Днк ↔ рнк → белок

(первая стрелка, обращенная в обе стороны, означает принципиальную возможность не только прямой, но и обратной транскрипции). Однако это открытие пока что не поколебало основную идею: перенос генетической информации – однонаправленный, от генотипа к фенотипу, то есть нуклеиновые кислоты (ДНК и РНК) строят белок, но обратный процесс  строительство новой ДНК или РНК по белку  невозможен. И все же открытие обратной транскрипции, возможно, указывает путь направленных преобразований ДНК (генов) через предварительные изменения молекул РНК, что имело бы далеко идущие последствия в объяснении механизмов биологической изменчивости и эволюции. К этим вопросам мы еще вернемся в соответствующей главе нашего пособия.

В заключение параграфа несколько слов о геноме и геномике. Гено­мом называют один полный (гаплоидный) набор («список») генов данного биологического вида. Некоторые гены являются вспомогательными или регулятор­ны­ми, но подавляющее их большинство кодируют конкретные структурные белки. В настоящее время для ряда объектов определено примерное чис­ло генов и выявлен их нуклеотидный состав. Это несколько видов бак­терий (от 500 до 4 тысяч генов), из царства грибов – дрожжи (около 6 тысяч генов), из животных – плодовая мушка дрозофила (около 14 тысяч генов) и некоторые другие. В целом завершена между­на­­родная программа “Геном человека”. Как показали пятнадцатилетние исследования, в нашем геноме имеется более 30 тысяч разных генов. Но функции большинства выявленных генов (т.е. состав и назначение кодируемых ими белков) пока неизвестны. Поставлена задача обнаружения этих белков и опре­де­ления их роли в организме, выраженная девизом: “от геномики – к про­теомике”, т.е. от состава генов – к составу и функциям протеи­нов (белков).

Почему именно ДНК выбрана Природой для кодирования структу­ры белков, неизвестно. В 20-х годах ХХ века российский биолог Н.К. Кольцов высказал идею о самовоспроизведении белков путем аутосинтеза по матрич­ному принци­пу. В отношении матричного принципа догадка была гениальной, но роль матрицы, как выяснилось позднее, выполняют не сами белки, а молекулы ДНК – полимера, совершенно не похожего на полипептидные цепи белков. Согласно одной из новых гипотез (Костецкий, 1999), уже в момент зарождения жизни на Земле на основе пере­стройки крис­таллов природного минерала апатита сразу возник комплекс ДНК и белка (подробнее см. раздел 6.2 о происхождении жизни). Кристаллы апа­тита изначально имели многочисленные иска­жения кристалличес­кой решетки (“мутации”), что и послужило первичным источником разнообразия генов и, соответственно, белков. Впос­ледствии иска­же­ния нарастали, возрастало разнообразие структур и функциональных свойств белков. Таким образом, ДНК-белковое соответствие является из­на­чаль­ным свойством жизни.

4.4. Репликация днк и размножение клеток

Кроме синтеза белков индивидуальное развитие включает размножение клеток, а также и размножение самих организмов. Для этого необходим механизм воспроизведения генетической информации. Копирование гене­тической программы осуществляется посредством репликации ДНК в цикле деления клетки (рис. 4.2). Это вторая функция генов.

Репликация (от лат. replicatio – повторение) означает процесс матричного аутосинтеза молекулы ДНК, ведущий к ее удвоению, самовоспроизведению. Как и в случае транскрипции, молекула ДНК разделяется на две нити и достраивается свободными нуклеотидами, но не по одной цепи, а сразу по обеим (рис. 4.2, вверху слева). Под­бор нуклеотидов идет по принципу комплементарности: аденин – тимин, гуанин – цитозин. Новые цепи не удаляются со своих матриц, как это происходит с РНК при транскрипции, а остаются на них, удерживаемые водородными связями. В результате образуются две молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну старую и одну новую цепи нуклеоти­дов. Дочерние молекулы ДНК идентичны друг другу и в то же время повторяют материнскую молекулу. На рис. 4.2 видно, как в репликативной вилке пара А-Т воспроизводится в две такие же А-Т пары, а пара Г-Ц, соответственно, в две Г-Ц пары.

Когда в 1953 г. Уотсон и Крик показали возможность самокопирования ДНК по принципу комплементарности, научная общественность была в шоке: настолько неожиданно прост и надежен оказался механизм наследственности! Не столько структура ДНК, сколько вытекаю­щий из нее механизм самокопирования представлял наибольший инте­рес в их открытии.

Ядерная ДНК находится в составе хромосом, она связана с большим количеством вспомогательных белков, способствующих ее правильной упаковке. Во время деления клетки эти структуры максимально спирализованы. Число хромосом (как и их размеры, форма) спе­цифично для каждого вида животных или растений (хромосомный набор, или кариотип вида). В половых клетках содержится минимальный, одинарный, или гаплоидный,

Рис. 4.2. Цикл деления и дифференцировка клеток

набор хромосом, включаю­щий один комплект генов, т.е. один геном, его обозначают латинским символом “n”. Начиная от зиготы, полученной от слияния мужской (1n) и женской (1n) половых клеток, во всех поколениях сома­тических клеток воспроизводится двойной, или диплоидный, набор хромосом – 2n. Так, у человека в обычной соматической клетке содержится 46 хромосом – 23 хромосомы от матери и 23 такие же от отца (только по 23-й паре есть различия хромосом женского и мужского организмов).

Между прочим, из сказанного следует важный вывод: каждый признак, то есть каждый белок, закодирован в клетке (и организме) не одним, а двумя генами, от двух гомологичных (одноименных) хромосом. Такие пары генов, отвечающих за один и тот же признак, называют аллельными генами, или просто аллелями. О преимуществах дублирования генов мы еще вспомним при рассмотрении полового размножения организмов и механизмов эволюции.

Но вернемся к циклу деления клетки (рис. 4.2). Во время интерфазы, между делениями, происходит репликация ДНК, в результате чего в каждой хромосоме ДНК удваивается. В ходе деления клетки (оно называется митозом) ядерная оболочка разрушается, хромосомы спирализуются, продольно расщепляются и симметрично расходятся к полюсам клетки. Следом происходит деление самой клетки. В результате митоза в до­черних клетках воспроизводится исходный диплоидный набор хромосом 2n, поэтому каждая новая клетка обладает той же информацией о белках, что и материнская клетка.

Понятно, что размножаются только клетки с полноценным ядерным (хромосомным) аппаратом. Также исключена всякая самосборка клеток из неклеточного вещества, например из желтка или белка в развивающемся яйце, из плазмы крови или других биологических жидкостей. Такие идеи предлагались еще на заре клеточной теории (Шлейден, 1838), но в 1855 году немецкий ученый Рудольф Вирхов “не оставил камня на камне” от такой теории, доказав на большом научном материале, что новые клетки возникают только от таких же клеток в результате их деления.

Деление клеток приводит к увеличению их числа. В крупных организмах насчитываются миллионы, миллиарды и триллионы клеток. Тело человека, например, образовано сотнями триллионов (10¹⁴) или даже квадриллионом (10¹⁵) клеток. В многоклеточном организме происходит дифференцировка клеток – появление структур­но-функциональных различий между ними и формирование специализированных тканей (см. рис. 4.2).

Итак, индивидуальное развитие клетки слагается из двух процессов: размножения и роста. На молекулярном уровне это означает две операции с участием одной и той же генетической матрицы, молекул ДНК: 1) репликация ДНК, обеспечивающая копирование генотипа, размножение клеток; 2) транскрипция (синтез РНК) и трансляция (синтез белков) генной информации, необходимые для построения фенотипа, т.е. для роста, включающего и дифференцировку клеток. Так что живые клетки, а значит, и сами организмы представляют неразрывное единст­во генотипа и фенотипа, с точки зрения молекулярной биологии – единство программы развития в форме ДНК, передающейся по наследству, и собственно живого тела (сомы), обра­зованного преимущественно белками.

Теперь схему центральной догмы молекулярной биологии можно дополнить механизмом репликации ДНК, после чего она будет иллюстрировать всю молекулярно-биологическую сущность развития (рис. 4.3). Поистине уникальная способность ДНК – одинаково легко осуществлять собственную репликацию (аутосинтез) и однонитевую транскрипцию (гетеросинтез) – лежит в основе самовоспроизведения живой материи на разных уровнях организации: молекулярном, клеточном, организменном.

Рис. 4.3. Центральная догма молекулярной биологии (молекулярно-генетическая сущность развития)

Заметим, однако, что рассмотренная схема отражает только генетическую программу развития. Но еще вначале мы сказали, что конечный облик и образ жизни организма, его фенотип, зависит не только от генотипа, но и от условий среды. При этом “условия среды” понимаются в широком смысле как совокупность всех эпигенетических факторов, так или иначе влияющих на работу генов. Кроме того, мы хотели увидеть и проявления процессов самоорганизации в развитии. Запомним эти важные дополнения и вер­немся к ним при рассмотрении индивидуального раз­вития целого организма, а пока продолжим разговор о самовоспроизведении, но от деления клеток перей­дем к размножению организмов.