Согласно теории рассеяния рентгеновских лучей на цепных молекулах, это различие находит вполне четкое объяснение. Не углубляясь в дебри специальных рассуждений, скажу лишь, что в 1950-1953 гг., будучи аспиранткой кафедры рентгеноструктурного анализа физического факультета МГУ, я занималась рентгеноструктурным анализом фибриллярных белков. Работ Розалинды Франклин я не знала, но работу Крика по дифракции на спиралях изучила до дыр. Крик рассчитывал рассеяние рентгеновских лучей изолированной цепной молекулой, не учитывая влияние взаимной упаковки молекул на дифракционную картину. В паракристаллической В- форме ДНК, где молекулы окружены водной шубой, соседние молекулы не могут находиться в регистре друг относительно друга, они всего лишь параллельны, но могут быть повернуты на любой угол вокруг своей длины и смещены вдоль нее относительно друг друга любым образом, т.е. пространственной кристаллической решетки нет. Лишь в плоскости, перпендикулярной длине молекул, они образуют двумерную квазирешетку, так как расстояние между цепями выдерживается не очень строго. Поэтому дифракционная картина от паракристаллических фибриллярных структур определяется в основном независимым рассеянием молекул, для которых полностью применима теория Крика.
Взаимная упаковка молекул проявляется лишь в виде максимумов на экваторе рентгенограммы. В то же время при дифракции рентгеновских лучей от кристаллических полимерных структур со спиральными молекулами упаковка молекул вызывает погасание большей части рассеянного излучения, оставляя лишь точечные рефлексы, обусловленные кристаллической решеткой. При этом картина рассеяния рентгеновских лучей изолированными спиральными молекулами оказывается затушеванной. Видимо, это обстоятельство не пришло на ум Розалинде. Трудности усугублялись тем, что спираль в А -форме немного отличается от спирали в В -форме ДНК, поэтому Франклин не торопилась комбинировать данные, полученные для разных форм.
Фрагмент странички из публикации в "Nature" (Апрель 1953 г.) [6]
Вся страничка (320 Кб)
Уотсон и Крик ознакомились с моделью Полинга по рукописи, привезенной в Кембридж сыном Полинга, поступающим в аспирантуру к Перутцу. Уотсон повез этот текст Уилкинсу, который в ответ показал копию рентгенограммы В -формы ДНК, полученной Франклин. Уотсон, к тому времени поднаторевший в рентгеноструктурном анализе, немедленно передал информацию Крику. Можно себе представить, как обрадовался Крик, узнав о прекрасном воплощении своей теории на рентгенограмме ДНК. Возможность построения правильной модели ДНК вновь забрезжила; Уотсон и Крик бросились к Брэггу с просьбой продолжить свои построения. Брэгг, узнав об ошибке Полинга, такое разрешение дал.
Надо полагать, что энтузиазм Уотсона и Крика в то время нарастал, и в этой атмосфере Перутц ознакомил их с подробным годовым отчетом Розалинды Франклин о проведенных ею исследованиях структуры ДНК. По сути отчет содержал весь комплекс экспериментальных данных, необходимых для построения модели ДНК. Однако Франклин считала, что данные, полученные для одной формы, пока преждевременно переносить на другую, и поэтому медлила с публикацией своих экспериментальных работ. О том, что ее результаты попали в руки Уотсона и Крика, она не знала.
Розалинда Франклин (1920-1958)
Следует отдать должное тому, как быстро и талантливо Крик скомбинировал данные Франклин для построения единственно возможной и правильной модели молекулы ДНК. Он понял, что спираль состоит из двух коаксиальных спиралей, образованных фосфатно-сахарными остовами цепей и направленных, в соответствии с требованиями симметрии С2, найденной в А -форме, в противоположные стороны. Теперь можно было приступать к практическому построению вполне добротной модели остова молекулы ДНК.
Строил модель Уотсон, а Крик им руководил. Можно ли сказать, что модель Уотсона-Крика оказалась простой иллюстрацией рентгеноструктурных данных, полученных Франклин? И да, и нет, потому что это может касаться лишь той части модели, которая представляет строение фосфатно-сахарного каркаса молекулы; кстати, это именно двойная спираль. Но данных Франклин было недостаточно, чтобы правильно расположить азотистые основания внутри двойной спирали, хотя они и указывали, что основания, будучи плоскими и имея толщину около 3.4 A, должны лежать стопкой перпендикулярно ее оси [7].
Работа, связанная с размещением плоских азотистых оснований внутри молекулы, стала результатом творческого поиска Уотсона и Крика, главным образом Уотсона. Посторонние структурные данные, использованные ими, сводились лишь к правильным таутомерным формам оснований, найденным Дж.Доною, что сыграло немаловажную роль в построении правильной модели. Но основным залогом успеха этой части работы была правильная модель фосфатно-сахарного остова, которая неукоснительно вела Уотсона и Крика к их великому открытию.
Эта модель подсказала, что плоские основания двух противоположно направленных цепей, присоединенные к их сахарным группам, которые располагаются на одном уровне по высоте спирали, должны лежать точно в одной плоскости. Следовательно, они должны образовывать пары, но как в них основания располагаются друг относительно друга?
Задача решалась перебором различных пар оснований. Сразу были отброшены два неприемлемых варианта: пары пурин-пурин просто не влезали во внутреннюю полость цилиндра, а пары пиримидин-пиримидин были настолько малы, что проваливались, не цепляясь одновременно за оба крючка гликозидных связей двух противоположно направленных цепей. Судя по всему, немалую роль в быстроте этого поиска сыграла работа биохимика Э.Чаргаффа о равенстве содержания аденина и тимина, а также гуанина и цитозина во всех препаратах ДНК [8]. И действительно, пары аденин-тимин и гуанин-цитозин как по выкройке размещались во внутренней полости цилиндра, и их гликозидные связи точно попадали в модели на нужное место. Вместе с тем соприкасающиеся поверхности оснований в этих парах отличались высокой комплементарностью, и при этом насыщались водородные связи, что не могло быть случайным. Вероятнее всего, открытие Чаргаффа оплодотворило работу Уотсона и Крика по моделированию расположения оснований в спирали ДНК.
Итак, в единственно приемлемой со стереохимической точки зрения структуре ДНК, отвечающей всем экспериментальным данным, последовательность оснований в одной цепи должна обязательно быть комплементарна последовательности оснований в другой. Иначе будут возникать нерегулярные пустоты и искривления цепочек, из-за чего резко упадет стабильность всей структуры. Вместе с тем на последовательность оснований в одной из цепей найденная структура никаких ограничений не налагала. Это также означало, что информация об этой последовательности может надежно храниться внутри молекулы. Следовательно, генетическая информация должна записываться именно в виде последовательности оснований, которая может передаваться по наследству, в случае, если в процессе репликации ДНК спираль расплетается, и одна из цепей служит шаблоном для биосинтеза другой.
Наверное, счастье, которое испытали Уотсон и Крик, поняв замечательные потенции найденной ими структуры, было не меньшим, чем при присуждении им Нобелевской премии. Казалось бы, что на фоне такого удивительного подарка судьбы можно быть более щедрыми и отдать Розалинде Франклин то, что ей принадлежало по праву, т.е. отметить, что ее работы послужили экспериментальной основой модели. Но, увы, этого не произошло: о том, что ее данные позволили им построить правильную модель ДНК, не сказано ни слова, и ее имя вообще не упомянуто в их знаменитой статье, опубликованной в “Nature” в апреле 1953 г. Правда, в своей книге “Двойная спираль”, вышедшей спустя 15 лет, Уотсон вспоминает Розалинду Франклин [9]. Приходится лишь удивляться контрасту между совершенством Природы, выразившимся в удивительно гармоничной структуре молекулы ДНК, и ограниченностью человеческой натуры, проявившейся при ее открытии. Вскоре после этих событий Розалинда Франклин умерла от рака. Ей было всего 37 лет.
Кратко резюмируя изложенное, можно сказать что в учебных пособиях по биологии, равно как и в лекциях на соответствующую тему, правильнее говорить не о двойной спирали ДНК Уотсона и Крика, а о двойной спирали ДНК Уотсона, Крика и Франклин.
Литература
1. Watson J.D., Crick F.H.C. // Nature. 1953. V.171. P.737.
2. Klug A. // J. Mol. Biol. 2004. V.335. P.3-26.
3. Perutz M.F. Is science necessary? N.Y., 1989.
4. Perutz M.F. I wish I’d make you angry earlier. Essays on Science, Scientists and Humanity. Cold Spring Harbour Laboratory Press. 1998.
5. Вайнштейн Б.К. Рассеяние рентгеновских лучей на цепных молекулах. М., 1963.
6. Franklin R.E., Gosling R.C. // Nature. 1953. V.171. P.742-743.
7. Perutz M.F., Wilkins M.H.C., Watson J.D. // Science. 1969. V.164. P.1537-1539.
8. Уотсон Дж. Молекулярная биология гена. М., 1988.
9. Уотсон Дж. Двойная спираль. М., 1969.