gizn (677167), страница 3
Текст из файла (страница 3)
"Контраст между Уотсоном и Криком мог показаться очень большим. Крику во время их встречи в 1951 г. было 35 лет, и он еще не имел докторской степени. Уотсону было 23 года, он получил свою докторскую степень необычно рано - в 22 года и был приглашен в члены фаговой группы. Крик был крупным и гениальным, Уотсон - тощим и угловатым. Но они имели много общего. Оба были одиночками, которые, тем не менее, не скрывали своих веских идей по многим вопросам. Оба имели выраженный интерес к открытию строения генетического материала. Но там, где из разных подходов - рентгеноструктурного анализа и генетики фагов - возникала их комплементарность, такой синтез вел к существенным результатам. В этом важном отношении Уотсон выполнял роль моста между информационной и структурной школой в молекулярной биологии".
Чтобы понять причины успеха совместной работы Уотсона и Крика, надо учесть некоторые обстоятельства.
Во-первых, поблизости от Кембриджа, в Лондонском Кингс-Колледже, работали крупнейшие английские специалисты по рентгеноструктурному анализу ДНК, М.Уилкинс и Р.Франклин. Именно их экспериментальные данные Уотсон и Крик использовали для обоснования и проверки своей модели.
Во-вторых, существенную роль для молодых исследователей играл дух конкуренции с крупнейшим американским физико-химиком Лайнусом Полингом. В то время звезда Полинга достигла своего зенита: он был автором блестящей классической книги "Природа химической связи" (1939); вместе с Г.Кори теоретически, с помощью молекулярных стереомоделей, предсказали существование альфа-спиралей в глобулярных белках. С тех пор идея спирали как бы "висела в воздухе" применительно к любым макромолекулам. Вот мнение Дж.Уотсона: "Спирали в то время были в центре внимания лаборатории, главным образом из-за альфа-спирали Полинга". Через несколько дней после моего (Уотсона. - В.Р.) приезда мы уже знали, что нам следует предпринять: пойти по пути Полинга и одержать над ним победу его же оружием". Но и Полинг активно обдумывал варианты молекулярных моделей ДНК.
В-третьих, к началу работы Крик уже имел опыт разработки теории диффракции рентгеновых лучей на спиралях, что позволяло ему мгновенно отыскивать признаки спиральности на фотографиях диффракции рентгеновских лучей. Иначе говоря, он был подготовлен к поиску спиралей.
В-четвертых, Уотсон и Крик понимали, что ставки очень высоки. Речь шла о молекулярной структуре генов - ключевых объектов биологической организации. Это требование налагало на любую модель ряд очевидных требований. Следовало в молекулярных терминах объяснить, как гены выполняют свои основные функции: самоудвоение, мутирование, запись информации, контроль над синтезом белков и др.
В частности, следовало понять, каков механизм самоудвоения (репликации) ДНК. Генетическая традиция, основанная на микрофотографиях поведения хромосом в митозе и мейозе, постулировала идею гомологичного узнавания подобных генов и сегментов хромосом. Уже в модели Н.К.Кольцова репликация хромосом рисуется как гомологичное выстраивание сегментов вдоль матрицы. Для этого требуются определенные молекулярные силы и отношения. Поддерживая этот подход, известный немецкий физик-теоретик П.Иордан предположил, что помимо известного физико-химического "близкодействия" (Ван-дер-Ваальсовы силы, солевые мостики, водородные связи и др.) существуют пока неизвестные квантовые резонансные "силы дальнодействия", которые способны притягивать гомологичные структуры друг к другу.
Против этого резко возражал Полинг. Весь опыт структурной химии и квантовой физики подсказывал ему, что воображаемые "силы дальнодействия" - это фикция. Что касается "сил близкодействия", то они требуют наиболее тесного контакта между взаимодействующими молекулярными поверхностями. Ясно, что этому отвечал широко известный к тому времени принцип взаимодействия антиген - антитело, фермент - субстрат и др., т.е. принцип "ключ - замок". Иначе говоря, тесно взаимодействующие поверхности должны быть взаимно комплементарны. В 1940 г. Полинг и Дельбрюк изложили свои аргументы против Иордана в журнале "Science".
Мозговой штурм продолжался 18 месяцев. Он сопровождался довольно сложными отношениями между его участниками. Так, Уотсон и Крик встречали решительный отпор со стороны Франклин, хотя именно ее данные по В-форме ДНК дали ключевой импульс для разработки модели и лучше всего соответствовали результатам моделирования. Авторы перебрали многие десятки возможных спиральных структур, но все они имели какие-нибудь недостатки.
Полинг тоже исследовал различные варианты спиральных структур, но он остановился на трехцепочечных спиралях, т.е. пошел по неправильному пути. Отсутствие непосредственных контактов Уотсона - Крика и Полинга позволило первым совершить "интеллектуальный рывок". Даже случай способствовал этому. Полинг неоднократно просил прислать ему рентгенограммы диффракции, но Уилкинс не торопился. А когда Полинг собрался на конференцию в Лондон, чтобы посетить Кембридж и увидеть все воочию, Госдепартамент США не выдал ему визу (!). Виной тому была активная пацифистская деятельность Полинга против ядерных испытаний.
В начале 1953 г. Уотсон и Крик познакомились (полулегально!) с последними данными Франклин по диффракции рентгеновских лучей на препаратах В-формы ДНК в условиях высокой влажности. Они сразу узнали признаки спирали с шагом 34 A и диаметром 20 A . Для проверки срочно нужны были стереомодели, однако мастерские задерживали изготовление металлических деталей, моделирующих пурины и пиримидины. Тогда Уотсон нарезал их из толстого картона и стал раскладывать на плоскости стола. Тут его и настигло озарение. Впоследствии он вспоминал: "И вдруг я заметил, что пара аденин - тимин, соединенная двумя водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин - цитозин, тоже соединенная, по меньшей мере, двумя водородными связями. Если пурин всегда соединяется водородными связями с пиримидином, то две нерегулярные последовательности оснований прекрасно укладываются регулярно в центре спирали. При этом аденин всегда должен спариваться только с тимином, а гуанин только с цитозином, и правила Чаргаффа, таким образом, неожиданно оказывались следствием двуспиральной структуры ДНК. А главное, такая двойная спираль подсказывала гораздо более приемлемую схему репликации. Последовательности оснований двух переплетенных цепей комплементарны друг другу. Поэтому было очень легко представить себе, как одна цепь может стать матрицей для другой".
В течение ближайших дней была построена стерео-модель двуцепочечной ДНК. Она оказалась правовинтовой спиралью с противоположной ориентацией цепей.
"Уже через два дня Морис (Уилкинс. - В.Р.) позвонил нам и сказал, что, как убедились они с Рози (Франклин. - В.Р.) рентгенографические данные явно подтверждают существование двойной спирали".
В мае 1953 г. вышла первая статья о двойной спирали ДНК.
"Полинг впервые услышал о двойной спирали от Дельбрюка. Полинг, как и Дельбрюк, был сразу же покорен. ... Открытие двойной спирали принесло нам не только радость, но и облегчение. Это было невероятно интересно и сразу позволило нам сделать важное предположение о механизме дупликации генов".
Модель Уотсона - Крика благодаря своим неоспоримым достоинствам признали быстро и повсеместно. Она полностью выдержала также испытание временем. Одним ударом она разрешила множество трудных проблем; прежде всего объяснила правила Чаргаффа и рентгеноструктурные данные. Сам Чаргафф, который весьма скептически относился к тандему Уотсон - Крик, не смог ничего возразить по существу, его критика скорее напоминала брюзжание: "...мне кажется, что то огромное искусство и изобретательность, которые были затрачены на конструирование различных малоподходящих моделей, по существу пропали даром".
Модель утвердила матричный принцип, основанный на парной комплементарности нуклеотидов (т.е. на принципе "близкодействия"), из чего вытекала простая и естественная схема матричной репликации. Ясно, что в этом случае копирование отдельной матрицы можно произвести только в два этапа:
позитив --> негатив --> позитив.
Однако двуцепочечность спирали решает и эту проблему. Двойная цепь способна к точному копированию в один этап благодаря двум сопряженным матричным процессам, т.е. обладает вожделенным генетическим свойством - удвоением путем контактного гомологичного выстраивания сегментов на матрице:
позитив - негатив-->позитив – негатив + позитив – негатив
Наконец, модель как бы открыла путь для понимания других фундаментальных генетических процессов и свойств. Оказалось, что генетическое разнообразие можно свести к вариантам порядка мономеров, как предполагали Кольцов, Дельбрюк, Шредингер и многие другие. Тогда сохранение порядка обеспечивает консервативность наследственности. Двойная цепь ДНК, где стандартный сахаро-фосфатный костяк расположен снаружи, а вся специфичность (водородные связи оснований) спрятана внутри и менее доступна для воздействий, прекрасно соответствовала ожиданиям генетиков. Изменения же порядка мономеров, очевидно, должны были вызывать наследственные изменения, т.е. мутации.
В 1962 г. Дж.Уотсон, Ф.Крик и М.Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за установление молекулярной структуры нуклеиновых кислот и ее роли в передаче информации в живой материи. К сожалению, Р.Франклин не дождалась такого признания, она умерла в 1958 г.
Оценим полученные результаты с точки зрения информационно-кибернетического подхода. Материальный носитель генетической информации найден - это нуклеиновые кислоты (ДНК и, как стало ясно позже, РНК). Определен также промежуточный получатель генетической информации - белки. Те и другие имеют ряд общих особенностей: это линейные полимеры, построенные из небольшого разнообразия мономеров - нуклеотидов и аминокислот. В обоих случаях у мономеров есть стандартная, универсальная часть, позволяющая им соединяться в последовательности произвольной длины и порядка. Кроме этого, мономеры имеют специфические боковые группы (основания, радикалы аминокислот), порядок которых определяет функциональные свойства соответствующих последовательностей. Разнообразие перестановок астрономическое. Между мономерами полинуклеотидов существуют особые парные отношения комплементарности (A - T, G - C), позволяющие полинуклеотидам выполнять матричные функции.
Ясно, что ситуация весьма напоминает лингвистические и другие информационные системы, где информация кодируется при помощи порядка символов. Налицо алфавиты (мономеры), тексты (последовательности), матричный принцип копирования (комплементарность). Можно ожидать, что существуют некие правила кодирования, которые используются клеткой.
"Крик и Гам"
Этим словесным каламбуром Н.В.Тимофеев-Ресовский охарактеризовал события, последовавшие за расшифровкой структуры ДНК. Уотсон и Крик, разумеется, хорошо понимали генетико-информационный смысл и значение своей модели. Недаром Уотсон в своей книге сообщает: "Буквально все имевшиеся тогда факты убеждали меня в том, что ДНК служит матрицей, на которой образуются цепочки РНК. В свою очередь, цепочки РНК были вполне вероятным кандидатом на роль матриц для синтеза белка. Идея бессмертия генов была похожа на правду, и я повесил на стену над своим столом листок с надписью
ДНК --> РНК --> Белок.
Стрелки обозначают не химические превращения, а перенос генетической информации..."
В 1958 г. Крик сформулировал этот принцип как "центральную догму" молекулярной генетики.
Однако вскоре после публикации модели в бой вступила неожиданная и свежая сила. Это был крупнейший физик-теоретик Г.А.Гамов (в английской транскрипции Дж.Эн. Геймов). В конце 20-х - начале 30-х годов Гамов был гордостью молодой советской теоретической физики. Его, выпускника и аспиранта Ленинградского университета, друга Л.Д.Ландау, послали за границу в Геттинген (Германия) к М.Борну, а затем в Копенгаген (Дания) к Н.Бору для научной стажировки. Там он выполнил ряд теоретических работ высочайшего класса и был признан одним из самых обещающих молодых физиков Европы. Интересно, что одна из его статей в 1930 г. была опубликована совместно с молодым немецким физиком-теоретиком Дельбрюком. А в 1932 г., когда Гамова не выпустили за границу, его доклад Сольвеевскому конгрессу представил его друг Дельбрюк.
В 1932 г. по представлению В.А.Вернадского и двух других академиков Гамова избрали член-корреспондентом АН СССР. Ему было 28 лет, его воспевали поэты:
"...советский парень Гамов уже до атома добрался лиходей"
(Д.Бедный).
Но в 1933 г., выехав на очередной Сольвеевский конгресс, Гамов не дождался продления командировки и не вернулся, став невозвращенцем. За этот большой грех его отлучили от Академии наук, от Родины. И посмертно восстановили только в 1990 г.
Гамову принадлежали два крупнейших открытия: теория альфа-распада и космологическая теория "горячей Вселенной" - работы нобелевского уровня. Третьим своим основным достижением Гамов считал постановку проблемы генетического кода.
Вот как сам Гамов описывал этот момент: "Прочитав в "Nature" в мае 1953 г. статью Уотсона и Крика, которая объясняла, как наследственная информация хранится в молекулах ДНК в форме последовательности четырех видов простых атомных групп, известных как "основания" (аденин, гуанин, тимин и цитозин), я задался вопросом, как эта информация переводится в последовательность двадцати аминокислот, которые образуют молекулы протеина. Простая идея, которая пришла мне в голову, состояла в том, что можно получить 20 из 4 подсчетом числа всех возможных триплетов, образующихся из четырех различных сущностей. Возьмем, например, колоду игральных карт, в которой мы обращаем внимание только на масть карты. Сколько триплетов одного и того же вида можно получить? Четыре, конечно: трое червей, трое бубен, трое пик и трое треф. Сколько триплетов с двумя картами одной и той же масти и одной другой? Пусть мы имеем четыре выбора для третьей карты. Поэтому мы имеем 4x3 = 12 возможностей. В дополнение мы имеем четыре триплета со всеми тремя различными картами. Итак, 4+12+4=20, а это и есть точное число аминокислот, которое мы хотели получить".
Таким образом, Гамов первым сформулировал проблему генетического кода. Генетическая информация записана в полинуклеотидах в виде последовательности символов четырех типов: A, T, G и C. Затем она перекодируется в последовательность 20 типов (аминокислот). Кодирующие группы символов могут быть только триплетными. Правила соответствия триплетных групп нуклеотидных символов (в дальнейшем названных кодонами) и символов аминокислот образуют генетический код. Главная задача - расшифровать этот код, в том числе - объяснить происхождение числа 20, имея в наличии 64 триплета.
Чтобы понять такой поворот мысли, надо учесть некоторые обстоятельства.
Во-первых, Гамов сравнил последовательность нуклеотидов с длинным числом, записанным в четверичной системе счета. В шутку он назвал его "звериным числом", имея в виду религиозную легенду из "Апокалипсиса", где имя антихриста ("зверя из бездны") скрыто под неизвестным числом. Расшифровка "звериного числа" необходима для победы над зверем. Кроме того, 20 - число аминокислот - он назвал "магическим числом", предполагая, что объяснить его из внутренней структуры кода - это и значит решить проблему.
Первая статья Гамова и Томкинса была послана в "Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America", и отвергнута редакцией, поскольку Томкинс - это мифический персонаж популярных книг Гамова, а не реальное лицо. Эта статья вышла в свет в 1954 г. в Докладах Датской академии наук в Копенгагене от имени одного Гамова.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
