уже в момент зарождения жизни на Земле на основе перестройки кристаллов

природного минерала апатита сразу возник комплекс ДНК и простого белка.

Кристаллы апатита изначально имели многочисленные искажения кристаллической

решетки («мутации»), что и послужило первичным источником разнообразия генов

и, соответственно, белков. В последствии искажения нарастали, возрастало

разнообразие структур и функциональных свойств белков. Таким образом, ДНК-

белковое соответствие является изначальным свойством жизни.

СЕГМЕНТ 23. РЕПЛИКАЦИЯ ДНК И РАЗМНОЖЕНИЕ КЛЕТОК

Процесс биосинтеза белка - транскрипция и трансляция - это по сути

реализация имеющейся в клетках генетической информации, направленная на рост

клеток и межклеточных структур, в итоге - на построение тела организма. Но,

механизм воспроизведения генетической информации. Копирование

цикле деления клетки (рис. 14).

Рис. 14

Репликация (от латинского replicatio - повторение) означает процесс

матричного синтеза молекулы ДНК, ведущий к ее самовоспроизведению (удвоению)

. Материнская молекула ДНК раскручивается и с помощью фермента ДНК-полимеразы

достраивается по обнаженным цепям свободными нуклеотидами. Как и при синтезе

РНК, подбор парных нуклеотидов идет по принципу комплементарности:

аденин - тимин, гуанин - цитозин. В результате происходит образование двух

молекул ДНК, которые идентичны друг другу и, в то же время, повторяют

материнскую молекулу. При этом каждая вновь образованная молекула содержит одну

старую и одну новую цепочки нуклеотидов (полуконсервативный механизм).

Когда в 1953 г. Уотсон и Крик показали возможность копирования ДНК по

принципу комплементарности, научная общественность была в шоке - настолько

неожиданно прост и надежен оказался механизм наследственности! Не столько

сама структура ДНК, сколько вытекающий из нее механизм самокопирования

представлял наибольший интерес в их открытии. В 1962 г. Джеймс Уотсон и

Френсис Крик вместе с Морисом Уилкинсом (именно его рентгенограммы ДНК

использовались для обоснования биспиральной модели) были удостоены

Нобелевской премии.

Ядерная ДНК находится в составе хромосом (от греческих chroma -

цвет, окраска и soma - тельце). Эти структуры хорошо окрашиваются специальными

красителями и отчетливо видны во время деления клетки.

Каждая хромосома представляет одну гигантскую (до нескольких сантиметров

длиной!), плотно свернутую молекулу ДНК, подразделенную на информационные

участки - гены. Обычно полный комплект генов распределен в несколько

хромосом разной величины, число которых строго специфично для каждого вида

животных или растений (хромосомный набор, или кариотип вида). У человека в

разных хромосомах содержится от сотен до нескольких тысяч генов, а всего в

хромосомном наборе человека имеется порядка 60 тысяч разных генов

(соответственно, столько же видов белков функционируют в нашем организме).

Начиная от зиготы, во всех поколениях клеток имеется один и тот же набор

хромосом, причем этот набор двойной, или диплоидный. Диплоидность

возникает в момент оплодотворения - один хромосомный набор дает яйцеклетка, а

второй - сперматозоид. Так, у человека в каждой соматической клетке содержится

23 хромосомы от матери и 23 такие же (за исключением одной - половой хромосомы)

от отца; всего диплоидный набор человека составляет 46 хромосом, или 23 пары

хромосом. Таким образом, каждый признак, то есть каждый белок, закодирован в

клетке не одним, а двумя генами, от двух гомологичных (одноименных) хромосом. О

преимуществах такого дублирования генов мы еще поговорим при рассмотрении

полового размножения.

В цикле деления клетки в результате репликации ДНК в каждой хромосоме становится

по 2 молекулы ДНК, а сами хромосомы приобретают вид Х-образных телец, так как

состоят из 2 равных половинок - хроматид. Таким образом, число одинаковых генов

в клетке временно становится равным четырем. Далее проходит митоз

- так называется процесс разделение хромосом на отдельные хроматиды (теперь они

становятся самостоятельными хромосомами) и, далее, деление самой клетки надвое

(см. рис. 14). В результате митоза в дочерних клетках воспроизводится

исходный диплоидный набор хромосом, поэтому каждая дочерняя клетка обладает

той же информацией о белках, что и материнская клетка.

Деление клеток приводит к увеличению их числа. В крупных организмах

насчитываются миллионы, миллиарды и триллионы клеток. На этой основе возможна

дифференциация клеток - появление структурно-функциональных различий

между ними. В дифференцированных клетках синтезируются разные РНК и белки,

строятся разные рабочие структуры, в итоге клетки имеют разный вид и выполняют

разные функции. У человека в различных органах и тканях насчитывают более 200

типов клеток: разнообразные нервные, мышечные, эпителиальные, кровяные, опорные

и другие клетки.

Таким образом, индивидуальное развитие отдельной клетки или

целого организма слагается из 2 процессов: размножения и роста.

Соответственно этому на молекулярном уровне процесс развитие включает 2

генотипа, то есть сомы (тела) и программы ее развития (ДНК),

передающейся по наследству (соматическая и наследственная плазма Вейсмана).

Теперь схему центральной догмы молекулярной биологии можно

дополнить механизмом репликации ДНК, после чего она будет иллюстрировать всю

молекулярно-биологическую сущность индивидуального развития (рис. 15).

Рис. 15

Внимательный читатель заметит, что рассмотренная схема индивидуального развития

отражает только его генетическую (внутреннюю) сущность. Но еще в начале мы

сказали (устами самого памятливого школьника), что внешний облик организма -

его фенотип - зависит не только от генотипа, но и от условий среды

. При этом «условия среды» понимаются в широком смысле: это все, что так или

иначе влияет на работу генов. Запомним это важное положение и вернемся к нему

при рассмотрении механизмов эмбрионального развития, а пока продолжим разговор

о размножении, но от клеток перейдем к целым организмам.

СЕГМЕНТ 24. ФОРМЫ РАЗМНОЖЕНИЯ ОРГАНИЗМОВ. КЛОНИРОВАНИЕ

Размножение организмов является их важнейшим свойством и служит

безграничному продолжению жизни в новых поколениях, при том, что отдельные

особи смертны. Существует два способа размножения организмов - бесполое и

половое.

Бесполое размножение наиболее распространено у растений. Это

известно любому дачнику. В практике широко используется размножение черенками

(смородина), усами (земляника), клубнями (картофель) и другими частями тела.

Поскольку новые растения вырастают из вегетативных (не половых) органов, этот

механизм называют также вегетативным размножением. Реже встречается

бесполое размножение у животных, причем с повышением уровня организации эта

способность снижается, а у высших животных и человека она совсем утрачивается.

Легко почкуются гидры и медузы. Плоские черви планарии восстанавливаются из

оторванных частей тела. Морские звезды вырастают со всеми органами из отдельных

оторванных лучей. Но если разрезать пополам насекомое, например, жука или муху,

или позвоночное животное - рыбу, лягушку, не говоря уже о птицах и

млекопитающих, то из этого ничего хорошего не выйдет.

Общим принципом бесполого размножения является участие одного «родителя»

. Важно и то, что дочерние особи образуются из обычных соматических (не

половых) клеток, которые делятся митозом, как это описано выше. Это

означает, что все поколения имеют в клетках один и тот же набор хромосом,

один и тот же генотип - от одного родителя. Поэтому земляника, разводимая

усами, или картофель при посадке клубнями будут сохранять из поколения в

поколение одни и те же сортовые качества. С годами они заражаются вирусами,

приобретают случайные нежелательные мутации и стареют, как стареет отдельный

организм. Время от времени посадочный материал приходится менять на молодой,

полученный при половом размножении. Но об этом чуть позже.

Одной из форм бесполого размножения является клонирование растений и

животных. Теория и практика клонирования уже давно не новые, хотя

заговорили об этом в последние годы, когда в 1997 году в Шотландии удалось

вывести знаменитую овечку Долли. Но практичные японцы без шума в прессе

выращивают клонированных коров уже с начала 90-х годов. Что же такое

клонирование?

Клон - это совокупность генетически однородных особей, полученных путем

хромосомного комбинирования. Клонированные организмы генетически идентичны,

как однояйцовые братья или сестры. Этим клон отличается от потомков, полученных

половым путем, у которых имеются хромосомы двух родителей. По сути потомство

одного растения или животного, полученное обычным черенкованием или

почкованием, это тоже клон. Но в последнее время клонирование особей ведут из

отдельных клеток. Это повышает генетическую чистоту клона и имеет ряд других

преимуществ. Схемы клонирования растений и животных приведены на рис. 16а и 16б

Рис. 16а

У растения берут какую-нибудь ткань, например, кусочек корнеплода моркови,

помещают в колбу или пробирку с плотной питательной средой, добавляют гормоны

роста. Через некоторое время клетки теряют признаки прежней дифференцировки и

приступают к размножению. В это время клетки можно рассадить по одной штуке в

множество колб или пробирок, и процесс пойдет с прежним темпом в каждой из

них. Образуется клеточная масса (каллус), в которой далее идет дифференциация

по разным тканям, формируются органы: корень, стебель, листья и в конце

концов цветки. Растение в пробирке готово. Ценность метода клонирования

растений заключается в том, что таким образом удается вырастить стерильный,

не пораженный вирусами или бактериями, посадочный материал. Если это к тому

же элитный сорт, урожай после пересаживания в открытый грунт будет

превосходный. Естественно, делается это в специальных лабораториях,

стерильно, с применением особых и дорогих сред и стимуляторов роста, поэтому

широкого применения в практике клонирование растений пока не получило.

Рис. 16б

Клонирование животных в хозяйственных масштабах также делает первые шаги.

Главный резон этой технологии - рациональное использование генотипов элитных,

особо ценных и редких производителей. Для клонирования берут соматические

клетки эмбриона или даже взрослого животного. Так для выращивания овечки

Долли взяли клетки молочной железы взрослой овцы. Клетки размножают в

культуре, получается «посадочный» материал из генетически однородных клеток,

которые представляют клеточный клон. Каждая клетка содержит ядро, а в ядре

диплоидный (элитный!) набор хромосом. Теперь выращенные элитные ядра можно

пересаживать в яйцеклетки других особей того же вида, предварительно удалив

из них собственные ядра. Яйцеклетка с встроенным полноценным (то есть

диплоидным) ядром представляет аналог зиготы, образуемой при обычном

оплодотворении. Далее такую комбинированную зиготу имплантируют(пересаживают,

вживляют) в матку взрослой самки для эмбрионального развития. Это может быть

та же особь, от которой брали соматические клетки с ядрами, или особь, давшая

яйцеклетку, или вообще другая самка. Так, злополучная Долли, зачатая без

участия отца, имеет трех матерей, поскольку ядро и яйцеклетка были получены

от двух разных овец-доноров, а реципиентом, принявшим зиготу для дальнейшего

развития, была третья овца. В 1999 году было сообщено о клонировании обезьяны

от разделенного на отдельные клетки 4-клеточного зародыша (после того, как

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23