la momentul proclamării lor
doar paradoxuri sau chiar erezii!
Ceea ce este posibil este posibil,
ceea ce este posibil este posibil.
Dispozitiv ADN subțire
Pentru a face ca narațiunea să fie mai clară cititorului, să analizăm mai întâi modul în care este aranjată această moleculă ADN ciudată și enigmatică.
Astfel, ADN-ul este format din 4 baze azotate, precum și zahăr (deoxiriboză) și acid fosforic. Două baze azotate (abreviate ca C și T) aparțin clasei așa-numitelor baze de pirimidină, iar celelalte două (A și D) până la bazele purinice. Această diviziune este legată de particularitățile structurilor lor, care sunt prezentate în Fig. 1.
Fig. 1. Structura bazelor azotate (litere elementare), din care a fost construită o moleculă de ADN
Bazele individuale sunt legate în lanțul ADN prin legături de zahar-fosfat. Aceste relații sunt prezentate în figura următoare (figura 2).
Fig. 2. Structura chimică a lanțului ADN
Fig. 3. Schema de interacțiune a două lanțuri complementare în molecula ADN
Două lanțuri de polimeri sunt răsucite în spirala dublă corectă. Acestea sunt ținute împreună prin legături de hidrogen între perechi de baze (A-T și G-C), cum ar fi treptele unei scări. Din acest motiv, se spune că cele două fire ADN sunt complementare. Pentru natură, acest lucru nu este surprinzător. Există multe exemple de complementaritate. Complementar, de exemplu, sunt vechile simboluri chinezești "yin" și "yang", recipientele cu soclu și știfturile furcii.
Dubla helix a ADN este prezentată schematic în Fig. 4. În exterior, seamănă cu o scară de funii curbată într-o spirală dreaptă. Etapele acestei scări sunt perechi de nucleotide, iar "peretele lateral" care le conectează constă dintr-o coloană vertebrală de zahăr-fosfat.
Fig. 4. Celebrul dublu helix de ADN - o raze X a ADN-ului obținut de R. Franklin, care a ajutat-o pe Watson și pe Crick să găsească cheia structurii ADN dublu catenar; b - Reprezentarea schematică a unei molecule de ADN dublu catenar
Astfel a fost deschisă faimoasa "spirală dublă". Dacă secvența legăturilor (nucleotide) din ADN este considerată ca structură primară, atunci dublul helix este deja o structură secundară a ADN-ului. Modelul "elicopterului dublu" propus de Watson și Crick a rezolvat elegant nu numai problema codării informațiilor, ci și dublarea (replicarea) genei.
În 1962, J. Watson, F. Creek și Maurice Wilkins au primit Premiul Nobel pentru realizările lor. Și ADN-ul a fost numit cea mai importantă moleculă de natură vie. În toate acestea, desigur, a jucat un rol de informații precise despre structura ADN-ului, dar nu în ultimul rând și „vizionar“ construirea unei structuri spațiale complexe, care necesita cercetatorii nu numai logica, dar, de asemenea, imaginația creatoare - calitati care sunt inerente artiști, scriitori și poeți. „Aici, în Cambridge, a fost probabil cel mai remarcabil eveniment după cartea lui Darwin în biologie - Watson si Crick a relevat structura genei!“ - a scris la momentul la Copenhaga Niels Bohr, fostul său elev M. Delbrück. Faimosul artist spaniol Salvador Dali după descoperirea elicopterului dublu a spus că acesta a fost pentru el o dovadă a existenței lui Dumnezeu și a reprezentat ADN-ul într-una din picturile sale.
Deci, brainstorming-ul intensiv, întreprins de oamenii de știință, a fost un succes complet! La scară istorică, descoperirea structurii ADN este comparabilă cu descoperirea structurii unui atom. Dacă explicația structurii atomului a condus la apariția fizicii cuantice, atunci descoperirea structurii ADN-ului a dat naștere biologiei moleculare.
Care au fost principalii parametri fizici ai ADN-ului uman - această moleculă principală a acesteia? Diametrul elicopterului dublu este de 2 nanometri (1 nm = 10-9 m); Distanța dintre perechile adiacente de baze ("trepte") este de 0,34 nm; o răsucire a spiralei este formată din 10 perechi de baze. Secvența de perechi de nucleotide din ADN este neregulată, dar perechile în sine sunt stivuite în moleculă ca într-un cristal. Acest lucru a dat temei pentru caracterizarea moleculei de ADN ca un cristal liniar aperiodic. Numărul de molecule ADN individuale dintr-o celulă este egal cu numărul de cromozomi. Lungimea unei astfel de molecule în cel mai mare cromozom 1 al unei persoane este de aproximativ 8 cm. Astfel de polimeri giganți nu au fost încă dezvăluiți nici în natură, nici printre compușii chimici sintetizați artificial. La om, lungimea tuturor moleculelor de ADN conținute în toate cromozomii dintr-o celulă este de aproximativ 2 metri. În consecință, lungimea moleculelor de ADN este de un miliard de ori mai mare decât grosimea lor. Având în vedere că corpul adult constă în aproximativ 5x10 13 - 10 14 celule, lungimea totală a tuturor moleculelor de ADN din organism este de 10 11 km (aceasta este aproape o mie de ori distanța de la Pământ la Soare). Asta este, ADN-ul total al unei singure persoane!
Dar nu ar trebui să ne gândim că genomul uman este cel mai mare dintre toate existente în natură. De exemplu, într-un salamandru și un crin, lungimea moleculelor ADN conținute într-o singură celulă este de treizeci de ori mai mare decât cea a unui om.
Deoarece moleculele ADN au o dimensiune imensă, ele pot fi identificate și văzute chiar și acasă. Iată cum este descrisă această procedură simplă în recomandarea pentru cercul "Tinerilor Genetici". În primul rând, trebuie să luați orice țesut de animale sau organisme vegetale (de exemplu, un măr sau o bucată de pui). Apoi trebuie să tăiați cârpa în bucăți și să puneți 100 g într-un mixer obișnuit. După adăugarea a 1/8 linguriță de sare și 200 ml de apă rece, întregul amestec este bătut pe mixer timp de 15 secunde. Amestecul cu bici este apoi filtrat printr-un filtru. În pulpa obținută se va adăuga o jumătate din cantitatea de detergent (de exemplu, 2 variante de linguriță) (pentru feluri de mâncare) și se amestecă bine. După 5-10 minute, lichidul este turnat în tuburi de testare sau în orice alt container de sticlă, astfel încât să nu fie umplută mai mult de o treime din volum. Apoi, un pic de suc se adaugă la el, stors din ananas, sau o soluție utilizată pentru a stoca lentilele de contact. Tot conținutul este agitat. Acest lucru trebuie făcut foarte atent, pentru că dacă scuturați prea mult, moleculele de ADN gigant se descompun și după aceea nimic nu poate fi văzut cu ochii. În plus, un volum egal de alcool etilic este turnat lent în tub, astfel încât acesta formează un strat deasupra amestecului. Dacă după aceasta se rotește o tijă de sticlă într-un tub de testare, în jurul ei se înfășoară o masă vâscoasă și aproape incoloră "înfășurată în jurul", care este un preparat de ADN.
După stabilirea structurii chimice și structura spațială a ADN-ului a fost încă o mulțime de întrebări, dintre care principalul este modul în care ADN-ul codifică proteine, care este, ceea ce este codul genetic al acestei molecule, ceea ce „gramatica“ este folosit? Acesta a fost punctul central al eforturilor viitoare de cercetare.
Deci, sa stabilit că nucleotidele sunt "literele" din textul ADN - legăturile elementare ale moleculei polimerice a ADN-ului. În ADN există doar 4 nucleotide (A, T, G, C). Prin urmare, dacă comparați fiecare dintre aceste nucleotide cu o singură literă, atunci alfabetul textului ADN conține numai 4 "litere". Cum aceste "litere" formează "cuvinte" și "propoziții"?
Moleculele de proteine ale tuturor organismelor de pe pământ sunt construite din numai 20 de aminoacizi. Imediat după crearea modelului de ADN, a devenit clar că există un cod care traduce textul cu patru litere ADN într-un text de aminoacizi de douăzeci de litere. Calculele elementare au arătat că numărul de combinații posibile în care patru nucleotide poate fi diferit localizat în "text" atinge valori astronomice. Deci, o moleculă de ADN, constând, de exemplu, de numai 100 de perechi de nucleotide, poate codifica teoretic 4.100 de "texte" diferite de proteine. Care este situația cu adevărat?
Unul dintre primii care încearcă să înțeleagă acest fizician rus G. Gamow, care în acea perioadă a emigrat în America. După ce a ascultat numeroasele conversații despre ADN și a aflat că conține - ca și hărți - doar patru "costume", Gamow a decis să "răspândească solitairele" pentru a înțelege structura codului genetic. Imediat ia devenit clar că codul nu poate fi "binar", adică un aminoacid din proteină ar trebui să fie codificat nu de două nucleotide - "litere", dar cel puțin un triplet. Faptul este că combinația de 4 până la 2 dă doar 16 combinații, iar acest lucru nu este suficient pentru a codifica toți cei 20 de aminoacizi. În consecință, Gamow a motivat, codul ar trebui să fie de cel puțin trei litere, adică fiecare aminoacid trebuie să codifice un triplet de "litere" în orice combinație. Pe aceasta se opri, pentru că atunci erau multe întrebări. În special, acest lucru: numărul de combinații de 4 până la 3 este de 64, iar aminoacizii sunt doar 20. De ce o astfel de redundanță în codul de trei litere?
La acea vreme exista deja o cale cunoscută, care, în special, a fost făcută în timp util de către francezul Jean Champollion în descifrarea hieroglifelor vechiului Egipt. Ca principal ajutor pentru rezolvarea problemei cu care se confrunta el, el a folosit o placă de bazalt, descoperită în timpul companiei militare a lui Napoleon din Egipt și numită Stone of Rosetta. Două inscripții erau prezente simultan pe sobă: una era hieroglifică, iar cealaltă era făcută în greacă în greacă. Din fericire, atât limbajul, cât și scrisoarea grecilor antice erau deja cunoscute oamenilor de știință de atunci. Ca urmare, o comparație a celor două texte ale Pietrei Rosetta a dus la descifrarea hieroglificelor egiptene. În acest fel, oamenii de știință s-au mutat atunci când au decodat codul genetic. A fost necesar să se compare două texte: textul scris în ADN, cu textul scris în veveriță. Cu toate acestea, inițial oamenii de știință nu au fost capabili să "citească" ADN-ul, și unul cunoscut atunci, textul proteic nu era suficient. A fost necesară sinteza artificială a diferitelor fragmente scurte de ARN și sintetizarea acestora în fragmente de proteine din sistemele artificiale. În primăvara anului 1961, la Moscova, la Congresul Internațional Biochimic, M. Nirenberg a spus că a reușit să "citească" primul cuvânt din textul ADN. A fost un triplet de litere - AAA (în ARN, respectiv, UUU), adică trei adenine în picioare unul după altul - care codifică aminoacizii fenilalanină din proteină. Acesta a fost începutul decodificării codului genetic.
O astfel de cale a dus în cele din urmă la o decodare completă a codului genetic. Gamow a confirmat ipoteza că un cod triplet: un aminoacid în proteine corespunde unei secvențe de 3 nucleotide în ADN și ARN. Astfel de triplete de codificare a nucleotidelor - "cuvinte" - se numesc codoni.
Să ne amintim că Gamow a fost confruntat cu un paradox: din cele patru nucleotide 64 codoni diferite pot fi construite, dar numai 20 de aminoacizi diferiți utilizate pentru a construi proteine. Soluția la acest paradox a fost după cum urmează. Majoritatea aminoacizilor pot fi codificați prin mai mulți codoni. După clarificarea acestei circumstanțe, codul genetic a fost numit degenerat.
Tabelul 1 prezintă codonii, dar nu și în ADN-ul și ARN-ul in proxy (ARN mesager sau mARN), rezultând ADN și aminoacizi corespunzătoare proteinelor.
În plus, după cum se poate observa din tabel, nu toate codonii posibili sunt utilizați de fapt pentru codificare. Trei dintre acești codoni "extra" servesc ca semnale de oprire, asigurând terminarea sintezei lanțului proteic.
Dacă vă uitați atent la Tabelul 1, puteți vedea că degenerarea codului genetic nu este în întregime aleatoare. Deși codul este triplet, sarcina principală este purtată de primele două nucleotide din fiecare codon. Cel mai adesea, numai a treia nucleotidă diferă în codonii diferiți care codifică același aminoacid.
Tabelul 1. Dicționarul genetic. Se indică aminoacizii găsiți în proteine și codonii corespunzători din ADN-ul complementar al ARN-ului șablon
Codul genetic a fost inițial descifrat în astfel de organisme simple ca fagii și bacteriile. Mai târziu, sa dovedit că este universală (cu foarte puține excepții) pentru genomul tuturor organismelor vii care există acum (de la bacterii la oameni). Diferențele minore, pe care le vom discuta mai jos, au fost dezvăluite atunci când se compară genomul nuclear și cel mitocondrial.
Deci, la fel ca în textul obișnuit al cărții, toate informațiile sunt scrise în secvența de ADN de localizarea celor patru componente ale sale „litere“ - nucleotide. Astfel, textul ADN este scris cu ajutorul alfabetului A, T, C, T. În acest caz, numai textul uneia dintre cele două fire ADN este de regulă codificat, iar celălalt lanț, de regulă, nu codifică. Deși se știe că există excepții în fiecare regulă. Dacă cititorul încearcă să scrie niște cuvinte rusești cu aceste patru litere, atunci nu va reuși. „Cuvântul“ în DNKovom text, relativ vorbind, este o anumită combinație de trei nucleotide, care corespunde unui anumit aminoacid din proteina, care este, de asemenea, un polimer. Astfel, în celula patru litere scrieți două duzini de "cuvinte" (aminoacizi - părți componente ale proteinelor). Și, în sfârșit, ca o "propoziție" în textul ADN, poate fi luat în considerare un set complet de tripleți care codifică o proteină specifică, adică o genă. Astfel, alfabetul genetic constă doar din 4 litere și un dicționar genetic de 20 de cuvinte. În acest sens, amintiți-vă că, chiar și vocabularul Ellochka-ogress a romanului I. Ilf și Petrov lui „Cei Doisprezece Scaunele“ a constat din 30 de cuvinte, și „Limba dicționar fabrică Pușkin“ are aproximativ 20 de mii. Cuvinte.
Există un model strict: cu cât codul este mai lung (cu cât există mai multe caractere), cu atât textele sunt mai scurte. Codul imens de dimensiuni este, de exemplu, caractere chinezești. Drept urmare, textele hieroglifice sunt mult mai concise decât alte sisteme de scriere, inclusiv ale noastre. Cu toate acestea, pentru a crea un cod genetic, natura a ales doar 4 "litere". Acest cod presupune existența unor texte lungi, realizate de natură sub forma creării de molecule ADN gigantice. Când a scris "textul" complet al genomului uman, a fost nevoie de aproximativ 3,2 miliarde de "scrisori". Pentru comparație: în cartea sacră a Genezei, scrisă în ebraică, conține numai 78100 de litere.