Пространственная структура протеина
Но этого было недостаточно. Химиков интересовало не просто число аминокислот в молекуле протеина, но их последовательность. Число вероятных последовательностей — астрономическое; а, например, в средней по сложности молекуле гемоглобина число разных аминокислот — 500. Число вероятностей положения здесь выражается шестизначной цифрой.
Но и тут пришла на помощь бумажная хроматография. Работая с инсулином, состоящим из 50 аминокислот, английский биохимик Фредерик Сенгер (род. 1918) восемь лет разрабатывал специфичный метод. Он разбил молекулу инсулина, оставив нетронутыми короткие цепочки аминокислот. Их он разделил хроматографически и идентифицировал как их состав, так и порядок соединения. Медленно, но верно Сенгер соединял короткие цепи в более длинные. К 1953 г. был установлен точный порядок аминокислот в молекуле инсулина.
Ценность методики продемонстрировал американский биохимик Винсент дю Виньо (род. 1901). Он применил методику к простой молекуле окситоцина, гормону с восемью аминокислотами в составе. Это было проделано в 1954 г., и полученный синтетический окситоцин по свойствам в точности повторял натуральный.
В 1960 г. была разработана молекула рибонуклеазы с точной последовательностью аминокислот в этом энзиме. На этот раз молекула состояла из 124 аминокислот. Более того, фрагменты молекулы рибонуклеазы могли быть синтезированы отдельно и показали энзиматическую активность. К 1963 г. было обнаружено, что аминокислоты под номерами 12 и 13 (гистидин и метионин) были существенны для энзиматической активности. Это был шаг навстречу точному анализу функций компонентов сложных молекул.
Так была «приручена» молекула протеина.
Глава 14
МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ
ВИРУСЫ И ГЕНЫ
Как только молекулы протеина вошли под контроль науки, неожиданно обнаружилось, что на роль первородных кирпичиков жизни претендуют совсем иные, нежели предполагали ученые, структуры. Эти структуры вышли на авансцену при исследовании вопроса фильтрующихся вирусов.
Природа вирусов оставалась загадкой для многих поколений. Известно, что они вызывают заболевания, поэтому были разработаны методы противостояния вирусам; однако сам факт, а не его эффекты оставался неизвестным. Как только были разработаны достаточно тонкие фильтры для удержания вирусов, удалось оценить частицы вирусов: чем бы они ни были, даже принимая во внимание тот факт, что они мельче, чем самые мелкие из известных в природе клеток, они все равно больше, чем самые крупные из молекул протеинов. Итак, было решено, что вирусы — это структуры, промежуточные между клетками и молекулами.
Электронный микроскоп открыл их для нас как объекты, которые можно рассмотреть и оценить. Они бывают самых разных размеров: от крошечных точек не более чем большая молекула протеина до структур с регулярными геометрическими формами и очевидной внутренней организацией. Бактериофаги занимают нишу среди самых крупных вирусов. Микроорганизмы, именуемые рикеттсиями (по имени исследователя Рикеттса), крупнее вирусов размером и все же меньше самых малых бактерий.
В свое время стоял вопрос о том, являются ли эти организмы, заполняющие нишу между самыми мелкими из клеточных структур и самыми крупными из молекулярных, живой частью природы или неживой. В 1935 г. была выдвинута потрясающая гипотеза. Американскому биохимику Уэнделлу Мередиту Стенли при работе с экстрактом вируса табачной мозаики удалось получить крошечные игольчатые кристаллы. Они, будучи изолированными, обладали всеми инфекционными свойствами вируса, только в более высокой концентрации. Другими словами, был получен вирусный кристалл — либо кристаллический вирус, — что одинаково трудно было принять.
Вирус, гораздо более мелкий, чем клетки, не обладал способностью к независимой жизни. Однако вирус может проникать внутрь клетки и воспроизводить самого себя как живое существо.
Не существует ли в самой клетке некоего субклеточного компонента, который составил бы сущность жизни? Быть может, вирус гораздо более мелок, чем клетка, ввиду того, что когда-то он составлял часть клетки?
Если так оно и есть, то, какие субклеточные компоненты должны быть локализованы в нормальных клетках? На эту роль претендуют хромосомы. В первые годы XX в. стало очевидным, что хромосомы несут факторы, отвечающие за физические характеристики. Однако хромосомы гораздо больше по размерам, нежели вирусы.
Хромосом численно меньше, чем наследуемых характеристик; таким образом, следует сделать заключение, что каждая хромосома составлена из неделимых блоков, которых очень много. Их может быть тысячи — и каждый из них контролирует какую-то характеристику. Эти индивидуальные блоки в 1909 г. датский ботаник Вильгельм Людвиг Иогансен назвал генами — от греческого слова, означающего «дающий жизнь кому-то».
В первых десятилетиях XX в. индивидуальный ген, как индивидуальный вирус, не мог быть увиден и зафиксирован; однако уже тогда ученые работали с ним. Фундаментальные исследования принадлежат американскому генетику Томасу Ханту Моргану (1866 — 1945), который в 1907 г. предложил новый биологический инструмент — а именно крошечную плодовую мушку дрозофилу. Это малое насекомое поддается разведению в больших количествах практически без всяких затрат. В ее клетках находится по четыре пары хромосом.
Прослеживая за генерациями плодовой мушки, Морган открыл бесчисленное множество мутаций, которые ведут к столь же поразительному разнообразию в животном мире, к какому приводило открытие де Ри в мире растений.
Моргану удалось также доказать, что многие характеристики взаимосвязаны, то есть наследуются совместно. Это означало, что гены, отвечающие за эти характеристики, обнаруживаются на одной и той же хромосоме и эта хромосома наследуется как единый блок. Однако характеристики не связаны друг с другом вечно. Одна наследуется без другой. Определенные пары хромосом случайно перекрещивались в ином месте; таким образом, целостность их оказывалась нарушенной.
Подобные эксперименты давали возможность пометить место на хромосоме, где должен был локализоваться определенный ген. Чем больше длина хромосомы, разделяющей два гена, тем больше вероятность того, что при случайном перекрещивании эти гены разделятся. К 1911 г. были разработаны первые хромосомные схемы для дрозофилы.
Один из учеников Моргана, американский генетик Герман Джозеф Мюллер, выработал метод увеличения частоты мутаций. В 1919 г. он обнаружил, что частота мутаций повышается с повышением температуры. Более того, это не было результатом общего перемешивания генов. Всегда обнаруживалось, что один из генов задействован, в то время как его дубликат на другой хромосоме данной пары не затронут. Мюллер склонялся к мнению, что в этом играют роль изменения на молекулярном уровне. Поэтому он решил использовать рентгеновские лучи. Они более энергетичны, чем мягкое нагревание, а также действуют более локализованно. К 1926 г. Мюллер уже мог ясно доказать, что рентгеновские лучи многократно увеличивают мутации. Американский ботаник Альберт Франсис Блейксли в 1937 г. показал, что степень мутаций возрастает под действием специфических химических агентов (мутагенов). Лучшим примером такого мутагена явился колхицин — алкалоид, получаемый из крокуса осеннего (безвременника).
Таким образом, к середине 1930-х годов и вирусы, и гены уже не являлись тайной. И те и другие являли собой молекулы одного и того же размера и приблизительно одного и того же химического состава. Может быть, гены — это «прирученные» вирусы клетки? Может быть, вирус — это «одичавший» ген?
ЗНАЧЕНИЕ ДНК
Как только были выделены кристаллические вирусы, появилась возможность анализировать их химически. Конечно, они являют собой протеин, однако особую разновидность протеина. Разработка методов меченых атомов сделала возможным исследование химической природы индивидуальных субклеточных структур. Выяснилось, что хромосомы, а, следовательно, и гены, представляют собой нуклеопротеин.
Молекула нуклеопротеина состоит из протеина, связанного с несущим фосфорную составляющую веществом, известным как нуклеиновая кислота. Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 г, швейцарским биохимиком Фридрихом Майшером (1844 — 1895). Впервые эти кислоты были обнаружены в ядре клетки. Позже, когда их обнаружили и вовне ядра, было поздно переименовывать — и они сохранили свое название.
Нуклеиновые кислоты были впервые в деталях исследованы германским биохимиком Альбрехтом Кесселем (1853 — 1927), который в 1880-х годах и позже выделил из нуклеиновых кислот составляющие их блоки. Блоки включали в себя фосфорную кислоту и сахара, которые Кесселю не удалось идентифицировать. Два идентифицированных вещества с молекулами, состоящими из двойных спиралей атомов, Кессель назвал аденином и гуанином (иногда они просто именуются А и Г). Еще их называют пуринами. Кессель также открыл три разновидности пиримидинов (с одиночным кольцом атомов, включая два атома азота), которые называются цитозин, тимин, урацил.
Русский ученый, работавший в Америке, Фабус Арон Теодор Левин (1869 — 1940) продолжил разработки в 1920—1930-х годах. Он показал, что в молекуле нуклеиновой кислоты молекула фосфорной кислоты, молекула сахара и один из пуринов или пиримидинов формируют трехчленный блок, названный им нуклеотидом. Молекула нуклеиновой кислоты состоит из цепочек этих нуклеотидов, как протеины состоят из цепочек аминокислот. Нуклеотидная цепочка составлена из фосфорной кислоты одного из нуклеотидов, присоединенной к сахарной группе другого нуклеотида. Таким образом, строится «сахарофосфатный позвоночник», от которого отходят индивидуальные группы пуринов и пиримидинов.
Далее Левин показал, что молекулы Сахаров, находящиеся в нуклеиновых кислотах, бывают двух типов: рибоза (содержащие только пять атомов углерода вместо шести, как у общеизвестных Сахаров) и деоксирибоза (как рибоза, только в молекуле на один атом меньше кислорода). Каждая молекула нуклеиновой кислоты содержит только один тип Сахаров — но не оба вместе. Таким образом, различаются два типа нуклеиновых кислот: рибоксинуклеиновая кислота (РНК) и деоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Каждая содержит пурины и пиримидины только четырех разновидностей. У ДНК в составе нет урацила и имеется А (аденин), Г (гуанин), С (цитозин) и Т (тимин). У РНК в составе нет тимина, но есть А, Г, У.
Шотландский химик Александер Робертус Тодд (190-7 — 1997) подтвердил сделанные Левиным выводы в 1940-х годах синтезом различных нуклеотидов.
Поначалу биохимики не придали должного значения нуклеиновым кислотам. В каждом отдельном случае открытия ассоциаций протеина с непротеиновыми составляющими протеин считался основной частью молекулы, а непротеиновая составляющая — подчиненной. Нуклеопротеины находили в хромосомах и вирусах, однако считалось само собой разумеющимся, что нуклеино-кислотная часть является подчиненной, а протеин — самостоятельная составляющая,
В 1890-х годах Кессель сделал несколько немаловажных выводов. Клетки спермы почти полностью состоят из плотно упакованных хромосом и несут химическую субстанцию, включающую полный набор «инструкций», по которым родительские характеристики передаются следующему поколению. Однако он обнаружил, что клетки спермы содержат очень простые протеины, гораздо более простые, чем те, что находятся в тканях, в то время как содержимое нулеиновых кислот кажется аналогичным содержимому тканей. Ввиду этого более вероятно, что инструкции по наследованию заключены в неизмененных молекулах нуклеиновых кислот спермы, нежели в упрощенных протеинах, содержащихся в ней. Нуклеиновые молекулы гораздо мельче (состоят всего из четырех нуклеотидов), поэтому им гораздо проще нести генетические инструкции.
Поворотный момент наступил в 1944 г., когда группа ученых под руководством американского бактериолога Освальда Теодора Звери (1877 — 1955) вела исследования со штаммами пневмококков (бактерий, вызывающих пневмонию). Некоторые из штаммов были «гладкими» (вокруг клетки у них наличествовала капсула) — с индексом S, некоторые — «шероховатыми» (без капсулы), им присваивался индекс R.
Далее эксперимент пошел по следующему пути: к штамму без капсул прибавляли экстракт штамма S. Бескаисульные бактерии (R), которые, предположительно, не могли сами ранее вырабатывать капсулу, начинали самостоятельно выполнять эту задачу. Самый ошеломляющий вывод последовал при анализе ориентирующей на изменение физических свойств вытяжки (S): она содержала только нуклеиновые кислоты. Протеин не присутствовал в ней вообще.
В данном случае именно нуклеиновая кислота, а не протеин была генетической субстанцией. С этого момента признано, что нуклеиновая кислота является первоочередным и ключевым веществом жизни.
Начиная с 1944 г., полностью подтвержден новый взгляд на природу нуклеиновых кислот, и ярчайшим подтверждением явилось исследование природы вирусов. Было выявлено, что наружной оболочкой вируса является протеин, а внутренним содержимым — молекула нуклеиновой кислоты. Биохимику Хайнцу Франкел-Конрату удалось расчленить эти две составляющие. При этом оказалось, что протеиновая составляющая абсолютно неинфекционна — она мертва. Нуклеиновая составляющая проявила небольшую инфекционность, однако ей не хватало для проявления своих свойств протеиновой составляющей.
Работа с радиоизотопами показала, что когда бактериофаг внедряется в бактериальную клетку, то проникает сквозь клеточную оболочку лишь нуклеиновая составляющая. Протеиновая составляющая остается снаружи. Внутри клетки нуклеиновая кислота не только привносит выработку все большего количества нуклеиновых молекул, но и протеиновых молекул для формирования оболочки, причем своего характерного протеина, а не протеина бактериальной клетки. В дальнейшем не было сомнений, что именно молекула нуклеиновой кислоты, а не протеина несет генетическую информацию.
Молекулы вирусов содержат либо только ДНК, либо только РНК, либо и то и другое. Внутри клетки ДНК находится только в генах. Поскольку гены — это блоки, несущие наследственность, значение нуклеиновых кислот сводится к значению ДНК.