К середине XX века биохимия добилась выдающихся успехов в изучении живых объектов на молекулярном уровне, то есть на уровне химических реакций, обеспечивающих жизнедеятельность. Эти успехи вооружили медицину способами диагностики заболеваний и контроля за их течением посредством химических анализов крови, мочи, желудочного сока и других выделений организма человека. В этих жидкостях определяли содержание интересующих врача сравнительно небольших молекул или суммарного белка.

Что же касается создания лекарств, то здесь в основном приходилось исходить из многовекового опыта человечества по использованию лекарственных растений. Процесс поиска нового лекарства начинался с идентификации химического соединения, играющего лечебную роль в составе апробированного растения. Далее следовала разработка методик лабораторного синтеза этого соединения и его аналогов и оценка лечебного действия каждого из полученных таким образом веществ. Нередко синтезированные аналоги оказывались намного эффективнее, чем экстракты из исходных растений. Однако вся фармакология продолжала опираться только на лечебную практику, обеспеченную самой природой. В некоторых, иногда редких, а иногда и очень частых случаях заболеваний (например, раковых) природное обеспечение способов лечения отсутствовало, и медицина оказывалась бессильной. Стало ясно, что подлинная революция в ней произойдет в результате понимания на молекулярном уровне всего множества сложных химических процессов, идущих в живой клетке. Тогда откроется перспектива целенаправленной корректировки этих процессов с помощью химических соединений, синтезированных в лаборатории на основе такого понимания.

Попробуем вкратце рассмотреть некоторые представления о биохимии живой клетки, как они сложились к началу 50-х годов прошлого столетия прочную «третичную структуру» фермента, так и расположение каталитического, или, как говорят, «активного» центра на поверхности его глобулы. Наконец, что же может представлять из себя сам активный центр? Да ничего иного, кроме строго фиксированного пространственного расположения все тех же свободных и химически активных групп атомов аминокислот, поскольку ничего другого в составе белка, как правило, нет. Скольких аминокислот? Ниже мы увидим, что химическая структура всех аминокислот такова, что любая из них имеет только одну потенциально активную и свободную химическую группу. Силы связывания субстратов ферментативной реакции в активном центре должны быть невелики — ведь продукты реакции должны иметь возможность легко его покинуть. Разумно было предположить, что для удержания субстратов в активном центре на время протекания каталитической реакции достаточно трех-пяти слабых связей. Это означает, что в состав активного центра входит такое же количество аминокислот. Они (так же, как связующие глобулу аминокислоты) могут принадлежать к весьма удаленным друг от друга звеньям белковой цепи фермента, оказавшимся рядом на его поверхности. Мало того. Пространственное расположение активных групп этих аминокислот должно оказаться строго определенным для того, чтобы соответствовать пространственной конфигурации молекулы субстрата (или субстратов).

ДНК — двунитевые полимеры (у человека)

Не менее значительные успехи были достигнуты и в понимании механизма наследственности. Еще в 40-х годах господствовало мнение, что ее обеспечивают специальные белки. Затем было убедительно показано, что за сохранение и передачу потомству всех признаков вида (а также индивидуальных особенностей родителей, если процесс размножения двуполый) отвечает особое вещество — дезоксирибонуклеиновая кислота («ДНК»). У бактерий это вещество содержится в цитоплазме, а иногда еще в особых образованиях — кольцевых «плазмидах». У более высоко организованных существ — в клеточном ядре и (немного) в мито-хондриях. ДНК тоже оказались удивительно близкого элементарного химического состава у всех живых организмов. Физические свойства очень вязких водных растворов ДНК показали, что это гигантские молекулы, масса которых у высших организмов достигает нескольких сотен миллиардов дальтон и даже у бактерий измеряется миллиардами дальтон.

Для сопоставления имеет смысл представить таблицу размеров (число пар оснований) и молекулярных масс (в дальтонах) ДНК из разных источников.

Молекулы ДНК оказалось возможным даже «увидеть» с помощью электронного микроскопа. Они выглядят как очень длинные и тонкие «нити». Эти нити удалось расщепить на образующие их сравнительно низкомолекулярные составляющие — «нуклеотиды» (М= 320 дальтон). Таковых оказалось всего четыре типа. Структура нуклеотидов подсказывала, что они, подобно аминокислотам в белке, связываются между собой химически одинаковыми («фосфодиэфирными») связями в одномерные цепи. С учетом соотношения молекулярных весов ДНК и нуклеотидов эти цепи могут насчитывать более миллиона звеньев у бактерий и около 3-х миллиардов у человека. Вся наследственная информация должна содержаться («быть записанной») в такой цепи. Единственно возможный способ «записи» представляет собой определенное чередование четырех нуклеотидов. Этот способ не покажется недостаточным, если мы вспомним, что азбукой Морзе (чередование тире и точек) можно записать, к примеру, «Войну и мир».

Передача наследственной информации означает, в первую очередь, задание «первичной» структуры всех белков данного организма. То есть определение всей уникальной последовательности 20-ти аминокислот в цепи каждого из них. Отсюда вытекает необходимость «генетического кода». Четыре определенным образом чередующиеся нуклеотида должны однозначно определять положение каждой аминокислоты в цепи белка. Для этого необходимо использовать, как минимум, двадцать (по числу аминокислот) различных комбинаций из стоящих подряд нуклеотидов. Если предположить, что каждую аминокислоту будет определять последовательность четырех (любых) нуклеотидов, то таких возможных комбинаций окажется 256. Это — слишком много. Если бы «кодирующую» комбинацию образовывала последовательность двух нуклеотидов, то возможных комбинаций оказалось бы слишком мало — всего 16. Остается единственный вариант «кодирующей тройки» (триплета) нуклеотидов. Из четырех элементов можно образовать 64 различных комбинаций по три. Такие комбинации получили название «кодонов» в составе ДНК. Генетический код оказывается избыточным или, как говорят, «вырожденным». В среднем на каждую аминокислоту приходится по три возможных кодона (впрочем, распределение может и не быть равномерным). Такая избыточность еще не вносит столь катастрофической неопределенности, какую бы породили 256 комбинаций «кодирующих четверок». Однако в середине прошлого века концепция трехчленного генетического кода была не более, чем рабочей гипотезой.