Белки оказались наиболее сложно устроенными молекулами жизни. Кроме углерода, кислорода и водорода белки содержат значительные количества азота и серы, а некоторые из них способны прочно удерживать атомы определенных металлов, таких, как цинк или железо. Неудивительно, что именно белки привлекли особое внимание исследователей жизни, и не только потому, что они так сложно устроены. Вскоре произошли открытия, позволившие считать белки центральной, самой важной из всех "жизненных" молекул.
Одна из характерных черт живого - подвижность - привлекала внимание человека задолго до открытия белков. В XVII-XVIII веках ученые выяснили, что причина этого в химических реакциях, которые в организме идут значительно быстрее, чем в неживой природе. Углекислый газ и вода в клетках растений быстро превращаются в сахара, белки и жиры, а те, будучи съедены животными, позволяют им быстро двигаться и строить новые белки, сахара и жиры для собственных клеток.
Постепенно становилось понятным, что какой-то механизм ускоряет химические реакции в живой материи и делает ее резко отличной от всего неживого. Вещества, способные ускорять химические реакции, - катализаторы (от греческого слова, означающего "разрушение") были известны еще с XVIII века. Они, хотя и остаются неизменными в конце реакции, обладают способностью ее многократно ускорять. Химики предположили, что по аналогии с превращениями неорганических веществ такие же катализаторы могут присутствовать и в живых тканях, ускоряя процессы метаболизма. Гипотеза блестяще подтвердилась в 1833 году, когда французский химик Ансельм Пайен (1795-1871) выделил из проросшего зерна вещество, которое он назвал "диастаз". Диастаз обладал свойствами превосходного катализатора: в его присутствии крахмал из зерен разлагался на простые сахара во много раз быстрее.
Как вы уже, наверное, догадались, и диастаз, и великое множество биологических катализаторов, открытых после него, оказались белками. Им было дано специальное название - ферменты (или энзимы), что переводится с двух великих древних языков, латинского и греческого, одинаково - "закваска".
С момента обнаружения этих замечательных свойств молекула белка поднялась на недосягаемую высоту и стала считаться "эссенцией жизни". Неудивительно, что именно белок стал первым кандидатом на звание прародителя всех организмов. Без белка немыслима жизнь, а значит, как казалось ученым, немыслимо и само ее зарождение.
Окончательно такие представления о "белково-клеточных" истоках жизни оформились в теории, созданной в 20-х годах XX века советским биохимиком А. И. Опариным и английским исследователем Дж. Холдейном. Они предположили, что в условиях молодой Земли, где, по современным представлениям, атмосфера состояла из метана, углекислого газа, циановодорода, молекулярного водорода и была насыщена парами воды, могли спонтанно образовываться аминокислоты - основные структурные молекулы, из которых состоят все белки. Представить такой процесс несложно: ведь аминокислоты достаточно просты по строению (забегая вперед, скажем, что возможность образования аминокислот из неорганических компонентов была впоследствии подтверждена экспериментально). Затем, по мысли авторов гипотезы, такие аминокислоты могли объединяться, образуя короткие молекулы белков. Те, в свою очередь, "склеиваясь" друг с другом, образовывали сгустки (коацерваты), свободно плавающие в первобытном океане. Такие коацерваты, возможно, могли расти, и от них могли отделяться дочерние коацерваты. При этом наверняка у некоторых из белковых молекул могли проявляться свойства ферментов. Таким образом, коацерватный сгусток явно напоминал примитивную клетку. Теория Опарина-Холдейна стала необычайно популярной.
Существовал, однако, один важнейший вопрос, на который сторонники белкового происхождения жизни долгое время закрывали глаза: как могли белки, обладающие полезными свойствами ферментов, хранить и передавать информацию об этих полезных свойствах другим белкам? Иными словами: как мог осуществляться механизм наследственности? И здесь снова необходимо небольшое отступление в историю науки.
Опубликованный в 1859 году эпохальный труд Чарльза Дарвина "Происхождение видов путем естественного отбора" указал на особую важность процессов изменчивости и наследственности в эволюции живого. Тут же начались интенсивные поиски материальных носителей этих механизмов. Что определяет "признак", например цвет глаз, кожи или волос у животных? Почему дети похожи на своих родителей? Почему, благодаря какому механизму сохраняются и передаются свойства клеток и целых организмов?
В 40-х годах XIX века Маттиас Шлейден, один из отцов положения об универсальности клеточного строения всего живого, не имея в своем распоряжении достаточно хороших линз для микроскопа, описывал образование дочерней клетки как "отпочковывание" ее от ядра клетки-родительницы. Хотя это наблюдение было вскоре признано неверным, авторитет Шлейдена заставил ученых внимательнее изучить процессы, происходящие в ядре клеток. В 70-х годах того же XIX века немецкий цитолог Уолтер Флемминг заметил, что при окрашивании клетки одним из синтетических красителей внутри ядра можно обнаружить пятна, окрашенные гораздо сильнее, чем окружающее вещество. Флемминг назвал окрашенную субстанцию хроматином (от греческого слова "цвет" или "цветной"). В процессе клеточного деления строение хроматина менялось: он распадался на ряд хорошо видных отдельных телец, названных хромосомами. В самом начале XX века американский биолог Уолтер Саттон обнаружил, что поведение хромосом хорошо согласуется с распределением наследственных признаков, как их описал основоположник генетики Грегор Мендель: каждый вид характеризуется строго определенным числом хромосом, которое сохраняется у потомков; при половом размножении в дочернюю клетку всегда попадает одна хромосома от отца и одна от матери.
Постепенно становилось ясно, что именно в хромосомах следует искать "материал наследственности". Что же он собой представляет?
В конце XIX века было показано, что и хроматин и хромосомы состоят из белков и молекул нуклеиновых кислот (от слова "нуклеус" - ядро). Как мы уже знаем, незадолго до Дарвина были открыты удивительные свойства белков, поэтому не приходится удивляться, что из двух возможных претендентов на звание носителя наследственности ученый мир, нимало не сомневаясь, выбрал белки. На некоторое время именно белки в хромосомах стали считать ответственными за передачу наследственных признаков. Отчасти это объясняет и выбор белков как носителей информации в теории Опарина и Холдейна: ведь истинный "носитель" в момент создания теории еще не был найден.
Положение кардинально изменилось лишь в 1944 году, когда ученые под руководством американского бактериолога Освальда Эвери в опытах с бактериями убедительнейшим образом продемонстрировали, что именно нуклеиновые кислоты (в данном случае дезоксирибонуклеиновая кислота, ДНК) отвечают за передачу наследственных свойств. Белки были лишены звания "молекул жизни" и низведены до немного обидного положения "прислуги за все". Началась эра молекулярной биологии.
В 1953 году английские ученые Джеймс Уотсон, Френсис Крик и Морис Уилкинс открыли способ укладки ДНК, давший ключ к пониманию принципа передачи генетической информации. Молекула ДНК оказалась очень длинной (по масштабам клетки) двухнитчатой спиралью, закрученной вокруг своей оси. Когда клетке необходимо разделиться, она непосредственно перед этим копирует молекулы ДНК в своих хромосомах. При этом две нити ДНК расходятся, и на каждой из них, как на матрице, собирается дочерняя нить, в точности повторяющая ту, что была соединена с данной нитью в родительской клетке. В итоге появляются две идентичные дочерние хромосомы, которые при делении распределяются по разным клеткам. Так происходит передача наследственных признаков от родителей потомкам у всех клеточных организмов, имеющих ядро.
Итак, если ДНК играет ключевую роль для живого, почему бы не предположить, что именно она была той молекулой, которая и дала начало самой жизни? Если так, то ДНК должна соответствовать "минимальному набору критериев живого": хранить и передавать информацию о своей структуре и происходящих в ней изменениях в ряду генераций (поколений).
Что же на самом деле умеет ДНК? Опыты Эвери показали, что с помощью ДНК можно передать какое-либо новое, нехарактерное для данного организма свойство. Но как это происходит внутри клетки? Какая информация и каким образом "закодирована" внутри ДНК? Как она может "считываться" и распределяться по всей клетке?
