Николай Дубинин - Вечное движение (О жизни и о себе)

Вполне понятно, что в свете этих данных новое содержание получила и теория мутаций. Наследственность организмов относительно устойчива. Но столь же характерна для живого и его изменчивость, без чего не было бы эволюции организмов. Эта изменчивость в исходном ее виде представлена появлением уклонений в отдельных признаках. Так, например, среди обычных рыжих лисиц появляется белая, среди обычно вирулентных форм вируса вдруг возникает особенно злокачественная форма, среди высоких пшениц возникает карлик и т. д. Такое появление изменений получило название мутаций. Проникнуть в тайну их природы долго не удавалось. Теперь в свете молекулярных основ наследственности стало очевидным, что природа мутаций коренится в химических преобразованиях молекул ДНК. При мутации изменяется то или иное азотистое основание в данном ее отрезке (в гене), что дает новые особенности генетической информации. Представим, что в отрезке одной нити молекулы ДНК имеется такой порядок оснований: АТТЦГААЦ. Во время синтеза, в результате ошибки, одно из оснований незаконно внедрится в молекулу, и она после синтеза примет такой вид:

А Т Т Ц Г А А Ц

Т А А !А! Ц Т Т Г

После этой ошибки новая молекула при синтезе на измененной нити будет иметь новую структуру:

+-+

Т А А|А|Ц Т Т Г

А Т Т|Т|Г А А Ц

+-+

Ее генетическая информация изменена, вместо исходной пары ЦГ, в ней имеется пара оснований AT.

Управлять процессами мутаций - значит овладеть одной из самых могущественных сил природы. Несколько десятилетий назад было открыто, что радиация и многие химические соединения проникают в клетку и вызывают многочисленные мутации. Теперь начато самое глубокое изучение взаимодействия энергии радиации и специфической энергии химических веществ, вступающих в реакцию с молекулами ДНК и изменяющих в ней порядок оснований или их количество.

В течение последних 25 лет роль белка в передаче наследственности была развенчана, наследственность оказалась связанной с нуклеиновыми кислотами. Однако основные жизненные процессы все же представляют собою форму существования белковых тел. Это показывало, что молекулы ДНК, переходя по поколениям, должны определять появление специфичных видовых и индивидуальных белков. Встала проблема взаимоотношения белков и нуклеиновых кислот в процессах устойчивого воспроизведения по поколениям наследственно закрепленного типа обмена веществ.

Работами по биохимической генетике было показано, что роль молекул ДНК в основном и состоит в том, что они кодируют синтез молекул белка. Как было установлено в 1960 году, в определенные моменты своей жизни на одной из нитей молекулы ДНК синтезируется короткая, равная величине отдельного гена, молекула особой информационной рибонуклеиновой кислоты (и-РНК). Эта короткая молекула воспринимает на себя информацию данного гена. Она уходит в цитоплазму, достигает особых зернистых структур, называемых рибосомами, и здесь происходит процесс передачи генетического кода на процесс синтеза специфических белков. Аминокислоты из цитоплазмы приносятся в рибосомы в активированном состоянии другим видом РНК, получившим название транспортных. Протягиваясь сквозь рибосому, молекула и-РНК обеспечивает нужный порядок связи аминокислот, что и дает специфический белок.

Структура белка в закодированном виде представлена в соответствующем гене, где отдельная аминокислота, как это было показано в 1961 году, кодируется тройкой азотистых оснований. Эти отрезки гена в виде трех оснований получили название кодонов. Детальные биохимические исследования раскрыли все связи, которые существуют между разными типами кодонов и 20 аминокислотами, из сочетания которых строится все неимоверное разнообразие типов белков, нужных для осуществления явлений жизни на всем ее поле, от вирусов до человека.

В 1967 году было установлено, что генетический код, то есть порядок оснований в отдельных кодонах, программирующих вставку определенной аминокислоты, оказался одинаковым у бактерий, у одной из южноафриканских жаб и у млекопитающих - морских свинок. Это показало, что принципы генетического кода универсальны, его форма возникла на заре жизни и устойчиво сохраняется до сих пор.

Открытие природы синтеза белков, программируемого молекулами ДНК, ввело исследователей в глубины обменных процессов в клетке. Здесь методы генетики и биохимии слились воедино. Одновременно показано, что ДНК кодирует не только белки для общих процессов жизнедеятельности клетки, но и те белки, без которых невозможна жизнь самих молекул ДНК.

Размножение, функционирование и само существование молекул ДНК в клетке невозможно без действия сложного комплекса белков-ферментов. При удвоении молекул ДНК новая цепь из дочерних молекул их создается с помощью особого фермента, называемого полимеразой, который был открыт в 1956 году. Этот фермент может быть выделен из клетки и может работать в искусственно созданных системах - аналогах клетки. Если в такую систему поместить набор разрозненных азотистых оснований и полимеразу, то, несмотря на ее наличие, синтеза молекул ДНК все же не происходит. Он идет только лишь при наличии в этом "бульоне" из азотистых оснований какой-либо молекулы ДНК. Эта молекула служит затравкой и матрицей при синтезе, новая, синтезируемая молекула повторяет строение затравки.

Короткие отрезки молекулы ДНК были созданы чисто химическим путем, и они приобрели способность быть матрицей при синтезе. Химический синтез коротких молекул ДНК был осуществлен путем соединения нуклеотидов, которые содержат азотистое основание, остаток сахара и фосфорной кислоты. Нуклеотид, несущий аденин, был связан с нуклеотидом, содержащим цитозин, затем шесть таких двойных нуклеотидов удалось связать в цепь: АЦ АЦ АЦ АЦ АЦ АЦ. Этот искусственно созданный отрезок молекулы ДНК был помещен в среду, содержащую полимеразу и набор азотистых оснований. Синтез ДНК происходил точно по заданной матрице, воспроизводя все взаимоположения оснований этой короткой, химически созданной цепи ДНК.

Функционирование генов, которое выражается в списывании с них информации на молекулы информационной РНК, также требует работы ферментов. Наконец, без ряда специальных ферментов невозможно само существование молекул ДНК в клетке. Раньше господствовало ошибочное мнение, что материальные основы наследственности устойчивы потому, что они якобы выключены из обмена веществ в клетке. Это оказалось ошибкой.

При наличии известной химической устойчивости молекулы ДНК, конечно, подвергаются в клетке различным процессам ассимиляции и диссимиляции. Как же тогда сохраняется генетическая информация? Оказалось, что в клетке работает целая биохимическая система защиты наследственных молекул от повреждений. Как только в молекуле ДНК возникают локальные поражения, это место находит особый фермент - эндонуклеаза - и вырезает его. Второй фермент расширяет эту образовавшуюся брешь. Однако молекула ДНК двуспиральна, поэтому против возникшей бреши лежит нормальный комплементарный участок второй нити. В этих условиях вступает в работу фермент полимераза, который выстраивает комплементарные основания по типу нормальной матрицы и этим восстанавливает исходную нормальную структуру всей молекулы ДНК. Если же этого в отдельных случаях не происходит, появляется мутация. Так в нескончаемом движении обмена веществ осуществляется и консерватизм, и изменчивость молекулярных основ наследственности. Жизнь клетки и развитие особи из оплодотворенного яйца строго упорядочены, они состоят из бесконечного числа упорядоченных реакций. Это обстоятельство безмерно усложняет программирующую роль генетической информации. Качественно и количественно гены должны вступать в действие лишь по мере нужды в их эффектах.