Краткая история биологии

Как только получили кристаллическую форму вирусов, стало возможным вести исследования по методу дифракции рентгеновских лучей. Вирусы, безусловно, относились к белкам, будучи особой их разновидностью, носящей название нуклеопротеидов. Успехи техники окрашивания препаратов позволили выяснить химическую природу отдельных субклеточных структур. Было установлено, что хромосомы (а следовательно, гены) также относятся к нуклеопротеидам. Молекула нуклеопротеида состоит из молекулы белка, связанной с фосфорсодержащим веществом, известным под названием нуклеиновой кислоты. Впервые нуклеиновые кислоты открыл в 1868 г. швейцарский биохимик Фридрих Мишер (1844–1895) в ядрах клеток гноя. Долгое время их считали специфически ядерным компонентом. Когда оказалось, что нуклеиновые кислоты присутствуют и вне ядер, уже поздно было менять название. Нуклеиновые кислоты подробно изучил немецкий биохимик Альбрехт Коссель (1853–1927), которому в 1880 г. удалось расщепить их на более мелкие составные части, включавшие фосфорную кислоту и сахар, точного состава которых он не смог определить. Кроме того, в нуклеиновой кислоте он обнаружил два соединения класса пуринов, молекулы которых представляли циклические соединения с двумя кольцами, содержащими четыре атома азота. Эти вещества Коссель назвал аденином и гуанином (а иногда просто обозначал буквами А и Г). Он обнаружил также три пиримидина (вещества с одним кольцом, содержащие два атома азота), которые были названы им цитозином, тимином и урацилом (Ц, Т и У). Американский химик Фебус Арон Теодор Левин (1869–1940), изучая эти вещества на протяжении 20-х и 30-х годов, показал, что в молекуле нуклеиновой кислоты молекула фосфорной кислоты, молекула сахара и молекула одного из пуринов или пиримидинов образуют трехкомпонентное соединение, которое он назвал нуклеотидом. Молекула нуклеиновой кислоты состоит из цепочки этих нуклеотидов, подобно тому как молекула белка — из цепей аминокислот. Нуклеотидная цепь построена так, что молекула фосфорной кислоты одного нуклеотида связана с сахарной группировкой соседнего нуклеотида. Это и есть сахаро-фосфатный скелет, от которого ответвляются отдельные пурины и пиримидины.

Далее Левин показал, что сахара нуклеиновых кислот могут быть двух типов: рибоза, содержащая только пять атомов углерода вместо шести, как это имеет место в хорошо изученных сахарах, и дезоксирибоза, в которой на один атом кислорода меньше, чем в рибозе. Каждая молекула нуклеиновой кислоты содержит тот или иной сахар, но отнюдь не оба одновременно. Таким образом, различаются два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК). Каждая нуклеиновая кислота включает пурины и пиримидины четырех различных типов. В ДНК нет урацила, в ее состав входят А, Г, Ц и Т, в то время как в РНК нет тимина, а только А, Г, Ц и У. Шотландский химик Александр Тодд (род. в 1907 г.) подтвердил данные Левина, синтезировав в 40-х годах различные нуклеотиды.

Вначале биохимики не придали большого значения нуклеиновым кислотам. Хотя и было известно, что белковая молекула связана с различными небелковыми дополнениями, вроде сахаров, жиров, металл- и витаминсодержащих соединений и т. д., считалось, что белок представляет собой основную часть молекулы. Даже после того, как нуклеопротеиды обнаружили в хромосомах и вирусах, биохимики не потеряли уверенности, что нуклеиновые кислоты — это второстепенная часть молекулы.

В 90-х годах прошлого столетия Коссель провел наблюдение, все значение которого стало понятно гораздо позже.

Сперматозоиды почти целиком состоят из тесно лежащих хромосом и содержат химические вещества, несущие полную информацию, благодаря которой потомству передаются отцовские наследственные признаки. Однако Коссель нашел, что белки сперматозоидов значительно проще, чем белки других тканей, в то время как нуклеиновая кислота подобна нуклеиновой кислоте тканей тела. Отсюда с большой вероятностью вытекало, что наследственная информация заключена скорее в неизменных молекулах нуклеиновых кислот спермы, чем в ее чрезвычайно упрощенном белке.

Но вера в молекулу белка еще не была поколеблена, так как результаты исследований 30-х годов говорили о слишком простом, чтобы нести наследственную информацию, строении нуклеиновых кислот, представляющих очень мелкие молекулы, которые состоят только из четырех нуклеотидов.

Поворотным пунктом явились исследования, проведенные в 1944 г. рядом ученых под руководством американского бактериолога Освальда Теодора Эвери (1877–1955), работавших со штаммами пневмококков (возбудителей пневмонии). У части штаммов была гладкая форма (S-штаммы) и наружная оболочка вокруг клетки (капсула), у другой — шероховатая без оболочки (R-штаммы).