Как работают гены

Глава II. Общие биологические закономерности жизни

2.1. Что сейчас известно человеку о человеке?

Сейчас в наш просвещенный век чуть ли не с детского сада дети, знают, что их не находят в капусте, и их не приносит аист. Они рождаются мамами, если определенные (половые) клетки мамы и папы сливаются, из них постепенно формируется новый организм, который и рождается на свет, растет и развивается. Знают, однако даже не все взрослые, получившие среднее образование, отдают себе отчет в том, что новая и пока единственная клетка, возникшая после оплодотворения (зигота) уже несет в себе запись информации практически обо всех особенностях нового организма: мальчик это будет или девочка, темноглазый или светлоглазый, высокий или маленький, веселый или печальный, настойчивый и успешный, или рассеянный но исполнительный, художник или музыкант, инженер и изобретатель или писатель и учитель.

Конечно, условия последующего развития, среда, воспитание внесут определенные коррективы в эту запись. Они не исправятее, но могут изменить силу работы, степень проявления, характер применения к данным конкретным условия жизни. Очень важно знать, что такая коррекция может быть позитивной и негативной. Важно почувствовать, что именно можно поправлять, а что нет, и главное, что нельзя делать силой. Эти усилия порождают немало драм в отношениях «отцов и детей»

Что же такого имеется в оплодотворенной яйцеклетке – зиготе, что может вмещать в себя столько информации? Размеры зиготы человеческого организма составляет всего несколько микрометров. Главная часть клетки – ее ядро еще меньше. Именно ядро вмешает объединенные при оплодотворении наборы хромосом – 23 материнских и 23 отцовских. Каждая из них содержит по нескольку тысяч участков, которые сейчас называются генами. Генов много. Одни из них отвечают за структуру организма, за его органы, – это структурные гены. Другая часть, по количеству в сотни раз большая, отвечает за работу этих генов, их активность, или неактивность, их включение и выключение. Эта часть генов называется регуляторной частью – это программа развития каждого организма. Аналогичная система работает в компьютере: мы записали файл, текстовый, графический, акустический, а управлять им можно, только если в компьютере установлена соответствующая программа. Размеры программы и ее сложность гораздо больше любого нашего файла.

Кроме ядерных генов, есть еще часть информации, заключенной в структурах клетки, которые называются митохондриями. Это мелкие двухмембранные органоиды, в которых сосредоточены основные энергетические реакции клетки. Они имеются у всех организмов, кроме бактерий, и обладают некоторой независимостью от ядра. Их в клетках много – от нескольких единиц до нескольких тысяч. Размеры этих частиц составляют от 2 до 10 мкм. В них есть свои гены. Митохондриальные гены попадают в зиготу только от матери, т.к. они располагаются в цитоплазме яйцеклетки. Т.е. от матери будущему организму достаются и ядерные и митохондриальные гены, а от отца только ядерные, т.к. у сперматозоидов цитоплазмы почти нет.

Таким образом, в самой первой клетке каждого организма сосредоточено порядка 30–50 тысяч структурных генов и примерно в сто раз большее количество генов, ответственных за регуляцию их деятельности. Они располагаются в хромосомах – 23 материнских и 23 отцовских. Каждая хромосома формируется из одной молекулы ДНК.

Если все молекулы ДНК одной клетки человека вытянуть в одну линию, ее длина составит 3 метра 60 сантиметров. Когда формируются хромосомы, каждая молекула ДНК спирализуется, утолщается и укорачивается. Общая длина всех 46 хромосом составляет уже только 200 мкм. Они видны в обыкновенный световой микроскоп.

Один из двух наборов хромосом имеет всю информацию о видовых признаках организма – это и есть геном. Т.е. в клетках человека два генома – один от отца – другой от матери. Два генома – это механизм выживания, защита от изменчивости среды и один из механизмов индивидуального разнообразия. Два генома дополняются генами митохондрий – плазмоном, – эти гены приходят только от матери. Все это будет составлять информационную, наследственную базу нового организма – генотип.

2.2. Система записи, воспроизводства и реализации наследственной информации

Поняв, откуда взялась у нового организма наследственная база, важно представить, как она реализуется в процессе развития. При этом надо осознать два удивительных природных явления:

1. Как же это возможно, чтобы химическая молекула была базой записи наследственной информации?

2. Каким образом то, что закодировано на химическом соединении, реализуется в конкретные ткани, органы, структуры, не только обладающие своей формой, но и активно, слаженно, системно функционирующие?

Итак, вопрос первый – каким образом осуществляется запись и воспроизводство информации?

В настоящее время однозначно установлено, что основным веществом, способным записывать, хранить, воспроизводить, реализовать и передавать потомкам наследственную информацию, является химическое соединение – молекула ДНК. Что же из себя молекула ДНК? Как ее изучали?

Еще в конце девятнадцатого века, а точнее в 1869 году швейцарский врач Ф. Мишер искал способы эффективной борьбы с гнойными инфекциями. Ему было важно отыскать средство, которое может быстро подавить накопление гнойных масс на пораженных участках. Много средств было испробовано, но самый необычный результат он получил, обрабатывая раны бычьей желчью. Сравнивая под микроскопом материал до и после обработки, он заметил, что под действием бычьей желчи исчезают клетки лейкоцитов, но остается какая–то субстанция, которая потом не растворяется, ни в спирте, ни в крепких кислотах, а растворяется только в щелочах. Продолжая наблюдения, Мишер установил, что это стойкое вещество является остатком ядерной массы. Ядро клетки тогда называли нуклеус. Отсюда появилось название – нуклеиновое вещество или просто нуклеин.

Позднее, в 1889 году в лаборатории Гоппе-Зейлера в Страсбургском университете было обнаружено, что эта органическая масса имеет кислую реакцию среды. Это положило начало термину нуклеиновые кислоты (Н.К.) Автор термина немецкий химик Рихард Альтман. В тот же период немецким биохимиком Альбрехтом Косселем (1853 – 1927) были определены составные части нуклеиновых кислот – установлено, что в их входят некоторые азотистые основания, есть углеводный компонент – рибоза или дезоксирибоза и фосфорная кислота. За эти исследования А. Косселю была присуждена Нобелевская премия 1910 г.

После этого потребовалось еще 60 лет для того чтобы установить не только состав, но и структуру нуклеиновых кислот, их функции, их непосредственное участие в делении клеток, в хранении и передаче наследственной информации. Десятки лабораторий всего мира работали над этими проблемами. К 1930 году было известно, что в состав Н.К. входят 5 (всего пять) химических элементов – углерод, водород, кислород, азот и фосфор. К 1940 году установили, что эти элементы соединяются в три самостоятельных вещества – пятиуглеродный сахар – рибозу, гетероциклическое соединение – азотистое основание и группу РО

– остаток уже известной фосфорной кислоты. Эти три молекулы соединяются между собой в стойкие блоки – нуклеотиды. Если группа РО

во всех нуклеотидах одинаковая, то азотистые основания разные. Всего их 5 типов – аденин, гуанин, цитозин, тимин и урацил. Сахаров оказалось два типа – базовый сахар – рибоза и производный – дезоксирибоза, который у третьего углеродного атома не имеет атома кислорода (дез-окси, т.е. «без кислорода»).

Затем было установлено, что среди нуклеиновых кислот существует два несколько различных вещества. Одно – более тяжелое соединение, с молярной массой до 20 – 40 миллионов ед., содержит сахар дезоксирибозу и азотистые основания аденин, гуанин, цитозин, тимин. Эту молекулу и стали называть дез-окси-рибо-нуклеиновая кислота – сокращенно ДНК. Вторая молекула более легкая с молекулярной массой порядка 2 – 4 миллиона ед. Она включает сахар рибозу и азотистые основания аденин, гуанин, цитозин. урацил. Ее назвали рибо-нуклеиновая кислота– РНК. Целым рядом экспериментов было показано, что за наследственные функции больше отвечает молекула ДНК.

Только в 1953 году молодой американский биохимик Джеймс Уотсон и английский физик Френсис Крик, работая совместно, выяснили, каким образом, все эти составные части соединяются друг с другом. Они создали первую модель молекулы ДНК. Этому предшествовали несколько выдающихся работ других исследователей. В частности было уже известно правило Э. Чаргаффа о равенстве количества азотистых оснований – число молекул аденина всегда равно числу молекул тимина (А = Т), а количество гуанина равно количеству цитозина (Г = Ц). Розе Франклин к этому времени удалось получить рентгенограмму молекулы ДНК. И самым удивительным было то, что ДНК разных организмов оказалась практически одинакова (А.Н. Белозерский, О. Эвери, У. Стенли и другие). Но все еще не было представления о ее пространственной структуре. Эту задачу и решили Уотсон и Крик. На представленной ими модели нуклеотиды соединялись в двух направлениях – продольном, где нуклеотиды следовали друг за другом, соединяясь только между сахаром и фосфором, и поперечном, где соединения происходили только между азотистым основаниям. Причем, аденин соединялся только с тимином, а цитозин только с гуанином. Получалась длинная двойная спираль, этакая спирально закрученная винтовая лестница (рис. 1).

Рис. 1. Схема строения ДНК (DNA) и РНК (RNA)

Такая структура объясняла две самые главные функции ДНК, – каким образом это соединение может самостоятельно удваиваться, обеспечивая размножение клеток, и как осуществляет запись информации.

Удвоение или редупликация происходит, если эти две закрученные цепочки развести, а потом дать им подстроить к себе недостающие части. Тогда вместо одной молекулы получаются две, совершенно одинаковые. На этом строится процесс самовоспроизводства, который обеспечивает размножения организмов.

Запись информации осуществляется последовательностью соединения нуклеотидов по продольной оси. Эта последовательность ничем не лимитируется, и из 4 разных нуклеотидов можно получить бесконечное множество различных комбинаций. Таким образом, природе удалось решить, казалось бы, не решаемую проблему, как одним и тем же веществом, состоящим из совершенно одинаковых элементов, обеспечить разнообразие всех, обитающих на Земле живых организмов. И резерв разнообразия еще не исчерпан. Если принять, что на Земле живут около 500 тысяч видов растений, более двух с половиной миллионов животных, и около миллиона видов бактерий и вирусов, то эта цифра будет составлять порядка 4 миллионов видов, а количество сочетаний из 4 нуклеотидов на цепочке ДНК в 10 миллионов нуклеотидов будет составлять 4

. Так что еще далеко не все освоено.

Расшифровка структуры ДНК стала одним из поворотных моментов в истории биологии. За это открытие ученым Джеймсу Уотсону, Фрэнсису Крику и Морису Уилкинсу была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине 1962 года.

Вопрос второй. Каким образом химическая молекула обеспечивает физическую форму и физиологическую активность организмов?

В период шестидесятых и последующих лет двадцатого века развитие молекулярной биологии пошло еще более бурными темпами. Открытия следовали одно за другим. Каждое поражало воображение и ставило новые вопросы. После того, как стало известно, что молекулы ДНК есть в каждой клетке каждого организма, и что у всех строение этой молекулы принципиально одинаково, встал вопрос о том, как же достигаются различия в работе разных клеток, и столь разнообразные результаты их работы?

Рис. 3. Ядро живой растительной клетки (фото автора)

Основная масса ДНК находится в ядре и никогда его не покидает (рис. 3). Что же происходит в цитоплазме клеток? Основную часть цитоплазмы составляют белки. Белков много и они разные. Почему? Ответ на этот вопрос был получен при расшифровке генетического кода.

2.3. Генетический код

Естественно весь научный мир интересовало, есть ли связь между ДНК и белками. В 1957 –1963 годах множество ученых из разных стран работали над этой проблемой. Исследовалось строение белков, изучались белки бактерий, формировалось учение о вирусах и их взаимоотношениях с клетками других организмов, синтезировались искусственно молекулы РНК и некоторые участки ДНК (Г. Гамов 1957, Ф. Крик, Л Барнет 1961, 1963, М. Ниренберг и Дж. Маттеи 1961, 1963, К. Корана 1966, и многие другие). К 1966 году связь между ДНК и белками была не только доказана, но и расшифрована.

Самым удивительным результатом этого научного штурма было установление того факта, что – код шифрования–этогенетический код, является универсальным и одинаков для всех земных организмов от вирусов до человека.

На основании многочисленных работ теперь можно коротко сформулировать основные свойства генетического кода.

Генетический код – это механизм, определяющий зависимость строения белков от наследственной информации, заключенной в молекулах ДНК.

Специфика белковых молекул определяется последовательным соединением в длинные цепочки молекул аминокислот (amino acids).

Аминокислоты – это низкомолекулярные органические соединения, состоящие из углерода, кислорода, водорода и азота. Обязательными группами в них являются кислотная группа СООН и аминогруппа – NH

.

Аминокислот, участвующих в синтезе белка – 20.

Соединение аминокислот в белковые цепочки происходит на структурах клетки – рибосомах.

План соединения аминокислот определяется последовательностью нуклеотидов в молекуле ДНК.

За положение одной аминокислоты в молекуле белка отвечает не один, а три нуклеотида – триплет (кодон).

Всего таких групп–сочетаний из четырех нуклеотидов по три – насчитывается 64 (4 в третьей степени). Каждая аминокислота кодируется несколькими триплетами (как бы запасный вариант, обеспечивающий скорость синтеза).

Информация о расположении триплетов на молекуле ДНК переносится в цитоплазму на рибосомы с помощью молекул – информационной РНК (и-РНК, m-RNA), которая предварительно синтезируется в ядре.

Различные аминокислоты доставляются к рибосомам с помощью специфических коротких молекул – транспортных РНК (т-РНК)

Источником и поставщиком аминокислот в клетки является пища.

Скорость синтеза огромна – за одну секунду в клетках образуется тысячи белковых молекул. Главная функция их – ферментативная. Ни одна реакция в клетках не происходит самопроизвольно, все контролируется ферментами. Жизнь белковых молекул недолговечна. Большинство из них живут и работают только по нескольку часов, потом распадаются и строятся вновь. Т.е. конвеер – «ДНК – РНК – белок» работает постоянно. Никто не сидит без дела. Вот поэтому главным условием существования организмов на нашей планете – это регулярное питание. Человек не исключение. В основном его белки-ферменты живут по 8 часов. Отсюда, установившееся веками трехразовое питание.

Рис. 4. Схема процесса белкового синтеза в клетках