12

Тема 11

Генетика и самовоспроизводство жизни

I/ Значение клетки

2/ Воспроизводство жизни

З/ Генетика

1. Значение клетки

Переходя от проблемы происхождения жизни к проблеме строения живого, отметим, что научное значение в этой области в большей сте­пени достоверно за счет успехов, достигнутых новой наукой — моле­кулярной биологией. Можно сказать, что примерно в середине сто­летия произошла научная революция в биологии, вторая в нашем ве­ке, после научной революции в физике, и благодаря ей биология выбилась в лидеры «соревнования» между науками.

Во второй половине XX века были выяснены:

вещественный со­став,

структура клетки и

процессы, происходящие в ней.

«Клетка — это своего рода атом в биологии. Точно так же, как разные химические соединения сложены из атомов, так и живые организмы состоят из ог­ромных скоплений клеток. Из работ физиков мы знаем, что все атомы очень похожи друг на друга: в центре каждого атома находится мас­сивное, положительно заряженное ядро, а вокруг него вращается об­лако электронов — это как бы солнечная система в миниатюре! Клет­ки, подобно атомам, также очень сходны друг с другом. Каждая клет­ка содержит в середине плотное образование, названное ядром, которое плавает в «полужидкой» цитоплазме. Все вместе заключено в клеточную мембрану» (Кендрью Дж. Нить жизни.- М., 1968.- С. 16).

Основное вещество клетки - белки, молекулы которых обыч­но содержат несколько сот аминокислот и похожи на бусы или брас­леты с брелоками, состоящими из главной и боковой цепей. У всех живых видов имеются свои особые белки, определяемые генетичес­ким аппаратом. Собственно, клетка и нужна для аппарата воспроиз­водства, который находится в ее ядре. Без клетки генетический ап­парат не мог бы существовать.

Если же случится так, что в клетку попадут вредные для орга­низма бактерии и другие инородные тела, то с ними вступает в бой иммунная система — блуждающие клетки, которые у низших жи­вотных играют роль пищеварительных органов, а у высших живот­ных, в том числе у человека, их значение заключается именно в за­щите специфического строения данного организма (теория иммуни­тета разработана русским ученым И. И. Мечниковым).

О размерах клетки и содержания в ней веществ свидетельст­вует такая аналогия. «Представьте себе, что мы увеличим человека до размеров Великобритании. Тогда одна его клетка будет примерно такой же величины, как фабричное здание. Внутри клетки находят­ся большие молекулы, содержащие тысячи атомов, в том числе мо­лекулы нуклеиновой кислоты. Так вот, даже при этом огромном уве­личении, которое мы себе вообразили, молекулы нуклеиновой кис­лоты будут тоньше электрических проводов» (Там же.- С. 19).

Сопоставление клетки с фабрикой не случайно. «Любой живой организм можно уподобить гигантской фабрике, на которой произво­дится множество разнообразных химических продуктов; на ней про­изводится и энергия, приводящая в движение всю фабрику. Более того, она может воспроизводить самое себя (что для обычных фабрик совершенно невозможно!). И если вспомнить, насколько сложны все эти производственные процессы, то станет ясно, что весь сложный комплекс операций, производимых на фабрике, нельзя вести как по­пало, без должной организации, без подразделения на цеха, внутри которых установлены рядами станки и машины, и т. д. Иными слова­ми, для того чтобы в живом организме все процессы протекали согла­сованно, необходима какая-то определенная организация составля­ющих его структур» (Там же.- С. 14). Ученые выясняют, как работает эта фабрика и каков механизм ее воспроизводства.

Попадающие в организм белки расщепляются на аминокисло­ты, которые затем используются им для построения собственных белков.

Нуклеиновые кислоты создают ферменты, управляющие ре­акциями. Например, для одного процесса брожения нужна дюжина ферментов, каждый из которых управляет одной реакцией и дейст­вует только на строго определенный вид молекул. Все ферменты — белки. Фермент похож на дирижера, который играет всегда со своим оркестром. В каждой клетке несколько тысяч «дирижеров-фермен­тов». Это станки и машины «фабрики».

В качестве примера процессов, проходящих в клетках и тканях организма, рассмотрим роль гемоглобина — глобулярного белка красных кровяных клеток — эритроцитов, цепи которого свернуты в сферу.

Присутствием гемоглобина обусловлен красный цвет крови. Функция этого белка состоит в том, чтобы переносить кислород из легких к тканям. Гемоглобин обладает замечательной способностью связывать молекулярный кислород. Точнее говоря, одна молекула гемоглобина может связать одновременно четыре молекулы кислорода. В легких, где давление кислорода выше, происходит присоединение молекул кислорода к гемоглобину.

Гемоглобин доставляет их к тканям, но там давление ниже, и кислород освобождается. Далее происходит диффузия кислорода внутрь клеток. В клетке молекулы кислорода встречаются с другим белком — миоглобином. Миоглобин — это как бы младший брат гемоглобина; его молекула в четыре раза меньше и способна связать не четыре, а только одну молекулу кислорода. Миоглобин тоже красный; этим объясняется красный цвет мяса. Молекулы кислорода переходят от гемоглобина к миоглобину, где и хранятся до тех пор, пока не потребуется клетке.

Молекулярная биология, изучающая биологические процессы на молекулярном уровне, один из наиболее ярких примеров конвер­генции двух наук — физики и биологии.

2. Воспроизводство жизни

Три самых важных составляющих процесса развития организма:

1) оплодотворение (слияние половых клеток) при половом размножении;

2) воспроизводство в клетке по данной матрице определенных веществ и структур;

3) деление клеток, в результате которого организм растет из одной оплодотворенной яйцеклетки.

Существует два способа деления клеток

Митоз — это такое де­ление клеточного ядра, при котором образуются два дочерних ядра с наборами хромосом (части ядер клеток), идентичными наборам роди­тельской клетки.

Мейоз — это деление клеточного ядра с образовани­ем четыре дочерних ядер, каждое из которых содержит вдвое мень­ше хромосом, чем исходное ядро. Первый способ характерен для всех клеток, кроме половых, второй — для половых клеток. При всех фор­мах клеточного деления ДНК каждой хромосомы реплицируется.

Воспроизводство себе подобных и наследование признаков осуществляется с помощью наследственной информации, матери­альным носителем которой являются молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты.

ДНК состоит из двух цепей, идущих в противопо­ложных направлениях и закрученных одна вокруг другой наподобие электрических проводов. Напоминает винтовую лестницу.

В клетке человека ДНК распределена на 23 пары хромосом и содержит около 1 млрд. пар оснований, длина ее около 1 м. Если со­ставить цепочку из ДНК всех клеток одного человека, то она сможет протянуться через всю Солнечную систему.

Носители информации — нуклеиновые кислоты — содержат азот и выполняют три функции:

• самовоспроизведение;

• хране­ние информации;

• реализация этой информации в процессе роста новых клеток.

Мономеры нуклеиновых кислот несут информацию, по которой строятся аминокислоты (каждой аминокислоте, входя­щей в белок, соответствует определенный набор из трех мономеров НК — так называемый триплет).

Генетическая информация, содер­жащаяся в нуклеиновых кислотах, проявляется в образовании фер­ментов, которые делают возможным строение живого тела.

Реализация многообразной информации о свойствах организ­ма осуществляется путем синтеза различных белков согласно гене­тическому коду. Сходство и различие тел определяется набором бел­ков. Чем ближе организмы друг к другу, тем более сходны их белки.

Молекулы ДНК — это как бы набор, с которого «печатается» ор­ганизм в типографии Вселенной. Участок молекулы ДНК, служащий матрицей для синтеза одного белка, называют геном (знаменитая ги­потеза «один ген — один фермент»). Гены расположены в хромосомах.

Процесс воспроизводства состоит из трех частей, называю­щихся тремя ключевыми словами: репликация, транскрипция, трансляция.

• Репликация — это удвоение молекулы ДНК, необходи­мое для последующего деления клеток. В основе способности клеток к самовоспроизведению лежат уникальное свойство ДНК самокопи­роваться и строго равноценное деление репродуцированных хромо­сом. После этого клетка может делиться на две идентичные. Как происходит репликация? ДНК распределяется на две це­пи, а затем из нуклеотидов, свободно плавающих в клетке, формиру­ется вдоль каждой цепи еще одна цепь. Этот процесс можно сравнить с печатанием фотокарточек. Так как каждая клетка многоклеточно­го организма возникает из одной зародышевой клетки в результате многократных делений, все клетки организма имеют одинаковый на­бор генов.

• Транскрипция — представляет собой перенос кода ДНК путем образования одноцепо­чечной молекулы информационной РНК на одной нити ДНК (инфор­мационная РНК — копия части молекулы ДНК, одного или группы рядом лежащих генов, несущих информацию о структуре белков, необходимых для выполнения одной функции). РНК отличается от ДНК тем, что вместо дезоксирибозы содер­жит рибозу (речь идет об одной гидроксильной группе ОН каждого сахарного кольца), а вместо азотистого основания тимина содержит урацил.

• Трансляция — это синтез белка на основе генетического кода информационной РНК в особых частях клетки — рибосомах, куда доставляет аминокислоты транспортная РНК.

Основной механизм, с помощью которого молекулярная био­логия объясняет передачу и переработку генетической информа­ции, по существу, является петлей обратной связи.

ДНК, содержа­щая в линейноупорядоченном виде всю информацию, необходимую для синтеза различных протеинов (без которых невозможно строи­тельство и функционирование клетки), участвует в последователь­ности реакций, в ходе которых вся информация кодируется в виде определенной последовательности различных протеинов. Некоторые ферменты осуществляют обратную связь среди синтезирован­ных протеинов, активируя и регулируя не только различные стадии превращений, но и автокаталитический процесс репликации ДНК, позволяющий копировать генетическую информацию с такой же скоростью, с какой размножаются клетки.

Как показали исследования по молекулярной биологии последних десятилетий, петли положительной обратной связи (вместе с отрицательной обратной связью и более сложными процессами взаимного катализа) составляют самую основу жизни.

Именно такие процессы позволяют объяснить, каким образом совершается пере­ход от крохотных комочков ДНК к сложным живым организмам.

Интересен вопрос о том, как получаются именно разные белки и клетки. Французскими учеными Ф. Жакобом и Ж. Моно предложена следующая гипотеза. Ген-регулятор производит молекулу-репрессор. Она выключает, когда нужно, оператор, который размещается на одном конце оперона — группы генов, и в результате данные фермен­ты не производятся.