40-е годы ознаменовались коренным изменением взгляда на структуру нуклеиновых кислот; до этого предполагалось, что все кислоты построены из одинаковых тетрануклеотидных блоков и потому лишены специфичности. Отказ от этого представления произошел в результате детального исследования структуры нуклеиновых кислот, в которых первые крупные достижения принадлежали Д. Гуланду (Англия) и Э. Чаргаффу (США). Чаргаффу в 1949–1951 гг. удалось показать, что нуклеиновые кислоты обладают специфичностью, т. е. что кислоты, полученные из разных биологических источников, различаются по своему составу. Кроме того, Чаргафф установил важное правило относительно содержания пуриновых и пиримидиновых оснований в молекуле ДНК. Изучая различные ДНК, он открыл, что во всех ДНК независимо от происхождения количество пуринов (аденина и гуанина) равно количеству пиримндинов (цитозина и тимина), что является следствием равенства количества аденина и тимина (А = Т) и равенства количества гуанина и цитозина (Г — Ц), в то время как специфичность ДНК определяется величиной отношения А + Т/Г+Ц. Результаты, полученные Чаргаффом, создали предпосылку расшифровки молекулы ДЙК, которую произвели в 1953 г. Ф. Крик (Англия) и Д. Уотсон (США).
Уотсону и Крику удалось построить модель молекулы ДНК, напоминающую двойную спираль. Если эту спираль развернуть в плоскость, то полученная структура будет напоминать лестницу, у которой перекладины представляют собой пурино-пиримидиновые пары, а направляющие — чередование молекул сахара и фосфатных групп. Правила Чергаффа ограничили число возможных комбинаций пар оснований, поскольку аденин всегда должен соединяться с тимином, а гуанин — с цитозином. Таким образом, оказалось, что строение одной ветви молекулы ДНК целиком определяет строение другой ветви, поскольку последовательность оснований, примыкающих к одной из направляющих, однозначно определяет последовательность оснований, примыкающих к другой направляющей. Это важное свойство молекулы ДНК, названное комплементарностыо (дополнительностью), определяет генетическую функцию молекулы.
Для дальнейшего процесса становления молекулярной биологии большое значение имела работа по расшифровке механизмов репликации ДНК и транскрипции, Уотсон и Крик предположили, что репликация (воспроизведение) молекулы происходит следующим образом: двойная спираль раскручивается и составляющие ее нити расходятся, разделяясь в местах соединения оснований. Затем на каждой из нитей в соответствии с правилами комплементарности образуется новая молекула. В 1957 г. американский биохимик А. Кронберг провел биосинтез ДНК с помощью репликации, подтвердив тем самым гипотезу Крика и Уотсона. Для того чтобы осуществить этот процесс, Кроибергу понадобилось выделить фермент, катализирующий его. За открытие этого фермента — полимеразы — и синтез ДНК Кропберг в 1959 г. получил Нобелевскую премию по медицине (он разделил ее с С. Очоа, который провел биосинтез РНК).
Генетическая информация кодируется в ДНК с помощью четырех символов (оснований), располагающихся в определенной последовательности. Однако, поскольку существует 20 основных белковых аминокислот, следующей задачей было выяснить, каким образом запись на четырехбуквенном алфавите в ДНК переводится в запись на двадцатибуквенном алфавите в белках.
Решающий вклад в решение этой проблемы был сделан Г. А. Гамовым в 1954 г. Он предположил, что каждая аминокислота кодируется сочетанием из трех нуклеотидов (нуклеотид представляет собой элементарный мономер ДНК, состоящий из сахара, фосфата и основания). Доказательство этого предположения было получено лишь в 1961 г. в результате работ Ф. Крика, Л. Барнета, С. Бреннера и Р. Баттс-Тобина (Великобритания), а также работ М. Нириберга и Дж. Маттеи (США).
М. Нирнберг и Дж. Маттеи, а также О. Очоа (США) в своих исследованиях проводили биосинтез белка в присутствии РНК-матрицы. Эти РНК были искусственно синтезированы, и их состав был известен; затем, меняя сочетания оснований в РНК и определяя вид аминокислот в получающемся белке, оказалось возможным установить, какие тройки нуклеотидов (кодоны) соответствуют данным аминокислотам. К середине 60-х годов был определен порядок оснований практически для всех кодонов; однако эти достижения стали возможными лишь после выяснения механизма синтеза белка.
Уже в 40-е годы рядом исследователей высказывалось мнение, что нуклеиновые кислоты (РНК) играют существенную роль в синтезе белка, поскольку в тканях с активным белковым синтезом наблюдалось увеличение содержания РНК. Это мнение полностью подтвердилось в работах последующего десятилетия. В это же время (50-е годы) было выдвинуто представление о двух видах РНК — информационной (или матричной) и транспортной. Представление об информационной РНК было высказано Ф. Криком, С. Шпигеяьманом, А. Н. Белозерским и др. и разработано Ф. Жакобом и Ж. Моно в 1961 г. В том же году было экспериментально доказано существование информационной РНК. Что касается транспортной РНК, то еще в 1954 г., Ф. Криком была выдвинута гипотеза, согласно которой должны существовать особые молекулы нуклеиновых кислот, выполняющие функцию перевода языка нуклеиновых кислот на язык белков. Спустя три года эта гипотеза получила экспериментальное подтверждение.
К 1958 г. стало уже известно, что белковый синтез протекает в три основные стадии. Сначала аминокислота активируется ферментом, затем активированная кислота присоединяется к специфической транспортной РНК, и, наконец, аминокислота включается в белок, а РНК высвобождается.
В 60-е годы фундаментальная роль РНК в синтезе белка представлялась неоспоримой, и поэтому усилия исследователей сосредоточились на поисках методов фракционирования и определения нуклеотидной последовательности РНК. Выдающихся результатов на этом пути добился в 1965 г. американский биохимик Р. Холли, расшифровавший структуру аланиновой РНК из дрожжей. Холли разработал специальную методику, которая позволяла получать крупные фрагменты молекул РНК, в то время как другие исследователи умели получать только мелкие фрагменты. Это дало Холли возможность собрать из фрагментов всю молекулу целиком, соблюдая требуемую последовательность нуклеотидов. За эту работу Р. Холли получил в 1968 г. Нобелевскую премию по медицине. Разработанный им метод оказался чрезвычайно плодотворным — в последующие годы была расшифрована структура ряда РНК и создана предпосылка синтеза ДНК. Синтез гена — молекулы ДНК, кодирующей аланиновую РНК — был осуществлен Г. Кориной (США) в 1970 г. и явился завершением его 15-летних исследований по химическому синтезу олигонуклеотидов. В соответствии с последовательностью нук» леотидов в РНК, описанной Холли, Корана сначала синтезировал короткие фрагменты молекулы, которые с помощью специального фермента, ДНК-лигазы, соединял в более длинные участки. По такой же методике проводятся работы по синтезу других генов.
До самого последнего времени считалось, что перенос генетической информации может происходить только от ДНК к РНК. Однако в 1970 г. американские биохимики Д. Балтимор и Г. Темин доказали, что может происходить обратная транскрипция — синтез ДНК на РНК, причем был выделен соответствующий фермент — ревертаза.
В процессе осуществления синтеза белка важно было понять, какая часть клетки ответственна за этот процесс. В середине 50-х годов считалось, что областями синтеза являются фракции мелких гранул, которые в 1949 г. были названы микросомами. Позднее выяснилось, что синтез проходит в еще более мелких частицах мик-росом, названных в 1958 г. рибосомами. Классические исследования бактериальных рибосом были проведены А. Тисьером и Дж. Уотсоном в конце 50-х годов. Было показано, что рибосомы состоят из двух неравных частей, включающих различные белки, а в 60-е годы строение рибосом было уточнено — оказалось, что это система, состоящая из двух клубков нитей (тяжей), неравных но своим размерам.
К началу 60-х годов сложилось уже четкое понимание основных процессов передачи информации в клетке при синтезе белка. К понятию репликации прибавились понятия транскрипции и трансляции. При раздвоении молекулы ДНК последовательность ее оснований переводится в комплементарную последовательность оснований информационной РНК (РНК, как и ДНК построена с помощью четырех оснований, лишь вместо тимина в ней используется урацил — вещество, близкое ему по свойствам). Этот процесс передачи информации от гена к матричной РНК называется транскрипцией. Затем РНК перемещается из ядра в цитоплазму, где она соединяется с рибосомой — субмикроскопической структурой, в которой происходит белковый синтез. В рибосоме происходит считывание генетической информации, т. е. последовательность оснований, содержащихся в РНК, переводится в последовательность аминокислот. Этот процесс называется трансляцией. Аминокислоты захватываются небольшими участками транспортной РНК и переносятся в нужное место к информационной РНК, находящейся в рибосоме. Для каждой аминокислоты есть своя транспортная РНК, состоящая приблизительно из 80 нуклеотидов. Так как насчитывается 20 аминокислот, то существует и 20 транспортных РНК, каждая из которых соответствует кодону — тройке нуклеотидов в кодовой последовательности информационной (матричной) РНК. Когда все кодовые элементы информационной РНК соответствуют своим дополнительным элементам, аминокислоты располагаются в требуемом порядке, соединяясь через пептидные связи в цепь. Образовавшийся белок сходит с матрицы, и процесс повторяется.
