Страницы истории науки и техники

40-е годы ознаменовались коренным изменением взгляда на структуру нуклеиновых кислот; до этого предполагалось, что все кислоты построены из одинаковых тетрануклеотидных блоков и потому лишены специфичности. Отказ от этого представления произошел в результате детального исследования структуры нуклеиновых кислот, в которых первые крупные достижения принадлежали Д. Гуланду (Англия) и Э. Чаргаффу (США). Чаргаффу в 1949–1951 гг. удалось показать, что нуклеиновые кислоты обладают специфичностью, т. е. что кислоты, полученные из разных биологических источников, различаются по своему составу. Кроме того, Чаргафф установил важное правило относительно содержания пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК. Изучая различные ДНК, он открыл, что во всех ДНК независимо от происхождения количество пуринов (аденина и гуанина) равно количеству пиримндинов (цитозина и тимина), что является следствием равенства количества аденина и тимина (А = Т) и равенства количества гуанина и цитозина (Г — Ц), в то время как специфичность ДНК определяется величиной отношения А + Т/Г+Ц. Результаты, полученные Чаргаффом, создали предпосылку расшифровки молекулы ДЙК, которую произвели в 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Д. Уотсон (США).

Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль. Если эту спираль развернуть в плоскость, то полученная структура будет напоминать лестницу, у которой перекладины представляют собой пурино-пиримидиновые пары, а направляющие — чередование молекул сахара и фосфатных групп. Правила Чергаффа ограничили число возможных комбинаций пар оснований, поскольку аденин всегда должен соединяться с тимином, а гуанин — с цитозином. Таким образом, оказалось, что строение одной ветви молекулы ДНК целиком определяет строение другой ветви, поскольку последовательность оснований, примыкающих к одной из направляющих, однозначно определяет последовательность оснований, примыкающих к другой направляющей. Это важное свойство молекулы ДНК, названное комплементарностыо (дополнительностью), определяет генетическую функцию молекулы.

Для дальнейшего процесса становления молекулярной биологии большое значение имела работа по расшифровке механизмов репликации ДНК и транскрипции, Уотсон и Крик предположили, что репликация (воспроизведение) молекулы происходит следующим образом: двойная спираль раскручивается и составляющие ее нити расходятся, разделяясь в местах соединения оснований. Затем на каждой из нитей в соответствии с правилами комплементарности образуется новая молекула. В 1957 г. американский биохимик А. Кронберг провел биосинтез ДНК с помощью репликации, подтвердив тем самым гипотезу Крика и Уотсона. Для того чтобы осуществить этот процесс, Кроибергу понадобилось выделить фермент, катализирующий его. За открытие этого фермента — полимеразы — и синтез ДНК Кропберг в 1959 г. получил Нобелевскую премию по медицине (он разделил ее с С. Очоа, который провел биосинтез РНК).

Генетическая информация кодируется в ДНК с помощью четырех символов (оснований), располагающихся в определенной последовательности. Однако, поскольку существует 20 основных белковых аминокислот, следующей задачей было выяснить, каким образом запись на четырехбуквенном алфавите в ДНК переводится в запись на двадцатибуквенном алфавите в белках.

Решающий вклад в решение этой проблемы был сделан Г. А. Гамовым в 1954 г. Он предположил, что каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (нуклеотид представляет собой элементарный мономер ДНК, состоящий из сахара, фосфата и основания). Доказательство этого предположения было получено лишь в 1961 г. в результате работ Ф. Крика, Л. Барнета, С. Бреннера и Р. Баттс-Тобина (Великобритания), а также работ М. Нириберга и Дж. Маттеи (США).

М. Нирнберг и Дж. Маттеи, а также О. Очоа (США) в своих исследованиях проводили биосинтез белка в присутствии РНК-матрицы. Эти РНК были искусственно синтезированы, и их состав был известен; затем, меняя сочетания оснований в РНК и определяя вид аминокислот в получающемся белке, оказалось возможным установить, какие тройки нуклеотидов (кодоны) соответствуют данным аминокислотам. К середине 60-х годов был определен порядок оснований практически для всех кодонов; однако эти достижения стали возможными лишь после выяснения механизма синтеза белка.