интерфероны — белки, способные подавлять размножение вирусов. Были выбраны наиболее подходящие для переноса гены и мобильные участки ДНК. Например, культурным растениям вводят гены, повышающие их иммунитет и устойчивость. В 1983 г. Барбара Макклинток при изучении генетики кукурузы обнаружила в ее геноме один «подвижный» ген, отвечающий за цвет початка. Независимо от нее подвижные гены были открыты методами молекулярной генетики советским ученым Г.П.Георгиевым. В 1981 г. процесс выделения генов и получения из них различных цепей был автоматизирован. Генная инженерия в сочетании с микроэлектроникой предвещают возможности управлять живой материей почти так же, как научились управлять неживой. Но подобное сверхтонкое вмешательство в самые сокровенные тайны живой природы слишком опасно, да и готов ли по своим моральным качеством к подобному управлению живым миром сам человек?!

Специализация клеток, как известно, связана с блокировкой части генов в клетке, и при этом важно влияние соседних клеток. Если выделить одну клетку и освободить

ее от влияния соседних, подобрав питательную среду, эта клетка будет вести себя как зародышевая. И хотя она может быть взята из любой ткани, из нее может вырасти весь организм, поскольку блокировка части генов теперь снята. Так работа генов регулируется соседними клетками через химическую сигнализацию. Такие опыты были поставлены на растениях, и английский биолог Гордон создал искусственных двойников лягушки, доказав регулирующую роль цитоплазмы, определяющей активность генов. Опыты, подтверждающие единство генетических программ во всех клетках одного организма, легли в основу клонирования, создания генетических двойников. Когда будут выяснены механизмы активации и репрессии генов, легче будет понять, чем вызывается нарушение регулирования внутриклеточных процессов, приводящее к какой-либо болезни (типа рака). Итак, жизнь зависит от точности передачи информации. «Сообщение», которое несет молекула ДНК, передается молекуле РНК и считывается в рибосоме, где происходит процесс сборки белка в соотвествии с информацией, содержащейся в гене.

18.4. МОЛЕКУЛЯРНЫЙ МЕХАНИЗМ ПРОЦЕССОВ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ

Обмен веществ (метаболизм) — это совокупность изменений и превращений вещества и энергии в организмах, обеспечивающих их рост, развитие, жизнедеятельность, самовоспроизводение и самосохранение организмов. Процесс метаболизма — это непрерывно протекающие реакции потребления и усвоения поступающих веществ, превращения их в собственное тело организма (ассимиляции), а также противоположных реакций разрушения некоторых веществ (диссимиляции). Ассимиляция может быть автотрофной (фотосинтез у зеленых растений) и гетеротрофной (пищеварение у животных). При хими- ческом разложении молекул выделяется энергия, скрытая в форме химических связей в исходном соединении, и становится доступной для живой клетки. Примеры диссимиляции: дыхание, брожение. Пищеварение включает в себя процессы расщепления. Реакции между органическими соединениями идут очень медленно. В живой клетке выработались ускорители реакций — ферменты — это биологические катализаторы, присутствующие во всех клетках, они имеют белковую природу. Их активность зависит от условий окружающей среды, определенной рН и отсутствия ингибиторов. Они не изменяются и не расходуются в ходе реакций, как и катализаторы. Огромна их производительность — одна молекула фермента может за 1 мин. разложить до 5 млн молекул субстрата — вещества, на которое действует фермент.

Для каждого вида организмов генетически закреплен свой тип обмена веществ, зависящий от условий существования. Его интенсивность и направленность обеспечиваются регуляцией проницаемости биомембран и синтеза и активности ферментов гормонами, координируемыми центральной нервной системой. Ферменты широко применяются в сельском хозяйстве, пищевой и легкой промышленности, медицине.

Фермент воздействует только на одно изменение; обозначают его путем прибавления к названию субстрата окончания «аза».Так, фермент, разлагающий сахарозу —

сахараза. Если отмечается активность фермента в определенной реакции (гликолиза, например), его называют: «сахараза — гидролаза». Ферменты, отщепляющие водород, — дегидрогеназы. Они действуют лишь на свой субстрат — есть дегидрогеназа молочной кислоты, дегидрогеназа янтарной кислоты и пр. Сверхспециализированные ферменты расщепляют только один из двух стереоизомеров, например, молочной кислоты — L- è D-формы, которые отличаются направлением вращения плоскости поляризации. Но есть и не столь избирательные ферменты. Например, липазы — ферменты, образующиеся в поджелудочной железе, разлагают почти все жиры на глицерин и жирные кислоты.

Функции ферментов сложны — обеспечить узнавание своего субстрата, присоединение к нему и химическое его преобразование. Эти функции выполняют две разные части большой молекулы фермента. Кофермент — это низкомолекулярное часть (витамин или ион металла типа меди и молибдена). Например, многие дегидрогеназы используют одинаковые вещества в качестве коферментов: амид никотиновой кислоты (витамин В) и фосфорную кислоту. У ферментов, отщепляющих СО2, коферментом служит тиаминпирофосфат — витамин В1, а у ферментов, отщепляющих аминогруппы (NН2) — витамин В2. Именно коферменты отвечают за специфичность действия. В зависимости от собственного строения они способны химически изменять присоединенный субстрат, это их функция. Другая часть фермента — апофермент. Эта белковая часть выбирает субстрат и соединяет его с коферментом. Апофермент определяет специфичность субстрата. Только при соединении вместе эти две части приобретают ферментальную активность.

Гомеостаз (постоянство внутренней среды организма) обеспечивается метаболизмом. Обмен веществ осуществляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях. В живой клетке постоянно происходит непрерывное движение веществ через ее оболочку — мембрану.

183

Значительное количество энергии высвобождается и при фотосинтезе.

Выяснение механизмов превращения энергии в биосистемах — одно из больших достижений науки в ХХ в. Стало понятно, как солнечная энергия преобразуется в специальных пигментных структурах растений в энергию химических связей, как превращаются вещества в процессах брожения и гликолиза (окисление углеводов без кислорода), как происходит внутриклеточное дыхание — перенос электронов в митохондриях от коферментов к кислороду.

В центре этих превращений в клетке находится АТФ, которая синтезируется из АДФ и Н3ÐÎ4 за счет световой энергии или энергии, выделяемой при гликолизе, брожении или дыхании. При гликолизе АТФ выделяется энергия, необходимая для совершения всей работы живого организма — от создания градиентов концентрации ионов и сокращения мышц до синтеза белка. Углеродные остовы для синтеза метаболитов поставляет процесс распада липидов.

Открытие этих общих для всех организмов биохими- ческих процессов, осуществленное усилиями исследователей во многих лабораториях мира (в Германии — О.Мейергоф, К.Ломан, Ф.Липман; в СССР — В.А.Энгельгардт, М.Н.Любимова, В.А.Белицер, Я.О.Парнас и др.), стало возможным благодаря применению в биологии идей термодинамики. В.А.Энгельгардт сформулировал принцип механохимических преобразований энергии непосредственно на макромолекулах ферментов. В 1961 г. английский биохимик П.Митчелл выдвинул гипотезу хемиоосмотического сопряжения, обратив внимание на возможность синтеза АТФ за счет энергии электрохимического потенциала (изза неравновесной концентрации ионов по разные стороны биологических мембран) и прямого электрохимического преобразования энергии.

Обменные процессы в неживой природе характеризуются круговоротом веществ, цикличностью. В круговорот втянуты все геосферы, в них происходят процессы переноса веществ, меняющие их локальную концентрацию. С появлением жизни в обменные процессы, происходящие в неживой природе, стали втягиваться и процессы биосферы. Биосфера представляет единство живого и минеральных элементов, вовлеченных в сферу жизни. Она распределена по земной поверхности крайне неравномерно и в различных природных условиях принимает вид относительно независимых комплексов — биогеоценозов (или экосистем). Живая часть биогеоценоза — биоценоз — состоит из популяций организмов разных видов. В обменных процессах, происходящих в неживой природе, нельзя выделить взаимосвязанные процессы ассимиляции и диссимиляции. Хотя все эти процессы происходят циклически во всех геосферах, они не направлены на цели роста, самосохранения, воспроизводства, адаптации и других характеристик, свойственных живым организмам. Согласно концепции Вернадского, «миграция химических элементов на земной поверхности и в биосфере в целом осуществляется или при непосредственном участии живого вещества (биогенная миграция), или же она протекает в среде, геохимические особенности которой (кислород,

углекислый газ, водород и др.) обусловлены живым веществом, как тем, которое в настоящее время населяет биосферу, так и тем, которое действовало на Землю в течение всей геологической истории».

Структурную основу метаболизма обеспечивает

клеточный матрикс, определяющий пространственное размещение молекулярных компонентов клетки, занятых в процессе жизнедеятельности. Среди клеточных органелл особую роль играют хлоропласты клеток зеленых растений и митохондрии любых организмов. В хлоропластах происходит связывание энергии солнечного света в процессе фотосинтеза. В митохондриях же извлекается энергия, заключенная в химических связях поступающих в клетку питательных веществ.

Функция клеточных органелл — митохондрий — была долгое время неясна. Они на 85% состоят из воды, как и целые клетки, а их сухое вещество — из белка и липидов. Митохондрии богаты элементарными мембранами, состоящими из бимолекулярной липидной пленки, покрытой с двух сторон белковой пленкой. На внутренней поверхности мембраны упорядоченно расположены ферменты, обеспе- чивающие синтез АТФ. В митохондриях — множество ферментов клеточного дыхания и ферментов синтеза АТФ. В них много собственных ДНК и РНК, есть рибосомы, поэтому они сами могут синтезировать белки. Размножаются митохондрии делением пополам.

Энергия, необходимая для биосинтеза, выделяется в процессах диссимиляции (дыхание и брожение). Важнейший субстрат этих процессов — углеводы: для дыхания — еще белки и жиры, а для брожения — спирты, органические кислоты и др. Процесс сжигания глюкозы до двуокиси углерода СО2 происходит в несколько стадий, чтобы предотвратить его взрывной характер и успеть усвоить выделившуюся энергию. При расщеплении глюкозы энергия выделяется на каждом этапе реакции при участии ряда ферментов: С6Í12Î6 + 6Î2 → 6Í2Î + 6ÑÎ2 +2875 кДж. При этом часть энергии выделяется в виде тепла, а часть идет на образование АТФ (аденозинтрифосфата), «энергетической валюты» клетки. И в дыхании, и в брожении расщепление глюкозы начинается с анаэробного распада глюкозы с образованием пировиноградной кислоты, АТФ и кофермента НАДФ (никотинамид аденин динуклеотид). Этот процесс называют гликолизом. В процессе брожения при участии ферментов продолжается дальнейшее расщепление веществ в отсутствии кислорода. Распад одной молекулы глюкозы приводит к образованию двух молекул АТФ, в каждой из которых сохраняется в виде химической связи до 40% энергии. Оставшаяся энергия расщепления рассеивается в виде теплоты. Для организмов типа дрожжей этого было бы достаточно — они только отщепляют углекислый газ от пировиноградной кислоты, присоединяют водород, который имели «в запасе», и получается этиловый спирт. Этот процесс называют спиртовым брожением. При этом приобретается еще молекула фосфата. Гликолиз происходит не в митохондриях, но последующие стадии дыхания клетки без них не обходятся. Не вдаваясь в детали, которые изучены очень подробно, выделим основное.

Другой вид энергетического обмена — кислородный — называется аэробным (дыханием). Вещества расщепления

184

глюкозы, полученные при гликолизе, в присутствии кисло-	чение числа митохондрий происходит за счет их деления,
рода расщепляются до воды и углекислого газа. При этом	которому предшествует стадия редупликации ДНК. Они
образуется 30 молекул АТФ, а окисление двух молекул:	содержат кольцевую молекулу ДНК и способны осуществ-
НАДФ в электротранспортной сети митохондрий сопря-	лять полуавтономный синтез белков. Для аккумуляции
жено с синтезом еще шести молекул АТФ. Итак, в процессе	химической энергии в клетке природа выбрала одно универ-
дыхания образуется 36 молекул АТФ, а с учетом еще двух,	сальное соединение — АТФ.
образовавшихся при гликолизе, — 38 молекул АТФ. Энергия	ÀÒÔ — ýòî аденозинтрифосфат, нуклеотид, концент-
молекулы АТФ во внутриклеточных условиях — около	рация которого в клетке мала (0,04%). Молекула АТФ
42 кДж/моль, а для 38 молекул — 1600 кДж/моль. Это	состоит из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кис-
значит, что КПД процессов равен 55% (рис.30).	лоты. При гидролизе остатка фосфорной кислоты выде-
Пировиноградная кислота расщепляется под дейст-	ляется энергия: АТФ + Н2Î = ÀÄÔ + Í2ÐÎ4 + 40 êÄæ/ìîëü.
вием ферментов до углекислого газа и водорода, а на	Поскольку связь между остатками фосфорной кислоты
последней стадии водород окисляется кислородом с образо-	почти в 4 раза больше, чем при расщеплении других связей,
ванием воды. Молекулы Н2Î è ÑÎ2 очень бедны энерге-	АТФ хранит энергию живого организма. Клетки исполь-
тически, поэтому энергия, содержавшаяся ранее в пиро-	зуют энергию АТФ при производстве тепла, биосинтезе,
виноградной кислоте, обнаруживается в богатом энергией	движении, в процессе фотосинтеза, проведении нервных
химическом соединении — АТФ и частично переходит в	импульсов и пр.
тепло. Образование АТФ — главный результат и «цель»	Лизосомы выполняют в клетке роль желудка, фер-
клеточного дыхания. Образуется АТФ присоединением к	менты — желудочного сока. В них — до 30 ферментов,
имеющейся в клетке АДФ третьей молекулы фосфорной	способных расщеплять белки, липиды, нуклеиновые кис-
кислоты (процесс фосфорилирования), и митохондрии	лоты и др. Лизосомы — пузырьки диаметром около 0,4 мкм,
поставляют клетке АТФ, используемую в различных про-	окруженные мембраной. Разрыв их мембраны растворит
цессах, требующих затраты энергии. Поэтому их называют	клетку, так как ферменты очень активны и способны
энергетическими фабриками клетки, и мышечные клетки	«съесть» ее всю. При голодании они растворяют некоторые
имеют большее число митохондрий, чем другие. Увели-	органоиды, не убивая саму клетку.

18.5.МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ

ИОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СВЯЗИ МЕЖДУ КЛЕТКАМИ

Благодаря ДНК клеточное ядро выполняет свои главные функции: хранения и воспроизведения генетической информации и регуляции процессов метаболизма в клетке. Жизненный цикл клетки — это промежуток времени от ее возникновения до гибели. Совокупность процессов при подготовке к делению и сам процесс называют митотическим циклом. Период подготовки — интерфаза —

состоит из синтеза РНК и белков, необходимых для редубликации ДНК; самого процесса редубликации ДНК; синтеза РНК и белков, необходимых для митоза; процесса удвоения клеточного центра.

Митоз (ãðå÷. mitos «нить») — процесс деления клетки, состоящий в точном распределении генетического материала между дочерними клетками. Деление клетки начи- нается с ядра, когда хромосомы уже удвоились: ядерное содержимое в них уплотняется; область ядра приобретает вытянутость, и в разные концы ее направляются половинки каждой хромосомы. Там они собираются вместе (в том же составе и числе, что и целые хромосомы до начала деления), окружаются новой мембраной, разрыхляются и теряют свои четкие контуры. Содержимое ядра вновь начинает равномерно окрашиваться, образуются два, совершенно идентичных, новых ядра. Затем между ними появляется перегородка, разделяющая содержимое клетки, прежде всего цитоплазму, на две равные части, и возникают две одноядерные клетки, содержащие совершенно одинаковую генетическую информацию, не отличающуюся от информации клетки-родительницы. Этот способ деления клетки называется митозом, в результате обе дочерние клетки получают одинаковый набор хромосом.

Митоз можно наблюдать в световой микроскоп за 1,5– 2 часа, но управляющие митозом процессы — пусковые, управляющие и регуляторные — лежат на молекулярном уровне, и, по-видимому, они аналогичны происходящим при синтезе белков. Некоторое время считалось, что митоз запускается нарушением равновесия между растущим ядром и цитоплазмой по массе, объему и поверхности. Поскольку ядро растет медленнее, условия окружения становятся все более неблагоприятными для него, достигая порогового значения, и ядро начинает делиться. Но пока объективных доказательств такого объяснения «начала» нет. Через процесс митоза, или через механизм «расхождения двойной спирали», наследуются мутации, но их частота мала.

Биологическое значение митоза огромно. Правильность функционирования органов и постоянство строения невозможны без сохранения одинакового набора генети- ческого материала во многих поколениях. Он обеспечивает эмбриональное развитие, рост, восстановление органов и тканей после повреждений, физиологическую регенерацию. Простейшие размножаются путем митоза.

Все виды размножения делят на половые и бесполовые. При бесполовом размножении новая особь развивается из соматических клеток. Таковыми являются митотическое деление, почкование и спорообразование, свойственные как одноклеточным, так и многоклеточным организмам. Половым размножением называют смену поколений и развитие организмов на основе специальных, половых клеток, называемых гаметами (îò ãðå÷. gamete «жена»). Половые клетки объединяются, и их ядра сливаются с образованием зиготы (ãðå÷. zygotos «соединенный

185

вместе») — оплодотворенного яйца, содержащего уже одно	можно строить хромосомные карты, где нанесены гены и
ядро с двойным набором хромосом. При этом способе	расстояния между ними. Частоты рекомбинаций обычно
генотип потомков возникает путем комбинации генов,	около 50%, т.е. вероятность того, что после мейоза две
принадлежащих обоим родителям. Все многообразие мно-	хромосомы окажутся в одном ядре, равна 50%. Это напо-
гоклеточных своим началом имеет оплодотворенную	минает полученное еще Менделем соотношение (рас-
клетку — зиготу. Этот вид размножения обеспечил очень	щепление) 1:1. Но, если гены находятся в одной хромосоме,
большие эволюционные преимущества по сравнению с	то образуется 0% рекомбинаций при условии, что сцепление
бесполовым, поскольку механизм позволяет перемешивать	не нарушено. Сейчас уже получены значения частот реком-
и по-новому сочетать гены.	бинации до 0,02%, измеряемые расстояния — порядка 10–9 ì.
Гаметы развиваются в половых клетках в несколько	Таким образом, генетический анализ позволяет различать
стадий. Первичные половые клетки делятся в результате	на таких расстояниях точки на ДНК. Хорошие электронные
митоза, их число растет, и происходит редубликация ДНК	микроскопы дают разрешение до 3 А. Если ген состоит из
(интерфаза-1). Период созревания называют редукционным	150 кодонов (450 нуклеотидов), то его длина составляет
делением, èëè мейозом. При мейозе возникает неиден-	около 1500 А. Но возможна рекомбинация и внутри одного
тичное родителям потомство, потомки получаются не-	ãåíà!
сколько измененными. В отличие от митоза мейоз воз-	Синтез белка по заданной ДНК программе осуществ-
никает только при наличии хромосом или истинного ядра,	ляют рибосомы. Информация, «записанная» в ДНК, «перепи-
т.е. он отсутствует у бактерий и других безъядерных	сывается» (этот процесс называется транскрипцией) â
организмов. На втором этапе необходимо преобразовать	РНК и переносится к клеточным органеллам — рибосомам.
геном (совокупность генов) и перестроить хромосомы.	В эукариотических клетках процесс синтеза в РНК более
При мейозе в экваториальной плоскости расположены	сложный, чем простая транскрипция. Прежде чем выйти
не отдельные хромосомы, а пары сдвоенных хромосом, и	сквозь поры в ядерной мембране в цитоплазму, первичный
делению подвержены только клетки с двойным набором	транскрипт РНК подвергается созреванию («процессингу»),
хромосом — диплоидные (ãðå÷. diploos «двойной» + eidos	и этот процесс достаточно сложен. К этому пришли после
«вид»). Начало процесса похоже на митоз, ядро окраши-	открытия двойной спирали, причем многие гены были
вается равномерно, начинает делиться на хромосомы,	разорваны на куски. Значит, при транскрипции многие
появляются тонкие нити — стадия лептонемы (ãðå÷. peptos	молекулы РНК разрываются, а потом соединяются («сплай-
«сваренный, переваренный»), хромосомы расположены	íèíã»). Тогда и получается мРНК, не точная копия ДНК, а
хаотично. На второй стадии — зигонеме (îò ãðå÷. zygon	отредактированная, т.е. какие-то ее части выброшены.
«пара») возникает структура, характерная для мейоза, и	Понимание процессинга РНК позволило иначе взглянуть
нити укладываются друг подле друга. На следующей ста-	на функционирование клетки и понять, почему в одном
äèè — пахинеме (ãðå÷. pachis «толстый») нити спариваются	организме клетки становятся разными. Процесс сплайнинга
полностью, и вместо двух удвоенных хромосом получается	позволяет проследить за тем, чтобы основная информация
одна пара, и клетки содержат два набора удвоенных хро-	сохранялась, — ведь ошибка в один нуклеотид может
мосом. На стадии диплонемы хромосомы, располагающиеся	привести к потере функциональных свойств белка. Экспе-
попарно, расходятся и одновременно укорачиваются. Как	риментальное изучение сплайнинга началось в конце 70-х
только распадется клеточная мембрана, наступает стадия	годов. Этот процесс обнаружен даже у бактерий. Опыты
диакинеза. Далее процесс проходит так же, как и в митозе,	показали вероятность того, что первыми генами могли быть
но появляются новые комбинации хромосом, и меняется	сплайнированные РНК (рис.31).
суммарная информация. Появляются две гиплоидные клет-	Специальные сигнальные системы обеспечивают
ки, разные и с новым набором хромосом. Половые клетки	работу в согласованном режиме миллиардов клеток. Сигнал
содержат один набор хромосом (гиплоидные), тогда как все	передается вдоль нервного волокна в виде электрического
другие клетки организма — двойной (диплоидные). За счет	импульса. На границе с клеткой-исполнителем он преоб-
мейоза и возникает неидентичное родителям потомство.	разуется в химический с помощью выделения окончаниями
Если бы на стадиях зигонемы и диплонемы не проис-	нервных волокон специального посредника — нейроме-
ходило взаимодействия партнеров, то эти процессы не	диатора. Нейроны посылают дискретные «сообщения»
имели бы особого смысла. На этих стадиях при наблюдении	определенным клеткам-мишеням, ими могут быть мы-
в микроскоп удается видеть перекресты между хрома-	шечные клетки, клетки желез и другие нейроны. Эти
тидами — хиазмы (ãðå÷. chiasmos «крестообразное распо-	сообщения — нейромедиатор, посылаемый в специальный
ложение»). Это выглядит так, будто в каких-то точках	участок — синапс (ãðå÷. synapsis «соединение»). Здесь
произошли разрывы, потом разорванные участки срослись,	молекулы нейромедиатора связываются с рецептором
но все не совсем так. Процесс, начинаясь раньше, приводит	(специальной белковой молекулой) на поверхности клетки,
ê обмену участками между хроматидами, что очень важно	воспринимающей сигнал, и вызывают изменения в мемб-
для потомства (для гонов и выросших из них организмов),	ране и внутри клетки. Сигнал за 106 с доходит до адресата.
так как все они оказываются различными. Даже один	Электрофизиологические исследования показали, что не
перекрест ведет к рекомбинации. Частота перекрестов	только разные нейромедиаторы, но и один и тот же нейро-
(и рекомбинаций) пропорциональна расстоянию между	медиатор может вызывать разные эффекты, зависящие от
генами, поэтому она может служить мерой этого рас-	типа синапса. Т.Хекфельт из Королевского института в
стояния. Эти частоты могут складываться друг с другом, и	Стокгольме показал (1977 г.), что окончания многих

186