Каждая из двух полинуклеотидных цепей, закрученных одна вокруг другой в спираль ДНК, является копией другой. Когда они разъединяются в процессе деления клетки, каждая из цепей сохраняет информацию, необходимую для воссоздания полноценной двойной спирали в новой клетке. Как соотносятся между собой ДНК, гены и белки? Геном — это некоторая информация, которая определяет молекулярную структуру белков, из которых построен организм, а также (косвенно) алгоритм развития и общий план строения организма. ДНК же — носитель этой информации. Точно так же, как слова русского языка формируются лишь из 33 букв, каждый из генов состоит всего из четырех молекулярных букв. Специфика конкретного гена определяется их последовательностью.
Геном (который может состоять более чем из миллиона букв) — это полная совокупность генов организма. Каждый ген (обычно состоящий из тысяч букв) в сущности является шифром того или иного белка. Белок — это цепочка из комплексов, называемых аминокислотами. Именно конкретная последовательность аминокислот детерминирует функциональные свойства каждого белка.
Мутации возникают при изменении последовательностей генетических букв и приводят к трансформации аминокислоты или структуры белка. К счастью, природа выстроила достаточно прочную систему предохранительных механизмов: несколько комбинаций букв могут сформировать один и тот же белок, и, соответственно, мутации не всегда приводят к деструктивным изменениям в функциях или структуре белка.
Это важно, потому что белки — основа жизни. Их формы и функции практически безграничны, и известная нам жизнь без них не могла бы существовать. Понимание функциональных особенностей белков позволяет отнести их к той или иной из широких категорий, таких как ферменты, гормоны, антитела и нейротрансмиттеры.
Процесс синтеза белков от начала и до конца контролируется рядом других белков, среди которых наиболее важными являются транскрипционные факторы. Хотя ДНК содержит гены, на самом деле они неактивны, и их экспрессия регулируется именно транскрипционными факторами, которые активируют тот или иной специфический неактивный участок ДНК, в результате чего синтезируется конкретный белок. При этом, вместо того чтобы воздействовать непосредственно на ДНК, клетка обращается к ее копиям под названием РНК. Есть разные типы РНК, и каждый из них выполняет свои функции. Первый из них — матричная (информационная) РНК (мРНК). Она представляет собой точную копию соответствующей последовательности генов ДНК. Молекулы мРНК выходят из ядра в цитоплазму через поры в ядерной оболочке (мембране). Как только молекула мРНК появляется на поверхности цитоплазматической части ядерной мембраны, она находит одну из тысяч рибосом — фабрик по производству белков. Работа рибосом — транслировать зашифрованную в мРНК информацию, синтезируя ту или иную последовательность аминокислот, составляющую конкретный белок.
Надеюсь, вы еще со мной. Я постарался максимально просто изложить материал, блуждая в дебрях которого сотни ученых пытались, пытаются и будут пытаться прояснить подробности вышеприведенного урока биологии. У большинства из вас, уважаемые читатели, формируется (или обновляется) некий фундамент знаний, позволяющий понять значимость митохондрий и их внутреннюю сущность. Что ж, давайте продолжим.
Эволюция эукариотической клетки
Несмотря на то что греческое слово «эукариотический» означает «истинно ядерный», содержимое эукариотических клеток помимо собственно ядра включает и иные составные части, например митохондрии. В свое время они являлись самостоятельными организмами — бактериями, которые вошли в состав других бактерий, но не были ими переварены (как это обычно бывает), а наладили с ними симбиотические (партнерские) взаимоотношения, приносящие пользу обеим сторонам. Неудивительно, что митохондриальный геном имеет много общего с альфа-пробактериями — микроорганизмами, приносящими пользу своему хозяину.
Данные научных исследований говорят о том, что вхождение одних бактерий в состав других произошло около двух миллиардов лет назад. Первоначально оба вида представляли собой полностью независимые организмы и обладали всеми генами, необходимыми для независимой жизни. Однако после симбиотического поглощения они начали бесконечные эксперименты как биохимического, так и генетического плана.
Путь проб и ошибок достиг кульминации в период умопомрачительного развития жизни длиной в 1,2 миллиона лет, но в итоге поглощенная бактерия стала специализироваться на выработке энергии (стала митохондрией), а оставшиеся части новообразованной и все еще примитивной эукариотической клетки приобрели специфические структуры и функции. Приобретение митохондрий, как полагают ученые, стало решающим моментом в истории жизни, как мы ее знаем. Если это так, то именно митохондриям мы обязаны богатством земной биосферы. Если бы не митохондрии, то жизнь никогда бы не вышла за рамки одноклеточного существования.
Несмотря на то что митохондрии и их «хозяева» когда-то были бактериями, возникшие в результате симбиоза эукариотические клетки характеризуются очень сильными, многообразными и интересными изменениями по сравнению со своим бактериальным прошлым. Во-первых, эукариотические клетки являются настоящими гигантами по сравнению с крошечными бактериями. Объем эукариотических клеток превышает объем бактерий как минимум в десять тысяч, а как максимум в сто тысяч раз.
Во-вторых, как мы уже отмечали, у эукариотической клетки есть ядро. Обычно клеточное ядро представляет собой сферу, окруженную двумя мембранами, состоящими из защитных белков и скрывающими за собой плотную массу ДНК. У бактерий же, наоборот, ядро отсутствует, а их ДНК довольно примитивна и лишена защиты.
Третье отличие заключается в размере геномов (общего набора генов) эукариотических клеток и бактерий. Бактерии обладают гораздо меньшим количеством генов, чем их эволюционировавшие потомки. Кроме того, эукариотические клетки имеют гораздо больше некодирующей ДНК (участков ДНК, которые не участвуют в системе кодирования мРНК, определяющей, какие будут синтезированы белки). Раньше ученые думали, что некодирующая ДНК является мусорной и не приносит пользы. Но новейшие исследования показывают, что обширные участки некодирующей ДНК (или, по крайней мере, их часть) выполняют множество функций. Как бы то ни было, ДНК эукариотических клеток требует гораздо больше энергии, чем ДНК бактерий, для того чтобы копировать находящуюся в ней информацию и обеспечивать ее копирование.
Наконец, ДНК эукариотических клеток и ДНК бактерий существенно отличаются друг от друга в плане структуры. Хромосома бактерий имеет кольцевую замкнутую структуру. Будучи прикрепленной к клеточной стенке, она предпочитает свободно плавать в цитоплазме. Так как ДНК бактерий не покрыта защитной белковой оболочкой, она всегда готова к репликации (копированию). Гены бактерий объединяются в функциональные кластеры, каждый из которых нацелен на решение определенных задач. Помимо этого, в бактериях находятся плазмиды — небольшие молекулы ДНК, физически отдельные от геномных хромосом и способные автономно воспроизводить себя. Они представляют собой двухцепочные кольцевые молекулы. Крошечные кольца плазмид способны к независимому самовоспроизведению и могут сравнительно быстро передаваться от бактерии к бактерии. Напротив, у эукариотических клеток гены расположены на хромосомах случайным образом, более того, они часто разбиты на короткие участки, перемежаемые длинными участками некодирующей ДНК. Чтобы синтезировать какой-либо белок, обширные участки ДНК нужно прочитать много раз. Более того, к тому моменту, когда мРНК эукариотической клетки покидает ядро, она уже разрезана и избавлена от избыточного генетического материала — некодирующих участков. Процесс вырезания определенных участков мРНК называют сплайсингом. После этого кодирующие участки сшиваются вместе и формируют ген, кодирующий искомый белок. Сам по себе доступ к генам является довольно сложным, потому что хромосомы покрыты плотной оболочкой из гистонов — белков, о которых мы упоминали выше. Гистоны обеспечивают ДНК определенную степень защиты, но при этом затрудняют связь с ней. Если гены должны реплицироваться (то есть создавать копии самих себя) в целях деления клетки или осуществлять синтез белка, то структура гистонов должна изыскивать возможность для обеспечения доступа к ДНК. Это — работа другого типа белков, о которых мы также говорили выше, — факторов транскрипции.
