Единственное проявление аллеля заключается в том, что гомозиготы по нему бесплодны. Опишите его судьбу в популяции. (1 БМО)

Ответ. Рассмотрим сначала популяцию, в которой выполняются все условия закона Харди — Вайнберга,

кроме отсутствия отбора (самая сильная идеализация здесь — предположение, что популяция имеет беско- нечно большую численность). Пусть сначала этот аллель встречается в ней с частотой Р₀. В первом поколении будет Р₀² бесплодных гомозигот и Р₀ (1 — Р₀) гетерози- гот по этому аллелю. Поскольку у каждой из гетерозигот есть по одному рецессивному аллелю, а у каждой особи два каких-либо аллеля этого гена, то частота встречае- мости аллеля среди плодовитых особей первого поколе-

ния будет:

Это и понятно: когда частота рецессивного аллеля падает, то гомозиготы по нему начинают реже вьпцеп- ляться за счет встречи гетерозигот. Поэтому его удале­ние из популяции замедляется.

Но в популяции конечного размера редкий аллель будет представлен лишь у единичных потомков и по слу­чайным причинам (см. задачу 5.23) может быть утрачен в каком-либо из поколений.

24. В популяции наблюдаются три гена, представ­ленных более чем одним аллелем. Два из них пред­ставлены двумя аллелями (А₁ А₂ и В₁ В₂), один — тремя (С₁, С₂, С₃). Сколько всего возможно геноти­пов, различающихся по аллелям хотя бы одного гена?

Проанализировав большую выборку особей, неко­торых возможных генотипов не обнаружили. Чем это может объясняться? (2 БМО и ФФХБ Физтеха)

Ответ. Для диплоидных организмов возможны 54 раз­личных генотипа (три разных генотипа по первым двум генам А и В, шесть по третьему — С). Понятно, что даже если все они встречаются в популяции с одинаковой час­тотой, то в выборку из 100—200 особей некоторые гено­типы могут не попасть по случайным причинам.

Также возможны случаи, когда, скажем, особи с гено­типом А₁А₁В₂В₂ имеют пониженную жизнеспособность, в то время как у А₁А₁В₁В₁ и А₂А₂В₂В₂ жизнеспособность нормальная. Тогда генотипов А₁А₁В₂В₂ можно не встре­тить (по крайней мере у взрослых особей) даже в очень большой выборке. Кроме того, в реальных популяциях, как правило, различны частоты разных аллелей одного гена. Сочетания самых редких аллелей будут совсем редкими. Ясно, что если частота аллеля А_х — 0,1, алле­ля В₂ — 0,1 и аллеля С₂ — 0,1, а сочетаются они незави­симо, то генотип А₁А₁В₂В₂С₂С₂ будет встречаться с часто­той 10^-6.

Что значит «аллели сочетаются независимо»? Пред­ставим себе остров, на который попало поровну особей с генотипами А₁А₁В₁В₁ и А₂А₂В₂В₂, а особей с другими генотипами по воле случая не оказалось. В первом поко­лении половина потомства появится от скрещиваний

A₁A₁B₁B₁ X A₂A₂B₂B₂ и будет иметь генотип А₁А₂В₁В₂. Но 1/4 потомства произойдет от скрещиваний A₁A₁B₁B₁Х, A₁A₁B₁B₁ (генотип A₁A₁B₁B₁) и 1/4 — от скрещиваний

А2А2В2В2 X А2А2В2В2 (генотип А2А2В2В2). Поэтому в гаметах, образуемых первым поколением, чаще бу­дут встречаться сочетания A₁B₁ и А2В2, чем А1В2 и А2В1, даже если гены А и В находятся в разных хромосомах. Частоты гамет А₁В₁, А₂В₂ и A₁B₂ А₂В₁ будут приближаться друг к другу в ряде поколений. Если гены А и В сцеплены, то такое выравнивание частот бу­дет идти медленнее. А если при этом особи с генотипами A₁A₁B₁B₁ и А₂А₂В₂В₂ более жизнеспособны, чем особи с генотипами А₁А₁В₂В₂ и А₂А₂В₁В₁, то выравнивания частот может и не происходить. В результате генотипы, образованные А₁В₂ и А₂В₁, будут попадать в выборку гораздо реже.

5. Вопросы по молекулярной биологии, биохимии и цитологии

покрытых перьями или шерстью теплокровных живот­ных.

Колебания воздуха-приводят в движение органы при­ема (барабанная перепонка) и подачи звуков (голосо­вые связки, гортань).

Многие из перечисленных выше газов вступают в био­химические реакции, но при этом они бывают растворены в цитоплазме клетки. Источником энергии для различных видов бактерий являются процессы окисления водорода, азота, метана, аммиака, сероводорода. Метан, углекис­лый газ, аммиак используются в процессах биосинтеза, а кислород служит окислителем при дыхании и других процессах.

2. Почему глюкоза запасается в организме живот­ных в виде полимера — гликогена, а не в мономерной

форме?

Ответ. Проникновение растворителя через мембрану, проницаемую для него, но непроницаемую для растворен­ного вещества, называется осмосом. Осмос и является одной из причин того, что глюкоза в клетке не хранится в виде крепкого раствора. Ведь если в клетке будет много молекул глюкозы, то соответственно уменьшится концен­трация воды. Снаружи клетки много воды, мембрана клетки проницаема для воды. Следовательно, когда вода станет поступать внутрь клетки, она может разбухнуть и лопнуть.

Если же много молекул глюкозы будет превращено в полимерную цепь, то в клетке будет хоть и гигантская, но одна молекула. Величина осмотического давления зависит от соотношения концентрации воды по разные стороны мембраны. Одна молекула гликогена не повлия­ет на это соотношение. Расчет показывает, что если пре­вратить в глюкозу весь гликоген, который накоплен в организме, то ее концентрация во всем теле повысится в 25 раз, а если такой крепкий раствор глюкозы будет, подобно гликогену, сосредоточен в мышцах и печени, то концентрация глюкозы в клетках этих органов станет в десятки раз выше, чем максимально переносимая.

Существует и другая причина, по которой в клетке не может быть очень уж много глюкозы. В обмене веществ клеток глюкоза играет центральную роль. Высокая кон­

центрация глюкозы — сигнал для запуска работы разных ферментов, как работающих с самой глюкозой, так и не­обходимых для обмена жиров, белков и даже для генети­ческих процессов. Высокая концентрация глюкозы при­вела бы клетку в бессмысленно активное состояние (напомним, что речь идет о ситуации, когда глюкозу надо хранить, а не тратить). Таким образом, для нормального функционирования организма необходимо, чтобы кон­центрация глюкозы поддерживалась на не очень высоком, но постоянном уровне. Запас глюкозы, сохраняемой в форме гликогена, позволяет быстро убирать излишки или восполнять недостачу глюкозы. В этом еще одна функция гликогена.

3. В живой природе широко распространены протеазы — ферменты, расщепляющие белок. Из­вестны случаи, когда клеткам необходимо защищать­ся от действия этих ферментрв. Как они это делают? (ВТ, 10 кл., 1987 г.)

Ответ. Первый пример — эпителиальная ткань желуд­ка. Клетки этой ткани выделяют протеазы в просвет желудка, где происходит переваривание белковой пищи. Здесь стоят две проблемы: защитить от действия про- теаз содержимое клетки, в которой протеазы образуются, и защитить стенку желудка от уже вышедших из клетки протеаз.

Секреция, то есть выделение белков из клеток, про­исходит особым образом. В клетках протеаза желудка — пепсин синтезируется в виде более длинных молекул- предшественниц. Эти молекулы не могут работать из-за того, что у них есть лишний участок из нескольких аминокислот. Но этот же участок играет роль в пере­носе всей молекулы через плазматическую мембрану — из клетки в полость желудка. Только там добавочный участок отрезается специальным или уже готовым фер­ментом, «обрезанным» трипсином. Теперь протеаза активна, но через мембрану проходить не может-.

Слизистая оболочка, выстилающая стенку желудка, построена из углеводов. Слой углеводов прикрывает все мембранные белки. Протеазы не действуют на углеводы, и, таким образом, стенка желудка защищена от перева­ривания.

Дополнительный фактор, спасающий желудок от пе­реваривания собственными ферментами,— кислотность среды. Протеазы желудка активно работают при очень кислых условиях. В полости желудка именно такие условия. Но в клетках, выделяющих протеазы, среда не очень или вовсе не кислая.

Еще два способа защиты от протеаз разберем на при­мере растений. Протеазы могут быть «спрятаны» в лизо- сомы и выходить в цитоплазму только по сигналу (на­пример, осенью, когда надо разрушить клетки отдели­тельного слоя в черешке листа и обеспечить листопад).

В клетках может синтезироваться ингибитор проте­аз — белок, который связывается с протеазой и не дает ей выполнять свои функции. В желудке животных такие белки не играют большой роли, но зато они распростра­нены у растений. Недавно генные инженеры использо­вали это свойство — получили растение, у которого ген ингибитора работает и обеспечивает синтез больших количеств этого белка. Такое растение оказалось устой­чивым к объеданию листьев гусеницами — они просто не могли их переварить и усвоить.

3. Известно много случаев сходства первичной структуры (последовательности аминокислот) белков у разных организмов. Предложите различные объяс­нения этому факту.

Ответ. Сходство двух молекул может наблюдаться на большом протяжении (десятки аминокислот) или только на небольших участках.

Разберем различные случаи сходства в первом смысле.

Долгое время считалось, что вероятность независимо­го возникновения в ходе эволюции двух одинаковых длинных последовательностей аминокислот очень неве­лика. Поэтому, если две последовательности длиной во много десятков или сотен аминокислот каждая очень похожи, то предполагалось, что у них был общий предок. С этих позиций можно предложить, например, следую­щие объяснения сходства.

Существуют белки, которые похожи у всех организ­мов (или, в частности, у всех эукариот) Это, вероят­но, связано с тем, что такие белки выполняют очень

важные функции, хорошо к этому приспособлены и мутации в генах этих белков летальны. Так, очень по­хожи гистоны (белки, входящие в хромосомы эукариот), цитохромы С (белки, необходимые для дыхания бакте­рий и митохондрий), ряд белков аппарата трансляции. Сходство белков двух организмов можно объяснить и тем, что они относительно близки по систематическому положению (например, оба относятся к насекомым); тогда общий предок этих насекомых содержал пред- ковый ген этого белка. Это примеры гомологического сходства, то есть сходства на основе родства.

Предположим, например, что один организм попадает внутрь другого и белки одного организма могут входить в состав другого и выполнять какие-либо функции. Четкий пример этому мы находим у хищников: неко­торые ресничные черви питаются кишечнополостными, причем стрекательные клетки последних не переварива­ются, а целиком, со всеми своими белками входят в состав покровов хищника и служат ему в качестве до­полнительного оружия. Ничто не мешает таким взаимо­действиями между паразитом и хозяином. (Кстати, недавно доказано, что одна паразитическая красная водо­росль вводит в клетки хозяина, тоже красной водо­росли, свои ядра и в них синтезируется РНК.)

Нельзя исключить и того, что от организма к орга­низму передаются не сами белки, а их гены. ДНК между организмами может передаваться, например, с помощью вирусов, способных поражать и паразита, и хозяина. Вероятно, так передался фермент, разрушающий переки­си, от одной сребробрюшковой рыбы к ее симбионтной бактерии. Если верно, что митохондрии — потомки сим­биотических бактерий, то вот и еще один пример: мно­гие гены митохондриальных белков находятся в ядре, то есть перешли к хозяину от симбионта.

Перейдем теперь к случаям сходства во втором смыс­ле. Все вышеприведенные объяснения годятся и здесь. Другими словами, белки с общим происхождением мо­гут в череде поколений видоизменяться настолько, что заметное сходство останется только на небольших участ­ках.

Еще один случай сходства — специальные метки в со­ставе белков. Например, чтобы белок, синтезированный в цитоплазме эукариотической клетки, мог попасть в

ядро, он должен иметь в своем составе участок из не­скольких положительно заряженных аминокислот подряд. Разные белки, которым следует находиться в ядре, приобрели эти метки иногда от общего предка (те же гистоны), а иногда независимо.

Бывают похожими участки, выполняющие сходные функции. Например, весьма похожи активные центры самых разных протеаз, хотя, возможно, не все они произошли от одного предка.

3. Активный центр фермента представлен обычно лишь несколькими аминокислотами (до 10—20). Не кажется ли расточительным иметь ферменты разме­рами во многие сотни аминокислот? (ШБО, 10 кл., 1986 г.)

Ответ. На обыденном языке можно сформулиро­вать тот же вопрос так: «Почему ферменты такие боль­шие?» Строго говоря, ферменты не такие уж большие. Примем во внимание, что трехмерная укладка белка может быть вписана в геометрическое тело с линей­ными размерами, примерно равными кубическому корню из числа аминокислот. Иными словами, белок длиной в 1000 аминокислот (молекулярный вес 120 000 — не очень маленький белок!) может быть представлен как кубик с ребром длиной в 10 аминокислот.

В то же время линейные размеры субстрата могут быть во много раз больше. При этом аминокислоты в активном центре должны не просто находиться рядом, а образовывать сложный рельеф из выступов и впадин, располагаться на определенном расстоянии и в опре­деленной ориентации.

Более того, в ходе реакции эти расстояния и эта ориентация специальным образом меняются. Например, ДНК-полимераза — фермент, с помощью которого про­исходит репликация. У него есть два участка, узцающих нуклеотиды. Один из этих участков связывается с нуклео­тидом в составе той цепи, которая служит матрицей. Другой участок связывает свободный нуклеотид из окружающего раствора, чтобы присоединить его к концу растущей цепи.

Когда ДНК-полимераза связана, например, с гуанило- вым нуклеотидом в матричной цепи, структура второго

участка становится такой, что фермент может «выло­вить» из раствора только цитидиловый нуклеотид. Фер­мент переходит на тимидиновый нуклеотид — и струк­тура второго участка меняется так, что фермент свяжет из раствора только адениловый нуклеотид. Это точ­ное соответствие между структурами фермента и субстра­та, а также специальные изменения такой структуры обеспечиваются теми участками молекулы, которые не входят в активный центр.

Что еще делает та часть белка, которая не входит в состав активного центра?

Среди ферментов есть такие, активность которых регулируется какими-либо веществами (например, иона­ми металлов или производными нуклеотидов). Все эти регуляторы связываются не с активным центром, а с другими участками молекулы. Например, РНК-полиме- раза работает в том случае, если с белком связан ион цинка. Многие белки связываются с конечными продук­тами химических реакций: когда продукта много, он не дает ферменту работать. Некоторые ферменты находятся в тесном взаимодействии с другими белками или, напри­мер, встроены в мембрану. Особые участки в составе фермента отвечают за взаимодействие с липидной частью мембран или с белками-соседями. Последнее важно, если, например, разные ферменты катализируют разные последовательные стадии одного процесса. Тогда полезно, чтобы белки удерживались рядом и передавали продукты реакции «с рук на руки».

Таким образом, для нормальной работы белков ока­зываются необходимыми не только те аминокислоты, ко­торые входят в состав активного центра, но и амино­кислоты из других участков молекулы.

Строго говоря, на этот вопрос можно ответить и по- другому: неизвестно, имеет ли место в природе отбор на «экономию белков», на уменьшение их размеров. Может быть, такого отбора нет, и тогда весь разговор о «расточи­тельстве» (см. формулировку вопроса) теряет смысл.

3. В некоторых книгах содержится утверждение, что пчелы могут путем изменений в диете направ­ленно изменять генотип своего потомства. В качестве довода приводится факт, что в маточном молочке содержатся ДНК и РНК. Как, по-Вашему, убеди-

тельный ли это аргумент? Ответ обоснуйте. (ВТ,

10 кл., 1986 г.)

Ответ. Обращаем внимание, что, скорее всего, вопрос касается не генетики пчел, а убедительности представ­ленного довода. Итак, анализу подлежит в первую оче­редь само утверждение, взятое из ряда популярных книг 50—60-х годов.

В чем же состоит утверждение? Известно, что превра­щение личинки в особь определенной касты зависит от корма, на котором растет личинка. Похоже, что в корме содержатся вещества, от которых зависит, пойдет ли развитие личинки в сторону матки или в сторону рабочей пчелы.

Прежде всего заметим, что разница между маткой и рабочей пчелой не связана с направленной перестройкой генотипа. Такую разницу можно объяснить тем, что гено­типы у матки и рабочей пчелы одинаковы, только в них по-разному работают одни и те же гены. В ходе индиви­дуального развития какие-либо гены могут функциониро­вать у будущей рабочей пчелы, но «молчать» у буду­щей матки и наоборот. Но переключение генов зависит от гормонального воздействия, а это последнее — от диеты. Наследственные изменения генотипа тут ни при чем — иначе матка рожала бы только маток, но не рабо­чих пчел.

Существуют и биохимические доводы против измене­ний генотипа. В самом деле, какие ДНК и какие РНК содержатся в маточном молочке — длинные или корот­кие? Целые гены и их РНК или части их? Это неизвестно, а не зная этого, ничего утверждать нельзя.

Пчелиное потомство усваивает маточное молочко. У всех животных полимеры в ходе усвоения пищи рас­щепляются: белки — до аминокислот или коротких пеп­тидов, полисахариды — до моносахаридов, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. То же происходит и у пчел (по крайней мере обратное пока не доказано). Но отдельные нуклеотиды не могут изменить генотип — они ничем не отличаются от нуклеотидов, образуемых в са­мом организме. Кроме того, ни ДНК, ни РНК, ни какое- либо другое воздействие не могут изменить генотип все­го организма, если только изменение не произошло в генотипе родительских половых клеток или в оплодотво­

ренной яйцеклетке. Если клетки зачаткового пути не затронуты, то клетки пищеварительного тракта могут мутировать сколько угодно — направленной эволюции это не обеспечит. Наконец, простым возражением авто­рам обсуждаемого утверждения может быть то, что ДНК и РНК содержатся в самой разной пище, но ни хищники, питающиеся свежеубитой добычей, ни киты, за­глатывающие мириады живых обитателей планктона, не претерпевают от этого особых генетических перестроек.

Конечно, есть особые случаи передачи генетической информации от родителей к потомству. Например, че­рез разные физиологические жидкости могут переда­ваться некоторые вирусы. Но отсюда очень далеко до на­правленного влияния родителей на генотип потомства.

В отечественной и зарубежной литературе время от времени можно встретить сенсационные заявления об открытии новых форм направленной изменчивости. Но такие данные имеют тенденцию не подтверждаться.

3. В клетках различных организмов обнаружи­ваются ферменты, способные делать разрывы в цепях днк. Зачем клеткам такие ферменты и почему они не разрушают всю клеточную днк?

Ответ. С химической точки зрения все разрывы, о которых пойдет речь,— это разрушения фосфодиэфир- ной связи (ее структура схематично приведена в школь­ном учебнике). Разрывы и последующие воссоединения ДНК происходят во время многих процессов.

Разрывы в цепях ДНК неизбежны при репликации ДНК. Ведь две цепи ДНК многократно закручены одна вокруг другой. В вилке репликации они расходятся. Обычно на схемах репликации кольцевых молекул это изображают так, как на рисунке а).

Но поскольку цепи спирализованы, а их концы не сво­бодны, то на самом деле при их расхождении нижняя часть молекулы будет скручиваться (см. рисунок б).

Следующий способ защиты от ДНКазы — химиче­ские изменения структуры ДНК. Например, цитозин в составе ДНК может метилироваться, то есть присое­динять СНз-группу. Это и другие химические изменения меняют чувствительность ДНК к ДНКазам.

Еще один способ — специфичность действий этих ДНКаз, то есть способность узнавать последователь­ность нуклеотидов в ДНК. Например, ДНКаза может «сесть» на молекулу ДНК только там, где находится последовательность, скажем, ГААТТЦ. Если ДНК не со­держит такой последовательности, то ДНКаза «пройдет мимо», вовсе не связавшись и, следовательно, не разре­зав ДНК.

Разберем этот случай подробнее. У всякой бактерии есть некоторое количество разных рестриктаз — фермен­тов, расщепляющих ДНК в строго определенных точ­ках. Но бактерия имеет также метилазы — ферменты, которые метилируют ДНК в этих же точках. Для каж­дой рестриктазы есть парная метилаза. Как же рабо­тает эта система?

ДНК в клетке может быть метилирована по обеим це­пям, только по одной цепи или не метилирована вовсе. Рестриктазы и метилазы время от времени «встречают» свой участок в ДНК. Если обе цепи метилированы, ферменты не «трогают» ДНК. Если метилирована одна цепь, то это значит, что фермент имеет дело с недавно удвоившейся клеточной ДНК: одна цепь — материн­ская, метилированная, а другая — свежесинтезирован- ная. С такой молекулой рестриктаза ничего не делает, а метилаза метилирует вторую цепь. Наконец, если цепь не метилирована вовсе — это сигнал, что она чужая (например, принадлежит бактериофагу). Тогда рестрик­таза ее разрушает. Как видно, здесь ДНКазы участвуют в своеобразном иммунитете бактерий.

Наконец, содержание самих ДНКаз в клетке может регулироваться: при одних условиях синтез ДНКаз мо­жет возрастать, а при других — уменьшаться.

В реальных условиях разные способы комбинируют­ся. Например, специфическое место узнавания ДНКазы может маскироваться белком, а когда надо внести раз­рыв, белок каким-нибудь способом удаляется. Другой пример: при слиянии клеток, происходящем в половом процессе хламидомонады, ДНК одной из клеток мети­

лируется, после чего начинает работать ДНКаза, раз­рушающая большую часть ДНК другой клетки.

3. Среди различных мутаций выделяют делеции — утраты разного количества нуклеотидов из ДНК. Есть ли случаи, когда делеции не вредны, а безразличны или даже полезны для их обладателя? (ШБО, 10 кл., 1988 г.)

Ответ. Прежде всего необходимо различать делеции, происходящие в генеративных клетках (т. е. половых и их предшественницах), и делеции в соматических (всех остальных) клетках. Первые практически всегда безвред­ны для организма, но могут влиять на приспособлен­ность его потомков. Вторые влияют на приспособлен­ность самого организма.

Некоторые белки могут выполнять свои функции даже в том случае, если удалить небольшую часть моле­кулы. Делеции в генах таких белков будут практически безразличны. Если белок синтезируется и работает не при любых, а лишь при определенных условиях (напри­мер, только у одного пола), то делеция по гену этого белка будет безразлична в других условиях (у друго­го пола).

У эукариот большинство генов имеется не в единст­венном экземпляре, а во многих копиях. Некоторые из них могут утрачиваться без ущерба.

Существуют большие зоны ДНК, которые ничего не кодируют. Внутри многих генов эукариот располагают­ся некодирующие области — интроны и синтез иРНК на таких генах происходит по схеме, приведенной на стр. 171.

Некоторые интроны могут быть утрачены из ДНК без большого вреда для организма, поскольку их наличие или отсутствие не влияет на работу белка (правда, не­которые интроны имеют особые функции и их удаление вредно).

Ничего не кодирует так называемая сателлитная ДНК, сосредоточенная на концах хромосом и вблизи перетяжки. Существенная часть сателлитной ДНК может быть утрачена. Например, у многих высших растений ДНК содержит миллиарды нуклеотидных пар, а у люби­мого генетиками крестоцветного арабидопсиса их всего

ной мутации произошел сдвиг рамки считывания, а полу­чившийся белок оказался способен расщеплять нейлон — большое преимущество и для бактерии, и для борьбы с загрязнениями.

Наконец, если делеции не затронули жизненно важ­ных генов, но заметно изменили размер генетического аппарата (у того же арабидопсиса или у некоторых вирусов), то возникает еще одно преимущество — боль­шая скорость удвоения нуклеиновых кислот.

Особый и очень важный случай полезных для орга­низма делеций — перестройка генов иммуноглобулинов у высших позвоночных. В крови птиц и млекопитающих содержатся иммуноглобулины (антитела) — белки, от­ветственные за иммунитет. У взрослого организма име­ется примерно 10⁶ разных видов иммуноглобулинов. Но в ДНК всего 10³ иммуноглобулиновых генов. Как же получается миллион разных иммуноглобулинов?

Оказывается, каждая молекула иммуноглобулина со­стоит из четырех белковых цепей: двух легких и двух тяжелых. Разберем механизм образования одного из ти­пов таких цепей — легкой цепи иммуноглобулина G.

Легкая цепь (молекулярная масса 25 тыс.) состоит из двух примерно одинаковых по величине частей: постоянной, одинаковой у всех иммуноглобулинов G (обозначается С), и переменной, разной у разных иммуноглобулинов (обозначается V). Имеется несколь­ко генов, кодирующих разные F-части. Изобразим расположение этих генов в хромосоме.

В итоге получаются разные линии клеток. Такие же перестройки происходят в тех же клетках с генами, кодирующими тяжелые цепи антител. Поскольку гены легких и тяжелых цепей подвергаются делециям неза­висимо, то в каждой клетке может образоваться свое сочетание цепей и, следовательно, свой, особый тип иммуноглобулинов.

Изобразим рекомбинирующий участок подробнее.

Если начать со стадии 2, то схема будет описывать и инфекцию клетки некоторыми вирусами. В клетках животных находят множественные копии некоторых ви­русов и множественные копии сегментов клеточной ДНК. Некоторые из этих сегментов напоминают вирусную ДНК; возможно, одно дает начало другому.

Особый путь синтеза новых копий генов — обратная транскрипция. В ходе транскрипции на ДНК синте­зируется РНК — это обычный, широко распространен­ный во всех клетках процесс. Гораздо реже возникают (и хуже изучены) условия, при которых в клетке на матрице РНК синтезируется ДНК.

До сих пор речь не шла о функциях той ДНК, кото­рая умножается, встраивается и перестраивается. Более того, не было большой разницы, что умножается — целые гены, их части или же участки ДНК, ничего не кодирующие. Но биологическое значение метамерии ДНК зависит от того, что записано в умножаемом сегменте.

Пусть в качестве сегментов выступают целые гены. Представим себе, что продукт данного гена необходим клетке, причем в больших количествах. Например, в клет­ке непрерывно разрушаются старые и синтезируются но­вые рибосомы — значит, нужно очень много рибосом- ных РНК и белков. Как увеличить число копий рРНК на клетку? Основные пути: либо усилить транскрип­цию генов рибосомных РНК, либо увеличить число копий самих генов, либо и то и другое. Итак, увеличение числа копий жизненно важных генов непременно оказы­вается полезно для организма. Те же закономерности известны из опытов с культурами клеток: если добавлять к клеткам сильные яды в больших дозах, то выживают только те клетки, у которых умножается число генов, кодирующих ферменты, способные разрушать молекулы яда.

Здесь полезный эффект умножения генов проявляет­ся через небольшое число поколений. Есть и отдаленный, но не менее важный эффект — превращение копий ста­рого гена в гены с новыми функциями. Во всех генах возникают мутации. Если данный ген отвечает за важную функцию, то большинство мутаций будет ухудшать свой­ства белка — продукта этого гена. В результате большин­ство мутаций будет отбраковываться отбором.

Если же ген представлен несколькими копиями, то картина меняется. Отбор бдительно «следит» за тем, что­бы белок — продукт гена нормально работал. Если на одной копии синтезируется достаточное количество необ­ходимого клетке белка, то с остальными копиями может происходить что угодно — отбору «нет до этого дела» (если, конечно, испорченный белок не мешает нормаль­ному выполнять его функцию). Таким образом, в одной из копий гена могут накапливаться замены, которые малочувствительны к действию отбора. Через большое число поколений копии гена могут уже сильно различать­ся (по аналогии с эволюционным расхождением форм это называется дивергенцией ДНК). В итоге со временем будем иметь дело не с ухудшенным вариантом старого гена, а с новым геном, кодирующим белок с новыми функциями. Вероятно, так эволюционировали глобино- вые гены позвоночных, давшие начало гемоглобину крови и миоглобину мышц. Похоже, что дальнейшие исследования дадут великое множество примеров дивер­генции и образования генов с новыми функциями. Умно­жаться могут также участки внутри гена.

Наконец, умножаются и регуляторные участки. На­пример, определенная структура в составе ДНК являет­ся сигналом конца транскрипции (терминатором). РНК-полимераза на этом месте обрывает синтез РНК с большой, хотя и не стопроцентной эффективностью. Удвоение терминаторного участка еще повысит эффек­тивность терминации.

В ДНК эукариот имеется много участков, полученных метамеризацией совсем коротких сегментов. Функции та­ких зон неясны.

3. В литературе встречается утверждение, что все клетки многоклеточного организма генетически идентичны. Как это можно проверить? Какие встре­чаются отклонения от этого правила? (ШБО, 10 кл., 1988 г.)

Ответ. Разные клетки многоклеточного организма ес­ли и не идентичны, то крайне похожи генетически. Перечислим некоторые опыты, которыми это предполо­жение можно подкрепить. Известны опыты Дж. Гердона по пересадке ядер. Из оплодотворенной яйцеклетки

лягушки извлекалось ее ядро, а вместо него вводилось ядро из эпителиальной или другой клетки лягушки. Яйцеклетка развивалась и делилась, в итоге получалась нормальная лягушка. Это показывает, что ядерные гене­тические аппараты яйцеклетки и клетки эпителия взаимо­заменяемы. На аналогичные соображения наводят мно­гочисленные случаи вегетативного размножения у живот­ных и растений: дочерние особи, неотличимые от роди­тельских, возникают из соматических клеток послед­них.

Современные методы молекулярной биологии и ген­ной инженерии позволяют применить другой подход. Прямо сравнить первичную структуру всей ДНК из двух клеток в настоящее время невозможно, но любой отдельный ген можно выделить и охарактеризовать его положение в хромосоме, количество копий этого гена на клетку, его первичную структуру. Затем можно выяснить, во всех ли клетках имеется этот ген и одинаково ли он расположен.

Вернемся теперь к отклонениям от правила генети­ческой идентичности клеток. Начнем с наиболее демон­стративных. Так, в некоторых клетках многоклеточных организмов нет ядра (эритроциты млекопитающих, зре­лые ситовидные трубки флоэмы). У этих же клеток нет митохондрий. Во многих растительных клетках нет плас­тид или варьируется их общее количество (и, соответ­ственно, количество пластидной ДНК). В ряде расти­тельных и животных клеток может меняться число ми­тохондрий и митохондриальной ДНК.

В генетический материал, содержащийся в клетке, можно включить плазмиды бактерий и грибов, а также размножающиеся внутри клетки вирусы. Понятно, что количество и состав этих генетических элементов не одинаковы в разных клетках (например, РНК-содер- жащий вирус полиомиелита поражает клетки слизистой оболочки кишечника, а ДНК-содержащий вирус гепа­тита В — клетки печени).

Клетки могут отличаться по количеству наборов хро­мосом. Как известно, высшие эукариоты в основном диплоидны. Однако в составе в основном диплоидных организмов обязательно встречаются гаплоидные клетки (прошедшие мейоз предшественницы половых клеток; сами половые клетки; эндосперм у голосеменных).

Эндосперм покрытосеменных триплоиден. В организме животных повышена плоидность клеток ряда органов (в печени, например, клетки могут быть октаплоидны; сильно умножается число хромосомных наборов в слюн­ных железах насекомых). У споровых растений есть самостоятельное гаплоидное поколение, формирующее гаметы, но при этом у мхов диплоидное поколение формируется прямо на гаплоидном. В жизненных циклах грибов встречаются разнообразные сочетания клеток раз­ной плоидности.

Умножаться или утрачиваться могут не полные на­боры, а отдельные хромосомы. (Если такое происходит в зиготе, то это обычно ведет к наследственным болез­ням. Правда, тогда все клетки организма хоть и аномаль­ны, но одинаковы, и данный случай не является отве­том на вопрос.)

Далее, имеется великое множество примеров, когда отдельные гены меняют свое положение внутри одной хромосомы или даже переходят в другую. В разных клет­ках это может происходить по-разному (некоторые под­робности приведены в ответе на вопросы 6.8 и 6.9). Иног­да направленные перестройки ДНК происходят в ходе индивидуального развития организма. Например, в ран­нем развитии яиц некоторых пресноводных рачков имеет­ся особая стадия, когда все клетки, кроме одной, одно­временно утрачивают большое количество ДНК. Эта ДНК ничего не кодирует (так называемая сателлитная ДНК). У взрослого организма большинство клеток со­держит мало сателлитной ДНК, и только клетки зароды­шевого пути, чья предковая клетка оставалась без изме­нений, содержат всю сателлитную ДНК.

Наконец, многие клетки организмов время от времени делятся, и во всех клетках без исключения идет репара­ция — «залечивание» случайных повреждений в цепях ДНК. И тот, и другой процессы идут хоть и с высокой, но не со стопроцентной точностью. Ошибки репарации и репликации — важнейший источник мутаций. В раз­ных соматических клетках организма набор этих мута­ций обязательно оказывается разным. Кстати, на этом основан один из способов получения новых сортов растений. Так как из одной клетки, например, листа растения можно вырастить целое растение, то поступают следующим образом: выделяют много клеток из многих

листьев, из них выращивают целые растения, а поскольку в исходных клетках были разные мутации, то и среди полученных растений в изобилии находят мутантов, в том числе иногда с нужными свойствами.

6.11. На питательную среду посеян материал, содер­жащий бактерии. Их количество нарастает со време­нем так, как показано на графике. Объясните такой ход графика. (ШБО, 10 кл., 1986 г.)

Во-вторых, различные молекулы (белки и углеводы) на поверхности клеток обладают высокой видовой спе­цифичностью. Мы можем проиммунизировать, например, кролика суспензией клеток мыши или крысы и получить специфические антитела, направленные против белков, расположенных на поверхности мышиных или крысиных клеток. Если затем эти антитела мы свяжем с каким- либо красителем, то, обработав исследуемые клетки эти­ми антителами, получим специфическое окрашивание «на мышь» или «на крысу». Конечно, данный метод требует значительного числа контрольных опытов, по­скольку мышь и крыса — достаточно близкие виды и антитела к крысиным клеткам могут в принципе взаимо­действовать и с мышиными клетками. Мы должны снача­ла убедиться, что наши «антикрысиные» антитела не мо­гут взаимодействовать с клетками, взятыми от нормаль­ной мыши. Мы должны также быть твердо уверены, что никакие клетки не связывают «антикрысиные» антитела неспецифически и что никакие клетки не свя­зывают оба типа антител — и «антикрысиные», и «анти- мышиные».

В-третьих, мы можем воспользоваться тем, что клетки даже одного типа, но от разных животных могут иметь различный набор ферментов или разную активность ка­ких-либо ферментов. Можно провести электрофоретиче­ский анализ какой-либо фракции белков клеток крысы и аналогичных белков клеток мыши, а затем сравнить их с белками исследуемых клеток. Например, в нашем кон­кретном случае лейкоциты крысы обладают значительно более высокой активностью фермента щелочной фос- фатазы, чем лейкоциты мыши, и их можно найти в пре­паратах клеток крови или костного мозга с помощью реакции на щелочную фосфатазу.

В-четвертых, клетки разных животных могут иметь и морфологические отличия. Например, в ядрах мышиных клеток всегда есть несколько десятков плотных глыбок хроматина, расположенных возле ядерной оболочки. Эти глыбки соответствуют прицентромерному хроматину, содержащемуся в каждой хромосоме мыши. В хромосо­мах крысы прицентромерного хроматина содержится го­раздо меньше, и в ядрах крысиных клеток таких харак­терных глыбок хроматина, как в ядрах мышиных кле­ток, мы не найдем.

Можно привести и другой пример морфологического различия клеток. В клетках японского перепела имеется одно очень крупное округлое ядрышко, тогда как в клет­ках курицы ядрышки мелкие и их несколько. Поэтому клетки перепела легко можно обнаружить среди клеток курицы по различию ядрышек. Наконец, в принципе можно проанализировать ДНК, содержащуюся в клет­ках. Состав и свойства ДНК, взятой от разных живот­ных, также могут отличаться. Например, в ДНК мыши имеется много сателлитной ДНК, обогащенной АТ-пара- ми, а в ДНК крысы такой ДНК очень мало. Однако на практике анализ ДНК для различения видовой принад­лежности клеток применяют редко, поскольку этот ана­лиз -весьма трудоемок и, кроме того, ДНК близких видов животных, как правило, имеет очень незначитель­ные отличия.

13. Предложите эксперименты, которыми можно было бы проверить, происходят ли клетки регенери­рующих частей тела из перестроившихся дифферен­цированных клеток или же из неспециализированных клеток-предшественников.

Ответ. В регенерации утраченной части тела должны участвовать различные ткани, из которых состояла эта часть тела. Сначала нужно точно определить, какие именно это ткани. Для этого лучше всего исследовать под световым микроскопом гистологические срезы образ­цов, взятых на разных стадиях регенерации. При этом можно увидеть, что различные ткани регенерируют сильно отличающимися друг от друга способами. Так, кожный эпидермис наползает на раневую поверхность пластом, почти не изменяя своей многослойной струк­туры. Если дефект образовался в соединительной тка­ни, то по краям его собираются определенные клетки этой ткани и начинают синтезировать большие коли­чества межклеточного вещества, заполняющего этот де­фект. В обоих случаях клетки если и начинают делиться интенсивнее, то ненамного. Напротив, при удалении значительного фрагмента печени в оставшейся ее части наблюдается большое число делящихся клеток. Также и при повреждении эндотелия сосудов вблизи места по­

вреждения начинается пролиферация (размножение) клеток.

Не во всякой ткани можно четко выделить неспециа­лизированные клетки-предшественницы и дифференци­рованные клетки. Те же фибробласты (соединительно­тканные клетки), эндотелиальные клетки или гепатоциты представляют собой по всем морфологическим призна­кам очень однородные популяции. Этим они отличаются от клеток других тканей, где существуют сильно отли­чающиеся друг от друга клетки — многослойные эпите­лии, кровь и т. п. В последнем случае уже на морфоло­гическом уровне удается выявить ряды дифференци- ровки, то есть определить наименее дифференцирован­ные, способные к размножению клетки и проследить их последовательную дифференцировку и превращение в высокоспециализированные, но неспособные к делению клетки, такие как эритроциты, гранулоциты или роговые чешуйки кожи.

13. Почему нельзя питаться одним сахаром?

Почему живые аскариды .не перевариваются в кишечнике млекопитающего, а погибшие перевари­ваются?

Каковы общие и различные функции пигмен­тов у животных и растений?

Почему глубоководные водоросли имеют, как правило, не зеленую, а иную окраску? (ШБО, 10 кл., 1970 г.)

В древности и в средние века люди применяли различные средства борьбы с инфекционными болез­нями. Какие из этих средств сейчас не применяются, а какие сохранились? Появились новые? (ШБО, 8 кл., 1987 г.)

Представьте себе, что Вы — врач экспедиции, высадившейся на незнакомую планету. Среди экипа­жа обнаружилось неизвестное заболевание. Что Вы будете делать? (ШБО, 8 кл., 1987 г.)

Как известно, в желудке человека расщепляют­ся белки. Яд бактерии — возбудителя ботулизма по

своей химической природе представляет собой белок. Чем же объяснить то, что он опасен именно при попадании в пищеварительный тракт?

13. Ферменты, как и любые катализаторы, одина­ково ускоряют и прямую, и обратную реакции. Су­ществуют ферменты, расщепляющие белок,— протеа­зы. Если в растворе такого фермента создать высо­кую концентрацию аминокислот, то фермент будет катализировать обратную реакцию, то есть синтезиро­вать белки. Правильно ли такое рассуждение и реа­листичен ли такой путь получения белков?

Для молекулярно-генетических экспериментов часто бывает необходимо получить мутантов, у кото­рых нарушен синтез какого-либо белка. Как получить мутантов по жизненно важным белкам?

Может ли участок ДНК не кодировать белок? В каких случаях? Может ли один и тот же участок ДНК кодировать два белка? Каким образом? (ШБО, 10 кл., 1987 г.)

ДНК клетки периодически удваивается (про­цесс репликации), на что расходуются нуклеотиды. Полимеризация нуклеотидов происходит также при залечивании разрывов и брешей в цепях ДНК (про­цесс репарации). Как экспериментально опреде­лить, для чего в данный момент полимеризуются нуклеотиды — для репликации или для репарации? (ЗБШ)

Вирус табачной мозаики (ВТМ) состоит из РНК и белка. Можно выделить РНК ВТМ, в пробир­ке «одеть» ее белком другого вируса и такими «гиб­ридными» частицами заразить растение. Какому из двух «родительских» вирусов будут принадлежать РНК и белок потомства? (ЗБШ)