Химия и наследственность

Химия и наследственность

Самое удивительное в развитии живых существ заключается, конечно, в том, что из ничтожно­го микроскопического зернышка, клубка хромо­сом, развивается нечто очень большое, очень сложное, очень тонко организованное и на­столько точно предопределенное, что близнецы, развившиеся из одной и той же клетки, часто оказываются неразличимо похожими друг на друга. Мы называем это наследственностью. Казалось бы, химику в обсуждении вопросов наследственности делать нечего. Но это не так.

Чтобы последующее не показалось слишком необыкновенным, вспомним, какое богатство образов, мыслей, чувств порождает в нас лите­ратурное произведение с помощью всего 33 значков — 33 букв русского алфавита, расстав­ленных в строго определенном порядке и множе­ство раз повторяющихся. Но и 33 значка — это роскошь. Любой текст может быть передан телеграфистом всего с помощью трех знаков азбуки Морзе: точка, тире и пауза.

Однако речь у нас пойдет не о литературных произведениях, а об основном свойстве живых существ — их способно­сти воспроизводить по­коление за поколением себе подобные новые живые существа. Глав­ную роль в передаче на­следственных признаков у всех живущих су­ществ, начиная с бакте­риофага, выполняет оп­ределенное вещество. Оно называется дезоксирибонуклеиновой кислотой или сокращенно ДНК. ДНК является линей­ным биополимером, она слагается из отдельных кирпичиков, так называемых нуклеотидов, как молекула белка из аминокислот. Но аминокислот 20, а нуклеотидов всего 4. Струк­тура одного из них представлена на рисунке 9. Заключенная в рамку часть — общая для всех четырех нуклеотидов, а придаток, изображенный в виде язычка, у них разный. Эти придатки называются соответственно аденином, гуанином, тимином и цитозином. В последующем мы будем обозначать их первыми буквами: А, Г, Т и Ц. ДНК, свойственные каждому виду бакте­рий, растений или животных, отличаются от ДНК любого другого вида числом составляю­щих их нуклеотидов и порядком их сочетания друг с другом совершенно так же, как отли­чаются друг от друга различные белки. Верхняя часть рисунка 10 показывает, как сочетаются нуклеотиды в молекуле ДНК в две параллель­ные цепи, связанные одна с другой через при­датки А, Г, Т и Ц. Обратите внимание на то, что Т связывается только с А, Ц только с Г! Поэтому последовательность нуклеотидов в од­ной цепи определяет и размещение нуклеотидов в другой.

Подобно цельному живому организму, ДНК, содержащиеся в его клетках, способны к самовоспроизведению. Как происходит раз­множение молекул ДНК, показано в нижней части того же рисунка. Начинается с того, что цепочки расходятся, расцепляются. Затем к каждой из них начинают пристраиваться свободные молекулы нуклеотидов, содержащие­ся в окружающей среде, следуя строго тому же закону: Т пристраивается к А (или на­оборот) и Ц к Г. В результате из одной моле­кулы ДНК образуются две, совершенно тож­дественные с исходной молекулой.

Размножение ДНК воспроизведено в про­бирках, вне живого организма, как обыкновен­ная химическая реакция. Для этого достаточно ввести ДНК, выделенную из какого-либо орга­низма, в среду, содержащую все четыре необхо­димых нуклеотида (обязательно все четыре, ина­че реакция не пойдет) и особый фермент — полимеразу, которая «сшивает» пристраивающиеся молекулы нуклеотидов в новую цепочку. Для успеха опыта необходимо лишь предварительно расщепить исходные молекулы очищенной ДНК на две отдельные цепочки. Это достигается простым нагреванием ДНК в течение 10 минут.

Так же происходит «размножение» ДНК в живых организмах, например при заражении бактерии бактериофагом. Бактериофаг пред­ставляет собой свернутую в виде спирали моле­кулу ДНК, наполовину заключенную в бел­ковый чехольчик. При заражении бактерии соответствующим бактериофагом (например, дизентерийной бактерии антидизентерийным бактериофагом) ДНК бактериофага внедряется в бактерию, а белковый чехольчик остается снаружи. В теле бактерии появляется новый «хозяин» — чужеродная ДНК — и начинается тот же самый процесс, который только что был описан как пробирочная реакция. В резуль­тате бактерия погибает, и из нее выходит новое поколение бактериофагов — в точности таких же молекул ДНК, заключенных в такие же белковые чехольчики. Нечто подобное проис­ходит с вирусами.

В ДНК, в их нуклеотидном составе и в по­следовательности нуклеотидов заключена про­грамма развития будущего организма — будь то бактериофаг, вирус или высокоорганизован­ное существо — человек. Но это значит, что состав и строение исходной молекулы ДНК определяет, контролирует аминокислотный со­став и строение молекул тех белков, которым предстоит образовываться в процессе развития данного организма (подобно тому, как после­довательность точек и черточек на ленте, выхо­дящей из телеграфного аппарата, определяет последовательность букв в расшифрованном тексте телеграммы). Так оно и есть.

Было синтезировано простейшее вещество, подобное ДНК,— полиуридиловая кислота. Ее цепочка слагается из однотипных звеньев — лишь из одного из четырех нуклеотидов. При ее участии в пробирке был синтезирован «бе­лок». Оказалось, что и «белок» состоит из одно­типных звеньев: лишь из одной аминокисло­ты — фенилаланина. Затем в полиуридиловую кислоту был «вставлен» второй нуклеотид — аденин, и в «белке» появилась новая амино­кислота — изолейцин. Но нуклеотидов всего четыре, а аминокислот 20. Как же структура молекулы ДНК может предопределять, кон­тролировать структуру белка, построенного из большего числа аминокислот, чем четыре? Вот здесь нам и приходит на помощь азбука Морзе. Депеша, которая выходит из телеграф­ного аппарата, состоит только из значков троя­кого вида: точек, черточек и пауз (если считать паузу за особый значок), а расшифрованный текст — из 33 букв алфавита, причем каждая буква в нем занимает столь же строго определен­ное место, как каждая точка или черточка в телеграфной депеше. Очевидно, нечто подоб­ное имеет место и в молекулах биополимеров. Каждой аминокислоте отвечает не отдельный нуклеотид, а сочетание (как сейчас предпола­гается) из трех нуклеотидов; не отдельное нуклеотидное звено молекулы ДНК, а участок из трех таких звеньев, как каждой букве в азбуке Морзе отвечает не отдельный знак — точка или черточка, а комбинация из несколь­ких точек и черточек.

Химическая теория наследственности от­крыла пути в создании новых видов — мута­ций — живых организмов через перестройку ДНК существующих видов, воздействуя на них химическими реактивами, получившими название мутагенов («рождающих мутации»).

Первые опыты в этом направлении уже при­несли обнадеживающие результаты. Открыты, в частности, вещества, которые вызывают уве­личение числа хромосом, т. е. пучков нуклеи­новых кислот в растительных клетках. Так, из обычных сортов свеклы создана сахарная свекла, превосходящая по урожайности и со­держанию сахара лучшие сорта, ранее выве­денные биологами. Весьма эффективным вме­шательством в структуру ДНК оказалось ра­диоактивное облучение. Оно вызывает пере­стройку молекул ДНК, наследственно переда­ваемую потомству облученных организмов. Отбирая растения, которые обладают полез­ными качествами, получают новые сорта, более продуктивные, невосприимчивые к вирусам и другим заболеваниям, с неполегающим стеблем.