Долгое время оставалось неизвестным, что представляет собой
вещество, образующее ген, способное к саморепликации, мутациям и
фенотипическому проявлению. Первые сведения о физических и химических основах
наследственности были получены при работе с микроорганизмами : бактериями,
вирусами и бактериофагами. Эти организмы, ранее изучавшиеся как возбудители
болезней человека и домашних животных, оказались удобными объектами для
исследования вещества наследственности и природы генетического материала.
В результате
первоначальных анализов сложилось представление, что ДНК любого происхождения
содержит все четыре нуклеотида в равных молярных количествах. Однако в в 1940-х
годах Э. Чаргафф и его сотрудники в результате анализа ДНК, выделенных из
разнообразных организмов, ясно показали, что азотистые основания содержатся в
них в различных количественных соотношениях. Чаргафф нашел, что, хотя эти
соотношения одинаковы для ДНК из всех клеток одного и того же вида организмов,
ДНК от разных видов могут зачетно различаться по содержанию тех или иных
нуклеотидов. Это наводило на мысль, что различия в соотношении азотистых
оснований, возможно, связаны с каким-то биологическим кодом. Хотя соотношение
отдельных пуриновых и пиримидиновых оснований в различных образцах ДНК
оказалось неодинаковым, при сравнении результатов анализов выявилась
определенная закономерность: во всех образцах общее количество пуринов было
равно общему количеству пиримидинов (А + Г = Т + Ц), количество аденина —
количеству тимина (А = Т), а количество гуанина — количеству цитозина (Г = Ц).
ДНК, выделенная из клеток млекопитающих, была в целом богаче аденином и тимином
и относительно беднее гуанином и цитозином, тогда как у бактерий ДНК была
богаче гуанином и цитозином и относительно беднее аденином и тимином. Эти
данные составили важную часть фактического материала, на основе которого
позднее была построена модель структуры ДНК Уотсона — Крика.
Еще одним важным
косвенным указанием на возможную структуру ДНК послужили данные Л. Полинга о
строении белковых молекул. Полинг показал, что возможно несколько различных
устойчивых конфигураций аминокислотной цепи в белковой молекуле. Одна из
распространенных конфигураций пептидной цепи — α-спираль — представляет собой
правильную винтообразную структуру. При такой структуре возможно образование
водородных связей между аминокислотами, находящимися на смежных витках цепи.
Полинг описал α-спиральную конфигурацию полипептидной цепи в 1950 году и
высказал предположение, что и молекулы ДНК, вероятно, имеют спиральную
структуру, закрепленную водородными связями.
Однако наиболее
ценные сведения о строении молекулы ДНК дали результаты рентгеноструктурного
анализа. Рентгеновские лучи, проходя сквозь кристалл ДНК, претерпевают
дифракцию, т. е. отклоняются в определенных направлениях. Степень и характер
отклонения лучей зависят от структуры самих молекул. Дифракционная
рентгенограмма, совершенно непонятная непосвященному, дает опытному глазу ряд
косвенных указаний относительно строения молекул исследуемого вещества. Анализ
дифракционных рентгенограмм ДНК привел к заключению, что азотистые основания
(имеющие плоскую форму) уложены наподобие стопки тарелок. Рентгенограммы
позволили выявить в структуре кристаллической ДНК три главных периода: 0,34, 2
и 3,4 нм.
Существует два вида
нуклеиновых кислот: рибонуклеиновые (РНК), содержащие сахар рибозу, и
дезоксирибонуклеиновые (ДНК), в состав которых входит дезоксирибоза. ДНК и РНК
различаются не только по сахарам, но и по набору азотистых оснований, которые
являются производными пурина и пиримидина. Пуриновые основания — аденин и
гуанин — входят в состав как ДНК, так и РНК. Что касается пиримидиновых
оснований, то цитозин содержится в нуклеиновых кислотах обоих типов, тимин —
только в ДНК, урацил — только в РНК.
Две полинуклеотидные
цепи (или два участка одной цепи) формируют стабильную двуцепочечную структуру,
если напротив нуклеотидов одной цепи располагаются строго определенные,
способные к точному спариванию нуклеотиды другой цепи. В этом случае говорят,
что последовательности нуклеотидов в двух цепях комплементарны (от лат.
complementum — дополнение) друг другу. РНК обычно находится в виде одной цепи,
ДНК — в виде двуцепочечной молекулы. При образовании нуклеотидов специальные
ферменты соединяют с рибозой аденин, гуанин, цитозин и урацил, а с
де