В 1953 г. произошло важное событие в истории биологической науки. На основе результатов рентгеноструктурного анализа ДНК Уотсон и Крик достаточно убедительно показали, что ее «нативные» молекулы представляют собой не одну, а две параллельно идущие цепи, связанные между собой относительно слабыми связями (при нагревании раствора ДНК до 90 °С или при обработке 0,3 М NaOH эти цепи разделяются — молекула ДНК «денатурирует»). Анализ химической структуры нуклеотидов показывал, что такого рода «спаривание» цепей возможно посредством относительно слабых «водородных связей» между нуклеотидами, находящимися в двух «комплементарных» цепочках ДНК. (С такими связями мы познакомимся немного позже). За спаривание цепей ДНК «отвечают» химически активные группы в нуклеотидах. Это обеспечивает сохранность структуры всей молекулы ДНК, а значит и записанной в ней наследственной информации в течение всего времени жизни клетки. Ввиду различия пространственных размеров нуклеотидов (два из них крупнее, чем два других) условие параллельности цепей исключало возможность спаривания двух одинаковых нуклеотидов, а только одного из крупных с одним из малых в каждой паре. Это означало, что последовательности нуклеотидов в спаренных цепях ДНК не могут быть одинаковыми. Отсюда, в свою очередь, вытекало предположение, что если одна из цепей ДНК несет в себе информацию для синтеза белка (назовем ее «значащей» или «кодирующей» цепью), то вторая — выполняет только защитную функцию. В начале 50-х годов ученые еще не представляли себе механизма «считывания» наследственной информации с ДНК и передачи ее в систему белкового синтеза. Тем не менее, было ясно, что этот механизм должен быть связан с полным или локальным освобождением значащей цепи ДНК от ее «защиты».

«Двунитевая» структура ДНК подсказывала и удобную модель ее «редупликации» — удвоения количества ДНК перед делением клетки, при условии сохранения всей наследственной информации в каждой из дочерних клеток. Предполагалось, что две нити ДНК расходятся и каждая из них служит «шаблоном» для «комплементарного» (дополнительного) синтеза второй нити. Комплементарность в этом случае означает более строгое требование: не просто постановку в новосинтезируемой нити крупного нуклеотида против мелкого, но однозначность пар нуклеотидов. То есть для четырех нуклеотидов, которые пока обозначим А, В, С и D, в силу их химического строения оказывались возможными только две пары, например, А—В и С—D. Нетрудно сообразить, что в этом случае по шаблону кодирующей нити будет синтезироваться защитная нить, точно такая, как в исходной молекуле ДНК, а по шаблону защитной нити будет синтезироваться полноценная кодирующая нить. Если при этом обе новообразованные пары нитей останутся комплементарно связанными, то они окажутся точными копиями «материнской» двунитевой ДНК.

Эта красивая (и, как потом убедились, верная) гипотеза тут же натолкнулась на, казалось бы, непреодолимое возражение. Дело в том, что результаты рентгеноструктурного анализа, расшифрованные Уотсоном и Криком, совершенно определенно указывали еще и на то, что двойные нити ДНК свернуты в довольно плотные спирали с шагом в 3,4 миллимикрона при диаметре спирали -2 миллимикрона. Для того, чтобы разъединить две нити ДНК очевидно надо было бы сначала раскрутить спираль, насчитывающую сотни тысяч, а то и сотни миллионов витков. (В каждый виток укладывается десять пар нуклеотидов.) Трудно вообразить себе каким образом такая спираль может быть раскручена.

РНК — однонитевые полимеры с массой до 4 миллионов дальтон

В начале 60-х годов появились и первые сведения об участниках самого процесса белкового синтеза. В цитоплазме клеток были обнаружены молекулы рибонукленовой кислоты («РНК»), очень похожие по своему составу и строению на ДНК. Они представляют собой тоже цепочки чередования четырех нуклеотидов — таких же, как в ДНК, за исключением одного из них, впрочем, отличающегося лишь незначительно. Главное отличие заключается в том, что в состав нуклеотидов ДНК входит некий «сахар» — дезоксирибоза, а в нуклеотидах РНК его место занимает рибоза, имеющая на одну ОН-группу больше.

Часть молекул цитоплазменных РНК оказались довольно крупными и нестабильными («короткоживущими»). Притом определенно однонитевыми. Поскольку в клетке синтез одних ферментов может сменять синтез других (рост, изменение питания и пр.), в этих нестабильных молекулах РНК заподозрили переносчиков наследственной информации от ДНК к белку. Их назвали «информационными» (иРНК). Гипотеза о механизме редупликации ДНК подсказывала возможный способ считывания и переноса этой информации. Можно было предположить, что на участке ДНК, кодирующем синтез определенного белка (на участке «гена»), по шаблону нити, которую мы ранее назвали «защитной», синтезируется молекула иРНК. Очевидно, что последовательность нуклеотидов в ней будет точно повторять последовательность кодирующей нити. Таким образом, информация на синтез определенного белка перейдет на иРНК, и вместе с ней может быть из ядра перенесена в цитоплазму. Разумеется, в этом случае нити ДНК тоже должны разойтись, хотя бы на участке гена.

Кроме крупных молекул иРНК (ген может насчитывать несколько тысяч нуклеотидов) в цитоплазме были найдены малые (длиной менее сотни нуклеотдиов) и стабильные молекулы РНК. Им приписали роль переносчиков аминокислот к месту синтеза белка и потому назвали «транспортными» (тРНК).

Само место синтеза были основания связать с обнаруженными в цитоплазме с помощью электронного микроскопа довольно крупными, — порядка 25 тр. в диаметре, — частицами, которые были названы «рибосомами». (В их составе оказались и белки, и какие-то еще специфические РНК.) Однако до ясного понимания механизмов ферментативного катализа, редупликации ДНК и белкового синтеза было еще очень далеко.

Впрочем, одно поразительное открытие было уже сделано. Хотя описанные выше представления об основных процессах жизнедеятельности еще были только рабочими гипотезами, обоснование этих гипотез можно было с равным успехом почерпнуть из изучения любых живых организмов от бактерий до человека. Во всех случаях белки, ДНК и РНК имеют примерно одинаковый элементарный состав и представляют из себя одинаково построенные цепи соответственно из 20-ти свободно чередующихся аминокислот или 4-х нуклеотидов. Даже размеры белков, несмотря на различие размеров целых организмов, оказались одного порядка величины. (Чего нельзя сказать о ДНК, что и понятно, поскольку необходимое количество наследственной информации напрямую связано со сложностью организма). Было показано, что целый ряд ферментов, катализирующих одни и те же реакции в клетках высших и низших организмов, по своим физическим и химическим параметрам похожи друг на друга. И даже порой оказывались взаимозаменяемыми в реакциях, осуществляемых «in vitro» (в пробирке). Имелись также достаточные основания предполагать, что редупликация ДНК и синтез белка в любых живых клетках происходят сходным образом. Природа оказалась очень экономной в отборе средств реализации жизни!