3.8. Синтез белка

В каждой конкретной ситуации клетка должна производить определённый, нужный в данных условиях, набор белков, который составляет только ничтожную часть всех белков, закодированных в ДНК. Поэтому подавляющее большинство генов клетки в обычных условиях заблокировано, гены не готовы для запуска процесса синтеза белка. Каждый ген или кооперативная группа генов, имеет так называемый акцепторный участок ДНК, который отвечает за экспрессию (начало работы) или репрессию (прекращение работы) гена.

Условия, в которых должна произойти экспрессия гена, представляют собой определённый набор факторов, часть из которых (обычно некоторые появившиеся молекулы) так воздействуют на акцепторную зону, что запускается ферментативный процесс раскручивания кодирующего участка ДНК и разделение его на две нити. На одной из этих нитей, которая является кодирующей, с помощью фермента РНК-полимеразы, при наличии свободных нуклеотидов, начинается матричный синтез иРНК (транскрипция). У эукариот этот процесс протекает в ядре. После некоторых химических преобразований готовая иРНК перемещается из ядра в цитоплазму, где начинает протаскиваться через реакционный центр специальных немембранных органоидов – рибосом. Реакционный центр рибосом устроен так, что в нём одновременно могут разместиться два триплета. Вокруг рибосом находятся молекулы тРНК. На одном конце каждой тРНК имеется триплет, комплементарный одному из триплетов иРНК, а на другом конце – соответствующая молекула аминокислоты. Все молекулы находятся в хаотичном тепловом движении, но как только триплеты 2-х тРНК оказываются рядом с комплементарными триплетами в рибосоме, они тут же фиксируются водородными связями и ферменты рибосомы соединяют аминокислоты пептидной связью. После этого рибосома перемещается вдоль иРНК к следующему триплету, присоединяя аналогичным образом следующую аминокислоту и т. д. Процесс синтеза белка с участием иРНК, тРНК и рибосом называется трансляцией. Трансляция представляет собой превращение последовательности нуклеотидов (триплетов) в последовательность аминокислот полипептидной цепи. Образовавшаяся полипептидная цепь сворачивается в третичную структуру и начинает участвовать в соответствующих процессах клетки.

При появлении условий, в которых данный белок не нужен, акцепторная зона в результате отсутствия необходимых факторов или при появлении новых факторов изменяется так, что происходит репрессия гена, процесс синтеза данного белка прекращается.

3.9. Изменчивость организмов

До ХIХ столетия в биологии господствовало мнение, что всё разнообразие живых организмов было создано природой или Всевышним творцом одномоментно и является неизменным во все времена. Однако к ХIХ в. стало накапливаться много фактов, свидетельствующих о том, что виды меняются. Причём изучение ископаемых организмов разных геологических эпох показывало, что с течением времени появлялись всё более сложные и совершенные виды, приспособленные к окружающей среде наилучшим образом. Объяснить подобные явления с точки зрения физических и химических процессов без привлечения понятия жизненной силы казалось совершенно невозможным.

В 1858 г. английские учёные Альфред Уоллес (1823-1913) и Чарльз Дарвин (1809-1882) высказали предположение, что в природе существует естественный процесс случайной, неуправляемой, но наследуемой изменчивости организмов. Эта изменчивость в сочетании с высокой плодовитостью приводит к появлению большого количества организмов с разнообразными свойствами, среди которых могут оказаться свойства, позволяющие лучше приспосабливаться к окружающей среде. Конкуренция, возникающая из-за ограниченности природных ресурсов, приводит к тому, что все представители вида, уступающие новым формам по степени приспособленности, вымирают и появляется новый вид из более совершенных организмов. Такое объяснение эволюции видов получило название теории естественного отбора. Однако оставалось много спорных вопросов, которые нельзя было объяснить, не зная физико-химических основ наследственности и изменчивости.

Такие знания появились к 40-м гг. ХХ столетия. Открытие нуклеиновых кислот и изучение их свойств блестяще подтвердило справедливость идей дарвинизма.

Свойства родителей воспроизводятся у потомков за счёт копирования и передачи по наследству молекул ДНК. Точное копирование не позволяет появляться новым видам, поскольку новый вид – это новая последовательность аминокислот в белках, а следовательно, и новая последовательность нуклеотидов в ДНК. Но из-за большой сложности процесса редупликации он обычно протекает с некоторыми случайными ошибками, которые получили название мутации. Случайные ошибки не могут быть полезными и целесообразными, поскольку всякая случайность и хаотичность приводит к беспорядку и разрушению (энтропия возрастает). Действительно, как показали генетические исследования, проводимые уже более 100 лет, подавляющее большинство мутаций губительны, или, по крайней мере, вредны. Но случаются мутации, которые никак не проявляются в свойствах и поведении организма. Такие изменения генетического материала получили название рецессивных, в отличие от проявляющихся доминантных мутаций.

Нормальная жизнедеятельность организма с рецессивными мутациями возможна, потому что у большинства организмов все гены задублированы, находятся в двух комплектах хромосом. Двойной набор хромосом появляется в результате оплодотворения при половом размножении, когда потомки получают один набор генов от материнского организма, а второй – от отцовского. Такие организмы называются диплоидными (см. п.3.13). Случайный процесс не может приводить к одновременной одинаковой мутации двух генов. Поэтому в случае мутации одного гена второй остаётся без изменений и обеспечивает нормальную жизнедеятельность.

В результате редупликации ДНК и размножения организмов рецессивные гены накапливаются в популяции. В результате многочисленных скрещиваний возникает множество различных генетических комбинаций, среди которых изредка могут оказаться более удачные, чем существовавшие ранее. Организмы с такими новыми, более совершенными свойствами оказываются конкурентноспособными, эффективней добывают пищу, или лучше защищены от вредных факторов, или являются более плодовитыми и т.д. В результате конкуренции менее приспособленные особи постепенно вымирают и замещаются более совершенными организмами. Появляется новый вид. Этот процесс выживания наиболее приспособленных особей и был назван Чарльзом Дарвином естественным отбором.