Нобелевские лауреаты в области химии: Л. Полинг, Ф. Сенгер, П. Дебай - файл n1.doc

приобрести
Нобелевские лауреаты в области химии: Л. Полинг, Ф. Сенгер, П. Дебай
скачать (169 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc169kb.15.09.2012 18:18скачать

n1.doc

Содержание

Лайнус Карл Полинг (Pauling) 2

Фредерик Сенгер (Sanger) 12


Лайнус Карл Полинг (Pauling)


(28 февраля 1901 г. – 19 августа 1994 г.)

Нобелевская премия по химии (1954 г.), Нобелевская премия мира (1962 г.)

Американский химик Лайнус Карл Полинг родился в Портленде (штат Орегон), в семье Льюси Айзабелл (Дарлинг) Полинг и Хермана Хенри Уильяма Полинга, фармацевта. Полинг-старший умер, когда его сыну исполнилось 9 лет. Полинг с детства увлекался наукой. В 13-летнем возрасте один из друзей Полинга приобщил его к химии, и будущий ученый начал ставить опыты. Делал он это дома, а посуду для опытов брал у матери на кухне. Полинг посещал Вашингтонскую среднюю школу в Портленде, но не получил аттестата зрелости. Тем не менее он записался в Орегонский государственный сельскохозяйственный колледж в Корваллисе, где изучал главным образом химическую технологию, химию и физику. Чтобы поддержать материально себя и мать, он подрабатывал мытьем посуды и сортировкой бумаги. Когда Полинг учился на предпоследнем курсе, его как на редкость одаренного студента приняли на работу ассистентом на кафедру количественного анализа. На последнем курсе он стал ассистентом по химии, механике и материалам. Получив в 1922 г. степень бакалавра естественных наук в области химической технологии, Полинг приступил к подготовке докторской диссертации по химии в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене.

Полинг был первым в Калифорнийском технологическом институте, кто по окончании этого высшего учебного заведения сразу стал работать ассистентом, а затем преподавателем на кафедре химии. В 1925 г. ему была присуждена докторская степень по химии summa cum laude (с наивысшей похвалой. – лат.). В течение последующих двух лет он работал исследователем и был членом Национального научно-исследовательского совета при Калифорнийском технологическом институте. В 1927 г. Полинг получил звание ассистент-профессора, в 1929 – адъюнкт-профессора, а в 1931 г. – профессора химии.

Работая все эти годы исследователем, Полинг стал специалистом по рентгеновской кристаллографии – прохождению рентгеновских лучей через кристалл с образованием характерного рисунка, по которому можно судить об атомной структуре данного вещества. Применяя этот метод, Полинг изучал природу химических связей в бензоле и других ароматических соединениях (соединениях, которые, как правило, содержат одно или несколько бензольных колец и обладают ароматичностью). Стипендия Гуггенхейма позволила ему провести учебный 1926/27 г. за изучением квантовой механики у Арнольда Зоммерфельда в Мюнхене, Эрвина Шредингера в Цюрихе и у Нильса Бора в Копенгагене. Созданной Шредингером в 1926 г. квантовой механике, которая была названа волновой механикой, и изложенному Вольфгангом Паули в 1925 г. принципу запрета предстояло оказать глубокое влияние на изучение химических связей.

В 1928 г. Полинг выдвинул свою теорию резонанса, или гибридизации, химических связей в ароматических соединениях, которая основывалась на почерпнутой из квантовой механики концепции электронных орбиталей. В более старой модели бензола, которая время от времени еще использовалась для удобства, три из шести химических связей (связывающих электронные пары) между смежными атомами углерода были одинарными связями, а остальные три – двойными. Одинарные и двойные связи чередовались в бензольном кольце. Таким образом, бензол мог обладать двумя возможными структурами в зависимости от того, какие связи были одинарными, а какие – двойными. Известно было, однако, что двойные связи короче, чем одинарные, а дифракция рентгеновских лучей показывала, что все связи в молекуле углерода имеют равную длину. Теория резонанса утверждала, что все связи между атомами углерода в бензольном кольце были промежуточными по характеру между одинарными и двойными связями. Согласно модели Полинга, бензольные кольца можно рассматривать как гибриды их возможных структур. Эта концепция оказалась чрезвычайно полезной для предсказания свойств ароматических соединений. В течение последующих нескольких лет Полинг продолжал изучать физико-химические свойства молекул, особенно связанных с резонансом. В 1934 г. он обратил внимание на биохимию, в частности на биохимию белков. Совместно с А. E. Мирски он сформулировал теорию строения и функции белка, вместе с Ч. Д. Корвеллом изучал влияние оксигенирования (насыщения кислородом) на магнитные свойства гемоглобина, кислородсодержащего белка в красных кровяных клетках.

Когда в 1936 г. умер Арту Нойес, Полинг был назначен деканом факультета химии и химической технологии и директором химических лабораторий Гейтса и Креллина в Калифорнийском технологическом институте. Находясь на этих административных должностях, он положил начало изучению атомной и молекулярной структуры белков и аминокислот (мономеров, из которых состоят белки) с применением рентгеновской кристаллографии, а в учебном 1937–1938 гг. был лектором по химии в Корнеллском университете в Итаке (штат Нью-Йорк).

В 1942 г. Полингу и его коллегам, получившим первые искусственные антитела, удалось изменить химическую структуру некоторых содержащихся в крови белков, известных как глобулины. Антитела представляют собой молекулы глобулина, выработанные специальными клетками в ответ на вторжение в тело антигенов (чуждых веществ), таких, как вирусы, бактерии и токсины. Антитело сочетается с особым видом антигена, который стимулирует его образование. Полинг выдвинул верный постулат, что трехмерные структуры антигена и его антитела комплементарны и, таким образом, «несут ответственность» за образование комплекса антиген – антитело. В 1947 г. он и Джордж У. Бидл получили субсидию для проведения рассчитанных на пять лет исследований механизма, с помощью которого вирус полиомиелита разрушает нервные клетки. В течение следующего года Полинг занимал должность профессора Оксфордского университета.

Работа Полинга над серповидно-клеточной анемией началась в 1949 г., когда он узнал, что красные кровяные клетки больных этой наследственной болезнью становятся серповидными только в венозной крови, где низок уровень содержания кислорода. На основе знания химии гемоглобина Полинг немедленно выдвинул предположение, что серповидная форма красных клеток вызывается генетическим дефектом в глубине клеточного гемоглобина. (Молекула гемоглобина состоит из железопорфирина, который называется гем, и белка глобина.) Это предположение – наглядное свидетельство удивительной научной интуиции, столь характерной для Полинга. Три года спустя ученому удалось доказать, что нормальный гемоглобин и гемоглобин, взятый у больных серповидно-клеточной анемией, можно различать с помощью электрофореза, метода разделения различных белков в смеси. Сделанное открытие подтвердило убеждение Полинга в том, что причина аномалии кроется в белковой части молекулы.

В 1951 г. Полинг и Р. Б. Кори опубликовали первое законченное описание молекулярной структуры белков. Это был результат исследований, длившихся долгих 14 лет. Применяя методы рентгеновской кристаллографии для анализа белков в волосах, шерсти, мускулах, ногтях и других биологических тканях, они обнаружили, что цепи аминокислот в белке закручены одна вокруг другой таким образом, что образуют спираль. Это описание трехмерной структуры белков ознаменовало крупный прогресс в биохимии.

Но не все научные начинания Полинга оказывались успешными. В начале 50-х гг. он сосредоточил свое внимание на дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) – биологической молекуле, которая содержит генетический код. В 1953 г., когда ученые в разных странах мира пытались установить структуру ДНК, Полинг опубликовал статью, в которой описывал эту структуру как тройную спираль, что не соответствует действительности. Несколько месяцев спустя Фрэнсис Крик и Джеймс Д. Уотсон опубликовали свою ставшую знаменитой статью, в которой молекула ДНК описывалась как двойная спираль.

В 1954 г. Полингу была присуждена Нобелевская премия по химии «за исследование природы химической связи и ее применение для определения структуры соединений». В своей Нобелевской лекции Полинг предсказал, что будущие химики станут «опираться на новую структурную химию, в т. ч. на точно определенные геометрические взаимоотношения между атомами в молекулах и строгое применение новых структурных принципов, и что благодаря этой технологии будет достигнут значительный прогресс в решении проблем биологии и медицины с помощью химических методов».

Несмотря на то что в юные годы, которые пришлись на первую мировую войну, Полинг был пацифистом, во время второй мировой войны ученый занимал официальный пост члена Национальной научно-исследовательской комиссии по обороне и работал над созданием нового ракетного топлива и поисками новых источников кислорода для подводных лодок и самолетов. В качестве сотрудника Управления научных исследований и развития он внес значительный вклад в разработку плазмозаменителей для переливания крови и для военных нужд. Однако вскоре после того, как США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки, Полинг начал кампанию против нового вида оружия и в 1945 – 1946 гг., являясь членом Комиссии по национальной безопасности, читал лекции об опасностях ядерной войны.

В 1946 г. Полинг стал одним из основателей Чрезвычайного комитета ученых-атомщиков, учрежденного Альбертом Эйнштейном и 7 другими прославленными учеными с тем, чтобы добиваться запрещения испытаний ядерного оружия в атмосфере. Четыре года спустя гонка ядерных вооружений уже набрала скорость и Полинг выступил против решения своего правительства о создании водородной бомбы, призвав положить конец всем испытаниям ядерного оружия в атмосфере. В начале 50-х гг., когда и США, и СССР провели испытания водородных бомб и уровень радиоактивности в атмосфере повысился, Полинг использовал свой немалый талант оратора, чтобы обнародовать возможные биологические и генетические последствия выпадения радиоактивных осадков. Озабоченность ученого потенциальной генетической опасностью отчасти объяснялась проводимыми им исследованиями молекулярных основ наследственных заболеваний. Полинг и 52 других нобелевских лауреата подписали в 1955 г. Майнаускую декларацию, призывавшую положить конец гонке вооружений.

Когда в 1957 г. Полинг составил проект воззвания, в котором содержалось требование прекратить ядерные испытания, его подписало более 11 тыс. ученых из 49 стран мира, и среди них свыше 2 тыс. американцев. В январе 1958 г. Полинг представил этот документ Дагу Хаммаршельду, который был тогда генеральным секретарем ООН. Предпринятые Полингом усилия внесли свой вклад в учреждение Пагуошского движения за научное сотрудничество и международную безопасность, первая конференция сторонников которого состоялась в 1957 г. в Пагуоше (провинция Новая Шотландия, Канада) и которому в конечном счете удалось способствовать подписанию договора о запрещении ядерных испытаний. Такая серьезная общественная и личная озабоченность по поводу опасности заражения атмосферы радиоактивными веществами привела к тому, что в 1958 г., несмотря на отсутствие какого бы то ни было договора, США, СССР и Великобритания добровольно прекратили испытания ядерного оружия в атмосфере.

Однако усилия Полинга, направленные на то, чтобы добиться запрета испытаний ядерного оружия в атмосфере, встречали не только поддержку, но и значительное сопротивление. Такие известные американские ученые, как Эдвард Теллер и Уиллард Ф. Либби, оба члены Комиссии по атомной энергии США, утверждали, что Полинг преувеличивает биологические последствия выпадения радиоактивных осадков. Полинг также наталкивался на политические препятствия из-за приписываемых ему просоветских симпатий. В начале 50-х гг. у ученого были трудности с получением паспорта (для выезда за рубеж), и он получил паспорт без всяких ограничений только после того, как был награжден Нобелевской премией.

Как это ни странно, но в тот же самый период Полинг подвергался нападкам и в Советском Союзе, поскольку его резонансная теория образования химических связей считалась противоречащей марксистскому учению (после смерти Иосифа Сталина в 1953 г. эта теория была признана в советской науке). Полинг дважды (в 1955 и 1960 гг.) вызывали в подкомиссию по вопросам внутренней безопасности сената США, где ему задавали вопросы относительно его политических взглядов и политической деятельности. В обоих случаях он отрицал, что когда бы то ни было являлся коммунистом или симпатизировал марксистским взглядам. Во втором же случае (в 1960 г.) он, рискуя вызвать обвинение в презрении к конгрессу, отказался назвать имена тех, кто помог ему собрать подписи под воззванием 1957 г. В конце концов дело было прекращено.

В июне 1961 г. Полинг и его жена созвали конференцию в Осло (Норвегия) против распространения ядерного оружия. В сентябре того же года, несмотря на обращения Полинга к Никите Хрущеву, СССР возобновил испытания ядерного оружия в атмосфере, а на следующий год, в марте, это сделали США. Полинг начал вести дозиметрический контроль над уровнями радиоактивности и в октябре 1962 г. сделал достоянием гласности информацию, которая показывала, что из-за проводимых в предыдущем году испытаний уровень радиоактивности в атмосфере поднялся вдвое по сравнению с предшествующими 16 годами. Полинг также составил проект предлагаемого договора о запрещении таких испытаний. В июле 1963 г. США, СССР и Великобритания подписали договор о запрещении ядерных испытаний, в основе которого лежал проект Полинга.

В 1963 г. Полинг был награжден Нобелевской премией мира 1962 г. В своей вступительной речи от имени Норвежского нобелевского комитета Гуннар Ян заявил, что Полинг «вел непрекращающуюся кампанию не только против испытаний ядерного оружия, не только против распространения этих видов вооружений, не только против самого их использования, но против любых военных действий как средства решения международных конфликтов». В своей Нобелевской лекции, названной «Наука и мир», Полинг выразил надежду на то, что договор о запрещении ядерных испытаний положит «начало серии договоров, которые приведут к созданию нового мира, где возможность войны будет навсегда исключена».

В том же году, когда Полинг получил свою вторую Нобелевскую премию, он вышел в отставку из Калифорнийского технологического института и стал профессором-исследователем в Центре изучения демократических институтов в Санта-Барбаре (штат Калифорния). Здесь он смог уделять больше времени проблемам международного разоружения. В 1967 г. Полинг также занял должность профессора химии в Калифорнийском университете (Сан-Диего), надеясь проводить больше времени за исследованиями в области молекулярной медицины. Спустя два года он ушел оттуда и стал профессором химии Стэнфордского университета в Пало-Альто (штат Калифорния). К этому времени Полинг уже вышел в отставку из Центра изучения демократических институтов. В конце 60-х гг. Полинг заинтересовался биологическим воздействием витамина С. Ученый и его жена сами стали регулярно принимать этот витамин, Полинг же начал публично рекламировать его употребление для предотвращения простудных заболеваний. В монографии «Витамин С и простуда», которая вышла в 1971 г., Полинг обобщил опубликованные в текущей печати практические свидетельства и теоретические выкладки в поддержку терапевтических свойств витамина С. В начале 70-х гг. Полинг также сформулировал теорию ортомолекулярной медицины, в которой подчеркивалось значение витаминов и аминокислот в поддержании оптимальной молекулярной среды для мозга. Эти теории, получившие в то время широкую известность, не нашли подтверждения в результатах последующих исследований и в значительной мере были отвергнуты специалистами по медицине и психиатрии. Полинг, однако, придерживается точки зрения, что основания их контраргументов далеко не безупречны.

В 1973 г. Полинг основал Научный медицинский институт Лайнуса Полинга в Пало-Альто. В течение первых двух лет он был его президентом, а затем стал там профессором. Он и его коллеги по институту продолжают проводить исследования терапевтических свойств витаминов, в частности возможности применения витамина С для лечения раковых заболеваний. В 1979 г. Полинг опубликовал книгу «Рак и витамин С», в которой утверждает, что прием в значительных дозах витамина С способствует продлению жизни и улучшению состояния больных определенными видами рака. Однако авторитетные исследователи раковых заболеваний не находят его аргументы убедительными.

В 1922 г. Полинг женился на Аве Элен Миллер, одной из его студенток в Орегонском государственном сельскохозяйственном колледже. У супругов три сына и дочь. После смерти жены в 1981 г. Полинг жил в их загородном доме в Биг-Сюре (штат Калифорния).

Помимо двух Нобелевских премий, Полинг был удостоен многих наград. В их числе: награда за достижения в области чистой химии Американского химического общества (1931), медаль Дэви Лондонского королевского общества (1947), советская правительственная награда – международная Ленинская премия «За укрепление мира между народами» (1971), национальная медаль «За научные достижения» Национального научного фонда (1975), золотая медаль имени Ломоносова Академии наук СССР (1978), премия по химии американской Национальной академии наук (1979) и медаль Пристли Американского химического общества (1984). Ученому присвоены почетные степени Чикагского, Принстонского, Йельского, Оксфордского и Кембриджского университетов. Полинг состоял во многих профессиональных организациях. Это и американская Национальная академия наук, и Американская академия наук и искусств, а также научные общества или академии Германии, Великобритании, Бельгии, Швейцарии, Японии, Индии, Норвегии, Португалии, Франции, Австрии и СССР. Он был президентом Американского химического общества (1948) и Тихоокеанского отделения Американской ассоциации содействия развитию науки (1942 – 1945), а также вице-президентом Американского философского общества (1951 – 1954).

Фредерик Сенгер (Sanger)


(13 августа 1918 г. – 1997 г.)

Нобелевская премия по химии (1958 г.), Нобелевская премия по химии (1980 г., совместно с Полом Бергом и Уолтером Джилбертом).

Английский биохимик Фредерик Сенгер (Сангер) родился в Рендкомбе (графство Глостершир), в обеспеченной семье квакеров. Его мать, в девичестве Сесили Крусдом, была дочерью преуспевающего текстильного магната. Отец же (кстати, в его честь и был назван Сенгер) работал врачом. С 1932 по 1936 г. будущий ученый обучался в Брайанстонской школе в Блэндфорде (графство Дорсетшир), а в 1936 г. поступил в колледж св. Иоанна Кембриджского университета. Первоначально Сенгер планировал пойти по стопам отца и заняться медициной, но его заинтересовала биохимия.

В 1939 г. в Кембриджском университете Сенгер получил степень бакалавра естественных наук. В сентябре того же года разразилась вторая мировая война, но Сенгер, как квакер, был освобожден от воинской службы и оставлен в Кембридже в аспирантуре. Получив в 1943 г. докторскую степень, он вошел в исследовательскую группу, возглавляемую Э. Ч. Чибналлом, который как раз перед этим сменил Фредерика Гоуленда Хопкинса в должности профессора биохимии Кембриджского университета. В то время Чибналл занимался изучением химии белков.

В 1902 г. Эмиль Фишер предположил, что белки состоят из аминокислот, связанных между собой пептидными связями. К началу 40-х гг. гипотеза Фишера была широко, хотя и не повсеместно признана. Когда более чем две аминокислоты связаны вместе, они образуют полипептидную цепь. Поскольку аминокислота может образовывать не более двух пептидных связей, Фишер предсказал, что белки должны состоять из линейных цепей аминокислот со свободной карбоксильной группой (состоящей из углерода, кислорода и водорода) – на другом. Чибналл предложил Сенгеру установить конечную группировку пептидной цепи химическим путем. Если бы это удалось сделать, то было бы установлено, что белки действительно состоят из линейных цепей аминокислот. Кроме того, это указывало бы и на то, входит ли в один белок более чем один вид пептидной цепи.

В 1945 г. Сенгер сообщил, что в мягких щелочных условиях определенный реагент (динитрофенол) может присоединяться к атому азота аминокислоты благодаря связи более сильной, чем пептидная. Следовательно, белок может быть расщеплен на составляющие его аминокислоты с разрушением пептидных связей, а аминокислоты можно установить с помощью хроматографии. Метод хроматографии, как раз перед этим усовершенствованный Арчером Мартином и Ричардом Сингом, позволяет разделять вещества на компоненты, исходя из характерной скорости, с которой они поглощаются специальным фильтром. Значительная часть исследований, проводимых в лаборатории Чибналла, была связана с инсулином, одним из немногих белков, доступных в то время в чистом виде и в больших количествах. Первоначальное изучение Сенгером инсулина показало, что он содержит две различные N-концевые аминокислоты. Следовательно, каждая молекула инсулина состоит их двух видов полипептидных цепей. Аминокислота цистеин содержит молекулу серы; две молекулы цистеина могут соединяться с образованием цистина, в котором имеется дисульфидный мостик либо между двумя полипептидными цепями, либо между различными участками одной цепи. В 1949 г. Сенгер сообщил, что он открыл способ разрушения этих дисульфидных мостиков и, следовательно, метод разделения двух цепей.

Сенгер и приехавший из Вены ученый Ганс Туппи разработали план установления последовательности чередования аминокислот в каждой полипептидной цепи инсулина. Разбив цепь на подсекции, эти двое ученых надеялись установить последовательность аминокислот в каждой подсекции и, исходя из этой информации, последовательность их чередования во всей полипептидной цепи. Несмотря на то что Сенгер первоначально использовал кислоту, чтобы разорвать полипептидную цепь, он вскоре обнаружил, что ферменты действуют гораздо более точно. Таким образом, Сенгер и Туппи сравнивали фрагменты цепи, полученные в результате применения различных ферментов, для понимания последовательности чередования аминокислот во всей цепи. Установить последовательность чередования для более длинной из двух инсулиновых цепей оказалось неожиданно легко, и эта работа была почти закончена к тому времени, когда Туппи в 1950 г. уехал из Кембриджа. Однако более короткая инсулиновая цепь не так легко поддавалась химическому анализу, и поэтому последовательность чередования в ней аминокислот была полностью установлена только в 1953 г. Сенгер продолжил работу по установлению местоположения дисульфидных мостиков между двумя цепями, и в 1955 г. представил законченную структуру молекулы инсулина. Это была первая белковая молекула, так подробно изученная.

Работа Сенгера имела важные последствия для биохимии и зарождающейся науки – молекулярной биологии. Результаты проведенных им исследований окончательно доказали, что белки состоят из аминокислот, соединенных в цепи пептидными связями. В начале XX в. многие химики полагали, что белки представляют собой смесь родственных соединений. Сенгер, однако, установил, что белок – это особое химическое вещество с уникальной структурой и что каждое место в цепи занято определенной аминокислотой. Он также доказал, что ферменты могут разрывать пептидные цепи в заранее установленных местах. Применение этого метода помогло биохимикам определить структуру многих других белков. В 1958 г. Сенгеру была присуждена Нобелевская премия по химии «за установление структур белков, особенно инсулина». В своей Нобелевской лекции Сенгер подчеркнул большое практическое значение проведенной им работы. «Установление структуры инсулина, безусловно, открывает путь к исследованию других белков, – сказал он. – Можно также надеяться, что изучение белков поможет выявить изменения, которые происходят в организме во время болезни, и что наши усилия могут принести человечеству большую практическую пользу».

Еще до получения Нобелевской премии Сенгер занялся изучением генетики. Отчасти это произошло под влиянием дружбы ученого с Фрэнсисом Криком. Для Сенгера одним из наиболее поразительных фактов, касающихся последовательности чередования отдельных групп в инсулине, было явное отсутствие какого бы то ни было принципа уникального расположения аминокислот. А ведь от этого, казалось бы, случайного порядка зависела важная физиологическая деятельность. Сенгер не понимал, каким образом белок может соединяться именно в такой последовательности, однако было очевидно, что у этого порядка должны быть определенные истоки. В середине 50-х гг. Крик (который вместе с Джеймсом Д. Уотсоном первый описал структуру генетического вещества дезоксирибонуклеиновой кислоты, или ДНК) объяснил сделанные Сенгером открытия, прибегнув к «гипотезе последовательности», которая заключалась в том, что информацию, определяющую последовательность аминокислот в белке, несут гены. Позднее было установлено, что сами гены представляют собой последовательность звеньев, отдельные группы которых соответствуют определенной аминокислоте.

Нуклеиновые кислоты – ДНК и рибонуклеиновая кислота (РНК) – это цепи связанных нуклеотидов. Нуклеотид состоит из молекулы сахара с фосфатным остатком и присоединенной к ним одной из четырех «основных» молекул. Нуклеотиды связаны вместе фосфатными группами и образуют полипептидные цепи. В структуре молекулы ДНК две параллельные цепи составляют конфигурацию винтовой лестницы. Пара оснований образует ступеньку этой лестницы, соединяясь между цепями особыми связями: аденин (А) с гуанином (Г), питозин (Ц) с тимином (Т). Код для аминокислот определяется последовательностью трех оснований. Процесс строительства белка начинается с того, что соответствующий участок молекулы ДНК, который включает полные указания для сбора соединения, «расстегивает молнию» для связи, соединяющей основания друг с другом. Свободные нуклеотиды (как попало плавающие в клетке) оказываются привязанными вдоль открытой для этого последовательности молекулы ДНК, образуя зеркально отображенную цепь, называемую матричной РНК (мРНК). Законченная цепь мРНК покидает ДНК (которая тогда снова «закрывает молнию») и продвигается к клеточным структурам, которые называются биросомами, где и будет собираться белок. Участки более короткой цепи формируются мРНК и затем движутся в сторону, с тем чтобы вобрать в себя соответствующие свободные нуклеотиды, которые они затем приносят обратно мРНК для включения в белковую структуру. Эти короткие цепи называются транспортными РНК (тРНК). К тому времени, когда Сенгер приступил к изучению нуклеиновых кислот, об этих процессах мало что было известно, а о нуклеотидовых последовательностях не было известно вообще ничего.

Последовательности ДНК и РНК представляют большие трудности для анализа, чем белковые последовательности, поскольку они длиннее. Типичная белковая цепь может содержать до пятидесяти аминокислот, а типичная мРНК содержит сотни нуклеотидов. ДНК даже крошечного вируса состоит из тысяч нуклеотидов. И тем не менее последовательности нуклеиновых кислот легче поддаются раскодированию, чем белковые последовательности, из-за их фундаментального различия: в то время как каждое место в белковой цепи может быть занято любой из 20 различных аминокислот, существует только 4 «претендента» на каждое место в последовательности ДНК – нуклеотиды, сокращенно называемых А, Т, Ц и Г (по названию их оснований).

В 1958 г. Роберт У. Холли предпринял попытку установить последовательность цепи тРНК. Несмотря на то что длина этих коротких цепей не превышает 100 нуклеотидов, эта работа из-за сложности установления последовательности затянулась до 1965 г. На Сенгера произвела глубокое впечатление работа Холли, но он искал более действенный метод установления последовательности, доступный для применения к цепям мРНК, длина которых нередко достигает нескольких сотен нуклеотидов. В начале 60-х гг. он и его коллеги разработали такую технологию. Применив ферменты, они разорвали цепи мРНК на более мелкие цепи и проследили последовательность в каждой из них отдельно. Затем на основании заключений о взаимоотношении между фрагментами была определена последовательность во всей цепи.

Такой подход, однако, требовал массы времени и терпения, и Сенгер решил разработать аналитический метод установления последовательности в ДНК. Он добился этого в 1973 г. Предложенная им процедура заключалась в том, что двойная цепь молекулы ДНК разбивалась на одинарные цепи (называемые стренгами), а затем полученный материал группировался в четыре образца. Каждый образец начинают восстанавливать до первоначальной последовательности двойной цепи, исходя из шаблона одинарной цепи. Однако исследователи останавливают процесс восстановления на разных нуклеотидах для каждого образца либо путем ограничения концентрации того или иного свободного нуклеотида, либо помещая в цепь определенный нуклеотид с таким химикатом, который предотвращает дальнейший синтез. В результате этого реконструированные цепи представляют собой образцы различной длины, но каждая заканчивается одинаковым нуклеотидом. Затем эти четыре образца одновременно пропускают через фильтрующий материал, называемый сверхтонким акриламидным гелем, который разделяет эти цепи в соответствии с их длиной, поскольку более короткие цепи проходят через гель быстрее. И тогда нуклеотидная последовательность первоначальной цепи ДНК может быть прочитана прямо с геля путем сравнения следов, оставленных образцами.

В то время как Сенгер и его коллеги работали над этим методом (названным дидекоксидным методом по типу используемого при этом ограничивающего химиката), американские ученые Уолтер Джилберт и Аллан Мэксам разрабатывали другую процедуру установления нуклеотидных последовательностей. В соответствии с их методом фрагменты цепи ДНК различной длины получают, разрывая цепь на специфических основаниях. Этот подход напоминает метод, который применил Сенгер для установления последовательностей в белковых цепях и цепях РНК. Как технология Сенгера, так и технология Джилберта стали важнейшим инструментом генной инженерии, хотя метод Сенгера несколько более эффективен при работе с очень длинными последовательностями. Еще в 1978 г. Сенгер и его коллеги продемонстрировали действенность дидезоксидного метода, установив последовательность 5375 оснований в цепи ДНК бактериального вируса. Это был первый случай такой подробной расшифровки цепи ДНК.

В 1980 г. Сенгеру и Джилберту была присуждена половина Нобелевской премии по химии «за вклад в установлении основных последовательностей в нуклеиновых кислотах». Другая половина премии была присуждена Полу Бергу. Эти трое ученых, сказал в своей вступительной речи от имени Шведской королевской академии наук Б. Г. Мальстрем, «сделали возможным проникновение в еще большие глубины в нашем понимании взаимосвязи между химической структурой и биохимической функцией генетического материала».

В 1983 г. Сенгер вышел в отставку с занимаемого им поста в Медицинском научно-исследовательском совете. Скромный, склонный к уединению человек, он жил в Кембридже со своей женой Маргарет Джоан Хоув, брак с которой был зарегистрирован в 1940 г. У супругов два сына и дочь. Сенгер любил заниматься парусным спортом и работать в саду.

Сенгер удостоен многочисленных наград. Среди них: медаль Кордей-Моргана и премия, присужденные ему Британским химическим обществом (1951), премия Альфреда Бензонса Фонда Альфреда Бензонса (1966), Королевская медаль Лондонского королевского общества (1969), ежегодная награда Гарднеровского фонда (1971 и 1979), памятная медаль Хэнбери Фармацевтического общества Великобритании (1976), медаль Копли Лондонского королевского общества (1977) и премия Альберта Ласкера за фундаментальные медицинские исследования (1979). Сенгер был почетным членом Американского общества биохимиков и американской Национальной академии наук, обладатель почетных степеней университетов Лестера и Страсбурга, а также Кембриджа и Оксфорда.

Петер Уильям Дебай (Debye)

(24 марта 1884 г. – 2 ноября 1966 г.)

Нобелевская премия по химии, 1936 г.

Нидерландско-американский физик Петер Джозеф Уильям Дебай (Петрус Йозефус Вильгельмус Дебьо) родился в г. Маастрихте в Нидерландах в семье Марии Дебьо (в девичестве Рюмкенс) и Вильгельмуса Йоганнеса Дебьо, контролера фирмы по производству металлической проволоки. В начальной и средней школе изучал иностранные языки, математику и естествознание. По окончании школы в 1901 г. он поступил в Ахенский технический университет в Германии по специальности инженер-электрик.

В Ахене Дебай (так позднее он стал писать свою фамилию) проявил интерес к химии и физике. Один из его преподавателей, физик Макс Вин, разрешил Дебаю проводить несложные эксперименты в институтской физической лаборатории, когда она была свободна, что и пробудило у него интерес к научным исследованиям. Еще будучи студентом последнего курса, он уже являлся ассистентом Арнольда Зоммерфельда, который впоследствии стал профессором технической механики.

В 1906 г., год спустя после получения диплома инженера-электрика, Дебай вслед за Зоммерфельдом перешел в Мюнхенский университет, где и работал в течение пяти лет его помощником. В 1908 г. Дебай завершил свою диссертацию о давлении света на шары, обладающие электрическими свойствами, и получил степень доктора по физике. Через два года он становится лектором Мюнхенского университета, но покидает его в 1911 г., направившись в Цюрихский университет в Швейцарию к Альберту Эйнштейну, где становится профессором теоретической физики.

В Цюрихе Дебай начал исследования структуры молекул. Хотя химический состав сложных молекул был в основном уже известен, в то время имелись лишь ограниченные данные о физических и структурных связях между атомами. В течение года Дебай сосредоточил свое внимание на распределении электрических зарядов в атомах и молекулах. Особый интерес он проявил к полярности (ориентации положительных и отрицательных зарядов) и обнаружил, что знание степени полярности (дипольного момента молекулы и составляющих ее атомов) позволяет оценить относительное расположение химически соединенных атомов. Дебай также пересмотрел квантовую теорию Эйнштейна об удельной теплоемкости (количество энергии, необходимой для поднятия температуры вещества на 1 °С) и вывел формулу для вычисления ассоциативной температуры, которую сейчас называют температурой Дебая.

В 1912 г. Дебай перешел в Утрехтский университет в Нидерландах, а через два года стал профессором теоретической физики Гёттингенского университета, где и оставался на протяжении следующих шести лет. В течение этого времени в молекулярных исследованиях Дебая появляется новое направление, основанное на недавнем открытии Макса фон Лауэ, гласящем, что рентгеновские лучи, проходя через кристаллы, дифрагируют или отклоняются в зависимости от природы исследуемого образца. Зная, что длины волн рентгеновских лучей достаточно малы для измерения расстояния между атомами в молекуле, Дебай продемонстрировал взаимосвязь между дифрагированными пучками и тепловым движением атомов в кристаллах. Решение появилось в 1916 г., когда, работая с Паулем Шеррером, он понял, что даже в порошке мельчайших или неидеальных кристаллов достаточное количество кристаллов располагается таким образом, что полученные данные дифракции рентгеновских лучей могут охарактеризовать молекулярную структуру этих кристаллов. Совместно с Шеррером он и разработал метод исследования структуры мелкокристаллических материалов с помощью дифракции рентгеновских лучей (метод Дебая – Шеррера).

В 1920 г. Дебай вернулся в Швейцарию, где занял престижный пост директора Физического института при Федеральном технологическом институте, являясь также профессором физики Цюрихского университета. В течение следующих нескольких лет он внес фундаментальный вклад в изучение сильных электролитов, веществ, которые распадаются в растворах на положительные и отрицательные ионы. Созданная им совместно с Эрихом Хюккелем теория, опубликованная в 1923 г. (теория Дебая – Хюккеля), позволяет математически точно рассчитать ионную силу растворов сильных электролитов. В том же 1923 г. Дебаем была разработана теория комптоновского эффекта (названного в честь Артура Х. Комптона), обеспечивающая дополнительное доказательство волново-корпускулярной природы света. Между 1927 и 1934 гг. Дебай в Лейпцигском университете изучал дифракцию рентгеновских лучей при измерении межатомных расстояний в газах и продолжал исследования дипольной теории и электролитов. Затем он перешел в Берлинский университет, где под его контролем создавался Институт физики кайзера Вильгельма (ныне Институт Макса Планка). Здесь он использовал электролиты в дифракционных работах с газами.

В 1936 г. Дебай был награжден Нобелевской премией по химии «за вклад в наше понимание молекулярной структуры в ходе исследований дипольных явлений и дифракции рентгеновских лучей и электронов в газах». К теоретической значимости его открытий позднее добавились работы, с помощью которых были существенно улучшены методы производства взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, красителей и других химических реагентов.

Хотя ему были даны гарантии, что он, являясь гражданином Нидерландов, может работать в Берлине, в 1939 г. Дебай был уволен из лаборатории по причине отсутствия немецкого гражданства. Возмущенный этим решением, Дебай поехал читать Бейкеровские лекции в Корнеллский университет в Итаку (штат Нью-Йорк), и остался там, вскоре став деканом химического факультета. В результате его работ в Корнеллском университете и лабораториях компании «Белл» были разработаны новые способы расчета размеров молекул сложных полимеров.

В 1946 г. Дебай получил американское гражданство. В 1952 г. он подал в отставку в Корнеллском университете, где ему присудили звание почетного профессора. Но и после этого он продолжал свои исследования с полимерами. Кроме чтения лекций, он в 1960 г. уделял много времени организации Научно-технологического института при Мичиганском университете.

В 1914 г. Дебай женился на Матильде Альберер, с которой воспитал сына и дочь. Его студенты и коллеги знали, как дружелюбно и внимательно он относился ко всем, ценили его как прекрасного лектора. В свободное время Дебай увлекался рыбалкой. Он умер 2 ноября 1966 г. в Итаке от сердечного приступа.

Кроме Нобелевской премии, Дебай был удостоен многих наград и премий. Ему были вручены медаль Румфорда Лондонского королевского общества (1930), медаль Х. Лоренца Королевской академии наук и искусств Нидерландов (1935), медаль Франклина Франклиновского института (1937), медаль Дж. Уилларда Гиббса (1949) и медаль Дж. Пристли Американского химического общества (1963). Ему также были присуждены почетные ученые степени Гарвардского университета, Бруклинского политехнического института, Университета св. Лаврентия, Колгейтского университета, Федерального цюрихского технологического института, Бостонского колледжа, Оксфордского университета и университетов Брюсселя, Льежа и Софии. Он был членом Лондонского королевского общества, Американского физического общества, Американского химического общества, Американского философского общества, Франклиновского института, Королевской академии наук и искусств Нидерландов, Брюссельского научного общества, Академий наук Гёттингена, Мюнхена, Берлина, Бостона и Вашингтона. Был иностранным членом АН СССР.

Литература

  1. С. И. Левченков. Краткий очерк истории химии. Учебное пособие для студентов химфака РГУ. [Электронный ресурс] / Режим доступа: http://www.physchem.chimfak.rsu.ru/Source/History/Persones/index.html


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации