Не гребенки, а лестницы

...В комнате темно, но вот неторопливо привыкающий глаз выхватывает из темноты угловатые очертания рентгеновского аппарата, голову, склоненную над столом, серовато маячащий лист бумаги.

Здесь занимаются рентгеноструктурным анализом белков и нуклеиновых кислот. Представьте себе, что пучок света падает на какой-нибудь медленно вращающийся кристалл (например, алмаз). Он будет отражаться от правильно чередующихся граней. Но как? Интенсивность отраженных лучей в каждой точке зависит от того, в какой степени они усиливают или ослабляют друг друга в результате интерференции на гранях.

Картину, которую "рисуют" отраженные от граней лучи, можно сфотографировать и по ней расшифровать структуру кристалла.

Кристалла... А разве белки и нуклеиновые кислоты - кристаллы? Назвать их так в полном смысле этого слова, конечно, нельзя, но по своему строению они похожи. Это узнали, когда исследователям пришла в голову счастливая мысль направить на растянутое белковое волокно узкий пучок рентгеновых лучей. Почему именно рентгеновых?

У луча света половина длины волны, то есть его разрешающая способность, равна 0,2 микрона. В мире молекул лучу с такой гигантской длиной волны не на чем задержаться. Он огибает атомы подобно тому, как волны огибают щепку, беспомощно плывущую по морю. Иное дело - лучи рентгена, у которых длина измеряется ангстремами (десятитысячными долями микрона). Эти лучи отражаются от молекул органических веществ так же хорошо, как световые лучи - от граней алмаза.

В опытах англичанина Уилкинса и его коллег рентгенограмма ДНК была совершенно одинакова, получали ли ее из головки фага или из ядер клеток высших организмов.

Более того, пуриновые и пиримидиновые основания в ней были похожи на крошечные лепешки, лежащие вдоль оси друг над другом, подобно монетам в стопке на расстоянии 3,4 ангстрема. Цепь ДНК закручена вправо в спираль вокруг некой воображаемой оси. Шаг этой спирали - 34 ангстрема. В составе молекулы ДНК - более одной нуклеотидной цепи.

Серию блестящих экспериментов Уилкинса завершили английские исследователи Уотсон и Крик в 1953 году. Осмыслив данные химического и рентгеноструктурного анализа, они предложили модель ДНК, прославившую ее создателей (фото 14). Она напоминает веревочную лестницу, которую кто-то, взяв за оба конца, закрутил в противоположных направлениях. В одном витке - 10 пар оснований. И вот что очень важно: ДНК - это не гребенка, а лестница, ее ступени и есть пары оснований, причем в природе существуют только два вида ступеней: гуанин, спаренный с цитозином, и аденин, спаренный с тимином. Но почему? Причины коренятся в самом строении молекул оснований. Молекулы пуринов (аденина и гуанина) состоят из двух колец и больше молекул пиримидинов (тимина и цитозина), которые построены из одного кольца. Понятно, что два спаренных пурина слишком велики, а два спаренных пиримидина - слишком малы, ступеньки же из пурина и пиримидина все одинаковые. Вторая причина в том, что атомы водорода, которые связывают "ступеньки" лестницы, расположены в молекулах оснований так, что аденин всегда спаривается с тимином двойной связью, а гуанин с цитозином - более прочной, тройной.

Рис. 14. Модель молекулы ДНК, по Уотсону и Крику

Итак, теперь ясно. В одной из цепей ДНК последовательность оснований может быть любой, а состав второй предрешен первой: аденину "командной" цепи обязательно должен противостоять тимин, гуанину - цитозин. Вот почему цепи называют еще комплементарными, или взаимодополняющими.

Гипотетическая цепь ДНК была представлена на суд ученых и блестяще выдержала испытания.

Давайте еще раз обобщим сказанное. Картографы хромосом рассказали миру, в каком порядке расположены гены в наследственном веществе бактерий и фагов. Химики выяснили, что наследственное вещество - это длиннейшие цепи ДНК, где, таинственно чередуясь, сменяют друг друга молекулы аденина, гуанина, тимина и цитозина. Появилась возможность "привязать" ген к химической структуре ДНК. Эти опыты уже проводились почти исключительно на бактериях и их вирусах. Они помогли молекулярной генетике снять налет неведомого с процессов мутаций и рекомбинаций, приблизиться к познанию загадок рождения ДНК, узнать код, которым природа зашифровала порядок биосинтеза белка, процесс его построения в живой клетке.

Большинство этих замечательных открытий биология сделала, изучая работу хромосомы бактерий и фагов. Вот почему ей будет посвящена следующая глава.