Педагогический альманах ==День за Днем==
 
написать письмо


    Главная

    Новости

    Методика 

    За страницами учебников 

    Библиотека 

    Медиаресурсы 

    Школьная библиотека

    Подготовка к ЕГЭ, ГИА

    Одаренные дети

    Проекты

    Мир русской усадьбы

    Экология  

    Методический портфолио учителя

    Встречи в учительской

    Творчество педагогов

    Статьи педагогов в журнале "Новый ИМиДЖ"

    Конкурсы профессионального мастерства педагогов

    Творческие страницы

    Рефераты школьников

    Конкурсы школьников

    Альманах детского творчества "Утро"

    Творчество школьников

    Фотогалерея

    Школа фотомастерства

    Доска объявлений

    Полезные ссылки

    Гостевая книга
    Sort

    Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru

      День за днем : Статьи 

      Статьи  


     
    Н.С. Андреева,
    доктор физико-математических наук,
    Институт молекулярной биологии
    им. В.А. Энгельгардта РАН
     
     
     
    ЕЩЕ РАЗ ОБ ОТКРЫТИИ СТРУКТУРЫ ДНК
     
    http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/08_06/FRANCLIN.HTM
    журнал «Природа», август, 2006 г.
     
    В нашей отечественной литературе роль, которую сыграла Розалинда Франклин в становлении молекулярной биологии, в должной степени не отражена. Как правило, открытие структуры ДНК ассоциируется лишь с именами Дж. Уотсона и Ф. Крика, хотя на самом деле три имени должны фигурировать в подзаголовке этой замечательной работы — Уотсон-Крик-Франклин, так как каждый из них внес равноценный, индивидуальный и незаменимый вклад в определение строения вещества наследственности. Но история распорядилась так, что имени Франклин суждено было уйти в небытие (Подробнее см.: Корочкин Л.И., Фридман С.А. Пионер молекулярной биологии // Природа. — 2004. — № 8.).
     
    Уотсон и Крик построили свою модель, опираясь на неопубликованные данные Франклин, и в своей знаменитой статье о структуре ДНК не упомянули ее имя. Серьезное и обстоятельное исследование реального вклада Франклин в установление структуры двойной спирали ДНК проведено А. Клугом, который опубликовал в 2004 г. большую подборку различных материалов, а также дневники и рабочие тетради Франклин, позволяющие не только понять ее роль в этих исследованиях, но и проследить шаг за шагом, как развивалась мысль и созревало величайшее открытие XX в. Думается, подробное описание этого процесса не только интересно, но и весьма поучительно.

    Начнем с исходной ситуации. По сути, изучением структуры ДНК занимались три группы. Одна из них, биофизическая, была организована при поддержке Совета по медицинским исследованиям (MRC) сэром Дж. Рэндалом в Лондонском Королевском колледже в 1946 г. «для междисциплинарной атаки на секрет хромосом и близких к ним структур». Возглавил ее эрудированный и обстоятельный биофизик М. Уил-кинс. В этой группе проходил практику студент Р. Гослинг, рентгенографически исследовавший сперму различных животных. Уилкинс преуспел в получении нитей ДНК вытягиванием их из вязких растворов. Нити давали высокое двойное лучепреломление, что свидетельствовало о параллельной ориентации длинных молекул вдоль оси растяжения. Вместе с Гослингом он снял рентгенограмму влажной нити ДНК, которая оказалась чрезвычайно богатой рентгеновскими отражениями (как впоследствии выяснилось, это была рентгенограмма А-формы ДНК).

    Именно она вдохновила молодого американского биолога Дж. Уотсона заняться определением структуры ДНК методом рентгеноструктурного анализа. Будь Уотсон более опытным исследователем, он никогда бы не принял подобного решения. Но энтузиазм молодости плюс полное отсутствие знаний в вопросах атомно-молекулярной структуры биополимеров и рентгеноструктурного анализа послужили источником его легкомысленной самоуверенности. Он добился разрешения работать над этой проблемой в знаменитой физической Кавендишской лаборатории, руководимой сэром Лоуренсом Брэггом, основателем рентгеноструктурного анализа. Его приняли в группу М. Перутца, изучавшего структуру гемоглобина и миоглобина.

    Как могли Брэгг и Перутц доверить рентгенографическое определение структуры ДНК биологу, не имеющему представления о рентгеноструктурном анализе? Чтобы понять это, необходимо воссоздать атмосферу, царившую в начале 50-х гг. XX в. в Англии и США в рентгеноструктурных лабораториях, изучающих строение макромолекул. На этот счет имеется много публикаций, в том числе книги Перутца, а мне довелось работать в лаборатории Перутца в конце 50-х и начале 60-х гг. и почувствовать эту атмосферу непосредственно.

    Помимо основных исследований гемоглобина и миоглобина, Л. Брэгг, М. Перутц и Дж. Кендрью пытались выяснить структуру остова полипептидной цепи, наблюдаемую во множестве фибриллярных белков и, следовательно, отражающую важные принципы строения белковых структур. Эту задачу они решали методом моделирования, в то время очень модным. Именно так были созданы первые модели структуры фибриллярных белков, синтетических полипептидов и, наконец, ДНК, которые впоследствии подтвердились прямыми экспериментальными исследованиями.

    Однако когда появился Уотсон, Кембриджская лаборатория потерпела поражение в моделировании структуры фибриллярных а-белков. По словам Брэгга, это было самое крупное фиаско в его жизни: модель противоречила законам стереохимии соединений пептидной природы, которые незадолго до этого установил Полинг. В 1951 г. он опубликовал убедительные работы по моделированию структуры остова полипептидной цепи белков, оставив далеко позади модельные построения кембриджских ученых. Труды Полинга, основанные на собственных многолетних исследованиях структуры аминокислот и соединений пептидной природы, позволили ему сформулировать знаменитую теорию резонанса. Опираясь на нее, он показал, что пептидные группы белковых цепей, состоящие из шести атомов — Ca-CO-NH-Ca, всегда должны быть плоскими, а структура любого из соединений пептидной природы — отвечать критерию полного насыщения водородными связями.

    Полинг решил построить наиболее выгодную с энергетической точки зрения модель остова полипептидной цепи, состоящего из плоских пептидных групп и затем проверить ее соответствие экспериментальным данным. Выяснилось, что заданным Полингом критериям полностью отвечает лишь одна структура, названная им а-спиралью: она имеет нецелочисленную винтовую ось, т.е. на один ее оборот приходится дробное число пептидных групп (18 в пяти оборотах). Классическая кристаллография отвергала такие винтовые оси, поскольку они не обеспечивают плотного заполнения пространства. Но ученый искал наиболее выгодную энергетически конформацию остова изолированной полипептидной цепочки, полагая, что к волокнам требования классической кристаллографии применять нельзя. Хотя модель Полинга отвечала всем требованиям стереохимии и выглядела весьма убедительной, но какова должна быть ее рентгенограмма, оставалось неясным. В первой экспериментальной проверке а-спирали, проведенной в Кембридже, Перутц выловил на рентгенограммах а-белков отражение, подтверждающее модель Полинга. Однако нужны были более обстоятельные эксперименты.

    И вот тогда первый раз блеснул своим талантом работавший у Перутца 35-летний физик Ф. Крик. Он вместе с кристаллографом У. Кокреном математически разработал теорию дифракции рентгеновских лучей наспиральныхмолекулахс винтовыми осями любых порядков, включая нецелочисленные оси. Главное следствие его теории — особое расположение рентгеновских отражений на рентгенограммах спиральных структур. Оно позволяло по виду рентгенограмм идентифицировать спиральную конфигурацию у полимерных молекул в фибриллярных белках и синтетических полипептидах. Расчеты показали, что а-фибриллярные белки состоят из скрученных жгутов а-спиралей. Стало понятно, что законы погасаний рентгеновских отражений от структур с винтовыми осями, которые использует классическая кристаллография, — частный случай общей теории Крика.

    Конечно, эта работа придала Крику солидный запас уверенности в себе, и когда появился Уотсон с навязчивой идеей определить структуру ДНК, Крик, видимо, решил и здесь попробовать свои силы. Уязвленный неудачей в построении модели а-фибриллярных белков, Брэгг дал молодым ученым свое согласие. Вдохновленные успехом Полинга и кажущейся легкостью в построении модели полипептидной цепи белков, Уотсон и Крик намеревались таким же способом определить строение ДНК. Рентгеноструктурные данные, полученные еще в 1940-е гг. В. Астбери, говорили, что ДНК свойственна определенная стабильная и упорядоченная структура. Никакой другой информацией Уотсон и Крик на первых порах не располагали.

    Если при моделировании а-спирали речь шла о плотной упаковке плоских пептидных групп, состоявших из шести атомов, с точно установленным расположением, то отнюдь не плоские нуклеотидные группы содержали значительно больше атомов. Об их расположении можно было лишь гадать, да кроме того, было вообще неизвестно, из скольких цепей состоит молекула. Поэтому для определения структуры ДНК требовалась иная схема, противоположная той, которая реализовалась при анализе структуры фибриллярных белков (когда сперва строилась модель, а потом она проверялась экспериментально). Здесь в первую очередь оказались нужны независимые экспериментальные данные о параметрах структуры. Уотсон и Крик были абсолютными новичками в изучении стереохимии нуклеотидных соединений. Так что, в отличие от Полинга, никаких основополагающих идей о том, какой должна быть структура ДНК, у них не было, кроме предположения Крика, что это спираль. Отсюда становится ясным значение результатов экспериментальных исследований как исходного пункта для построения правильной модели ДНК.

    В 1950 г. Рэндал решил усилить рентгеноструктурные исследования ДНК в Королевском колледже, пригласив физико-химика Розалинду Франклин. Ее рентгенографические исследования аморфных углей, требующие экспериментального мастерства и серьезной математической подготовки в области теории рассеяния рентгеновских лучей, снискали ей высокую репутацию среди коллег. Поскольку Уилкинс как руководитель был совершенно не нужен Франклин, оба стали заниматься изучением структуры ДНК отдельно.

    Существенно улучшив способ получения ориентированных препаратов ДНК и условия съемки рентгенограмм, Розалинда сразу обнаружила две структурные формы у ДНК — кристаллическую А-форму и пара-кристаллическую В-форму — и показала, что свои данные Астбери получил от смеси этих двух форм. Свое внимание она сосредоточила на кристаллической А-форме ДНК, пытаясь по плотности вещества и объему ячейки определить количество цепей, проходящих через одну элементарную ячейку.
    Тем временем Уотсон и Крик почти вслепую начали собирать модель ДНК из латунных стержней, изготавливаемых в мастерских Кавендишской лаборатории (Стержневые модели атомов представляли собой сделанные в определенном масштабе рогатки из расходящихся из одной точки стерженьков под углами, соответствующими валентным углам атомов, с длинами, пропорциональными длинам валентных связей). Побывав в Королевском колледже на кристаллографическом семинаре Франклин, биолог Уотсон не вынес ничего, кроме того, что молекула ДНК может состоять из трех цепей. На самом деле Розалинда подчеркивала, что если учесть молекулы воды в элементарной ячейке кристаллической формы, то масса вещества в ячейке соответствует скорее двум цепям ДНК. И Уотсон и Крик принялись строить модель спиральной структуры ДНК из трех цепей с переплетающимися фосфатно-сахарными остовами вблизи оси цилиндрической молекулы и торчащими наружу основаниями, по примеру того, что наблюдается в а-спиральных белках, где нерегулярно чередующиеся боковые группы торчат наружу. Как же иначе можно было расположить нерегулярно чередующиеся азотистые основания? Построив в течение одной недели модель, Уотсон и Крик пригласили Франклин. Она сразу спросила их, куда они девали воду, а потом разнесла модель в пух и прах как не отвечающую экспериментальным данным. Услышав об этом, Брэгг категорически запретил Уотсону и Крику заниматься играми в ДНК в его лаборатории, и они прервали свою работу на довольно продолжительное время.

    Надо сказать, что Уотсон и Крик были не одиноки в своей ошибке. Такую же модель построил и Полинг. Но он сделал еще более грубую ошибку, расположив заряженные фосфатные группы совсем близко друг от друга, не объяснив, почему они не отталкиваются. Ну ведь у Полинга не было экспериментальных данных о ДНК, как, впрочем, и у Уотсона с Криком, если не считать того, что постиг Уотсон на семинаре у Франклин.
     
    Тем временем Розалинда продолжала свои эксперименты. Она получила совершенно замечательную рентгенограмму В-формы ДНК, которая сейчас называется канонической и приводится во многих учебниках. Самым важным в этой рентгенограмме было расположение отражений, четко соответствующее спиральной структуре молекулы, с 10 идентичными группами в одном обороте спирали, равном 34 А и с шагом спирали в 3.4 А. Рентгенограммы свидетельствовали также, что диаметр цилиндрической молекулы ДНК равен приблизительно 20 А. Получив эту рентгенограмму, Розалинда замешкалась. Она никак не могла понять, как соотносится структура В-формы ДНК со структурой кристаллической А-формы, на рентгенограммах которой видимых признаков спиральной формы молекулы ДНК не наблюдалось.

    Согласно теории рассеяния рентгеновских лучей на цепных молекулах, это различие находит вполне четкое объяснение. Не углубляясь в дебри специальных рассуждений, скажу лишь, что в 1950-1953 гг., будучи аспиранткой кафедры рентгено-структурного анализа физического факультета МГУ, я занималась рентгеноструктур-ным анализом фибриллярных белков. Работ Розалинды Франклин я не знала, но работу Крика по дифракции на спиралях изучила основательно. Крик рассчитывал рассеяние рентгеновских лучей изолированной цепной молекулой, не учитывая влияние взаимной упаковки молекул на дифракционную картину. В паракристаллической В-форме ДНК, где молекулы окружены водной шубой, соседние молекулы не могут находиться в регистре друг относительно друга, они всего лишь параллельны, но могут быть повернуты на любой угол вокруг своей длины и смещены вдоль нее относительно друг друга любым образом, т.е. пространственной кристаллической решетки нет. Лишь в плоскости, перпендикулярной длине молекул, они образуют двумерную квазирешетку, так как расстояние между цепями выдерживается не очень строго. Поэтому дифракционная картина от пара-кристаллических фибриллярных структур определяется в основном независимым рассеянием молекул, для которых полностью применима теория Крика.

    Взаимная упаковка молекул проявляется лишь в виде максимумов на экваторе рентгенограммы. В то же время при дифракции рентгеновских лучей от кристаллических полимерных структур со спиральными молекулами упаковка молекул вызывает погасание большей части рассеянного излучения, оставляя лишь точечные рефлексы, обусловленные кристаллической решеткой. При этом картина рассеяния рентгеновских лучей изолированными спиральными молекулами оказывается затушеванной. Видимо, это обстоятельство не пришло на ум Розалинде. Трудности усугублялись тем, что спираль в А-форме немного отличается от спирали в В-форме ДНК, поэтому Франклин не торопилась комбинировать данные, полученные для разных форм.

    Уотсон и Крик ознакомились с моделью Полинга по рукописи, привезенной в Кембридж сыном Полинга, поступающим в аспирантуру к Перутцу. Уотсон повез этот текст Уилкинсу, который в ответ показал копию рентгенограммы В-формы ДНК, полученной Франклин. Уотсон, к тому времени поднаторевший в рентгеноструктурном анализе, немедленно передал информацию Крику. Можно себе представить, как обрадовался Крик, узнав о прекрасном воплощении своей теории на рентгенограмме ДНК. Возможность построения правильной модели ДНК вновь забрезжила; Уотсон и Крик бросились к Брэггу с просьбой продолжить свои построения. Брэгг, узнав об ошибке Полинга, такое разрешение дал.

    Надо полагать, что энтузиазм Уотсона и Крика в то время нарастал, и в этой атмосфере Перутц ознакомил их с подробным годовым отчетом Розалинды Франклин о проведенных ею исследованиях структуры ДНК. По сути, отчет содержал весь комплекс экспериментальных данных, необходимых для построения модели ДНК. Однако Франклин считала, что данные, полученные для одной формы, пока преждевременно переносить на другую, и поэтому медлила с публикацией своих экспериментальных работ. О том, что ее результаты попали в руки Уотсона и Крика, она не знала.

    Следует отдать должное тому, как быстро и талантливо Крик скомбинировал данные Франклин для построения единственно возможной и правильной модели молекулы ДНК. Он понял, что спираль состоит из двух коаксиальных спиралей, образованных фосфатно-сахарными остовами цепей и направленных, в соответствии с требованиями симметрии С2, найденной в А-форме, в противоположные стороны. Теперь можно было приступать к практическому построению вполне добротной модели остова молекулы ДНК.

    Строил модель Уотсон, а Крик им руководил. Можно ли сказать, что модель Уотсона-Крика оказалась простой иллюстрацией рентгеноструктурных данных, полученных Франклин? И да, и нет, потому что это может касаться лишь той части модели, которая представляет строение фосфатно-сахарного каркаса молекулы; кстати, это именно двойная спираль. Но данных Франклин было недостаточно, чтобы правильно расположить азотистые основания внутри двойной спирали, хотя они и указывали, что основания, будучи плоскими и имея толщину около 3.4 А, должны лежать стопкой перпендикулярно ее оси.

    Работа, связанная с размещением плоских азотистых оснований внутри молекулы, стала результатом творческого поиска Уотсона и Крика, главным образом Уотсона. Посторонние структурные данные, использованные ими, сводились лишь к правильным таутомерным формам оснований, найденным Дж. Доною, что сыграло немаловажную роль в построении правильной модели. Но основным залогом успеха этой части работы была правильная модель фосфатно-сахарного остова, которая неукоснительно вела Уотсона и Крика к их великому открытию.

    Эта модель подсказала, что плоские основания двух противоположно направленных цепей, присоединенные к их сахарным группам, которые располагаются на одном уровне по высоте спирали, должны лежать точно в одной плоскости. Следовательно, они должны образовывать пары, но как в них основания располагаются друг относительно друга?

    Задача решалась перебором различных пар оснований. Сразу были отброшены два неприемлемых варианта: пары пурин-пурин просто не влезали во внутреннюю полость цилиндра, а пары пиримидин-пиримидин были настолько малы, что проваливались, не цепляясь одновременно за оба крючка гликозидных связей двух противоположно направленных цепей. Судя по всему, немалую роль в быстроте этого поиска сыграла работа биохимика Э.Чаргаффа о равенстве содержания аденина и тимина, а также гуанина и цитозина во всех препаратах ДНК.
     
    И действительно, пары аденин-тимин и гуанин-цитозин, как по выкройке, размещались во внутренней полости цилиндра, и их гликозидные связи точно попадали в модели на нужное место. Вместе с тем соприкасающиеся поверхности оснований в этих парах отличались высокой комплементарностью, и при этом насыщались водородные связи, что не могло быть случайным. Вероятнее всего, открытие Чаргаффа оплодотворило работу Уотсона и Крика по моделированию расположения оснований в спирали ДНК.

    Итак, в единственно приемлемой со стереохимической точки зрения структуре ДНК, отвечающей всем экспериментальным данным, последовательность оснований в одной цепи должна обязательно быть комплементарна последовательности оснований в другой. Иначе будут возникать нерегулярные пустоты и искривления цепочек, из-за чего резко упадет стабильность всей структуры. Вместе с тем на последовательность оснований в одной из цепей найденная структура никаких ограничений не налагала. Это также означало, что информация об этой последовательности может надежно храниться внутри молекулы. Следовательно, генетическая информация должна записываться именно в виде последовательности оснований, которая может передаваться по наследству, в случае, если в процессе репликации ДНК спираль расплетается и одна из цепей служит шаблоном для биосинтеза другой.

    Наверное, счастье, которое испытали Уотсон и Крик, поняв замечательные потенции найденной ими структуры, было не меньшим, чем при присуждении им Нобелевской премии. Кажется, на фоне такого удивительного подарка судьбы можно быть более щедрыми и отдать Розалинде Франклин то, что ей принадлежало по праву, т.е. отметить, что ее работы послужили экспериментальной основой модели. Но, увы, этого не произошло: о том, что ее данные позволили им построить правильную модель ДНК, не сказано ни слова и ее имя вообще не упомянуто в их знаменитой статье, опубликованной в «Nature» в апреле 1953 г. Правда, в своей книге «Двойная спираль», вышедшей спустя 15 лет, Уотсон вспоминает Розалин-ду Франклин. Приходится лишь удивляться контрасту между совершенством Природы, выразившимся в удивительно гармоничной структуре молекулы ДНК, и ограниченностью человеческой натуры, проявившейся при ее открытии. Вскоре после этих событий Розалинда Франклин умерла от рака. Ей было всего 37 лет.

    Кратко резюмируя изложенное, можно сказать что в учебных пособиях по биологии, равно как и в лекциях на соответствующую тему, правильнее говорить не о двойной спирали ДНК Уотсона и Крика, а о двойной спирали ДНК Уотсона, Крика и Франклин.

    Литература

    1. Watson J.D., Crick F.H.C. // Nature. 1953.
    V.171. P.737.
    2. Klug A. // J. Mol. Biol. 2004. V.335. P.3-26.
    3. Perutz M.F. Is science necessary? N.Y., 1989.
    4. Perutz M.F. I wish I'd make you angry earlier. Essays on Science, Scientists and Humanity. Cold Spring Harbour Laboratory Press. 1998.
    5. Вайнштейн Б.К. Рассеяние рентгеновских лучей на цепных молекулах. — М., 1963.
    6. Franklin R.E., Gosling R.C. // Nature. 1953. V.171. P.742-743.
    7. Perutz M.F, Wilkins M.H.C., Watson J.D. // Science. 1969. V.164. P.1537-1539.
    8. Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. — М., 1988.
    9. Уотсон Дж. Двойная спираль. — М., 1969.



    "Биология для школьников" . - 2014 . - № 1 . - С. 2-8.
     




    © 2006 - 2018 День за днем. Наука. Культура. Образование