Современный уровень понимания функционирования ДНК достигнут благодаря совместным усилиям раз­личных наук. Из биологии было из­вестно, что передача наследственной информации напрямую связана с хро­мосомами — сложными объектами, расположенными в клеточном ядре. Эта информация закодирована в большом количестве генов — единиц наследственности. Но что представля­ют собой гены, и каким образом они выполняют свои функции? Это стало ясно в 40-х гг. XX в. после опытов Эйвери. Если молекула ДНК способна передавать наследуемые свойства от одной бактерии к другой, значит, ге­ны и ДНК — одно и то же, другими словами, гены это отдельные участки ДНК. А хромосома, как выяснилось позднее, — это одна очень длинная молекула лвухцепочечной ДНК.

В молекуле ДНК, содержащей от нескольких миллионов до нескольких миллиардов нуклеотидных пар, сосре­доточено большое количество генов. Общее число генов можно оценить у таких простых организмов, как бакте­рии. Эти организмы не имеют ядра, иих единственная хромосома располо­жена в цитоплазме. Подсчитано, на­пример, что ДНК кишечной палочки, состоящая из 4 млн. нуклеотидных пар, включает от 3000 до 5000 генов. Если предположить, что кишечная па­лочка содержит 3000 генов, то каждый образует примерно 1300 нуклеотидных пар (4 000 000:3000). Тот факт, что пары оснований в двойной спира­ли ДНК расположены на расстоянии 0,34 нм друг от друга, позволяет рас­считать физическую длину гена: 0,34 нм•1300=440 нм, или 0,44 мкм. Поскольку молекулярная масса од­ной нуклеотидной пары составляет примерно 650, то молекулярная мас­са среднего гена кишечной палочки 650•1300=845000.

Цепи ДНК могут быть очень и очень длинными. Например, в ДНК кишечной палочки Escherichia coli насчитывает­ся 4 млн. нуклеотидов, а в ДНК челове­ка — 5 млрд.! Запись нуклеотидной по­следовательности ДНК кишечной палочки в однобуквенном обозначении заняла бы 2200 страниц, а чтобы запи­сать последовательность ДНК челове­ка потребовалось бы 2 800 000 страниц. Линейная длина ДНК, содер­жащейся в клетке кишечной палочки, составляет 0,0014 м, или 1,4 мм, а че­ловека — 1,7 м. Несмотря на огром­ную протяжённость, молекула ДНК имеет маленький поперечный размер: её диаметр 2 нм. Это значит, что если толщину молекулы ДНК увеличить до толщины человеческого волоса и при этом пропорционально увеличить её длину, то этим «волосом» можно было бы опоясать земной шар по экватору! Длина молекулы ДНК намного пре­восходит величину не только клеточно­го ядра, но и всей клетки.

Исходя только из химической струк­туры ДНК невозможно определить механизм передачи генетической ин­формации. Для функционирования такой сложной молекулы важна не только химическая природа состав­ляющих её элементов, но и форма, ко­торую принимает в пространстве хи­троумно уложенная цепь. Учёные понимали, что ключ к разгадке того, как работает ДНК, находится в её про­странственной структуре.

Первым шагом на пути к разгадке секрета этой структуры стали резуль­таты экспериментов американского биохимика Эрвина Чаргаффа (родил­ся в 1905 г.). Он изучал содержание и состав ДНК в различных организмах и установил в 40-х гг. ряд важных закономерностей. Во-первых, в ДНК, выделенной из разных клеток одного организма, процентное содержание нуклеотидов А, Т, Г и Ц (биохимики называют его нуклеотидным составом ДНК) одинаковое. Это значит, что лю­бая клетка содержит полный набор информации обо всём организме. Во-вторых, у каждого биологического вида своё характерное соотношение (Г + Ц) : (А + Т), которое всегда оста­ётся постоянным. У разных видов оно колеблется от 22 до 74%. И в-третьих, в любой ДНК независимо от вида ор­ганизма число остатков А всегда рав­но числу остатков Т, а число остатков Г — числу остатков Ц. Исходя из это­го, учёные сделали вывод, что основа­ния в ДНК встречаются попарно: если есть остаток А, то обязательно должен быть остаток Т, точно так же, как по­явление Г вызывает появление Ц.

Решающий эксперимент выполни­ли английские исследователи Розалин Элси Франклин (1921—1958) и Морис Хью Фредерик Уилкинс (родился в 1916 г.). Им удалось получить рентге­нограмму волокон ДНК. На снимке чётко виден крест в середине, а также сильно затемнённые зоны в верхней и нижней частях. Когда рентгеновские лучи проходят через кристалл, они от­клоняются от прямолинейного движе­ния (или, как говорят физики, претер­певают дифракцию) из-за ядер атомов, встречающихся на их пути. По откло­нениям лучей можно определить рас­положение (координаты) атомов в исследуемом кристалле. В молекуле ДНК очень много разных атомов, по­этому дифракционная картина чрез­вычайно сложная.

Крест в центре рентгенограммы го­ворит о том, что молекула ДНК свёрнута в спираль. Любая спираль — это повторяющаяся структура. В молекуле | ДНК на каждом новом витке атомы по­вторяют в пространстве положение атомов на предыдущем витке. Мини­мальное расстояние между двумя повторяющимися точками спирали называется её периодом. Период спи­рали ДНК оказался равен 3,4 нм.

Итак, после экспериментов Чаргаффа и Уилкинса выяснилось, что основания в ДНК образуют пары, а сама молекула свёрнута в спираль. Те­перь перед учёными стояла задача предложить такую модель структуры ДНК, которая соответствовала бы ре­зультатам этих исследований и объ­ясняла, как генетическая информация может передаваться по наследству с помощью ДНК.

При всём сходстве химического стро­ения молекулы ДНК и РНК выполня­ют совершенно разные функции в клетке. За хранение и передачу гене­тической информации отвечает ДНК, а РНК — лишь посредник в процессе считывания этой информации. Так как молекула ДНК имеет огромные размеры и очень плотно упакована в ядре, то извлекать информацию непосредственно из неё неудобно. А главное, клетке не всегда нужна пол­ная информация, иногда требуется считать лишь отдельные сведения. Очень наглядна аналогия ДНК с ги­гантской библиотекой, в которой со­браны все литературные произведе­ния. Ведь если требуется прочитать одно конкретное сочинение, напри­мер «Преступление и наказание», удобнее взять отдельный том, а не пол­ное собрание мировой литературы.

ДНК — полное собрание наследственной информации, РНК — отдельный том.

Клетка пошла по такому же пути. В на­шем примере отдельная книга — это молекула РНК.

РНК — почти полная копия ма­ленького кусочка ДНК, с которого считывается генетическая информа­ция. Разница между ДНК и РНК состо­ит только в структуре углеводных ос­татков и одного из оснований. Но эта небольшая разница в строении при­водит к значительным различиям в свойствах. Из-за того что углеводный остаток РНК содержит 2'-гидроксиль-ную группу, эта молекула, в отличие от устойчивой ДНК, легко подвергается гидролизу в клетке. Она живёт всего несколько минут, но этого достаточно, чтобы считать генетическую инфор­мацию. Нестабильность РНК — от­нюдь не недостаток, а ценное свойст­во, которое позволяет регулировать её количество в клетке. Чем важнее генетическая информация, тем боль­ше образуется РНК-копий. Но если данная информация вдруг утратит свою значимость, РНК быстро исчез­нет, и клетка не будет отвлекаться на считывание «ерунды».

Помимо углеводов, на упаковке пи­щевых продуктов обычно указывает­ся содержание жиров и белков. Жи­ры представляют собой основное резервное топливо (его ещё называ­ют «энергетическим депо») живых организмов. Как правило, клетка на­чинает извлекать энергию из жи­ров, когда исчерпан запас углеводов. Происходит это в клетках печени, почек, сердечной и скелетных мышц. У голодающих животных, пребываю­щих в состоянии спячки, у перелёт­ных птиц жир — главный источник энергии.

Молекулы триглицеридов (основы жиров) состоят из связанных друг с другом молекул глицерина и жирных кислот — органических соединений, содержащих чётное число атомов уг­лерода (от 14 до 22) и карбоксильную группу, из-за которой они и называют­ся кислотами. Жиры расщепляются организмом на жирные кислоты и глицерин. Дальше их пути в клетке временно расходятся. Из глицерина образуется 1,3-дифосфоглицериновая кислота, и в таком виде он включает­ся в гликолиз. А жирные кислоты окисляются; при этом от них отщепляются фрагменты, содержащие по два атома углерода. Эти фрагменты участ­вуют в .цикле Кребса. Здесь остатки жирных кислот встречаются с остат­ками глицерина и уже все вместе пре­вращаются в углекислый газ.

На передаче электронов молекуле кислорода «приключения» глюкозы в клетке заканчиваются. Из каждой об­разовавшейся при распаде глюкозы молекулы НАД•Н получаются три мо­лекулы АТФ, а из каждой молекулы ФАД•Н₂ — две молекулы АТФ. Всего одна молекула глюкозы даёт клетке десять молекул НАД•Н и две молеку­лы ФАД•Н₂. Если учесть, что при рас­паде глюкозы до углекислого газа синтезировались ещё четыре АТФ, всего образуется 38 молекул АТФ на одну молекулу глюкозы (4+10•3+2•2).

«Доход» аэробной клетки от одной молекулы глюкозы.

Аэробная клетка запасает 1163 кДж свободной энергии (30,6•38) с одно­го моля глюкозы. А выделяется за счёт окисления кислородом одного моля глюкозы около 2850 кДж. Зна­чит, КПД «аэробной машины» по вырабатыванию энергии равен при­мерно 40% (1163: 2850•100%). КПД «анаэробной машины», в которой всё заканчивается на стадии гликолиза, составляет приблизительно 30% -верхний предел бензинового двигате­ля внутреннего сгорания. КПД 40% характерен для более экономичных дизельных двигателей. Так что можно сказать, что в анаэробах действуют природные «бензиновые двигатели», а в аэробах — природные «дизели». Но главное достижение природы, соз­давшей после анаэробов аэробные организмы, совсем не в этом. Благо­даря дыханию организм извлекает из одного и того же количества глюко­зы почти в 20 раз больше энергии, чем при брожении!

Строение ФАЛ в чём-то напомина­ет НАД (это тоже динуклеотид), но в целом оно сложнее.

ФАД, как и НАД, можно пред­ставить реагирующим с двумя ато­мами водорода:

ФАД+2Н®ФАД•Н₂.

Но в отличие от своего «коллеги» ФАД не отпускает на свободу даже ион водорода: он забирает его к се­бе вместе со вторым электроном. НАД и ФАД принимают участие в разных реакциях. Например, ФАД получает свои электроны при пре­вращении одинарной связи между атомами углерода в двойную связь:

—СН₂—СН₂—+ФАД ®—СН=СН—+ФАД•Н₂.

У аэробов, так же, как и у анаэробов, глюкоза проходит через реакции гли­колиза. Но на завершающей стадии из пировиноградной кислоты не образуется молочная кислота или спирт. В организмах аэробов с пировиноградной кислотой начинают происхо­дить «приключения», ещё более увле­кательные и захватывающие, чем гликолиз. В некоторых из этих хими­ческих реакций участвуют не только продукты превращений пировиноградной кислоты, но и молекулы дру­гой кислоты — щавелевоуксусной.

Во многих анаэробах молочная кисло­та — конечный продукт превращения глюкозы. И она же является той орга­нической молекулой, которая в конце концов принимает на себя электроны. Поэтому получение молочной кисло­ты из глюкозы называется молочно­кислым брожением. Клетки анаэробов выделяют её в окружающую среду как шлак При большой физической на­грузке молочная кислота образуется в условиях недостатка кислорода и у высших организмов. Это происходит в клетках мышечных тканей. Молоч­ная кислота должна удаляться из них с кровью, иначе наступает переутом­ление мышц. Позднее в печени молоч­ная кислота вновь превращается в глюкозу.

Как мы помним, реакции, связанные с переводом энергии в АТФ, представля­ют собой реакции окисления. В клет­ке есть специальная молекула, которая

играет по отношению к электронам ту же роль, что АТФ по отношению к энергии. В одних реакциях она при­нимает электроны, в других — отдаёт. Имя клеточного аккумулятора элект­ронов — никотинамидадениндинуклеотид, сокращённо — НАД.

Гликолиз протекает таким обра­зом, что НАД сначала принимает электроны, а затем его восстановлен­ная форма, которую обозначают НАД•Н, снова окисляется. При восста­новлении одной молекулы НАД до НАД•Н выделяется энергия, достаточ­ная для образования высокоэнергети­ческой связи в одной молекуле 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (та самая энергия, которая потом запаса­ется в виде АТФ). На каждую молеку­лу глюкозы приходится две молекулы НАД•Н. Обратное окисление НАД•Н в НАД происходит на последней стадии гликолиза. В результате этой реакции из пировиноградной кислоты образу­ется молочная кислота.

Молекула НАД состоит из двух нуклеотидов. Один из них содержит основа­ние аденин, присутствующее в нуклеотидах ДНК, а другой — положительно заряженное соединение никотинамид, который и определяет способность НАД быть аккумулятором электронов. Никотинамид может приобретать два электрона в некоторых окислитель­но-восстановительных реакциях, ко­торые протекают в организме. Услов­но можно представить, что НАД реагирует с двумя атомами водорода. Каждый такой атом имеет по одному электрону. Один атом водорода никотинамид забирает к себе полностью, а другой отпускает, предварительно ото­брав у него электрон. В итоге никотинамид получает два электрона:

НАД⁺+2Н®НАД•Н+Н⁺.

На самом деле, НАД, конечно же, вступает в реакцию не с атомами во­дорода. Вот как, например, протекает реакция окисления альдегидной груп­пы до карбоксильной:

Клетка запасает энергию в АТФ с по­мощью катаболических реакций, в основном это реакции окисления. Попавшие в клетку пищевые молеку­лы отдают электроны специальным веществам, которые тоже в свою оче­редь окисляются. Эстафетная переда­ча электронов, безусловно, не беско­нечна. У многих организмов, в том числе и у человека, электроны в кон­це концов достаются молекуле кисло­рода. Кислород попадает в наш орга­низм из воздуха через лёгкие. Смысл дыхания как раз и состоит в окисле­нии органических молекул кислоро­дом. В результате дыхания химиче­ская энергия запасается в молекуле АТФ. Живые существа, использу­ющие кислород для извлечения энер­гии, называются аэробами (от греч. «аэр» — «воздух»).

Некоторые организмы, например дрожжи, могут обходиться без кисло­рода. Есть и такие, для которых кис­лород просто ядовит. Они получили название анаэробы. К ним относятся некоторые виды бактерий и низших беспозвоночных. Чтобы спрятаться от кислорода, они обитают глубоко в почве, низших слоях водоёмов или в морском иле. Тем не менее энергию анаэробы всё же получают: обогаще­ние энергией в отсутствие кислорода называется брожением. В этом случае электроны достаются не кислороду, а органической молекуле. Большинство учёных считают, что жизнь появилась на Земле ещё в те времена, когда её атмосфера была лишена кислорода. Поэтому, скорее всего, брожение воз­никло раньше, чем дыхание. Это ис­торически первый способ извлечения энергии живыми организмами.