Летопись важнейших открытий
Исследование структуры РНК
В настоящее время известна первостепенная роль рибонуклеиновой кислоты (РНК) в происхождении жизни на Земле и передаче наследственности. Однако основу современных представлений о РНК заложили первые исследования нуклеотидов, образующих эту молекулу. Нуклеотиды находятся в плазме клеток и ядре клеток хромосом. В комбинации с протеинами они образуют вирусные молекулы. Также нуклеотидами являются многие коферменты.
В конце 1868 г. швейцарский врач Ф.Мишер выделил из ядер лейкоцитов неизвестное вещество, которое назвал нуклеином, от слова «ядро». Примерно в это же время австрийский естествоиспытатель Г.И.Мендель пытается убедить ученый мир в значении своей работы. До середины XX столетия никто не предполагал, что эти два открытия тесно связаны между собой. Работа Менделя пребывала в забвении до 1901 г., а результаты исследований Мишера были опубликованы лишь после его смерти – в 1890 г. Незадолго до этого, в 1889 г., немецкий химик Р.Альтман предложил назвать нуклеин, полученный Мишером, нуклеиновой кислотой.
Мишер сделал открытие в лаборатории известного исследователя Ф.Гоппе-Зейлера. Оно было настолько необычным, что последний поручил своим сотрудникам проверить эксперимент. В результате публикация статьи Мишера «О химических свойствах гноя», в которой было описано открытие, задержалась на два года.
В 1879 г. в лаборатории Гоппе-Зейлера начал работать немецкий биохимик А.Коссель. В течение десяти последующих лет он выделил основные составные части нуклеина: аденин и гуанин – содержащие азот вещества, фосфорную кислоту и соединения углеводов. В 1910 г. работы Косселя с нуклеиновыми кислотами были отмечены Нобелевской премией по медицине и физиологии.
Затем исследования нуклеиновых кислот прекратились, изучение их огромного разнообразия казалось скучным и бесперспективным. С химической точки зрения нуклеиновые кислоты в течение долгого времени были плохо изучены, т. к. представляли слишком трудный объект исследования. Было известно, что эти длинные цепочки являются комбинацией четырех многократно повторяющихся единиц (нуклеотидов), а также сахара и фосфорной кислоты, но не было понятно, как они связаны между собой и какова роль фосфорной кислоты. Задача была очень трудной: комбинация трех сложных соединений в одну макромолекулу. Не было даже понятно, как подойти к решению этой химической проблемы.
Так продолжалось до 1944 г., когда биологи О.Т.Эйвери, К.Мак-Леод и М.Мак-Карти установили, что дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) является носителем генетической информации.
Их исследования составили одно из крупнейших открытий в современной биологии.
История этого открытия началась в 1928 г., когда молодой немецкий ученый Ф.Гриффит в ходе своих опытов смешал невирулентные (неболезнетворные) пневмококки с убитыми болезнетворными бактериями того же вида. Он заметил, что происходит какое-то взаимодействие, в результате которого живые микроорганизмы приобрели вирулентные* свойства. В 1944 г. Эйвери с коллегами повторил этот опыт, используя чистую ДНК, и обнаружил аналогичное превращение. Эксперимент доказывал, что нуклеиновая кислота сохраняет и передает признаки вирулентности и вообще наследственные признаки.
Известие об этой роли нуклеиновых кислот сразу привлекло к себе внимание ученых, среди них был известный английский химик-органик Александер Робертус Тодд. С этого времени он начал интенсивно исследовать первичную структуру нуклеиновых кислот.
В результате Тодд выяснил, каким способом связаны четыре азотных основания – аденин, гуанин, цитозин, тимин (в РНК вместо тимина содержится урацил) – с пятиатомным кольцом сахара рибозы или дезоксирибозы (в ДНК) и молекулой фосфорной кислоты.
Было установлено, что нуклеиновые кислоты – это длинные цепочки, состоящие из четырех многократно повторяющихся единиц (нуклеотидов). Их структуру можно представить следующим образом:
где Ф – фосфатная группа. Чередующиеся остатки сахара и фосфорной кислоты образуют сахарофосфатный остов молекулы, одинаковый у всех РНК, а огромное их разнообразие обусловливается тем, что четыре азотистых основания могут располагаться вдоль цепи в самой разной последовательности. В РНК сахар представлен рибозой, в ДНК – дезоксирибозой, содержащей на один атом кислорода меньше. Фрагменты полинуклеотидной цепи РНК и ДНК показаны на рисунке.
Рис. Первичная структура дезоксирибонуклеиновой
(а) и рибонуклеиновой (б) кислот
Комплекс из азотного основания (пуринового или пиримидинового), углевода (рибозы или дезоксирибозы) и остатка фосфорной кислоты называют нуклеотидом. Эти соединения не только являются составной частью нуклеиновых кислот, но и входят в состав ферментов в качестве активных групп коферментов.
Тодд исследовал структуру нуклеотидов по фрагментам, которые получались при частичной их деградации (разрушении) на более маленькие фрагменты, которые затем синтезировал, создавая разные комбинации сахара, основания и фосфорной кислоты, и сравнивал с продуктами распада. Такая схема исследования «разрушение–синтез» помогала установить и сопоставить структуры исходных и синтезированных продуктов.
Работа была блестяще выполнена. В ходе исследований были разработаны специальные методы, в частности фосфорилирование – введение фосфорной кислоты.
В последние годы фундаментальная роль фосфорной кислоты в биохимических процессах стала все более очевидной, и новые методы фосфорилирования, которые использовали в биосинтезе нуклеотида, имеют в настоящее время большое значение и в других областях.
Ученым была установлена принципиальная схема структуры нуклеиновых кислот, которая представляла длинную цепь, состоящую из углеводного компонента, фосфатного остатка, причем к каждой молекуле сахарозы прикреплено гетероциклическое ядро, как маленький кулон в виде какого-либо пуринового или пиримидинового основания. Таким образом, в молекуле получалось равное количество кислотных и основных групп. Различие между нуклеиновыми кислотами, как показали эксперименты, было обусловлено природным различием этих компонентов и их относительным расположением.
За свои исследования нуклеотидов Тодд был удостоен в 1957 г. Нобелевской премии по химии. В своей приветственной речи шведский ученый А.Фредга сказал: «Работы cэра Александера заложили фундамент будущего развития в этой области. Начиная с этих исследований, другие ученые развили представления об относительном расположении цепей, которые могут быть намотаны, как спираль, с азотными основаниями, направленными внутрь. Эта модель может объяснять, как цепь нуклеиновых кислот вызывает формирование другой подобной цепи или протеина. Разработанные методы синтеза успешно применяются для получения низкомолекулярных коферментов нуклеотида, среди них кофермент, участвующий в алкогольной ферментации и других биохимических процессах. Открыты пути для синтеза различных типов, встречающихся в природе. Так появилась возможность синтезировать коферменты со слегка измененной структурой и исследовать влияние этих модификаций на их биологическую активность, а следовательно, лучше понять действия ферментов».
В заключение, обращаясь к ученому, Фредга добавил: «Сэр Александер Тодд, возможно, химики-органики больше всего ценят ваши исследования по фосфорилированию. Мы знаем сегодня, что фосфорная кислота занята в важных биохимических процессах, но мы знаем очень мало о том, как это происходит. Несколько лет назад вы говорили о том, что методы, используемые живым организмом, заряжают все вокруг волшебством, благодаря недостатку наших знаний простой химии сложных эфиров фосфорной кислоты. Вы научились познавать эти сложные эфиры с удивительной простотой, и я уверен, что придет время и воздух волшебства полностью рассеется».
Л и т е р а т у р а
Волков В.А., Вонский Е.В., Кузнецова Г.И. Выдающиеся химики мира. Биографический справочник. Под ред. В.И.Кузнецова. М.: Высшая школа, 1991, 656 с.
Краткая химическая энциклопедия. Под. ред. И.Л.Кнунянц. М.: Советская энциклопедия, 1961.
Лауреаты Нобелевской премии. Энциклопедия. Пер. с англ. М.: Прогресс, 1992.
Чолаков В. Нобелевские премии. Ученые и открытия. Пер с болг. Под ред. А.Н.Шамина. М.: Мир, 1986, 368 с.
* * *
Тодд
Александер (02.X.1907 – 10.I.1997), известный шотландский
химик, родился в семье бизнесмена Александера
Тодда и Джин (Лэури) Тодд в Глазго. В этом городе
прошли детство и юность будущего ученого. После
окончания школы он поступил в университет.
Получив в 1928 г. степень бакалавра в области
органической химии, Тодд некоторое время работал
у Т.С.Пэторсона, а затем поступил в аспирантуру
университета во Франкфурте-на-Майне. Здесь он
продолжил свое обучение и в 1931 г. получил
докторскую степень за работы по химии желчных
кислот.
После защиты диссертации Александер вернулся в Англию и продолжил свои исследования в Оксфордском университете (1931–1934) уже как аспирант известного химика Р.Робинсона.
Основное внимание в эти годы Тодд уделяет изучению антоцианов – природных пигментов, придающих красную, синюю и фиолетовую окраску растениям. В это время многие ученые, среди них, в частности, известный немецкий химик-органик Р.Вильштеттер, занимались исследованием химической структуры и состава хлорофилла и антоцианов.
В 1933 г. за работы по синтезу пигментов цветков (роза, мальва, герань, василек, примула) Александер получает докторскую степень в Оксфордском университете. Проведенные в диссертации исследования убедительно показали, что синтез и разложение органических соединений не только являются дополнительными методами анализа химической структуры вещества, но и позволяют связать структуру молекул с их биологической функцией.
В 1934 г. ученый переехал в Шотландию и продолжил свои исследования в Эдинбургском университете в качестве ассистента кафедры медицинской химии.
Здесь под руководством профессора Дж.Баргера он исследует химическую структуру витамина В1 (тиамин) как незаменимого компонента пищи человека, отсутствие которого вызывает заболевание нервных клеток. В процессе жизнедеятельности тиамин действует как кофермент, необходимый для окисления углеводородов во время пищеварения. Александер в лаборатории Баргера синтезировал тиамин в кристаллическом виде, и эта технология вскоре стала применяться в английской фармацевтической отрасли промышленности для широкомасштабного производства витамина В1.
Двумя годами позже, т. е. в 1936 г., ученый переходит в Институт профилактической медицины Листера, где читает лекции по биохимии; с 1939 г. читает лекции в Лондонском университете.
Продолжая изучение витаминов, Тодд сосредоточил свое внимание на витамине Е (токоферол) и витамине В12 (цианкобаламин). Как известно, в организме витамин Е является антиоксидантом, стабилизирует биологические оболочки клеток, контролирует развитие эмбриона и помогает растворять жиры. Витамин В12 представляет собой кофермент, необходимый для нормального созревания красных кровяных клеток, поэтому его недостаток вызывает злокачественное малокровие. Работая в листеровском институте, Тодд устанавливает химическую структуру витамина В12 и также изучает лечебные свойства экстракта марихуаны (Cannabis sativa).
В 1938 г. Тодд принимает предложение Манчестерского университета и становится профессором химии и руководителем химических лабораторий. Одновременно он – профессор Калифорнийского технологического института, где читает лекции и проводит консультации. В Манчестере Тодд завершает свои исследования витамина Е и экстракта марихуаны, устанавливает (1939–1941) фурановую форму рибозы и р-конфигурацию гликозидного центра.
С 1939 г. Тодд работает с нуклеиновыми кислотами и нуклеотидными коферментами. Совместно со своим сотрудником он сделал важное открытие, обнаружив связь между химической структурой и реакционным механизмом нуклеиновых кислот. Они также синтезировали два важных нуклеотида: флавинадениндинуклеотид (ФАД) и аденозинтрифосфорную кислоту (АТФ). Как известно, ФАД является коферментом, участвующим в окислительно-восстановительных реакциях организма, а нуклеотид АТФ – источником энергии для биохимических реакций в живых клетках благодаря его способности выделять большое количество тепла при гидролизе фосфатных групп АТФ.
В 1942 г. Тодда избирают членом Лондонского королевского общества, а два года спустя он переходит в Кембриджский университет на должность профессора органической химии. Новая должность позволила сосредоточить контроль над университетскими химическими лабораториями в своих руках, т. е. осуществилось все, о чем он мечтал все эти годы: возможности, ответственность и власть дополняли друг друга. Благодаря работам Тодда и его коллег в течение этого периода (1940–1950-е гг.), а также исследованиям американских ученых Дж.Уотсона и Ф.Крика в 1950-е гг. была установлена структура рибонуклеиновой и дезоксирибонуклеиновой кислот.
О стремительном взлете достижений ученого за этот период свидетельствуют следующие результаты его экспериментальных работ. С 1941 по 1944 г. Тодд синтезировал все рибонуклеозиды и дезоксиуредин. В 1947 г. он осуществил синтез нуклеотидадениловой кислоты, провел ее фосфорилирование, получил аденозинди- и аденозинтрифосфаты. Совместно с американским биологом Х.Г.Кораной в 1953 г. применил дициклогексилкарбодиимид для синтеза пирофосфатов. В том же году совместно с английским химиком Д.М.Брауном предложил основную схему строения рибонуклеиновых кислот. В эти же годы установил строение 2',2'-циклофосфатов, осуществил (1955) первый синтез динуклеотида, содержащего 3'-5'-межнуклеотидную связь.
В 1954 г. Тодду присвоили звание пэра, а в марте 1962 г. – титул барона Трамрингтонского. В следующем году он возглавил Крайст-колледж и способствовал созданию при Кембриджском университете Черчилль-колледжа.
«За работы по нуклеотидам и нуклеотидным коферментам» в 1957 г. Тодду была присуждена Нобелевская премия по химии. В представительной речи от имени Шведской королевской академии наук А.Фредга сравнил проведенную Тоддом работу по установлению структуры нуклеотидов с возведением «прочного основания... для будущего развития в этой области науки. Опираясь на эту работу, другие ученые выдвинули потрясающие теории строения цепей из кислот и оснований, а также модели пространственной структуры в виде спирали…».
Тодд был удостоен большого числа наград, среди них – медаль Лавуазье Французского химического общества (1948), медаль Дэви (1949) и Королевская медаль (1955) Лондонского королевского общества, медаль Лонгстаффа Британского химического общества (1963), медаль Копли Лондонского королевского общества (1970) и золотая медаль имени М.В.Ломоносова Академии наук СССР (1979).
Тодд активно участвует в международных научных проектах; он являлся президентом Международного объединения чистой и прикладной химии. В течение ряда лет ученый состоял председателем Британского национального комитета по химии, участвовал во многих правительственных комиссиях. С 1950 по 1973 г. ученый был распорядителем Фонда Наффилда, который финансирует научные исследования в Великобритании. В 1952 г. он был избран председателем правительственного Консультативного совета Великобритании по научной политике, с 1975 по 1980 г. – президент Лондонского королевского общества.
Тодд состоял членом многих других профессиональных обществ: член Нью-Йоркской академии наук (1959), товарищ Королевского австралийского химического института (1960), президент Химического общества в Лондоне (1960–1962).
Ученый являлся почетным членом Лондонского химического общества, Национальной академии наук (Великобритания), Американской академии искусств и наук, Австрийской академии наук и Испанского совета научных исследований, а также Французского, Немецкого и Испанского химических обществ.
Александер Тодд был женат (1937) на Элисон Саре Дейл. У супругов было трое детей: сын, Александр Генри, и две дочери, Элен Джейн и Хилари Алисон.
И.А. Вишневская
*Вирулентность – степень болезнетворности данного микроорганизма.