Вечное движение (О жизни и о себе) - Николай Дубинин

В начале века в классических опытах по гибридизации открыто существование генов, основных единиц наследственности. В 20-х годах создана хромосомная теория, суть которой состоит в доказательстве, что гены связаны с хромосомами ядра клетки. После этого на протяжении 30 лет шел период громадного накопления фактов, который сопровождался прорывами по целому ряду направлений. В эту эпоху на весь мир прогремели достижения Н. И. Вавилова, Н. К. Кольцова, С. С. Четверикова, Г. Д. Карпеченко, А. С. Серебровского и других советских ученых.

Гигантский взрыв, изменивший лицо генетики, произошел в 1953 году, когда была установлена молекулярная природа явлений наследственности. Еще в прошлом веке показано, что хромосомы содержат белок и нуклеиновую кислоту. Молекулярная структура нуклеиновых кислот оказалась тем субстратом, в котором сосредоточена, или, как говорят иначе, записана, наследственная информация, передающаяся как факел жизни от родителей к детям в каждом поколении. Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) имеет генетически пассивную часть, которая составляет ее скелет и собственно генетический материал, а в нем сосредоточены сведения о наследственных свойствах организмов. Эта генетическая часть молекулы ДНК оказалась исключительно простой по своему содержанию и строению. Она имеет всего лишь четыре качественно различных строительных кирпича. Этими кирпичами служат азотистые основания - цитозин, гуанин, аденин и тимин.

Обнаружение молекулярной природы такого фундаментального свойства жизни, как наследственность, явилось переломным для биологии. Это открытие послужило источником, от которого взяла свое начало молекулярная генетика и молекулярная биология в целом.

В свете данных этих новых наук много сокровенных сторон жизни потеряли для ученых былую таинственность. Таинственными были основы, на которых зиждется размножение клетки и передача информации при размножении организмов. В чем суть программирования при индивидуальном развитии, когда от одной клетки в виде оплодотворенного яйца после целенаправленных процессов возникает взрослая особь. Стало ясным, что для осуществления всех этих явлений служат структуры и процессы, обеспечивающие передачу по клеточным поколениям всей полноты наследственной информации. Одновременно нельзя забывать, что генетические структуры создавались на протяжении всей истории вида, что они служат основой для его существования и базой для его эволюции в будущем.

Стало очевидным, что, если наследственность записана в молекулах нуклеиновых кислот, следовательно, в основе размножения генетического материала лежит размножение молекул. Именно этот принцип был четко сформулирован в гипотезе Н. К. Кольцова еще в 1928 году, когда он выдвинул мысль, что наследственные молекулы размножаются матричным путем. Он полагал, что исходная материнская молекула служит матрицей, по подобию которой в клетке строится копия, полностью повторяющая структуру исходной молекулы. Н. К. Кольцов, как и его современники, считал, что молекулярной основой наследственности служит белок. Теперь оказалось, что наследственность записана в молекулах ДНК. Понимание механизма матричного катализа конкретно приняло другой вид.

Молекула ДНК состоит из двух цепей, которые связаны между собою непрочными водородными связями. При размножении молекулы эти связи рвутся, и цепи освобождаются одна от другой. В каждой цепи все азотистые основания обладают силами притяжения парных к нему, комплементарных оснований. Запас таких оснований имеется в цитоплазме клетки. Они подходят к однонитевой молекуле ДНК и входят в состав строящейся, второй нити. Так из одной двойной молекулы ДНК возникают две дочерние двойные молекулы. По закону комплементарности при синтезе дочерних молекул каждая из них целиком повторяет исходную. При делении клетки нет материнской и дочерней молекулы. В каждую из двух новых, образующихся молекул попадает половинка разделившейся материнской молекулы, что и приводит к молекулярному равенству как материнской, так и обеих дочерних молекул. Все они обладают равноценной генетической информацией.

Раскрытие природы удвоения (ауторепродукции) молекул ДНК было гигантским шагом в истории новой биологии. Наступила эпоха изучения и вмешательства в глубины молекулярной механики размножения живого.

Однако какие особенности молекулы ДНК обеспечивают специфику наследственности вида и наследственные индивидуальные особенности особи? В молекуле ДНК имеется только четыре разных азотистых основания - А, Т, Г, Ц. Это указывало, что генетическое содержание молекул основано на специфике их взаимоположения, то есть на разных порядковых сочетаниях азотистых оснований вдоль линейной структуры этой молекулы. Было показано, что ген - это отрезок молекулы ДНК, в котором в среднем содержится около 1000 азотистых оснований. Эти основания линейно расположены в строго специфическом порядке, свойственном каждому гену. Картина дробимости гена и его внутренний линейный план предстали перед исследователями воочию на внутримолекулярном уровне. Запись биологической информации в молекуле ДНК была разгадана как особая форма кода. Под кодом понимается запись сложного содержания с помощью простых символов. Так, например, азбука Морзе содержит только два знака в виде тире и точки, и при этом, комбинируя эти две буквы кода, с помощью телеграмм можно передать любую мысль человека. Генетическая программа записывается с помощью четырехбуквенного кода. Азотистые основания через комбинации в их взаиморасположениях создают биологическую специфичность вида и особи.

Вполне понятно, что в свете этих данных новое содержание получила и теория мутаций. Наследственность организмов относительно устойчива. Но столь же характерна для живого и его изменчивость, без чего не было бы эволюции организмов. Эта изменчивость в исходном ее виде представлена появлением уклонений в отдельных признаках. Так, например, среди обычных рыжих лисиц появляется белая, среди обычно вирулентных форм вируса вдруг возникает особенно злокачественная форма, среди высоких пшениц возникает карлик и т. д. Такое появление изменений получило название мутаций. Проникнуть в тайну их природы долго не удавалось. Теперь в свете молекулярных основ наследственности стало очевидным, что природа мутаций коренится в химических преобразованиях молекул ДНК. При мутации изменяется то или иное азотистое основание в данном ее отрезке (в гене), что дает новые особенности генетической информации. Представим, что в отрезке одной нити молекулы ДНК имеется такой порядок оснований: АТТЦГААЦ. Во время синтеза, в результате ошибки, одно из оснований незаконно внедрится в молекулу, и она после синтеза примет такой вид:

А Т Т Ц Г А А Ц

Т А А !А! Ц Т Т Г

После этой ошибки новая молекула при синтезе на измененной нити будет иметь новую структуру:

+-+

Т А А|А|Ц Т Т Г

А Т Т|Т|Г А А Ц

+-+

Ее генетическая информация изменена, вместо исходной пары ЦГ, в ней имеется пара оснований AT.

Управлять процессами мутаций - значит овладеть одной из самых могущественных сил природы. Несколько десятилетий назад было открыто, что радиация и многие химические соединения проникают в клетку и вызывают многочисленные мутации. Теперь начато самое глубокое изучение взаимодействия энергии радиации и специфической энергии химических веществ, вступающих в реакцию с молекулами ДНК и изменяющих в ней порядок оснований или их количество.

В течение последних 25 лет роль белка в передаче наследственности была развенчана, наследственность оказалась связанной с нуклеиновыми кислотами. Однако основные жизненные процессы все же представляют собою форму существования белковых тел. Это показывало, что молекулы ДНК, переходя по поколениям, должны определять появление специфичных видовых и индивидуальных белков. Встала проблема взаимоотношения белков и нуклеиновых кислот в процессах устойчивого воспроизведения по поколениям наследственно закрепленного типа обмена веществ.

Работами по биохимической генетике было показано, что роль молекул ДНК в основном и состоит в том, что они кодируют синтез молекул белка. Как было установлено в 1960 году, в определенные моменты своей жизни на одной из нитей молекулы ДНК синтезируется короткая, равная величине отдельного гена, молекула особой информационной рибонуклеиновой кислоты (и-РНК). Эта короткая молекула воспринимает на себя информацию данного гена. Она уходит в цитоплазму, достигает особых зернистых структур, называемых рибосомами, и здесь происходит процесс передачи генетического кода на процесс синтеза специфических белков. Аминокислоты из цитоплазмы приносятся в рибосомы в активированном состоянии другим видом РНК, получившим название транспортных. Протягиваясь сквозь рибосому, молекула и-РНК обеспечивает нужный порядок связи аминокислот, что и дает специфический белок.