Помоги проекту - поделись книгой:
Уже после того, как митохондрии были открыты, электронный микроскоп помог биологам обнаружить в клетке еще одни очень важные для жизни частицы — мельчайшие тельца — рибосомы. Рибосомы — это ультрамалые, размером в сотые доли микрона, центры производства белка. В них из аминокислот создаются белки.
Аминокислоты — органические вещества, содержащие одновременно кислую и щелочную группы. В настоящее время их известно немногим больше двадцати. Соединяясь в разных сочетаниях друг с другом, аминокислоты образуют молекулы белков. В нашем теле десятки тысяч разносортных белков, и все они сложены из двух десятков аминокислот, соединившихся в каждом белке в характерной только для него последовательности.
Лишь недавно биохимики составили достаточно ясное представление о том, как идет такой синтез.
Прежде всего, как и для всякого другого производственного процесса, для синтеза белков необходимо сырье. Оно есть — аминокислоты. Растительные клетки создают их сами, в митохондриях, а клетки животных многие аминокислоты получают из переваренной пищи.
Нужны рабочие. Есть и они — ферменты. Нужна энергия — мы уже знаем, откуда она берется. Солнце и молекулы АТФ доставляют ее. Ферменты активизируют аминокислоты, а проще говоря, помогают им получить энергию от АТФ.
Молекула АТФ разрывается, и обе ее части соединяются с аминокислотой и ферментом в единый комплекс. Когда АТФ разрывается, энергия химических связей, скреплявшая ее, отдается аминокислоте. Та переходит на более высокий энергетический уровень и поэтому более энергично и активно вступает в химические реакции.
Вот тут в игру и входит РНК — рибонуклеиновая кислота. Ее роль в синтезе белков исключительно важна. РНК выступает в двух лицах: РНК-переносчик транспортирует активизированную аминокислоту к другой РНК — матрице, которая диктует порядок сборки белка из аминокислот.
РНК-матрицы — они значительно длиннее транспортных — располагаются главным образом в рибосомах. Здесь идет массовое производство белков. Только некоторые особые белки синтезируются, по-видимому, в ядре и в митохондриях.
Итак, РНК-транспортер доставляет аминокислоту, предварительно наделенную нужной дозой энергии, прямо к РНК-матрице. Аминокислота на ее поверхности может удержаться не где попало, а только на строго определенном месте. Для каждой из двадцати аминокислот на поверхности синтезирующей белок РНК приготовлена своя якорная стоянка. Никакая другая аминокислота ее занять не может.
Каждые полсекунды аминокислота ложится к аминокислоте, всегда на свое место. Десятки и сотни, даже тысячи аминокислот выстраиваются в ряд на поверхности РНК. Затем аминокислоты соединяются друг с другом в длинную цепь, и готовая молекула белка соскакивает с нуклеиновой матрицы. Порядок построения аминокислот на РНК, а иначе говоря, формула будущего белка зависит от химической структуры той РНК, на поверхности которой они выстраиваются.
А эту структуру, эту матрицу как бы штампует по своему образу и подобию дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК. РНК, химический шифр которой руководит синтезом белка, — сама слепок, копия с ДНК. Молекула РНК «представляет собой как бы приводной ремень, передающий информацию от ядра к рибосомам», — говорит крупнейший наш генетик Николай Петрович Дубинин. А ДНК — это оригинал. Это первоисточник генетической информации. В ДНК и скрыта наша наследственность: алфавитом, в котором всего четыре буквы, и всеми словами, сложенными из них, трехбуквенными, закодированы в ней врожденные свойства живого организма.
Как закодированы?
Приблизительно так же, как человеческие мысли шифруются и передаются от человека к человеку в словах каждого языка. Все идеи человечества, все его бытовые навыки и все знания закодированы в какой-нибудь сотне тысяч слов. Каждое слово, или кодовая группа, состоит из букв. Их немного, несколько десятков. Буквы образуют алфавит. Таким образом, все богатства человеческой мысли, накопленные за тысячелетия, весь этот необъятный, казалось бы, арсенал знаний и идей может быть выражен, сохранен на полках библиотек и передан следующим поколениям в сочетаниях всего лишь нескольких десятков букв, или, как говорят кибернетики, символов.
Но та же самая сверхобширная информация может быть выражена еще меньшим числом букв — всего двумя символами. Примером служит азбука Морзе, в которой различная последовательность точек и тире способна передать все мысли человеческие.
У ДНК алфавит четырехбуквенный. Буквами служат особые химические соединения — азотистые основания: аденин (А), тимин (Т), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Кодовыми группами, или словами, — их сочетания в молекулы ДНК. Как в азбуке Морзе определенное чередование тире и точек составляет фразу.
Из скольких же букв, скольких азотистых оснований составлены передающие наследственную информацию слова?
Проще всего в этом разобраться на примере синтеза белков. Ведь первое звено в длинной цепи построения организма по плану, заключенному в наследственности, это созидание специфических для него белков.
Все белки, а их великое множество сортов и разновидностей, строятся на РНК из двадцати аминокислот. Я уже говорил об этом. Так вот, каждая аминокислота занимает свое место на РНК напротив соответствующей ей кодовой группы, то есть соответствующего сочетания азотистых оснований.
Их всего четыре, а аминокислот двадцать. Значит, каждую аминокислоту не может кодировать одно-единственное основание — однобуквенное слово в генетическом лексиконе.
Может быть, двухбуквенное подойдет? Нет, и двухбуквенных мало: ведь аминокислот двадцать, а из четырех букв можно образовать только шестнадцать двухбуквенных слов.
А вот трехбуквенных будет достаточно, и даже с избытком. Ведь каждый из наших четырех символов А, Т, Г, Ц, которыми мы обозначили кодовые азотистые основания, может быть и первой, и второй, и третьей буквой в трехбуквенном слове. Нетрудно подсчитать, что таких слов шестьдесят четыре.
Шестьдесят четыре, а аминокислот-то всего двадцать! Значит, сорок четыре слова-триплета в генетическом языке ДНК лишние?
Впрочем, едва ли. Возможно, что некоторым наиболее часто повторяющимся в белке аминокислотам соответствует не одна, а несколько разных кодовых групп. Одна и та же аминокислота может сесть на поверхность РНК и там, где друг за другом следуют азотистые основания в такой, говоря к примеру, последовательности — АГЦ и в такой — АЦГ, но нигде больше: никакое другое слово генетического алфавита ее не привлечет.
Итак, мы установили, что в генетическом алфавите всего четыре буквы, а все слова, из них составленные, трехбуквенные. Не правда ли, не верится, что этих символов и слов достаточно, чтобы закодировать весь бесконечно разнообразный план строения организма — от синтеза специфических для его тела белков до цвета глаз и свойств характера?
Слов, которыми записаны генетические фразы, очень много. В некоторых молекулах ДНК до 30 тысяч азотистых оснований. Число их взаимных сочетаний поистине бесконечно. Ведь если бы даже азотистых оснований в каждой ДНК было всего по сто, полная коллекция их различных сочетаний достигла бы 4100. Четыре в сотой степени! Это больше, чем атомов во всей Солнечной системе!
А ведь молекулы ДНК содержат не сто, а тысячи и десятки тысяч азотистых оснований! Трудно даже вообразить, какое великое множество генетических фраз, иначе говоря генов, способны они образовать, объединяясь друг с другом в разной последовательности.
Подсчитали также, что, если бы удалось все молекулярные нити ДНК извлечь из клеток человека и развернуть их в одну цепь, она протянулась бы через всю Солнечную систему!
После этих упражнений в арифметике вы теперь, надо полагать, с большим уважением относитесь к четырем буквам генетического алфавита: их выразительные способности действительно безграничны.
Что же собой представляют четыре всемогущие буквы?
Соединения азота, углерода, водорода и кислорода.
Каждое из оснований в молекуле ДНК соединено с сахаром. Сахар не простой: в нем не шесть, как в обычных сахарах, а только пять атомов углерода. У сахара, который входит в состав ДНК, его называют дезоксирибоза, на один атом кислорода меньше, чем у рибозы — сахара РНК.
Сахара связаны в длинные цепи фосфорной кислотой. Но это не все: две сахарно-фосфорные нити ДНК соединяются в одну спирально закрученную молекулу. Соединяются так, что азотистые основания двух нитей-антиподов, цепляясь попарно друг за друга, образуют как бы перекладины лестницы. Притом аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин — с цитозином.
Молекула же РНК остается одинарной.
В этом странном удвоении ДНК заключен большой биологический смысл. Благодаря ему облегчается стереотипное копирование материнской ДНК дочерними при размножении клетки. Когда клетка делится пополам, все ее хромосомы и заключенные в них молекулы ДНК удваиваются. И каждая новая клетка получает полную копию с хромосом и с ДНК родительской клетки.
Но копирование необходимо не только при делении, но и в течение всей жизни клетки для синтеза белков. Ведь ДНК штампует РНК по образу своему и подобию, а РНК сообразно с этим подобием штампует белки из аминокислот.
Копирование происходит так: спираль ДНК раскручивается, связи между перекладинами (азотистыми основаниями) обрываются, и обе составлявшие ее цепочки расходятся, как половинки расстегнутой «молнии» на вороте свитера. Затем половинки начинают воссоздавать своих антиподов, присоединяя к каждому из азотистых оснований нужные вещества. И таким образом, каждая из разошедшихся спаренных нитей ДНК восстанавливает полную копию своего утерянного партнера. В результате число нитей ДНК удваивается, и дочерние клетки получают полный комплект наследственной информации, совершенно подобный материнскому.
Копирование при синтезе происходит так же. Только в этом случае разошедшиеся половинки ДНК восстанавливают рядом с собой не одинарную ДНК, а РНК. И не одну, а тысячи их. Ведь даже самые длинные РНК во много раз короче ДНК, поэтому вдоль одной ДНК синтезируются цепочкой друг за другом сразу много РНК. Скопировав со своей родоначальницы наследственную информацию, они уходят затем из ядра в протоплазму клетки, в рибосомы и там руководят синтезом белков.
После того как все ДНК произведут себе подобных двойников, клетка делится. В ход пускается тот великий микромеханизм, который распределяет наследственные задатки по потомкам. В движение его приводит энергия света, аккумулированная растениями. Значит, все явления наследственности в любом уголке животного и растительного царства не проявили бы себя, не будь в клетках митохондриев и хлорофилловых зерен в зеленых листьях. А стоит ли говорить, что без наследственности не было бы и жизни на Земле!
Тип саркомастигофоры
Неуклюжее, странное на вид животное медленно (очень медленно: 13 миллиметров в час!) ползет по стеклу. Оно, как резиновое, то сжимается в круглый комочек, то раскидывает в стороны какие-то языки.
Языки-ножки тянутся вперед, жидкое тело животного переливается в них. Новые выросты ползут дальше, и, переливаясь в их нутро, животное «перетекает» на новое место. Так оно путешествует в капле воды, которую мы зачерпнули из пруда. Это амёба, микроскопическое одноклеточное существо, и мы рассматриваем его под микроскопом.
Отнеситесь с уважением к странному созданию: ведь так или приблизительно так выглядели миллиарды лет назад предки всего живого на Земле. И сейчас еще в нашем организме живут клетки, очень похожие на амёб: лейкоциты — белые кровяные тельца.
Вот амёба наткнулась на зеленый шарик — одноклеточную водоросль или мелкое простейшее. Она обнимает ее своими «ножками», обтекает со всех сторон полужидким тельцем, и микроскопическая водоросль уже внутри амёбы.
С амёбы все и началось. У нее (и ее родичей жгутиконосцев) был первый в мире желудок. Вернее, первая импровизированная модель желудка: пищеварительный пузырек — вакуоль.
Как только водоросль (или бактерия), «утонув» в амёбе, погружается в ее протоплазму, сейчас же протоплазма как бы немного отступает, сторонясь своей добычи, и в пустоту натекает жидкость: образуется внутри амёбы (и вокруг водоросли) пищеварительная вакуоль.
Пищеварительная потому, что в соках, ее наполняющих, растворены разные ферменты. Например, пепсин, которого немало и в нашем желудке. От этих ферментов жгутиконосцы (амёбы «глотают» их порой по сто штук!) через сутки, а то и через полсуток превращаются в… молекулы: глюкозу, мальтозу, глицерин, жирные кислоты и в пептиды. В общем перевариваются.
Потом всасываются в протоплазму амёбы из вакуоли-желудка. А что не переварилось, амёба в себе не бережет, выбрасывает наружу, вакуоль течет вместе с протоплазмой к краю амёбы — любому концу ее тела — и, прорвавшись через тонкую пленочку эктоплазмы, то есть через «кожу» амёбы, выливается прочь.
Так амёба питается.
А как дышит?
Каждые одну-две минуты в ее протоплазме появляется маленькая капелька воды. Она растет, разбухает и вдруг прорывается наружу, выливаясь из тела животного.
Эта пульсирующая вакуоль — «блуждающее сердце» амёбы: то здесь появится оно, то там. Вода, проникающая снаружи в тело крошечного существа, собирается внутри вакуоли. Вакуоль, сокращаясь, выталкивает воду наружу, снова в пруд. Вместе с водой внутрь животного поступает растворенный в ней кислород. Так амёба дышит.
Но не только этим ограничивается значение пульсирующей (или сократительной) вакуоли в жизни амёбы.
«…Кроме дефекации, то есть выбрасывания непереваренных остатков пищи, должно происходить и выделение, сходное с выделением мочи у высших животных, то есть выделение из тела уже переработанных в нем продуктов обмена веществ. Эту функцию, по-видимому, и выполняет пульсирующая вакуоль» (
Третье назначение пульсирующей вакуоли — нечто вроде насоса, регулирующего осмотическое давление между окружающей средой и содержимым тела амёбы.
В пресной воде меньше солей, чем в протоплазме амёбы. Ее оболочка полупроницаема, и под действием осмоса вода постоянно просачивается через нее в тело простейшего. Если ее не «откачивать», то может случиться такое непоправимое несчастье: животное наполнится водой настолько, что произойдет выравнивание осмотического давления между средой обитания и телом амёбы, которое просто-напросто растворится в воде!
У морских простейших, обитающих в море, где концентрация солей много выше, чем в пресной воде, пульсирующих вакуолей или вовсе нет, или они сокращаются в более медленном темпе.
«Кроме того, для одной пресноводной амёбы экспериментально доказано, что при медленном приучении ее к морской воде она утрачивает свою сократительную вакуоль; этим ясно показывается связь между функцией вакуоли и осмотическим давлением» (
Размножаются амёбы главным образом бесполым путем: каждая делится пополам, и получаются из одной две амёбы, с совершенно идентичной наследственностью. Вот и все размножение.
Если смотреть, конечно, поверхностно. Но когда заглянем в микроскоп, то увидим, какие сложные процессы происходят в ядре клетки амёбы во время ее деления.
Ядра большинства простейших делятся посредством так называемого митоза. Ему предшествует удвоение молекул, несущих наследственную информацию.
Давно уже известны два типа деления клеток: деление митотическое и редукционное. Первое называют также митозом, а второе — мейозом. Первым способом, митозом, делятся все клетки, вторым — только половые.
Сначала — о митозе. Ему предшествует удвоение молекул, несущих наследственную информацию.
Молекулы ДНК, в которых заключен генетический шифр, располагаются в ядре клетки, в особых длинных нитях — хромосомах. У каждого вида животных и растений строго определенное число хромосом. Обычно их несколько десятков. У человека, например, 46. А у одного из червей всего две. У некоторых раков по 200 хромосом. Но рекорд побили микроскопические радиолярии: у одной из них 1600 хромосом!
Когда молекулы ДНК удваиваются, удваиваются и хромосомы. Каждая строит по своему подобию двойника. Значит, какое-то время в наших клетках хромосом бывает вдвое больше, чем обычно.
Между двумя делениями, в так называемой интерфазе, хромосомы в обычный микроскоп не видны. Как будто их нет совсем. В электронный же видно, что они все-таки тут, никуда не делись, но так тонки, что без очень сильного увеличения не заметны. Говорят, что на этой фазе своей деятельности хромосомы имеют вид «ламповых щеток». И в самом деле, они немного похожи на ерши, которыми когда-то прочищали стекла керосиновых ламп.
Между двумя делениями хромосомы должны успеть синтезировать своих двойников с полной копией всех содержащихся в них генов, всех молекул ДНК.
Как только двойники будут готовы, длинные хромосомные нити (и оригиналы, и их копии) начинают сворачиваться в тугие спирали. А те скручиваются в спирали второго порядка. Смысл этого скручивания вполне понятен. До сих пор хромосомы лежали спутанным клубком, и растянуть их по разным полюсам клетки, наверное, было бы нелегко. Теперь же каждая хромосома — спираль, скрученная спиралью, — очень компактный и удобный для транспортирования «багаж».
Итак, перед делением хромосомы сами себя упаковывают в компактные «вьюки». К этому моменту, который в клеточном делении именуется профазой, уже известные нам центриоли, или центросомы, расходятся к противоположным полюсам клетки. Нити так называемого митотического аппарата, или веретена, соединяют между собой эти полюса и каждую хромосому с одним из полюсов.
Затем хромосомы выстраиваются парами (оригинал бок о бок со своей копией) вдоль экватора клетки, как танцоры на балу. Эту стадию деления называют метафазой.
Потом каждая из парных хромосом устремляется к своему полюсу. Партнеры расстаются навсегда, потому что скоро перегородка разделит по экватору старую клетку на две новые. Впечатление такое, будто центриоли тянут к себе хромосомы за ниточки, как марионеток.
И действительно, хромосомы имеют вид, какой бывает у всякого гибкого тела, когда его за ниточку протягивают через жидкость. Место, за которое ее тянут, у каждой хромосомы всегда одно и то же. Его называют кинетохором или центромерой. От того, где у хромосомы кинетохор, часто зависит и ее форма. Если кинетохор посередине, то хромосома, когда во время митоза ее тащат за нитку, перегибается пополам и становится похожа на римскую цифру «пять» (V). Если кинетохор у самого конца хромосомы, то она изгибается на манер латинской буквы «йот» (J).
Одно время думали, что нити митотического аппарата — своего рода рельсы, по которым хромосомы катятся к полюсам. Потом решили, что они скорее похожи на тонкие резинки, миниатюрные мускулы, которые, сокращаясь, подтягивают к полюсам свой хромосомный груз. Но тогда, сокращаясь, нити становились бы толще. И «худели» бы, удлиняясь. Однако этого не происходит. Укорачиваясь и удлиняясь, они не становятся ни толще, ни тоньше.
По-видимому, механика клеточного веретена иная. Возможно, думают некоторые ученые, нити укорачиваются оттого, что часть составляющих их молекул выходит из игры, то есть из нитей. А добавление молекул в одном линейном направлении приводит к удлинению нитей.
Тем или иным способом хромосомы со скоростью около одного микрона в минуту перетягиваются из центра клетки к ее полюсам. С этого момента митоз переходит в стадию, называемую анафазой.
За анафазой следует телофаза. Спирали хромосом раскручиваются. Снова «ламповые щетки» входят в игру. В клетке теперь два ядра-близнеца. Кольцевая перетяжка скоро разделит ее пополам. Каждой половине достанется свое ядро.
Заканчивается клеточное деление удвоением центриолей. Их было четыре — по две на каждом полюсе. Клетка разделилась, и в каждой новорожденной ее половине оказалось лишь по две центриоли.
На экране электронного микроскопа центриоли похожи на полые цилиндрики, сложенные из трубочек. Центриоли всегда лежат под прямым углом друг к другу. Поэтому одну из них мы видим в поперечном, а другую — в продольном разрезе.
В телофазе от каждой из центриолей отпочковывается маленькая центриолька — плотное цилиндрическое тельце. Оно быстро растет, и вот уже в клетке снова четыре центриоли.
Путем митоза из одной получаются две клетки, совершенно идентичные по наследственности, скрытой в их хромосомах (если ни одна из них не подверглась мутации).
Теперь, прежде чем рассказать о втором типе клеточного деления — о мейозе, мы должны ввести несколько новых терминов.
Поделиться книгой: