Наконец, приведем еще одно сравнение: частица нашего вируса относилась бы к этой фантастической башне как 1 секунда к 32 годам!
Геометрия и вирусы
Такой строгой симметрией, какую мы видели в архитектонике частицы ВТМ, отличаются и все прочие вирусы. Косвенным доказательством этого является и строение кристаллических вирусов, обнаруженное при помощи особого рентгеновского аппарата, который применяется для изучения строения молекул различных соединений. Эти данные успешно дополняются и непосредственным наблюдением вирусных частиц в электронном микроскопе при увеличении их в сотни тысяч раз. Для этой цели препараты вирусов обрабатываются фосфорно-вольфрамовой кислотой, не пропускающей электроны. Эта жидкость заполняет крошечные пространства между отдельными субъединицами вирусной частицы. При наблюдении в электронном микроскопе электроны проходят только сквозь «не-затененные» белковые цепи, образуя как бы подобие негативного изображения вирусных частиц. При этом можно убедиться в строго симметричном расположении субъединиц вируса.
Сходную с ВТМ спиральную структуру имеют и многие другие вирусы. Например, миксовирусы, составляющие группу возбудителей ряда болезней человека и животных (вирусы гриппа, свинки и др.). Правда, некоторые миксовирусы имеют еще более сложное, но всегда симметричное строение. Модель такого чрезвычайно сложного по строению вируса представлена на фото 45.
Частицы других вирусов напоминают своей формой многогранники, и вирусологи относят их к группе вирусов с икосаэдрической симметрией (икосаэдр — двадцатигранник, стенки которого представляют собой равносторонние треугольники). Частице аденовирусов, например, соответствует модель, состоящая из 252 шаровидных субъединиц (фото 45, в), частице вируса герпеса отвечает модель из 162 субъединиц. Самый мелкий из известных нам вирусов — бактериофаг ØX174, у которого только 12 поверхностных субъединиц.
Отдельная вирусная частица — это основная инфекционная единица данного вируса. Она состоит из белковой «оболочки» и скрытой в ней молекулы нуклеиновой кислоты. Мы уже говорили, что частицы вирусов отличаются от клеток еще и тем, что всегда содержат лишь один тип нуклеиновой кислоты. Частицы ВТМ, мы знаем, содержат РНК; эта же нуклеиновая кислота находится в частицах вируса гриппа и полиомиелита. Но в частицах упомянутого аденовируса имеются молекулы ДНК.
Обе нуклеиновые кислоты, ДНК и РНК, выполняют в каждой вирусной частице важные «дирижерские» функции, подобно тому как они делают это в клетках бактерий и других организмов.
Рассмотрение нами вопросов строго определенной геометрической структуры и симметрии в вирусах было бы неполным, если бы мы не рассказали, хотя бы вкратце, об их размерах. Одна активная инфекционная единица вируса называется вирионом. Вирионы различных типов вирусов отличаются не только строением, но и тем, какую именно кислоту они содержат — ДНК или РНК. Определяющим признаком служит и их величина (в случае вирусов мы охотнее употребили бы слово «малость», а не «величина»). Вирус табачной мозаики по своей длине находится на верхней границе возможных размеров вирусов, он достигает 300 нм, или трех десятитысячных долей миллиметра. К наименьшим вирусам относится вирус различных форм ящура, частицы которого имеют диаметр 24 нм, или двадцать четыре миллионные доли миллиметра.
12. Молекулы наследственности и микробы
Каждая живая клетка представляет собой микрокосмос, в котором нуклеиновая кислота выступает в качестве диктатора, обычно к нам благоволящего; но в случае рака она становится деспотом-садистом, а в вирусных частицах — узурпатором.
У. М. Стэнли
Диссоциация и трансформация
В первой главе читатель узнал о борьбе между приверженцами плеоморфистского и мономорфистского направлений в микробиологии конца XIX века. Эта борьба закончилась победой мономорфистов — сторонников учения о неизменности микробов. Однако победа эта была далеко не окончательной.
Уже в 20-е годы мономорфистская теория впервые подверглась сомнению. Стало известно явление так называемой диссоциации бактерий. При выращивании пневмококков, вызывающих воспаление легких (см. фото 57), было обнаружено, что их колонии на питательном агаре изменяют свой облик. Поначалу гладкие и блестящие (обозначим их состояние буквой «S», от английского smooth — гладкий), они становились через некоторое время шероховатыми и сморщенными по краям (обозначим их буквой «R», от английского rough — шероховатый).
Клетки из колоний R отличались от клеток из колоний S еще и тем, что были значительно менее вирулентными, иначе говоря, их способность вызывать заболевание стала значительно слабее. Следует отметить, что обратного превращения R-формы в S-форму никогда не наблюдалось. Этот переход S→R и получил название диссоциации (фото 46).
Следующее неожиданное открытие последовало через несколько лет, когда удалось осуществить изменение пневмококков в обратном направлении, из состояния R в S. Это изменение, протекающее в обратном направлении, в отличие от диссоциации получило название трансформации.
В 1944 году к вопросу трансформации вернулись вновь. Американские микробиологи К. Т. Эйвери, К. М. Маклеод и М. Маккарти доказали, что трансформацию вызывает содержащаяся в пневмококках дезоксирибонуклеиновая кислота! Это выглядело, однако, довольно смелым утверждением… И означало, что сама ДНК была передатчиком наследственных изменений.
Поиск и изучение нуклеиновых кислот
Проблемой нуклеиновых кислот занимался еще в 1868 году швейцарский химик Ф. Мишер, открывший в клетках гноя особое вещество, названное им «нуклеином», поскольку оно встречалось исключительно в клеточном ядре (nucleus — ядро). Это была ДНК. Она находится в каждой из двух биллионов клеток человеческого организма и в клетках всех прочих организмов. Мы знаем также, что ДНК присутствует и в некоторых бактериофагах и вирусах. Спустя 30 лет в клетках дрожжей открыли другую нуклеиновую кислоту, ее мы теперь сокращенно обозначаем РНК.
Во всех клеточных ядрах организма (фото 47) количество ДНК всегда одинаково.
ДНК — длинная макромолекула, основными структурными элементами которой являются нуклеотиды. Каждый нуклеотид состоит из 29–35 атомов. Нуклеотид построен из трех структурных элементов: органического основания, углевода и фосфорной кислоты. Углевод, который в ДНК называется дезоксирибозой, и фосфорная кислота во всех нуклеотидах одинаковы; органических оснований в нуклеотидах несколько: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) или цитозин (Ц).
РНК отличается от ДНК тремя основными особенностями: вместо дезоксирибозы содержит близкий к ней сахар — рибозу; вместо тимина (Т), присутствующего только в ДНК, — урацил (У), и наконец, в отличие от ДНК, являющейся двойной цепью, напоминает простую длинную цепь, в которой нуклеотиды расположены последовательно в ряд. До сих пор в этом отношении известно только единственное исключение — бактериофаг с шифром ØX174 имеет ДНК в виде простой, а не двойной цепи.
Простая цепь РНК состоит из чередующихся молекул рибозы и остатков фосфорной кислоты, причем к каждой молекуле рибозы перпендикулярно оси цепи присоединяется одно из четырех нуклеотидных оснований — У, Г, Ц или А. Часть молекулы РНК изображена в виде следующей схемы:
где Р означает рибозу, Ф — остаток фосфорной кислоты, У, Ц, А и Г — различные нуклеотидные основания.
Изучение структуры ДНК продолжалось долгие годы начиная с 20-х годов, когда о ДНК было известно примерно столько же, сколько мы сейчас рассказали.
В начале 50-х годов профессор Е. Чаргафф и его коллеги установили, что в молекуле ДНК определенно взаимосвязаны два спаренных основания, причем всегда аденин с тимином (А — Т), а гуанин с цитозином (Г — Ц). Количественные отношения между этими парами в молекуле ДНК одного и того же биологического вида всегда постоянны, но различаются у разных видов. Чем более родственны виды между собой, тем более сходны и количественные отношения этих пар в ДНК и наоборот, чем меньше родства между видами, тем эти отношения менее сходны.
Приблизительно в это же время американский биохимик Л. Полинг исследовал вместе со своим сотрудником Р. Кори структуру белка. Они установили, что полипептиды (ряды связанных в цепи аминокислот) образуют некоторое подобие спирали, так называемую α-спираль.
Вскоре после этого англичанин М. Уилкинс и другие исследователи доказали, что и макромолекулы ДНК имеют такую же спиральную структуру. Американец Дж. Уотсон и англичанин Ф. Крик на основании этих и других данных построили структурную модель молекулы ДНК. За эту, по существу, новаторскую работу Уотсон, Крик и Уилкинс были удостоены в 1962 году Нобелевской, премии по медицине и физиологии. Уотсон и Крик в своей модели наглядно изобразили структуру молекулы ДНК в виде двойной спирали. Внешние витки этой макромолекулы образуют цепи, в которых закономерно чередуются молекулы дезоксирибозы (Д) и фосфорной кислоты (Ф). Цепи как бы намотаны на внутренний «цилиндр», состоящий из спаренных оснований А — Т и Г — Ц. С наружной стороны основания присоединены к дезоксирибозе другой цепи. Между собой основания связаны водородными мостиками, известными по многим другим соединениям. Внутреннюю организацию молекулы ДНК можно изобразить следующей схемой:
