Чудесная жизнь клеток: как мы живем и почему мы умираем

Рибосомы являются одними из наиболее сложных образований клетки. В их состав входят белки и РНК. Рибосома движется вдоль молекулы РНК и соединяет воедино аминокислоты при помощи передаточных РНК. Рибосомы работают весьма быстро — как и все остальные части клетки — и за одну секунду способны соединить две аминокислоты. В результате белки синтезируются в период времени от 20 секунд до нескольких минут.

В настоящее время мы способны понять природу мутаций и то, как они могут влиять на поведение клетки. Мутация ДНК может поменять последовательность нуклеотидов в генах и тем самым привести к изменению последовательности расположения аминокислот во вновь синтезируемых белках. Это способно изменить пространственную структуру белка и его функции, привести к образованию белка-мутанта, что может иметь как негативные, так и позитивные последствия. Все это мы рассмотрим в последующих главах. Мутации, меняющие функции белков в яйцеклетках или сперматозоидах, являются основными факторами эволюции, поскольку они будут унаследованы следующими поколениями. Изменения в ДНК, расположенных в контрольных зонах, также влияют на поведение клеток, поскольку они определяют, когда и в какой клетке происходит активация наследственного гена.

ДНК человека содержат 3 миллиарда основных пар нуклеотидов. В среднем человеческий ген содержит 27 тысяч основных пар нуклеотидов, однако при этом лишь 1300 пар нуклеотидов в составе такого гена используются для кодирования последовательности аминокислот во вновь синтезируемом белке, определяя тип и последовательность примерно 430 его аминокислот. Люди, не являющиеся родственниками, отличаются друг от друга в среднем всего на 1 процент, однако подобное различие включает в себя и различия в трех миллионах их нуклеотидов.

Трудно представить себе, как такой гигантский объем информации может содержаться в наших клетках. Меня поразила выставка, где вся последовательность наследственной информации человека была для наглядности представлена в виде книг, заполнявших собой огромный шкаф. Достаточно открыть любую из этих книг на какой угодно странице и увидеть, что каждый из этих томов заполняет описание последовательности нуклеотидов, напечатанное мелким шрифтом: «ATGCTGACCGATTAGTCA» — и так далее, при этом в каждом таком томе не меньше пятисот страниц. Достаточно просто взглянуть на это, чтобы испытать чувство неподдельного почтения к способности клеток хранить и использовать наследственную информацию. Если вытянуть содержащуюся в клетке цепочку генов в длину, то длина ее составит два метра. Каким же образом клетка находит нужный ей ген? И откуда клетка знает, в какой из этих книг и на какой именно странице находится нужный ей ген? Что определяет переход гена в активированное состояние и создание РНК, содержащей информацию, необходимую для синтеза какого-то конкретного белка?

Ответ на этот вопрос раскрывает фундаментальные особенности механизма контроля за поведением клетки, ибо именно это определяет, какие белки содержатся в клетке, что, в свою очередь, непосредственно определяет и само поведение клетки.

Теперь мы видим, что делают гены — или, вернее, чего они не делают, ибо во время всего процесса синтеза новых белков они остаются пассивными. Они лишь задают код, по которому будут синтезированы белки, и образуют контрольные зоны, которые запускают процесс синтеза белков. Когда же приходит время продублировать сам ген, белки также выполняют эту работу.

Необходимо всегда помнить, что ДНК — это не чертеж, по которому строится весь организм. Это станет совершенно очевидно, когда мы будем рассматривать вопросы развития эмбриона. Тем не менее совершенно поразительным является то, что гены управляют огромным множеством процессов, проистекающих в клетке за счет того, что в данный момент времени задают синтез тех или иных белков. В наших клетках содержится около 30 тысяч различных генов, и если мы представим, что несколько сотен различных белков могут обусловить какое-то определенное состояние клетки, то получается, что если внутри клетки активированы различные комбинации генов, то мы имеем дело с миллиардами разных клеток, каждая из которых синтезирует свой уникальный набор белков.

Сейчас ученые признают, что структура генов и роль ДНК — гораздо более сложные, чем это считалось прежде. Лишь небольшая часть ДНК, содержащихся в наших хромосомах — менее 2 процентов, — непосредственно отвечает за синтез белков. В структуре хромосом существует множество повторяющихся участков, функция которых до конца не ясна. Некоторые исследователи вообще считают, что в структуре ДНК присутствует множество «лишних», не играющих никакой роли, и просто накопленных за многие годы эволюции звеньев.

Звенья, в которых содержатся повторяющиеся нуклеотиды, составляют не менее 10 процентов объема хромосом. При этом некоторые из них перемещаются из одного места в другое. Подобные переходы приводят к тому, что звено ДНК копируется и затем вставляется в какое-то другое место. Многие мутации, которые происходят в клетке, как раз и порождаются тем, что эти звенья переходят в кодировочные или контрольные зоны и тем самым меняют их характер.

ДНК и гены — гораздо более сложные образования, нежели было принято считать ранее. Появились данные, которые свидетельствуют о том, что области, отвечающие за кодирование белков некоторых генов, пересекаются со спиралями других генов, расположенных на большом расстоянии от них. Почему так происходит, не известно.

В течение долгого времени РНК считалась рядовым переносчиком генетической информации от генов к рибосомам, где происходит синтез белков. Однако совсем недавно стало ясно, что РНК выполняют и множество других функций. В ходе глобальных исследований, которые скоординированно проводились учеными многих стран, было выяснено, что существует множество РНК, являющихся копиями с отдельных участков ДНК, функции которых до конца не ясны. Ученые установили, что происходит значительное копирование генетической информации с ДНК на РНК, не связанное с целью последующего синтеза новых белков. Существует даже мнение, что количество подобных РНК превышает общее количество генов в клетках. Образующиеся в результате этого микро-РНК способны регулировать функции «основной» РНК и контролировать, будет ли синтезирован белок по ее матрице или нет. Некоторые микро-РНК контролируют группы белков, состоящих из сотен различных разновидностей.

Микро-РНК состоят всего из 20 нуклеотидов. Одна из их основных функций — связываться с РНК, содержащей информацию, необходимую для синтеза белка, и уничтожать ее, с тем чтобы данный белок не был синтезирован. Эти микро-РНК со всей очевидностью представляют собой еще один контрольный механизм клетки, регулирующий синтез отдельных видов белков.

Все белки синтезируются в рибосомах, содержащихся в цитоплазме клетки. Некоторые рибосомы прикреплены к таким внутренним структурам клетки, как оболочки эндоплазматического ретикулума. Белки, синтезируемые подобными рибосомами, поступают в эндоплазматический ретикулум и таким образом передаются в распоряжение своеобразной «почтовой службы» клетки, которая отправляет их в те места, где они нужны. Транспортировка белков происходит благодаря взаимодействию различных клеточных оболочек. Это — довольно сложная, но весьма эффективная «почтовая служба».

Существует и особая «пересыльная служба» для организации перемещений РНК, которые переносятся в те места, где необходимо появление новых белков, и только тогда, когда они туда попадают, синтез необходимых белков осуществляется.

Когда перемещается сама клетка, то ее передняя часть требует большого количества актина, из которого образуются волокна, позволяющие передней части клетки перемещаться вперед. В этом случае соответствующие РНК доставляются в переднюю часть клетки, и там синтезируется актин. Ученым еще предстоит выяснить, как РНК перемещаются в эту область клетки и каким образом синтез новых белков по их матрице задерживается, пока они там не окажутся.

При этом клетки «чувствуют» время. Функции тела в значительной степени зависят от суточного ритма, который нарушается, когда мы совершаем авиаперелеты в направлении на восток или запад. Этот ритм воздействует не только на цикл бодрствования и сна, но и на выделение гормонов и работу печени и почек. На формирование 24-часового цикла воздействует интенсивность дневного света: когда свет достигает сетчатки глаза, то соответствующие сигналы посылаются в особый отдел мозга — главный «хранитель времени» в организме. Однако биологические часы имеются не только в мозге: представляется, что каждая клетка нашего тела обладает своеобразным часовым механизмом. В таких разных тканях, как ткани печени и легких, присутствуют гены, которые активируются и деактивируются в зависимости от различных фаз 24-часового цикла.