Автономия - досье рака
Дальнейший этап, теоретически допустимый, не получил, однако, лабораторного подтверждения. Некоторые биохимики, в том числе Дэвид Грин, склонны относить его скорее к области фантастики, нежели к науке. Мы не разделяем мнение тех, кто, признавая, что существует огромная пропасть между «первичным бульоном», в какой-то степени воспроизводимым в пробирках химиков, и первой клеткой, тем не менее считает, что последовал этап образования систем, близких к самовоспроизводящимся. Закончился он образованием первых организмов.
По мнению ученых, это произошло около трех миллиардов лет назад. Мы можем судить о структуре этих организмов только на основании скопления «шариков», которые образуют некоторые микроископаемые докембрийского периода, открытые палеонтологами в Свазиленде (на юге Африки). Как полагают, они близки к современным простейшим организмам, бактериям.
Эти организмы — предтечи настоящих клеток. Известны два типа клеток, отражающие два этапа эволюции: прокариоты, ядро которых лишено мембраны (к ним относятся бактерии, одноклеточные синие водоросли), и эукариоты, имеющие ядро, отделенное от протоплазмы мембраной: некоторые эукариоты представлены в виде автономных организмов (простейшие, грибы), другие входят в состав многоклеточных организмов.
Примером клетки прокариота может служить бактерия, предсказанная Пастером и описанная Хансеном в 1874 г. Она окружена оболочкой, предохраняющей клетку от ударов и внешних воздействий и состоящей из молекул углеводов и полипептидов. Именно на оболочку клетки действует пенициллин, препятствуя ее образованию. Под оболочкой бактериальную клетку окружает полупроницаемая мембрана. Она предохраняет цитоплазму, в которую погружены органоиды, в том числе ядро- последнее в отличие от ядра клетки эукариота не имеет четких границ и не отделено от цитоплазмы мембраной. При рассмотрении в электронный микроскоп ядро выглядит как сетка, в виде которой проецируется свернутая в клубок цепь дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Цепь ДНК представлена одной молекулой длиной свыше 1 мм с высокой молекулярной массой (свыше двух миллиардов дальтон). Цитоплазма содержит также другие органоиды, в том числе рибосомы. Последние наполовину состоят из молекул рибонуклеиновой кислоты (РНК), наполовину из белков. Рибосомы участвуют в биосинтезе белков. В состав цитоплазмы входят элементы, отличающиеся от ядра, но включающие ДНК. Эти элементы носят название плазмид.
Исследования бактерий позволили значительно продвинуться в области генетики (науки о полной передаче информации материнской клеткой двум дочерним в процессе деления) и в понимании структуры и функции не только самой клетки, но и ее основных органоидов.
Огромные молекулы в «первичном бульоне» — это нуклеиновые кислоты и белки, состоящие из большого числа атомов (чем объясняется разнообразие их структуры). В действительности эти молекулы не что иное, как полимеры, в которые собираются небольшие молекулы, или мономеры (нуклеотиды — в составе нуклеиновых кислот, аминокислоты — в составе белков).
Некоторые органические полимеры, такие, как целлюлоза, состоят из однотипных, следующих друг за другом мономеров, специфические же полимеры, к числу которых относятся нуклеиновые кислоты и белки, образуются из многих мономеров, представленных различными группами. В том случае, если это белки, они обеспечивают структурные и функциональные свойства клетки, а если нуклеиновые кислоты, то они сохраняют и реализуют информацию. Группы мономеров в химических полимерах можно сравнить с группами букв в слове.
«Алфавит» белков состоит из 20 различных аминокислот, а одна белковая молекула может содержать их тысячи. Каждый белок характеризуется определенной последовательностью аминокислот.
«Алфавит» ДНК и РНК располагает всего четырьмя структурными единицами, четырьмя нуклеотидами. Каждый нуклеотид состоит из азотистого основания, фосфата и углевода, дезоксирибозы в ДНК и рибозы —> в РНК. Сахар и фосфат формируют остов, а четыре основания (А — аденин, Г — гуанин, Ц — цитозин и Т — тимин в случае ДНК- А, Ц, Т и У — урацил — в случае РНК) порядком своего чередования определяют специфичность информации.
Как предположил в 1944 г. Эвери, ДНК несет в клетке наследственную информацию. По наблюдению этого же ученого в 1953 г., ДНК, выделенная из одной бактерии, способна включаться в другую и передать ей некоторые свойства бактерии-донора, свойства, которые клетка- реципиент передает своему потомству.
Следовательно, именно ДНК хранит в себе генетическую информацию, а не белки, которые только отражают ее в структуре и в функции (как впервые предположили в 1940 г. Браше и Касперсон). ДНК — составная часть генетической единицы, гена. Этот термин свыше 100 лет назад предложил монах из Богемии Грегор Мендель для объяснения разновидности передачи признаков гороха в экспериментах по гибридизации, которые он проводил на этих растениях. Ген и сегодня принято считать генетической единицей, которая воспроизводится в неизменном виде при каждом делении клетки.
ДНК содержит генетический материал и механизм управления. В значительной мере благодаря исследованиям бактерий появилась возможность наблюдать удвоение ДНК при делении клетки и этапы, которые позволяют клеткам проявить специфичность получаемой наследственной информации в виде сохранения индивидуальности структуры и функции белков.
Генетическая преемственность в процессе деления клетки объясняется не только химической, но и физико-химической структурой ДНК, раскрытой в 1953 г. Уотсоном и Криком. Нуклеотиды соединены так, что образуют длинную цепь, состоящую из двух полимерных нитей, скрученных одна вокруг другой и образующих двойную спираль. Остов каждой нити состоит из групп фосфатов, которые чередуются с молекулами сахара (дезоксирибозы), с которыми связаны основания А, Т, Г, Ц, расположенные различными группами. Группы оснований двух нитей комплементарны друг другу (каждый Г одной нити обязательно связан с Ц другой, а каждый А — с Т). Обе нити спирали зависят друг от друга. При репликации (удвоении молекул ДНК), имея всю необходимую информацию о форме групп оснований, они расходятся. С этого момента основания каждой нити свободны и могут привлечь к себе основания дополнительных нуклеотидов, служа матрицей для получения второй дополнительной нити. Так, одна двойная спираль путем двойного копирования рождает две двойные спирали, идентичные первоначальной и друг другу. В этом удвоении ДНК является только матрицей, формой для снятия слепка- она один из катализаторов биохимических ферментативных реакций. Фермент, управляющий репликацией, называется ДНК-полимеразой.
Деятельность генов не ограничивается удвоением ДНК. Они управляют функциями клеток, связанными, как мы видели, со специфичностью белков, т. е. с последовательностью расположения аминокислот. Молекула ДНК не служит непосредственно матрицей для производства белков. Это происходит в цитоплазме, в частности в рибосомах — мелких структурах, своего рода «минифабриках» белков клетки.
Информация, заключенная в ДНК, передается из ядра в рибосомы при помощи РНК, называемой «информационной» * (она была открыта Спигелменом и Франсуа Гро в 1960 г.). Передача информации происходит от ДНК на РНК, и этот этап называется транскрипцией. Хотя РНК состоит только из одной цепи (и называется «одноцепочечной»), ее химическая структура очень близка структуре ДНК (различие в том, что тимин в ней заменен на урацил). Ее генетическая информация содержится в группах четырех оснований, воспроизведение которых объясняется спариванием комплементарных (дополнительных) оснований с основаниями ДНК. Эта реакция нуждается в ферменте, РНК-полимеразе. Для каждого гена копируется только одна из двух цепей ДНК.
*На существование в клетках информационных, точнее матричных, РНК (мРНК) впервые указали советские биохимики — акад. А. Н. Белозерский и акад. А, С. Спирин.— Прим. ред.
Видео: Муж Селин Дион скончался от рака горла
Чтобы найти свои группы, аминокислоты, составляющие белки, не фиксируются прямо на основаниях информационной РНК. Она только управляет их сборкой в процессе очень сложного явления «трансляции» (перевода), который нуждается в участии другого вида РНК, называемой транспортной, или тРНК. Последняя играет роль приспособителя (адаптора). Ее молекула одновременно специфична определенной аминокислоте и особой группе из трех нуклеотидов, называемой кодоном информационной РНК (следовательно, эта специфичность определяется тремя нуклеотидами). Именно на уровне рибосомы комплекс тРНК — аминокислота встречает информационную РНК, которая фиксируется на части рибосомы и представляет там свой первый триплет нуклеотидов. Последний привязывает комплекс аминокислота — тРНК, три нуклеотида которой (антикодон) распознаются этим триплетом кодона. Информационная РНК перемещается в недра рибосомы и представляет второй триплет, который привязывает второй комплекс аминокислота — тРНК. Две подведенные аминокислоты последовательно соединяются. Процесс продолжается до израсходования триплетов информационной РНК, и все аминокислоты, принесенные тРНК, прикрепляются друг к другу в порядке, определяемом информационной РНК для образования белка специфичной структуры.
Правило, по которому последовательность аминокислот определяется последовательностью расположения нуклеотидов, называется генетическим кодом- его открыли Уотсон и Крик в 1962 г. Клетка располагает всего четырьмя нуклеотидами в «алфавите» ДНК и РНК, а для производства своих белков она использует 20 разнообразных аминокислот. Как было показано, местоположение каждой аминокислоты в данном белке точно определено посредством одного триплета из трех нуклеотидов (кодона на информационной РНК и антикодона — на транспортной РНК). Известны соответствия между триплетами нуклеотидов и аминокислотами. Так как с помощью четырех букв можно составить 4x4x4=64 слова из трех букв и так как имеется только 20 аминокислот, можно сделать вывод, что для большинства аминокислот существует несколько различных записей (принято говорить, что код «вырожденный»). С другой стороны, три триплета (УАА- УАГ и УГА) не содержат в себе никакого смысла и играют роль своего рода знаков препинания.
Изменение одной буквы в кодоне может воспроизвести новое слово, но обозначающее другую аминокислоту. Например, УГУ означает цистеин, а УГГ — триптофан (две разные аминокислоты). Следовательно, мутация, или резкое изменение одного-единственного нуклеотида ДНК, может изменить тип белков, синтезируемых клеткой.
Белки в зависимости от последовательности расположения аминокислот являются структурной основой своеобразия клеток не только непосредственно в качестве ее материала и не только в качестве ферментов (отдельные примеры которых уже приводились)- они принимают участие и в специфической деятельности некоторых генов.
Далеко не все гены — действующие. Те, которые таковыми не являются, подавлены белками ядра- сами же белки находятся под контролем генов-регуляторов, специфичных для каждого из них. Самый известный пример относится к молочному сахару, или лактозе. Бактерия, выращенная в бульоне без лактозы, не образует фермента лактазы, необходимого для расщепления, а следовательно, использования сахара. Если добавить лактозу в бульон, бактерия секретирует лактазу. Механизм, обеспечивающий такое приспособление клетки бактерии к среде, был описан Жакобом и Моно» Ген, ответственный за кодирование производства фермента, называется структурным- его деятельность в свою очередь контролируется генами-регуляторами и операторами.
Один ген-оператор в состоянии стимулировать один или несколько структурных генов. Он располагается на нити ДНК непосредственно перед ними. Ген-регулятор контролирует производство репрессора, специфичного для своего оператора, который запрещает последнему образовывать специфичную для данного фермента информационную РНК (вероятно, путем торможения действия РНК-полимеразы на уровне соответствующих генов). Действие, вызванное лактозой в приведенном примере (откуда и название «индуктор»), состоит в том, что она выключает репрессор и тем самым освобождает оператор, который автоматически запускает механизм синтеза информационной РНК, а значит, и фермента.
Такая система не позволяет бактерия вырабатывать слишком много ферментов, которые они могли бы произвести, но в которых не нуждаются. Таким образом, большинство генов не проявляет себя: они «подавлены». Однако при поступлении нужного вещества (лактоза — в приводимом выше примере) они могут активизироваться. Они могут активизироваться и в результате мутации, препятствующей клетке производить ферменты или, наоборот, стимулирующей ее к постоянному, неконтролируемому их образованию, что уже не является для нее благоприятным, так как вовлекает ее генетический потенциал биосинтеза белков в «ненужное» производство. Эти две возможности ставят потомство клетки в невыгодные условия конкуренции с нормальными бактериями и могут привести к ее гибели.
Таков в самом схематичном виде геном — совокупность генов одной бактерии, управляемых, образно говоря, демократической монархией. Демократической потому, что распоряжения монарха (генома) сообразуются с нуждами клетки или окружающей ее среды, а монархией потому, что потенциал генома рассматривается как не поддающийся внешним воздействиям, кроме особых случаев, называемых мутациями.
Эта способность значительной, но вместе с тем ограниченной адаптации, которую геном предоставляет бактерии, обеспечивает устойчивость огромного большинства видов к изменяющимся условиям жизни, в частности экологическим, с которыми им приходится сталкиваться. Несовершенство адаптации позволяет понять, почему исчезают некоторые виды. В неблагоприятных условиях выживают только те, чьи генетические возможности позволили к ним приспособиться. Это полностью согласуется с теорией естественного отбора, предложенной Дарвином сто с лишним лет назад.
Таким образом, эволюция видов зависит одновременно от окружающей среды и от способности их геномов или генотипов реализовать функции, которыми они наделены. Совокупность проявления этих функций называют фенотипом.
Как полагают, если мутация изменяет ген настолько, что повышает уровень ошибок в чтении кода, ген становится супрессором. Но такие ошибки не всегда являются пагубными для выживания клеток. В ряде случаев они могут способствовать выживанию бактерий, а следовательно, представлять преимущество с точки зрения естественного отбора.
Факторы мутаций, составляющие неотъемлемую часть условий окружающей биосферу среды, многочисленны: это естественное и вызванное деятельностью человека ионизирующее и ультрафиолетовое излучения, химические вещества, естественные и синтезированные для торможения либо создания лучших условий жизни микробов, растений, животных и самого человека, а также вирусов, к рассмотрению которых мы и переходим.
