: 17 :: 18 :: 19 :: 20 :: 21
| |
| |
|
|
|
