Увиденное невидимое

Микроскопические заводы.

      Шаровидные и овальные, похожие на кубики и цилиндры, на звезды и диски... Клетки бывают различной, часто необыкновенно причудливой формы. Но даже самые непохожие друг на друга клетки поразительно сходны по своему устройству.

      При первом взгляде на клетку может показаться, что она состоит только из ядра и того, что окружает ядро, - цитоплазмы. Но оказалось, что эти главные компоненты клетки, в свою очередь, состоят из многих очень важных и сложных частей.

      Ограничена клетка оболочкой, кожицей. Кожица - по-латыни "мембрана". В науке многие слова взяты из латинского и греческого языков. Это потому, что в древности и в средние века почти все научные книги писали на этих языках. И сейчас новые слова в науке часто продолжают образовывать от латинских и греческих. Очень удобно, когда говорящие на разных языках ученые пользуются одинаковыми словами.

      Окружающая клетку мембрана настолько тонкая, что её невозможно увидеть в обычном микроскопе. Но в электронном микроскопе в ней различили три слоя: два темных и между ними светлый. Даже определили, что темные слои состоят из молекул белков, а светлый - из молекул жиров. Такого же строения оказались и все мембраны вокруг различных внутриклеточных частей.

      Сама клетка - это микроскопический завод. Он работает без выходных, без перерывов. Сырье, полученное организмом с пищей, перерабатывается в клетке в готовую продукцию. Она идет на построение растущих частей клетки, на ремонт и замену изношенных или поврежденных ее структур и на нужды всего организма.

      Как и бывает на заводе, в клетке есть своя силовая станция, различные согласованно работающие цеха.

      В цитоплазме находится цех, снабжающий энергией все клеточные процессы. Впрочем, это не один цех. В клетке печени, например, 2500 таких цехов. Их называют митохондрии. Длина каждой митохондрии обычно не больше десятых долей микрона. В этих цехах образуется вещество, при распаде которого освобождается энергия. Это аденозинтрифосфорная кислота. Сокращенно - АТФ. В научном языке часто пользуются сокращениями. В молекулах АТФ накапливается и хранится энергия до тех пор, пока она не понадобится. Вот почему митохондрии называют силовыми, или энергетическими, станциями клетки.

      Под электронным микроскопом в цитоплазме видна сложная сеть каналов и полостей. Это так называемая эндоплазматическая сеть. На некоторых ее участках мембраны гладкие. Здесь образуются жиры и углеводы. А в некоторых местах сети на мембранах сидят округлые тельца - рибосомы. Это сборочные цеха клетки. На них происходит сборка белковых молекул из аминокислот. Одна аминокислота, вторая, третья... Целая цепочка из них составляет молекулу белка.

      Вся продукция клеточного завода не только накапливается в эндоплазматической сети, но и передвигается по ней в следующий клеточный цех. Клеточный конвейер! В последнем, упаковочном, цехе из поступающих продуктов удаляется лишняя вода, они прессуются.

      Все признаки и особенности клетки определяются главным образом ее белками. А белки различаются количеством составляющих их аминокислот и той последовательностью, в которой они соединены в цепочки. Белков в организме человека сотни тысяч, а аминокислот всего двадцать. Если каждую аминокислоту обозначить буквой, то получится двадцатибуквенный алфавит. Из него можно составить фразы из разного количества букв - 50, 100, 300... Каждая фраза соответствует какому-нибудь белку. Мы знаем, что перестановка букв меняет слово: "краб", "брак"... Вот так же перестановка аминокислот меняет белок. Записанные одними и теми же буквами, белки отличаются друг от друга по их расположению.

      Сведения о том, какие аминокислоты и в каком порядке должны соединяться в молекулы белка, записаны в клетке. Записи хранятся в ядрах. Там находятся специальные сейфы для хранения зашифрованных рецептов образования белков - хромосомы.

Расшифровка кода.

     Ещё в прошлом веке под обыкновенным микроскопом в клетке увидели прямые и изогнутые палочки. Они ярко окрашивались некоторыми красками и поэтому получили название "хромосомы". По-гречески это значит "красящиеся тельца". Ученые обратили внимание, что в любой клетке организма имеется одинаковое количество таких окрашенных палочек. Причём количество их было одинаковым не только во всех клетках одного организма, но и во всех клетках у всех организмов данного вида. Не только у какой-то одной мушки дрозофилы 8 хромосом, а у всех таких мушек именно 8. У комаров - 6, у лягушек - 24, у собак - 22, у кошек - 60, у горилл - 48. А у человека 46 хромосом.

      Построены хромосомы главным образом не из белков, как все остальные части клетки, а из ДНК. Так сокращенно называют дезоксирибонуклеиновую кислоту. Кислота с таким громоздким названием состоит из четырех типов нуклеотидов. Запомните, пожалуйста, это! Вы дальше увидите, как это важно, как много зависит от этих химических соединений.

      В каждой клетке человека около 800000 молекул ДНК. Каждая из них построена из 40000 нуклеотидов.

      Молекула ДНК - это молекула-гигант. Молекулы ДНК из хромосом только одной клетки составят нить длиной почти в два метра. А из всех клеток одного человека - в 1800000000000 километров. В 469 тысяч раз больше расстояния до Луны. Такой нитью можно было бы обмотать по экватору нашу планету 45 миллионов раз. Но эта нить настолько тонкая, что ее никто бы и не заметил.

      Отдельные участки молекулы - гены - заведуют наследственными свойствами организма. Цвет волос и глаз, форма носа, группа крови, особенности всех белков организма определяются генами. На них и записаны рецепты белков: число и порядок аминокислот. В каждой молекуле ДНК сотни тысяч генов. Но не все они работают. В одной клетке работают одни гены, в другой - другие. Этим и объясняется разнообразие белков, клеток, организмов.

      Из наблюдений стало ясно, что повреждения ДНК ведут к нарушению образования в клетке белков. Изменяется ДНК - изменяются и наследственные свойства организмов. Ученые переделывали одни бактерии в другие, меняя у них ДНК. Бактерии приобретали форму и химические особенности тех бактерий, от которых они получали ДНК.

      Если разнообразие белков зависит от сочетаний 20 аминокислот, то разнообразие ДНК, все разнообразие живых существ зависит от расположения всего четырех нуклеотидов. Это кажется невероятным! Сочетание фраз при помощи 20 букв - куда ни шло. А вот как сделать запись всего четырьмя буквами? Но ведь по телеграфу можно передать текст любой длины и сложности, пользуясь даже не четырьмя, а только двумя знаками - точкой и тире. Надо только уметь его передать, принять и расшифровать. Телеграфный код расшифровывают телеграфисты. Код - это условные знаки. Зашифровать какой угодно текст можно и буквами, и цифрами, и разными символами.

      Как же записан рецепт белков в ДНК? Каким кодом пользуется клетка? Каков ее генетический код?

      Над расшифровкой генетического кода работали ученые разных специальностей: биологи, физики, химики, математики. Они ставили опыты, проводили расчеты, делали модели...

      Если в состав белков входит 20 аминокислот, то код для них должен иметь по крайней мере 20 разных значений. Значит, буквой кода никак не может быть один нуклеотид. Вы запомнили, что их всего 4 типа. Выходит, что буквой кода может быть только сочетание нескольких нуклеотидов, расположенных вдоль молекулы ДНК. Предположим 2. Нет, двух мало. Ведь из двух нуклеотидов получается только 16 разных сочетаний: 42=16. Этого мало для всех аминокислот. А если кодирующим числом предположить З? 43=64. Такое количество сочетаний даже больше, чем надо. Расчеты, проведенные учеными, подтвердились и опытами. Три нуклеотида определяют, какая именно аминокислота присоединится в строящуюся молекулу белка.