Необъятная нервная ткань
Прорыв произошел, когда два английских исследователя, Эндрю Хаксли и Алан Ходжкин, стали изучать нервную систему кальмара. Животное выбрали за необычайно крупный аксон. Его диаметр составляет всего 0,5 мм, но длина равняется длине тела животного. Ученые изучили гигантский нерв с помощью метода фиксации напряжения. Они изменили напряжение аксона и зафиксировали, как это влияет на движение заряженных частиц, ионов, в нерв и из него. Хаксли и Ходжкин начали исследование в 1930-х гг., но им помешала Вторая мировая война. В 1952 г. они представили результаты. Ученые обнаружили, что нервная клетка, или нейрон, значительную часть времени бездействует, но при необходимости послать сигнал с помощью ионов калия, натрия и хлора создает резкий скачок электрического потенциала, который передается по аксону.
Потенциал покоя
Нейрон в неактивном состоянии считают пребывающим в покое. В этом состоянии у него отрицательный заряд внутри и положительный снаружи благодаря тому, что некоторые заряженные ионы могут проходить через полупроницаемую мембрану клетки, а другие нет. Отрицательно заряженные ионы хлора не могут покинуть клетку, создавая таким образом отрицательный заряд внутри. Положительно заряженные ионы калия свободно перемещаются через мембрану в любом направлении, а потому могут наполнить клетку и выровнять разницу зарядов с любой стороны. Кроме того, аксон пропускает положительно заряженные ионы натрия быстрее, чем проникают внутрь положительно заряженные ионы калия. Все эти перемещения требуют энергии, что отчасти объясняет, почему человеческому мозгу нужно 20 % запаса топлива тела. Питание необходимо мозгу, даже когда он, казалось бы, почти ничего не делает. Разница в напряжении внутри и снаружи аксона называется потенциалом покоя и составляет около –70 милливольт (мВ).
Химический стимул
Если аксон получает инструкцию отправить сигнал, химический стимул от нейрона открывает каналы в мембране аксона рядом с главной частью клетки. Открытые каналы позволяют положительно заряженным ионам натрия вернуться в клетку, изменяя потенциал в этой части аксона. Если потенциал превышает критический уровень в –55 мВ, процесс ускоряется, и открывается больше каналов для натрия. Тогда снаружи аксона наблюдается отрицательный заряд, а внутри – положительный. Итак, полярность поменялась. Затем система возвращается в нормальное состояние, ионы натрия выходят из аксона, и восстанавливается потенциал покоя. Но изменение полярности передается дальше по аксону, повторяя процесс снова и снова и создавая пик «потенциала действия». Пик – это нервный импульс, а потенциал действия двигательного нейрона заставляет мышцы сокращаться.
Алан Ходжкин в своей лаборатории в 1963 г. – в год, когда он получил Нобелевскую премию совместно с Эндрю Хаксли и Джоном Экклсом.
Двойная спираль
Открытие структуры ДНК было одной из самых сложных, но ключевых задач, над разрешением который бились биохимики. Когда она наконец поддалась, возникла совершенно новая наука.
К 1928 г. все научное сообщество согласилось с тем, что ДНК – это тот самый генетический материал, о котором писал Грегор Мендель. Теперь перед биологами встала важная задача: определить, каким образом компоненты ДНК передают наследственную информацию.
Команды соперников
К началу 1950-х гг. строение ДНК искали несколько исследовательских лабораторий. Разобраться с такой крупной и сложной молекулой было весьма нелегко. Наиболее надежным подходом для определения геометрии ДНК сочли использование рентгенокристаллографии. В Кавендишской лаборатории в Кембридже физик Фрэнсис Крик, после войны занявшийся биологией, объединил усилия с американцем Джеймсом Уотсоном: они попытались создать модель ДНК, используя все имевшиеся свидетельства. Уотсон и Крик были убеждены, что нашли ответ, когда предложили спираль из трех нитей с нуклеиновыми кислотами с внешней стороны молекулы и отрицательно заряженными фосфатными группами внутри. Но возникла проблема: многочисленные отрицательно заряженные фосфат-ионы в ядре отталкивались бы друг от друга и разорвали бы молекулу. Ученые предположили, что заряды уравновешиваются положительными ионами кальция или магния, и попросили Мориса Уилкинса и его ассистентку Розалинд Франклин из Королевского колледжа в Лондоне проверить предложенную модель. Франклин обозначила основную проблему: любые положительные ионы в ядре ДНК были бы окружены водой, и это не позволило бы им уравновесить разрушительное воздействие отрицательно заряженных частиц.
РОЗАЛИНД ФРАНКЛИН
Франклин, английский химик и специалист по рентгенокристаллографии, известна преимущественно своей работой над ДНК. В числе полученных ею изображений с преломлением рентгеновских лучей и фотография 51, которая выявила двойную спираль в основе молекулы и проложила дорогу генетике как науке. К сожалению, до того, как была широко признана ее роль в исследованиях ДНК.
Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик (на фото) совместно с Морисом Уилкинсом получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1962 г. за открытие строения ДНК.
Окончательный прорыв
В мае 1952 г. Розалинд Франклин, наблюдая за преломлением рентгеновских лучей, получила изображение ДНК. Одно из этих изображений – знаменитая фотография 51 – показало, что ДНК состоит из двух нитей, вытянутых по спирали, что это двойная спираль. Морис Уилкинс показал фотографию Джеймсу Уотсону. С ее помощью Уотсон и Крик составили новую модель ДНК, о которой и сообщили в следующем году.
Два продольных края спирали, напоминающей веревочную лестницу, состоят из рибозы и соединяются фосфатами. Пары нуклеотидов образуют «ступеньки» лестницы. Их названия – производные от имен четырех азотистых оснований, и каждое из них связывается строго с заданным «партнером»: цитозин – с гуанином, а тимин – с аденином. В модели Уотсона и Крика использовался код, где цитозин, гуанин, тимин и аденин были представлены буквами CGTA. Так, ген – это нить ДНК с уникальной последовательностью оснований. Открытие ученых заложило основу для новой науки, генетики, но все же оставляло и много вопросов. Хотя сегодня о ДНК известно куда больше – как она наследуется и каковы ее функции, – механизмы, которые претворяют код в жизнь, формируют наши тела, до конца не изучены.
Молекула ДНК, как известно сегодня, похожа на веревочную лестницу, скрученную по всей длине. Ступеньки образованы парой нуклеотидов, соединенных водородными связями.
