Генетика

Генетика

Генетика

Плавно, без вступительных речей и сразу же отправимся на экскурсию в ядро клетки, где в тишине и покое, вдали от внутриклеточной суеты хранится подробная информация на каждого жителя клетки. Хранится эта информация в весьма своеобразном виде.

Наверняка все имеют некоторое представление о том, как работают современные компьютеры и знают, что данные в цифровой технике представлены в виде комбинации двух знаков 0 и 1, т.н. двоичный код. Достаточно всего лишь два символа (бита) для того, чтобы зашифровать любую информацию. Длинное полотнище, исписанное чередующимися, казалось бы совершенно беспорядочным образом 0 и 1, может быть зашифрованной поэмой «Евгений Онегин», музыкой Бетховена или копией картины Рафаэля. Аналогичным образом и природа кодирует информацию о химическом составе всех клеточных компонентов. Правда, использует она не двоичный, а четверичный код. В качестве бита информации используется штуковина под названием нуклеотид.

Нуклеотид — это самое обычное химическое соединение, не то чтобы совсем уж простое, но и не слишком сложно — азотистое основание плюс углевод и остаток фосфорной кислоты.

Нуклеотид

Нуклеотид

Я нарисовала их в виде бусинок и, действительно, физически нуклеотиды представляют собой микроскопические кристаллы-бусинки. Отличаются нуклеотиды азотистыми основаниями и по названию этих оснований все 4 вида нуклеотидов и получили имена: аденин (А),гуанин (G), тимин (Т) и цитозин (C). Нуклеотиды могут соединяться друг с другом при помощи самых обычных химических связей. Лучше всего представить себе это как будто бусинки имеют по бокам магнитные липучки, благодаря которым притягиваются друг к другу и соединяются в длинную цепочку.

И вот, некогда (не будем уточнять когда, кем или чем) было задумано, как самые обычные атомы, самых обычных химических элементов, сложить в удивительнейшие и сложнейшие соединения — белки. Задумать то задумали, а как это реализовать? Дело в том, что случайным образом атомы могут складываться только в простые соединения типа H2O, H2SO4, NaCl и пр., что вы помните из школьного курса неорганической химии.

Если и не помните конкретные формулы, то уж точно не забыли, что это были достаточно простые соединения всего лишь из нескольких атомов. Белки же состоят из сотен и даже тысяч аминокислот, а каждая аминокислота в свою очередь является соединением из 10-30 атомов, притом, это не линейное соединение – атомы по отношению друг к другу располагаются под разными углами, образуя сложную объемную фигуру, можно даже сказать — скульптуру. Возможно ли, чтобы такое сложнейшее соединение получилось совершенно случайным образом? Давайте проведем следующий эксперимент: возьмем коробок и произвольным движением бросим в него горсть бусин. Бусины раскатятся по дну, образовав оригинальный хаотичный узор.

В этом узоре можно будет выделить простые упорядоченные структуры, например: три бусины могут образовать равносторонний треугольник, 3-5 бусин могут выстроиться на равном расстоянии в прямую линию, может образоваться дуга и даже почти идеальная окружность, может получиться фигура, напоминающая какую-то букву.

А вот могут ли все бусины выстроиться в правильный геометрический узор? В одну прямую линию или две параллельные прямые? Можно ли случайным броском написать слово из нескольких букв? Какой-нибудь математик, наверное, вам скажет, что теоретически такая возможность существует с вероятностью один к десяти в страшно сказать какой степени. Но мы то прекрасно понимаем, что это лишь теоретическая вероятность, а на практике — хоть миллиарды лет непрерывно бросай эти бусины, ничего подобного не получишь. Точно так же невозможно, чтобы аминокислоты внутри клетки сами по себе случайно сложились в белок. Чтобы составить из ледышек слово «Вечность», нужен мальчик Кай, притом у мальчика должны быть руки, которыми он произведет ряд целенаправленных механических движений и мальчик должен быть умным и грамотным. У него прежде должна возникнуть идея — составить слово, подкрепленная знанием, как это слово пишется. Так вот белок – это даже не слово, это целая поэма! Это осмысленное соединение аминокислот.

Структура белка такова, какой и должна быть для того, чтобы данный белок мог выполнять возложенную на него биологическую функцию. Поменяй местами пару соседних аминокислот и вместо важного мембранного или транспортного белка получишь груду бесполезного органического мусора. Так вот клетка и является мальчиком Каем, ее руки – РНК и рибосомы, а идея и план строения белка хранится в архиве – ядре клетки и как мы уже выяснили, хранится в зашифрованном виде.

Жаль, неизвестно, кто был тем первым программистом, который взял россыпь нуклеотидов и стал присоединять их один за другим в длинную цепочку: ATGTACCAAGGACТA… и так далее.

Как и компьютерная программа из ноликов и единичек, для постороннего наблюдателя это чередование нуклеотидов выглядит случайным и бессмысленным, но для тех, кто владеет шифром, тут подробно выписана химическая формула определенного белка. И как современные программисты пишут свои программы не методом произвольной комбинации битов, а вдруг случайно что-то получится, так и тот неведомый программист не мог тратить время на игры в рулетку. Потому как даже простенький белок всего лишь из 100 аминокислот может быть построен20100 способами.

Для сравнения – количество элементарных частиц в нашей Вселенной 1080.

Представьте, сколько времени было бы потрачено, чтобы случайным образом найти формулу хотя бы одного белка, вряд ли бы хватило всего времени существования Вселенной. Нет, конечно же, соображали, что, зачем и почему следовало соединить.

Первая троица (триплет) ATG означает, что следует взять аминокислоту Метионин; следом идет TAC и это значит, что к Метионину следует присоединить Тирозин; триплет CAA указывает, что к предыдущей паре нужно присоединить Глутамин; далее GGA — Глицин; затем CТA –Лейцин… Нужно всего лишь три нуклеотида, чтобы зашифровать название одной из 20 аминокислот, из которых и строятся все белки в организме.

После того, как была полностью написана программа для создания одного белка, безо всяких перерывов, к образовавшейся нити присоединяются нуклеотиды, описывающие строение следующего белка. И так постепенно происходит опись всего движимого и недвижимого имущества клетки и полная информация у нас оказывается представленной в виде нескольких таких цепочек нуклеотидов. Вы уже догадались, что эта цепочка и есть та самая ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), а тот кусочек, в котором зашифрована формула одного белка, и есть ген.

И теперь вместо известного определения, что ген – это участок ДНК и т.д. мы можем сформулировать более понятное определение:

Ген – это последовательность нуклеотидов, в которой зашифрована информация о строении одного или нескольких белков живой клетки.

Что значит «нескольких белков» будет объяснено позже.

Итак, информационная цепочка у нас есть, но давайте посмотрим внимательно на эту одинарную нить – выглядит она очень хлипко и жалко, как-то страшно хранить такую важную информацию в столь ненадежном виде. Вот влетит в клетку какая-то бешенная радиоактивная частица и оторвет нуклеотиду азотистое основание, так что станет непонятно кто это А или Т, а то и вовсе выбьет его из цепи.

Ну, цепочка то, предположим, может починиться, концы в месте разрыва сразу же воссоединятся (хотя тоже не факт), но информация то на пострадавшем участке уже безнадежно испорчена! Если учесть, что космическое излучение постоянно и непрерывно буквально пронизывает нашу планету, да еще добавить повреждения ДНК из-за флуктуации тепловой энергии в клетке, из-за вредного влияния химических веществ и др., то в сумме получатся десятки тысяч повреждений генома клетки в течение одного лишь часа. Живые существа просто не смогли бы выжить, если бы не противостояли этой варварской лавине тератогенных факторов, пытающихся смести, смешать, уничтожить заботливо созданную генетическую программу.

Для начала упрочили одинарную цепь. Это оказалось не так уж сложно. Нуклеотиды состоят из 3-х частей и, связываясь в последовательную цепочку, задействуют только две свободные химические связи — углевода и фосфатной группы, но остаются еще азотистые основания, которые тоже могут соединяться с азотистыми основаниями другого нуклеотида по принципу комплементарности: А только с Т, а G только с С.

ДНК

ДНК

Таким образом, ДНК приобретает форму веревочной лестницы, так как эта лестница закручивается в спираль, то отсюда и появилось — «двойная спираль ДНК», которое вы наверняка не раз слышали. Плюс к этому в клетке были созданы специальные ремонтные бригады. Теперь если произойдет повреждение цепочки ДНК, то скорая помощь тут же прибудет к месту аварии, эти ребята посмотрят и скажут: «Ага, раз в параллельной цепи у нас нуклеотид Т, то в этом месте должен быть нуклеотид А», — и тут же его восстановят.

Цепь не сможет ни соединиться в этом месте, ни разойтись на две отдельные части, т.к. она жестко удерживается при помощи параллельной цепи.

Нельзя сказать, что такое колоссальное количество поломок генома (напомню — это десятки тысяч в час, большинство из которых, как правило, несовместимы с жизнеспособностью клетки) клетке удается нейтрализовать легко и без проблем, но пока организм здоров и молод, и собаки, да и мы с вами, ухитряемся выживать в такой недружелюбной обстановке. При этом даже не догадываемся о том, какие сражения идут ежесекундно за нашу жизнь на атомарно — молекулярном уровне.

Конечно, прочность двойной цепи не настолько велика, чтобы вообще нельзя было изменить в ней порядок нуклеотидов, иначе кроме первых прокариотов на Земле не появилось бы никаких новых организмов. Прочность химических связей в двойной цепочке ДНК так удачно и гармонично коррелирует с частотой различных типов повреждений, что, с одной стороны, обеспечивает некоторую стабильность в хранении информации, но при этом дает возможность иногда менять ее, благодаря чему живые организмы эволюционируют и развиваются.

С тем как информация хранится и зашифровывается разобрались, и теперь посмотрим, как же можно практически пользоваться этим архивом. Предположим, клетка решила создать какой-то белок. Для этого некая молекула под названием информационная или матричная РНК (мРНК) считывает информацию с соответствующего гена, и с этой информацией, как с рабочими чертежами подмышкой, направляется прямо в мастерские – эндоплазматический комплекс. А уже там рибосомы, согласно предоставленным чертежам, начинают соединять аминокислоты в последовательную цепь, которая является… нет, не белком, а всего лишь заготовкой для белка. А дальше происходит маленькое чудо — длинная цепочка аминокислот начинает сворачиваться, приобретая пространственную форму. Выглядит это приблизительно как в фильме о роботах -трансформерах, когда из бесформенной груды вдруг сама собой образуется некая функциональная машина. И вот оказывается, что судить о функциях белка в организме можно лишь после того, как он свернется и примет необходимую форму. Информации, почерпнутой при расшифровке генома, об очередности аминокислот в протеине вовсе недостаточно, поскольку существуют миллионы потенциально возможных пространственных комбинаций, которые может принять этот белок.

Однако, все белки, транслируемые с одного гена и имеющие идентичную аминокислотную последовательность, из множества вариантов выбирают одну-единственную заранее известную форму, и это будет форма с минимальной энергией структуры. Хотя, в редких случаях, бывает, что из одинаковых заготовок создаются разные конформации белков, различающиеся не только формой, но даже выполняющие разные функции, но при этом соблюдается главное правило для устойчивости белка — альтернативная его конформация должна иметь примерно то же по энергии состояние.

Из этого мы сделаем первый важный вывод:

Вывод : Ген содержит не полную информацию о белке.

Белок имеет определенную степень свободы, и сам решает какой вид и какую функцию он приобретет. Выражение «сам решает» не стоит воспринимать буквально, это значит, что причины, управляющие этим процессом, пока что неизвестны, но ген тут точно ни при чем.

Теперь мы возвращаемся к тому самому моменту, когда клетке был дан сигнал, что можно начинать дублировать органоиды. Все происходит точно так же, как и в случае синтеза белка.

Матричная РНК считывает информацию, рибосомы строят заготовки, белки сворачиваются, соединяются с другими белками, если речь идет о сложном молекулярном комплексе. Так по очереди дублируются все клеточные структуры, пока клетка не увеличится в размерах почти вдвое. Далее клетка переходит к самому важному действу – создание копий самих ДНК, так называемая репликация ДНК.

Специальный фермент хеликаза как ножом вспарывает водородные связи между двумя цепями ДНК, этот процесс можно вообразить себе как расстегивание застежки «молния». При этом к каждой половинке немедленно достраивается комплементарная часть, по уже описанному принципу – к А – Т, к G – C. К тому времени когда «молния» расстегнется до конца, мы получим две абсолютно одинаковые молекулы ДНК. Теперь все удвоенное имущество делится строго пополам, парные органоиды расходятся к разным полюсам, по центру образуется перетяжка и затем полное разделение клетки.В результате получились две абсолютно одинаковые клетки, в которых тут же вновь включается программа размножения и все происходит заново, и так миллионы и миллиарды раз. Если бы вэтот процесс было невозможно никак вмешаться, то вся жизнь на нашей планете была бы представлена несколькими видами одноклеточных, впрочем, к этому моменту они бы все уже вымерли т.к. усвоили весь свободный углерод и больше питаться им было бы нечем. Но на цепочку ДНК постоянно кто-то покушается: то образовавшиеся практически одновременно с первыми одноклеточными вирусы, то та же радиация, то химическое воздействие меняет активность белков в клетке, и они начинают вести себя нестандартно во время репликации, что приводит к ошибкам копирования информации. Какой бы характер ни носили эти ошибки: потеря, вставка, перестановка местами одного нуклеотида или целого участка ДНК, все это называется одним словом — мутация. Меняется последовательность нуклеотидов в цепочке ДНК — меняется программа. Информация о белке либо искажается, либо вовсе не читается. Вариант, когда не читается, означает, что данный белок вообще не сможет синтезироваться.

Давайте предположим, что ген некоего белка повредили. Теперь мРНК снимает неверную информацию, и по этому искаженному шаблону рибосомы начинают строить белок. Понятно, что он получится немножко другого типа. Другой – это может означать и лучше и хуже. А может ли мутация особо не сказаться на функции белка? Да запросто! Если изменения произошли в нерабочих цепях, то это может крайне незначительно повлиять на работу протеина. Некоторые мутации и вовсе не могут ничего изменить в белке. Допустим, что в триплете GGA, обозначающем аминокислоту глицин, последний нуклеотид А поменяется на нуклеотид G, и в результате получится GGG. Мутация налицо, но дело в том, что триплет GGG, а еще триплеты GGC и GGT, точно так же как и GGA кодируют все тот же глицин. Также и для других аминокислот существует несколько кодирующих триплетов, поскольку аминокислот всего лишь 20, а из четырех нуклеотидов можно составить 64 триплета. В шифровании информации природа продемонстрировала недюжинное знание математики. Код, состоящий всего лишь из двух нуклеотидов, дал бы возможность зашифровать только 16 различных аминокислот, чего явно было недостаточно.

Может ли мутация ухудшить работу белка? Легко! Ломать — оно ведь не строить, и если влезть совершенно случайным образом в программу, то, скорее всего, что-то там испортишь. Испортить можно не сильно – белок будет работать, но чуть медленнее или не все функции выполнять.

Можно и очень сильно повредить, и можно, в конце концов, убить. Как скажется на работе клетки негативная мутация? Хочется сразу же сказать, что мутация, убивающая белок самая нежелательная, а несколько ухудшающая вроде как лучше. Но не будем торопиться. Чтобы оценить вред для всей клетки нужно еще четко выяснить важность белка для ее жизнедеятельности. Некоторые белки можно убрать из клетки совсем и ничего страшного с клеткой не случится, возможно, есть иные белки, которые дублируют их работу. А вот в другом белке даже незначительная поломка приведет к гибели клетки, так как он очень уж важен. Те клетки, которые погибают сразу – нас больше не интересуют, это эволюционный тупик, они не оставят своего следа в истории. А вот клетки чуть хуже работающие вполне могут выживать, и теперь мы уже получаем бактерии, хоть и относящиеся все еще к одному и тому же виду, но отличающиеся уже и генетически и физиологически – т.е. у нас наметилось внутривидовое разнообразие.

А могут ли быть положительные моменты от такого случайного вмешательства? Давайте спросим так: может ли снаряд, влетевший в дом принести пользу? В некоторых случаях — да.

Например, если он не взорвется, а, влетев в открытое окно, просто прибьет противного гостя, или если в потолке была дыра, а он точно попадет в эту дыру, запечатает ее и дождь перестанет заливать квартиру. То есть вероятность такая есть, но очень уж она мала и призрачна. Точно так же обстоят дела и со случайными мутациями – очень уж редко они бывают полезными, в результате которых белок приобретает новые положительные свойства. Но все же изредка встречается и такое, и эти мутации играют свою роль в поступательном движении эволюции.Если некоторое улучшение и возможно, то совершенно радикальные превращения, возникновение новых белков невозможно произвести, действуя методом тыка. Если опять провести аналогию со снарядом, то вопрос следует задать так: может ли снаряд, влетевший в дом, сделать там евроремонт? Нет и еще раз нет! Точно так же и эволюция живой материи идет не под влиянием случайных факторов, это совершенно четко направленный и регулируемый процесс.

Только направляется и регулируется процесс не некой высшей силой (может, кто-то именно так воспринял мои неоднократные намеки), это поразительное свойство и живых систем, и материи вообще — самоорганизация, самоусложнение, непрерывное развитие. А каким образом хаос выступает источником возникновения упорядоченности, изучает новая наука — синергетика.

Это, якобы, лирическое отступление, на самом деле является важным информационным

сообщением, задача которого донести до читателя мысль, что образование биологического вида, каковым является и собака, это отнюдь не результат нелепых случайностей, а целенаправленное действо, сложность и мудрость которого мы даже не в состоянии осознать, но относиться к нему нужно с уважением и пиететом.

И теперь я могу сформулировать главное правило для экспертов, кинологов, заводчиков, собачников, которое гласит:

Не нужно считать себя умнее природы!