Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК - Гарет Уильямс
Шрифт:
Интервал:
Закладка:
Рис. 18.3. Правила Чаргаффа.
Конечно, не было никаких причин рассмотреть возможность того, что спаренные основания – A и T, C и G – могут относиться к отдельным нитям ДНК.
Глава 19
Повороты и перипетии
Кажущийся пророческим вопрос, заданный Артуром Поллистером в Колд-Спринг-Харбор о том, не может ли нить ДНК быть закручена спиралью, возник не случайно, как это может показаться. Данные о том, что некоторые молекулы образуют спираль, накапливались более 30 лет, и было лишь вопросом времени, чтобы кто-нибудь задумался, не применимо ли это к ДНК. Таким образом, настал подходящий момент представить форму, которая определена в словаре как пространственная кривая на цилиндрической поверхности.
Вы можете провести спираль указательным пальцем, если повторите путь стрелок на воображаемом циферблате прямо перед вашим носом и продолжите вычерчивать круг, одновременно постепенно протягивая руку. Кончик вашего пальца будет описывать правозакрученную спираль и покажет ее радиус и шаг – две основные величины всех спиралей. Радиус – это просто половина ширины воображаемого циферблата, а шаг – дистанция между каждым полным оборотом вокруг спирали – это горизонтальное расстояние, которое проходит ваш палец между каждой отметкой в 12 часов.
Естественные и искусственные спирали окружают нас повсюду и находятся в нас самих. К очевидным примерам рукотворных спиралей относятся штопоры, винтовые лестницы и декоративные витки внутри ножек дорогих бокалов для вина XVIII века. Природа находит очень разнообразное применение для спиралей на всех уровнях – от макроскопического до субмикроскопического. Прототипом является садовая улитка (слово helix, обозначающее по-английски «спираль», с латыни переводится как «улитка»), не забудем также и аммонитов и береговых улиток. Огурцы, растущие в саду Грегора Менделя, могли подниматься с земли, выпуская усики, закручивающиеся в тугую спираль вокруг опоры. Нежные белые цветы скрученника образуют вокруг стебля аккуратную правозакрученную спираль. Некоторые красивые спирали можно увидеть под микроскопом, в том числе деликатные диатомовые водоросли и – похожие на крошечный штопор, ввинченный в ткань – бактерии, возбуждающие сифилис и язвенные болезни желудка. Еще меньше по размеру спиральные жгутики, обеспечивающие движение бактерий и заинтриговавшие Билла Астбери. И в тысячу раз меньше их спирали, которые придают форму и обеспечивают функционирование бесчисленных молекул, в том числе белков и нуклеиновых кислот.
Первые признаки[788] того, что некоторые молекулы имеют спиральную форму, появились в середине 1930-х годов на материале простых синтетических полимеров. На их рентгеновских дифракционных снимках наблюдалась регулярная периодичность, которая не могла объясняться особенностью, повторяющееся через определенные расстояния вдоль прямой молекулы; напротив, структура была «по всей вероятности, спиральной». Было высказано предположение, что силы, такие как водородная связь, действующие между определенными атомами внутри молекулы, делали структуру трехмерной и удерживали ее в виде стабильной спирали.
Некоторые удивительные спирали появились, когда точное знание длин и углов связи между конкретными атомами (например, углерода с азотом и углерода с водородом) было применено к знакомым молекулам, которые раньше виделись плоскими, как будто нарисованными на бумаге. Американский биохимик Морис Хаггинс понял[789], что альфа-кератин не может иметь двухмерную зигзагообразную структуру, прославившую Астбери, потому что атомные силы, не встречающие противодействия и действующие вдоль одной стороны, согнули бы молекулу в дугу и воспрепятствовали какой бы то ни было тенденции образовывать длинные волокна. Структура, которая лучше всего соответствовала ограничениям, налагаемым связями, представляла собой спираль. Разницу можно легко оценить с помощью двух штопоров с открытой спиралью и кувалды. Если расплющить один из штопоров, получится зигзаг, как альфа-кератин Астбери. Нерасплющенный штопор остается спиралью – той формой, которую предпочитал Хаггинс.
Астбери услышал плохие новости[790] о предложенной им структуре альфа-кератина в мае 1937 года, когда он посетил лабораторию Хаггинса в Рочестере, штат Нью-Йорк, во время турне с лекциями по Америке. Худшее было еще впереди, потому что Хаггинс пришел к выводу, что «ни одна из моделей, рассмотренных Астбери»[791] не была жизнеспособна по той же причине. Встретив сопротивление, Астбери доблестно защищал свои плоские зигзаги – и оставил Хаггинса в недоумении: слышал ли он что-нибудь о водородной связи?
Теперь время молекулярных структур, приведших Астбери к первенству в своей области, подходило к концу. Все его остроумные умозаключения скоро станут излишними – не из-за Мориса Хаггинса, а из-за блестящего скучающего простуженного человека, который решил скоротать пару часов с карандашом и бумагой.
Альфа-самецЛайнус Полинг родился в Портленде, штат Орегон, в 1901 году и с детства был чрезвычайно любознателен[792]. Впечатлительным тринадцатилетним подростком он начал делать опыты с химическим набором друга; всего через два года он стал изучать эту дисциплину в Орегонском сельскохозяйственном колледже (впоследствии повышенном до Университета штата Орегон). Защитив диплом в 1922 году в возрасте 21 года, он уже решил заняться изучением того, как атомная структура соединений определяет их физические и химические свойства.
Это привело его писать диссертацию в Калтех в Пасадине, где он изучал рентгеновскую кристаллографию и написал первые семь из своих 1200 статей. Затем он получил стипендию Гуггенхайма и отправился в поездку по Европе, чтобы учиться у корифеев физики – Зоммерфельда в Мюнхене, Бора в Копенгагене и Шрёдингера в Цюрихе. Проникнувшись их образом мыслей, он вернулся в Калтех, где начал применять квантовую механику в области химии. Его успех был настолько грандиозен, что он стал ординарным профессором в возрасте 29 лет – как раз чтобы получить премию Ленгмюра, которую Американское химическое общество присуждает самому выдающемуся исследователю в возрасте до 30 лет. К тому времени он сформулировал «пять правил Полинга»[793], предсказывающих кристаллическую структуру ионных соединений; вскоре они были признаны такими же значимыми, как закон Брэгга.
Полинг вновь посетил Европу в 1930 году, где был потрясен электронной дифракцией – аналогичной рентгеновской дифракции, но способной заглянуть еще глубже в структуру молекул. По возвращении в Калтех позднее в том же году он сконструировал собственный электронно-дифракционный аппарат вместе с Лоренсом Брокуэем. Однажды декабрьским вечером он принялся писать работу под названием «Природа химической
