Три тайны жизни

По внешнему виду молекулы ДНК представляют собой свитую двойную спиральную цепочку. В общем она напоминает винтовую лестницу. Каждая «ступенька» этой своеобразной лестницы образована двумя азотистыми основаниями, соединенными между собой водородной связью. «Перилами» же этой лестницы служат цепочки из чередующихся атомных групп фосфорной кислоты и сахаров — дезоксирибоз.

Исследования показали, что «ступеньки» молекулярной лестницы ДНК соединяются между собой атомом водорода в строго определенных комбинациях. Оказалось, что основания аденин и гуанин имеют длину по двенадцать ангстрем (ангстрем — десятимиллионная доля миллиметра), а тимин и цитозин немного короче — по восемь ангстрем. Расстояние между «перилами» цепи повсюду одинаково и равно двадцати ангстрем. Это означает, что одно из оснований любой «ступеньки» должно быть большим, а другое меньшим, то есть возможны только вполне определенные комбинации оснований. Они таковы: аденин — тимин и гуанин — цитозин; или перевернутые: тимин — аденин и цитозин — гуанин. Только в таких комбинациях и встречаются азотистые основания в двойных молекулах ДНК. Если удалить одно из оснований в молекуле, то его место должно занять тоже основание, так как никакое другое не подойдет либо по геометрическим размерам, либо по способности к образованию химической связи.

При определенных условиях молекулы ДНК могут разворачиваться и раздваиваться вдоль оси на две совершенно одинаковые (комплементарные) части. Расщепление цепи молекулы ДНК происходит по водородной связи. Если поместить образовавшиеся половинки молекулы ДНК в химическую среду, где в большом количестве содержатся различные нуклеотиды, и создать соответствующие условия, то они автоматически достраиваются до полных молекул и, стало быть, из двух половинок исходной молекулы образуется две новых молекулы ДНК. Причем эти «дочерние» молекулы будут полностью скопированы с «материнской», так как место каждого азотистого основания, а следовательно и всего нуклеотида, строго обусловлено.

Молекулы ДНК обладают замечательным, только им присущим свойством самокопирования. При самоудвоении молекул ДНК происходит образование точных копий исходных. Молекулы же белков не могут сами собой синтезироваться из аминокислот по образцу уже существующих. До недавнего времени оставалась еще загадкой способность живых клеток создавать белки, специфические для данного организма. После открытия самокопирования ДНК была высказана мысль об участии нуклеиновых кислот в синтезе белков.

Конкретная нуклеиновая кислота, как и конкретный белок, имеет «индивидуальность», только у белков она выражается специфической последовательностью аминокислот, а у нуклеиновой кислоты — присущей только ей последовательностью нуклеотидов. Но нуклеиновая кислота передает свою индивидуальность «потомкам»— молекулам-копиям, а белок нет.

Нуклеиновые кислоты располагаются (локализуются) в клетках живых организмов очень своеобразно. ДНК обнаруживается в ядрах клеток, хотя в последнее время установлено наличие специфической ДНК в некоторых органоидах клетки (хондриосомах и пластидах). РНК имеет более широкое распространение в клеточной протоплазме. Основная масса РНК сосредоточена в цитоплазме и рибосомах (за высокое содержание РНК они и получили такое название). Имеется РНК также и в ядрах, где она концентрируется в ядрышках и отчасти в хромосомах.

Днк имеет самый высокий молекулярный вес из всех органических веществ: порядка нескольких десятков миллионов. Молекулярный вес РНК меньше, но колеблется от нескольких тысяч до одного-двух миллионов в зависимости от природы молекулы.

За последние годы была установлена тесная взаимосвязь между белками и нуклеиновыми кислотами. Если белкам в организме принадлежит своего рода исполнительная роль, то нуклеиновые кислоты — «законодатели» внутриклеточных процессов, они оказались причастны к синтезу белков в организме.

Синтез белков

Когда установили, что молекулы белков не обладают способностью к самоудвоению, было высказано предположение о том, что между белками и нуклеиновыми кислотами существует связь. Специально проведенными опытами у живых клеток растений (корешков лука, гороха и др.) извлекали РНК, и тотчас в таких клетках прекращалось накопление белков. Опыты показали, что нуклеиновые кислоты участвуют в процессах синтеза белков. Но самые достоверные данные о непосредственном участии нуклеиновых кислот в синтезе белков были получены на вирусах.

Вирусы — весьма интересные образования. Они находятся на границе между живыми и неживыми телами. Эти чрезвычайно мелкие частицы удается увидеть только в электронный микроскоп. Размеры вирусов, например, полиомиелита (детского паралича) составляют 27 миллимикрон (миллимикрон — стотысячная часть миллиметра), желтой лихорадки — 22 миллимикрона, ящура — 21 миллимикрон.

По величине они приближаются к молекулам белков. Так, молекула гемоглобина крови лошади имеет размер 3X15 миллимикрон, а молекула альбумина (белка куриного яйца) составляет 2,5X10 миллимикрон.

Микрофотографии, полученные с помощью электронного микроскопа, дают представление о форме некоторых вирусов. Вирусные частицы способны склеиваться между собой, превращаясь при этом в кристаллоподобные образования. В кристаллическом состоянии вирусы могут сохраняться сотни лет и не проявлять признаков живой материи. Но стоит вирусной частице попасть в восприимчивую к нему живую клетку, и она начинает там стремительно размножаться. В этом одна из причин трудности борьбы с вирусными заболеваниями.

Все известные в настоящее время вирусы подразделяются на три большие группы в зависимости от того, с какими клетками способны они взаимодействовать: с бактериальными, растительными или животными.

Каждая вирусная частица (вирион) состоит из одной молекулы нуклеиновой кислоты и многих молекул белков. Нуклеиновая кислота является как бы сердцевиной, заключенной в белковую капсулу (капсид), или своеобразную «шубу» из белковых молекул. Белковые молекулы (капсомеры) расположены вокруг вирусной нуклеиновой кислоты в определенном порядке, образуя правильные геометрические фигуры шарообразной или палочковидной формы.

Различные вирусы в электронном микроскопе: а) вирус оспы; б) вирус герпеса; в) вирус гриппа; г) бактериофаг; д) вирус мозаики табака; е) вирус картофеля. Большой круг, в котором помещены вирусы, — это размер эритроцита (красного кровяного шарика при том же увеличении), черный кружок в центре — размер самой маленькой бактерии.

При встрече с клеткой, восприимчивой к данному вирусу, вирусная частица прикрепляется снаружи к ее поверхности. В оболочке клетки проделывается отверстие, что нередко осуществляется ферментами вируса, вызывающими распад веществ клеточной оболочки. (Например, во внешней оболочке вируса гриппа имеется особый фермент, вызывающий распад сложных белков, находящихся на поверхности клеточных стенок эпителиальной ткани дыхательных органов человека). В проделанное отверстие клетки-«хозяина» «впрыскивается» молекула нуклеиновой кислоты вируса. Белки же вирусной частицы лишь способствуют проникновению молекулы нуклеиновой кислоты в клетку, а сами остаются за пределами пораженной клетки.

Проникнув внутрь, молекула нуклеиновой кислоты вируса, не встречая сопротивления со стороны протоплазмы клетки, начинает быстро размножаться путем самоудвоения. Вначале она «штампует» несколько сот своих копий, затем эти копии начинают синтез белков, при этом синтез собственных белков пораженной клетки подавляется. Из только что созданных белков и ранее возникших копий молекулы вирусной нуклеиновой кислоты образуются новые вирусные частицы. Через несколько минут после проникновения в клетку одной молекулы вирусной нуклеиновой кислоты клетка-«хозяин» разрушается. Наружу выходят сотни вирусных частиц, являющихся точными копиями вируса, вначале поразившего клетку, и принимаются за разрушение еще здоровых клеток организма.