МиК Глава 2. ДНК

«ДНК, знаете ли, это золото Мидаса. Каждый, кто прикасается к нему, сходит с ума».
                Морис Уилкинс


Приношу извинения всем моим читателям за этот ликбез. Я исхожу из предположения, что любой вменяемый человек, если когда-то в школе или институте и сталкивался с подобной информацией, то потом благополучно и напрочь ее забыл. И много, как говорится, не потерял.

Сегодня из любого учебника по биохимии можно узнать, как устроена ДНК. Это полимерная молекула, состоящая из четырех мономеров-нуклеотидов – Аденина, Тимина, Гуанина и Цитозина. Каждый нуклеотид есть производное азотистого основания (аденозин, тимидин, гуанозин и цитидин) соединенного с 5-углеродным сахаром дезоксирибозой и молекулами фосфорной кислоты.

Нарисуйте на листе бумаги пятиугольник. В одной из вершин (верхней для удобства) расположите атом кислорода, в оставшихся четыре атома углерода. Но в рибозе и дезоксирибозе должно быть пять атомов углерода (пятиатомный простой сахар). Пятый углерод с гидроксильной группой ОН присоединен к четвертому атому углерода пятиугольника.  Нумеруем по часовой стрелке – первый углерод после кислорода на вершине под номером 1.

Вспомним, что такое валентность. Это способность атома химического элемента образовывать определённое число химических связей с другими атомами. Углерод всегда четырехвалентен, т.е. каждый атом всегда образует четыре связи с другими атомами. Кислород всегда двухвалентен, а водород одновалентен. Этих сведений нам достаточно.

Итак, каждый углерод из кольца дезоксирибозы две валентности тратит на соединение с другим углеродом или кислородом вершины, а еще две заняты водородом и гидроксилом, т.е. группой ОН. Так и нарисуем у каждого углерода с одной стороны Н, с другой ОН.

У атомов углерода номер 1, 2, 3. А у номера 4 нет гидроксила. Вместо него присоединен пятый атом углерода, у которого также есть и два атома Н и ОН. Вот такой сахар получил название рибоза. Обратите внимание количество атомов кислорода равно количеству атомов  углерода. Т.е. 5. А вот у дезоксирибозы у второго атома углерода  гидроксил ОН заменен на водород Н. Т.е. атомов углерода 5, а атомов кислорода 4. Потому и назвали – дезоксирибоза (рибоза лишенная кислорода).

Азотистое основание (аденозин, тимидин и т.д.) всегда соединяется с первым углеродом заменяя собой гидроксил. А фосфорная кислота всегда соединена с 5 углеродом вместо водорода группы ОН.

А как соединены между собой нуклеотиды в полимерной цепочке?

Гидроксил 3 атома углерода и один из водородов фосфорной кислоты удаляются в виде Н2О и образуется связь. Условно 3 атом углерода дезоксирибозы можно считать «головой» (3'-конец), а фосфорную кислоту «хвостом» (5' -конец) полимерной цепочки нуклеотидов (см.илл.).
 
В живой ДНК таких полимерных молекул две, расположенных относительно друг друга голова к хвосту, в позиции 69, таким образом, что против Аденина всегда располагается Тимин, а напротив Гуанина Цитозин. Обе молекулы туго закручены в спираль. Внутри спирали располагаются нуклеиновые основания соединенные попарно водородными связями, а кнаружи идут молекула сахара и, наконец, остаток фосфорной кислоты.

Но к началу 50-х годов о подобном построении не знали и не сильно стремились узнать.
 
А почему вдруг возник интерес к строению ДНК?

Сегодня трудно поверить, но на роль генетического материала ДНК никто не рассматривал до 50-х годов. Гены – это белки. И точка. Все исследователи бьются над расшифровкой структуры белков, а ДНК никому не нужна. Хотя знание о такой молекуле и то, что она находится в ядре клетки, известно было давно.
 
В феврале 1869 года 24-летний студент Тюбингенского университета Иоганн Фридрих Мишер исследуя лейкоциты из гноя, выброшенных хирургических повязок из местной хирургической клиники, выделил необычное вещество, обладающее свойством кислоты. Не мудрствуя лукаво, назвал вещество нуклеиновой кислотой, потому как она, по его представлению, содержалась в ядре (нуклеус по-латински). Ни на кого работа студента сильного впечатления не произвела. На тот момент о генах понятия не имели.

Примерно в это же время (1856-1863) преподаватель без диплома, потому что провалил экзамен по биологии, монах Августинского монастыря Святого Фомы в чешском Брно (Августинское аббатство Святого Томаша в Старом Брно) Грегор Иоганн Мендель ставил свои знаменитые опыты на горохе и установил ряд важнейших законов наследования. Результаты своих опытов Мендель разослал самым титулованным на то время исследователям в области ботаники и биологии. Без всякого результата.
 
Выводы Менделя о наследовании признаков никого не впечатлили. Ни о хромосомах, ни тем более генах в то время понятия не имели.

Вальтер Флемминг (Walther Flemming) изучал строение клетки. Используя анилиновые красители, он обнаружил в клетке интенсивно окрашиваемые нитевидные структуры, о чем поведал миру в 1882 году, назвав их хроматином. В 1888 году Генрих Вильгельм Готфрид Вальдейер (Heinrich Wilhelm Gottfried Waldeyer) предложил называть их хромосомами, т.е. «окрашенными тельцами».

О Менделе вспомнили почти через 40 лет.

В 1902 году Уолтер Стэнборо Саттон (Walter Stanborough Sutton США) заявил, что именно хромосомы подходят на роль хранителей наследуемых признаков.

А в 1915 году Томас Хант Морган (Thomas Hunt Morgan) – тот самый «мухолюб и человеконенавистник» – со товарищи, ставя эксперименты на крохотной мушке «дрозофиле», сформулировал «хромосомную теорию наследственности». В 1933 году Томас Морган получил Нобелевскую премию в разделе физиология и медицина «За открытия, связанные с ролью хромосом в наследственности».

В обычном состоянии клетки хромосомы не видны. А вот когда клетке вдруг приспичит разделиться, вот тут и хромосомы – пожалуйте. Хромосом оказалось не так уж и много. У человека, напомню, всего 46. А наследуемых признаков масса.

Вот тот фактор, который ответственен за определенный единичный признак или определенную функцию организма, назвали геном. Название предложил датский ботаник, физиолог растений и в дальнейшем генетик Вильгельм Йоханнсен, в 1907 году.

Решили так, что вот эти самые гены, которых по понятным причинам должно быть немерено, находятся в хромосомах. Но структура или физические свойства гена представляли собой загадку.

Немецкий физик и будущий нобелевский лауреат Макс Людвиг Хеннинг Дельбрюк (Max Ludwig Henning Delbruck) однажды вдруг увлекся биологией. В 30-х годах у него по вечерам любили собираться коллеги-единомышленники, не обласканные новой нацисткой властью и не питавшие, в свою очередь, особой к ней любви*. Их интересовала только наука. Среди них, например, советский биолог и генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский, работавший в Берлине с 1925 года. Он руководил отделом генетики и биофизики в Институте исследований мозга в пригороде Берлина – Бухе**.

Однажды во время такой вечеринки Макс Дельбрюк спросил:

– «Неужели нет гипотезы о структуре гена?».
– «Ну, как же! Мой учитель, Николай Константинович Кольцов, считает, что ген – это полимерная молекула, скорее всего, молекула белка» – выдал ему Тимофеев-Ресовский.
– «Ну и что это объясняет? От того, что мы назовём ген белком, мы поймём, как гены удваиваются? Ведь главная-то загадка в этом! Ты же сам рассказывал нам, как в роду Габсбургов из поколения в поколение переходила характерная форма губы? Что делает возможным столь точное копирование генов в течение веков? Каков механизм? Разве химия даёт нам такие примеры? Во всяком случае, я никогда ничего подобного не слышал. Нет, тут нужна совершенно иная идея. Тут действительно таится загадка. Великая загадка. Возможно, новый закон природы» – усомнился Дельбрюк.

А что же нуклеиновая кислота совсем никого не интересовала? Из каких кирпичиков (нуклеотидов) она состоит в 40-х годах в целом было известно.

Но вплоть до 50-х годов большинством в мире биохимии было принято, что нуклеиновая кислота вследствие простоты строения в ядре выполняет скорее всего структурную функцию, а наследственный материал – это, конечно же, белки.


*Вот как свидетельствовал сам Дельбрюк: «Я не знаю, как это произошло, но через некоторое время появилась группа, так сказать, ссыльных, внутренних изгнанных физиков-теоретиков, я и пять или шесть из них, которые довольно регулярно и в основном в доме моей матери, чтобы проводить частные семинары по теоретической физике между нами».

**Сегодня Центр молекулярной медицины имени Макса Дельбрюка

Продолжение http://proza.ru/2025/10/25/1874