ЗНАКОМЬТЕСЬ: САМАЯ ГЛАВНАЯ МОЛЕКУЛА
План того, каким получится каждый из нас, готов в тот момент, когда половые клетки наших родителей, мамы и папы, сливаются в одно целое, называемое зиготой или оплодотворённой яйцеклеткой. План заключён в ядре этой одной-единственной клетки, в её молекуле ДНК, и в нём значится очень многое: то, каким будет цвет наших глаз и волос, насколько высоким будет рост, какой формы нос, насколько тонким музыкальный слух и ещё много чего. Конечно, наше будущее зависит не только от ДНК, но и от превратностей судьбы. Но в очень большой степени оно определяется качествами, заложенными от рождения нашими генами.
Каждая клетка несёт в себе информацию о строении всего организма. Это как если бы в каждом кирпичике здания хранился миниатюрный план всего сооружения. Вот бы архитекторы с давних времен так поступали! Тогда реставраторам не пришлось бы ломать себе голову, скажем, над тем, как выглядел когда-то Пергамский алтарь, даже если бы от него сохранился один-единственный камень...
То, что одна клетка целого организма на самом деле знает, как устроен весь организм, впервые обнаружил и продемонстрировал британский биолог Дж. Гердон. Он брал ядро клетки из кишечника взрослой лягушки и, используя тончайшую микрохирургическую технику, пересаживал его в лягушачью икринку, из которой было удалено её собственное ядро. Из гибридной икринки вырастали нормальный головастик или даже лягушка — абсолютно идентичная той, чьё клеточное ядро было взято. Природа сама иногда создаёт таких двойников. Это получается, когда после первого деления зиготы дочерние клетки не остаются вместе, а расходятся и из каждой получается свой организм. Так рождаются однояйцевые, или идентичные, близнецы. У близнецов совершенно одинаковые молекулы ДНК, поэтому близнецы так похожи...
ОНА ПОХОЖА НА... ШТОПОР
Как же устроена молекула ДНК, эта королева живой клетки? Она похожа на верёвочную лестницу, и эта лестница завита в правую спираль. Она напоминает штопор, но штопор двойной. Каждая из нитей ДНК образует правую винтовую линию, точь-в-точь как на штопоре (рис. 1 а, б).
ДНК состоит из чередующихся молекулярных звеньев. Её длина зависит от того, какому организму она принадлежит. ДНК простейших вирусов содержит всего несколько тысяч звеньев, бактерий — несколько миллионов, а высших организмов — миллиарды. Если выстроить в линию все молекулы ДНК, заключённые лишь в одной клетке человека, то получится нить длиной около 2 м и длина этой нити окажется в миллиард раз больше её толщины.
ОНА ПОХОЖА НА ОКОННОЕ СТЕКЛО
Физики занялись изучением ДНК потому, что понимали важность проверки всех деталей её структуры. Они открыли, что ДНК похожа на твёрдое тело, а звенья уложены в ней, как в кристалле.
Одномерный кристалл ДНК (он похож на нитку) страшно заинтриговал учёных. Не полупроводник ли он? А может быть, сверхпроводник, да ещё при комнатной температуре? ДНК была подвергнута очередному обследованию. Нет, она не полупроводник и уж подавно не сверхпроводник. Она оказалась обыкновенным изолятором, вроде оконного стекла. Да она и прозрачна, как стекло. Водный раствор ДНК (а в воде она растворяется очень хорошо) просто прозрачная жидкость. Этим сходство со стеклом не заканчивается. Обычное стекло, в том числе и оконное, прозрачно для видимого света и очень сильно поглощает ультрафиолетовые лучи. ДНК тоже поглощает ультрафиолет. Но, в отличие от стекла, которому такие лучи не вредны, ДНК к ним очень чувствительна. Ультрафиолетовые лучи настолько губительны для молекулы ДНК, что клетка в ходе эволюции научилась самостоятельно сопротивляться их воздействию и оберегать от повреждений заключённую в ней информацию.
ОНА ПЛАВИТСЯ, НО НЕ ТАК, КАК ЛЁД
Во что может превратиться одномерный кристалл ДНК при плавлении? Чтобы разобраться в этом, вспомним, почему плавится лёд.
Лёд представляет собой кристалл, построенный из молекул воды. В нём царит строгий порядок, при котором молекулы воды связаны друг с другом максимально возможным числом межмолекулярных связей. Некоторые из этих связей рвутся, другие деформируются при переходе в жидкое состояние. Что же заставляет воду быть жидкой при температуре выше 0°С? Потеряв часть из связей, ослабив другие, молекулы воды приобретают возможность гораздо свободнее двигаться (перемещаться и вращаться). При ещё большем нагревании молекулы воды ради полной свободы жертвуют последними связями друг с другом — происходит переход из жидкого в газообразное состояние.
Всё это в полной мере относится и к ДНК — с ростом температуры сущест-вование двойной спирали становится невыгодным. Межмолекулярные связи, удерживающие две цепи друг около друга, рвутся, и из одной двухнитевой молекулы образуются две однонитевые цепи (рис. 2). При этом каждая цепь чувствует себя гораздо свободнее, может приобретать намного больше различных конфигураций в пространстве.
Несмотря на аналогию, плавление ДНК принципиально отличается от плавления льда. Отличие состоит в том, что плавление ДНК происходит в широком интервале температур (он равен нескольким градусам), а плавление льда — строго в одной точке шкалы температур. Это так называемый фазовый переход. При таком переходе скачкообразно изменяется фазовое состояние вещества — из твёрдого оно становится жидким, из жидкого — газообразным.
Мы каждый день сталкиваемся с фазовым переходом, когда кипятим чайник. В процессе кипения система «вода — пар» находится в точке фазового перехода — температура воды в чайнике ни на йоту не превысит 100°С, пока вся она не выкипит. То же самое будет происходить при нагревании льда или снега. Температура растёт до 0°С, потом рост прекращается, пока весь лёд полностью не растает, а затем температура вновь пойдёт вверх.
При нагревании ДНК температура растёт непрерывно, с её повышением всё новые участки молекул переходят из спирального состояния в расплавленное, когда две её нити разведены.
Как же разводятся нити? Что играет роль утюга, способного расплавить участок ДНК? Расплетают и расправляют их специальные ферменты. Фермент прочно связывается с ДНК и начинает двигаться вдоль неё, расплетая на своём пути всё новые участки. На этих участках начинается синтез молекулы РНК. Участки гена, с которых фермент «съехал», вновь «захлопываются» в двойную спираль, а образовавшаяся молекула РНК поступает в раствор. К ней подплывает внутриклеточная структура — рибосома и по генетической информации, записанной в РНК, на рибосоме запускается синтез белка. Схематически это показано на рис. 3.
ОНА ПОХОЖА НА ПУТЬ ЧЕЛОВЕКА, ЗАБЛУДИВШЕГОСЯ В ЛЕСУ
Почему человек, старающийся идти в лесу только вперёд, может заблудиться в пасмурную погоду, когда нельзя ориентироваться по солнцу? Почему он вновь и вновь будет возвращаться на место, где уже побывал? Существуют разные поверья на этот счёт. Одни говорят, что человек ходит по кругу потому, что у него одна нога чуть короче другой. Другие видят причину в том, что шаги у нас разные — один длиннее, другой короче. На самом деле причина в ином. Человек старается идти прямо, но, не имея перед собой удалённых ориентиров, постоянно сбивается с прямой линии. Эта потеря памяти о первоначальном направлении происходит тем быстрее, чем гуще и однообразнее лес. Путь человека при этом носит случайный характер и вовсе не выглядит движением по кругу.
Блуждают не только люди. Блуждают и молекулы — они стараются двигаться прямо, но из-за столкновений друг с другом их путь искривляется. Так возникает знаменитое броуновское движение...
Но какое отношение имеет всё это к ДНК? Поверьте, самое непосредственное. Подобно пути человека в лесу и движению частицы в среде, молекула ДНК стремится вытянуться в одну прямую линию... Но тепловое движение портит всё дело. Молекулу ДНК бомбардируют окружающие молекулы воды, и она начинает извиваться, подобно червяку, сворачивается в полимерный клубок, постоянно меняющий форму.
Тот факт, что двойная спираль способна изгибаться, имеет немалое биологическое значение. Дело в том, что если бы молекула ДНК была очень жёсткой, вроде спицы для вязания, то она никак не могла бы уместиться внутри клетки, не говоря уже о клеточном ядре. Мы уже знаем, что длина ДНК в клетке человека составляет около 2 м. Если позволить ей свернуться в клубок, его диаметр будет около 0,5 мм — это в тысячу раз больше диаметра ядра. Как же она всё-таки там умещается?
Дело в том, что в клетках высших организмов предусмотрен специальный механизм насильственного изгибания двойной спирали. Молекула навивается, как нитка на катушку, на особый комплекс ядерных белков (гистонов). На каждой «катушке» молекула делает около двух оборотов, затем переходит на следующую «катушку» и так далее. «Катушка» с намотанной на неё ДНК называется нуклеосомой, так что ДНК в ядре высших организмов — это ожерелье из нуклеосом. Конечно, и это ожерелье не вытянуто в одну линию, а очень сложным образом компактно уложено в особые тельца, называемые хромосомами. Именно таким хитрым способом клетка умудряется проделать трюк, который по плечу лишь искусному магу, — вместить полимерный клубок в ядро, диаметр которого меньше микрометра.
Открытие структуры ДНК сыграло в развитии биологии такую же роль, как открытие атомного ядра в физике. Выяснение строения атома привело к рождению новой, квантовой физики, а открытие строения ДНК — к рождению новой, молекулярной биологии. Но на этом параллель не заканчивается. Теоретические, фундаментальные исследования атома позволили человеку овладеть практически неисчерпаемым источником энергии и радикально изменили нашу повседневную жизнь благодаря компьютеру, Интернету, мобильному телефону. Развитие молекулярной биологии открыло возможность неслыханным образом вмешиваться в свойства живой клетки, направленно изменять наследственность. И это уже начинает воздействовать на жизнь людей не менее радикально, чем овладение энергией атомного ядра. Наступил век ДНК.
Словарик
Ген — основное понятие классической генетики. Этим термином называют участок ДНК, на котором в виде последовательности нуклеотидов записана информация об аминокислотной последовательности одного белка. Но в одних случаях имеется в виду непрерывный участок, лишь часть которого отвечает белковой цепи, а в других — совокупность участков, отвечающих целой белковой молекуле. А может быть и так, что один и тот же участок ДНК принадлежит сразу двум и даже трём генам.
Генетика — наука о наследственности.
Геном — вся генетическая информация организма.
Гистоны — белки, входящие в состав хромосом. Образуют белковую сердцевину нуклеосом.
ДНК — дезоксирибонукле-иновая кислота. Молекула, в которой содержится генетическая информация. Состоит из двух полинуклеотидных цепей, образующих двойную спираль.
Зигота — оплодотворённая яйцеклетка, из которой вырастает целый организм.
Нуклеосома — основной структурный элемент хромосомы. Представляет собой белковую (гистоновую) сердцевину, на которую намотана ДНК.
Нуклеотид — мономерное звено ДНК и РНК.
Половые клетки — клетки, служащие для продолжения рода (сперматозоиды и яйцеклетки).
Рибосома — сложный комплекс РНК и белков, осуществляющий в клетке процесс синтеза белка.
РНК — рибонуклеиновая кислота. Биологический полимер, очень близкий к ДНК по своему химическому строению. Способен образовывать двойную спираль, но в природе, как правило, существует в виде одиночной цепи.
Спираль — так часто называют винтовую линию, форму которой имеет молекула ДНК.
Ультрафиолетовые лучи — не видимое глазом излучение электромагнитной природы с длиной волны меньше 400 нм.
Фермент — молекула белка, катализирующая одну из химических реакций в клетке. Будучи биологическими катализаторами, ферменты сами не изменяются в ходе реакции, но их присутствие очень сильно ускоряет протекание реакции.
Хромосома — находящийся в клеточном ядре сложно организованный комплекс ДНК с белками, в котором хранится генетическая информация.
