Предлагается двенадцать вопросов повышенной сложности для коллективной работы и вопросы для самостоятельной работы с информационными источниками.

 

ВОПРОС 1

Какие газообразные вещества используются живыми существами и в каких целях? 

 

Ответ.

Заметим, что в зависимости от условий (тем­пературы и давления) самые разнообразные вещества мо­гут находиться в газообразном состоянии. Живые орга­низмы сталкиваются в первую очередь с газами, вхо­дящими в состав воздуха. Это азот, кислород, углекис­лый газ и инертные газы, пары воды. Кроме того, в среде обитания живых организмов могут оказаться также метан, аммиак, сероводород, сернистый газ.

Воздух и сходные с ним по составу газы исполь­зуются многими водными животными и растениями для повышения плавучести. Воздушные пузыри есть, на­пример, у свободно плавающих гидроидных: сифонофор, рыб, фукусовых водорослей. Существует возможность регулировать среднюю плотность тела, изменяя объем воздушных пузырей (газ сжимать легче, чем жидкость). У фукусов воздушные пузыри еще и расправляют слоевище, то есть выполняют скелетную функцию.

Всем известный паук-серебрянка использует воздух как строительный материал для своего гнезда.

Иногда воздух участвует в формировании особых структур, таких как пена, в которой некоторые мухи откладывают яйца. Такая пена выполняет теплоизоли­рующую функцию благодаря плохой теплопроводности газов. Воздух выступает как теплоизолятор и у покрытых перьями или шерстью теплокровных живот­ных.

Колебания воздуха приводят в движение органы при­ема (барабанная перепонка) и подачи звуков (голосо­вые связки, гортань).

Многие из перечисленных выше газов вступают в био­химические реакции, но при этом они бывают растворены в цитоплазме клетки. Источником энергии для различных видов бактерий являются процессы окисления водорода, азота, метана, аммиака, сероводорода. Метан, углекис­лый газ, аммиак используются в процессах биосинтеза, а кислород служит окислителем при дыхании и других процессах.

 

 

ВОПРОС 2

Почему глюкоза запасается в организме живот­ных в виде полимера — гликогена, а не в мономерной форме?

 

Ответ.

Проникновение растворителя через мембрану, проницаемую для него, но непроницаемую для растворен­ного вещества, называется осмосом. Осмос и является одной из причин того, что глюкоза в клетке не хранится в виде крепкого раствора. Ведь если в клетке будет много молекул глюкозы, то соответственно уменьшится концен­трация воды. Снаружи клетки много воды, мембрана клетки проницаема для воды. Следовательно, когда вода станет поступать внутрь клетки, она может разбухнуть и лопнуть.

Если же много молекул глюкозы будет превращено в полимерную цепь, то в клетке будет хоть и гигантская, но одна молекула. Величина осмотического давления зависит от соотношения концентрации воды по разные стороны мембраны. Одна молекула гликогена не повлия­ет на это соотношение. Расчет показывает, что если пре­вратить в глюкозу весь гликоген, который накоплен в организме, то ее концентрация во всем теле повысится в 25 раз, а если такой крепкий раствор глюкозы будет, подобно гликогену, сосредоточен в мышцах и печени, то концентрация глюкозы в клетках этих органов станет в десятки раз выше, чем максимально переносимая.

Существует и другая причина, по которой в клетке не может быть очень уж много глюкозы. В обмене веществ клеток глюкоза играет центральную роль. Высокая кон­центрация глюкозы — сигнал для запуска работы разных ферментов, как работающих с самой глюкозой, так и не­обходимых для обмена жиров, белков и даже для генети­ческих процессов. Высокая концентрация глюкозы при­вела бы клетку в бессмысленно активное состояние (напомним, что речь идет о ситуации, когда глюкозу надо хранить, а не тратить). Таким образом, для нормального функционирования организма необходимо, чтобы кон­центрация глюкозы поддерживалась на не очень высоком, но постоянном уровне. Запас глюкозы, сохраняемой в форме гликогена, позволяет быстро убирать излишки или восполнять недостачу глюкозы. В этом еще одна функция гликогена.

 

 

ВОПРОС 3

В живой природе широко распространены протеазы — ферменты, расщепляющие белок. Из­вестны случаи, когда клеткам необходимо защищать­ся от действия этих ферментов. Как они это делают? 

 

Ответ. 

Первый пример — эпителиальная ткань желуд­ка. Клетки этой ткани выделяют протеазы в просвет желудка, где происходит переваривание белковой пищи. Здесь стоят две проблемы: защитить от действия протеаз содержимое клетки, в которой протеазы образуются, и защитить стенку желудка от уже вышедших из клетки протеаз.

Секреция, то есть выделение белков из клеток, про­исходит особым образом. В клетках протеаза желудка — пепсин синтезируется в виде более длинных молекул-предшественниц. Эти молекулы не могут работать из-за того, что у них есть лишний участок из нескольких аминокислот. Но этот же участок играет роль в пере­носе всей молекулы через плазматическую мембрану — из клетки в полость желудка. Только там добавочный участок отрезается специальным или уже готовым фер­ментом, «обрезанным» трипсином. Теперь протеаза активна, но через мембрану проходить не может.

Слизистая оболочка, выстилающая стенку желудка, построена из углеводов. Слой углеводов прикрывает все мембранные белки. Протеазы не действуют на углеводы, и, таким образом, стенка желудка защищена от перева­ривания.

Дополнительный фактор, спасающий желудок от пе­реваривания собственными ферментами,— кислотность среды. Протеазы желудка активно работают при очень кислых условиях. В полости желудка именно такие условия. Но в клетках, выделяющих протеазы, среда не очень или вовсе не кислая.

Еще два способа защиты от протеаз разберем на при­мере растений. Протеазы могут быть «спрятаны» в лизосомы и выходить в цитоплазму только по сигналу (на­пример, осенью, когда надо разрушить клетки отдели­тельного слоя в черешке листа и обеспечить листопад).

В клетках может синтезироваться ингибитор проте­аз — белок, который связывается с протеазой и не дает ей выполнять свои функции. В желудке животных такие белки не играют большой роли, но зато они распростра­нены у растений. Недавно генные инженеры использо­вали это свойство — получили растение, у которого ген ингибитора работает и обеспечивает синтез больших количеств этого белка. Такое растение оказалось устой­чивым к объеданию листьев гусеницами — они просто не могли их переварить и усвоить.

 

 

ВОПРОС 4

Известно много случаев сходства первичной структуры (последовательности аминокислот) белков у разных организмов. Предложите различные объяс­нения этому факту.

 

Ответ.

Сходство двух молекул может наблюдаться на большом протяжении (десятки аминокислот) или только на небольших участках.

Разберем различные случаи сходства в первом смысле.

Долгое время считалось, что вероятность независимо­го возникновения в ходе эволюции двух одинаковых длинных последовательностей аминокислот очень неве­лика. Поэтому, если две последовательности длиной во много десятков или сотен аминокислот каждая очень похожи, то предполагалось, что у них был общий предок. С этих позиций можно предложить, например, следую­щие объяснения сходства.

Существуют белки, которые похожи у всех организ­мов (или, в частности, у всех эукариот) Это, вероят­но, связано с тем, что такие белки выполняют очень важные функции, хорошо к этому приспособлены и мутации в генах этих белков летальны. Так, очень по­хожи гистоны (белки, входящие в хромосомы эукариот), цитохромы С (белки, необходимые для дыхания бакте­рий и митохондрий), ряд белков аппарата трансляции. Сходство белков двух организмов можно объяснить и тем, что они относительно близки по систематическому положению (например, оба относятся к насекомым); тогда общий предок этих насекомых содержал предковый ген этого белка. Это примеры гомологического сходства, то есть сходства на основе родства.

Предположим, например, что один организм попадает внутрь другого и белки одного организма могут входить в состав другого и выполнять какие-либо функции. Четкий пример этому мы находим у хищников: неко­торые ресничные черви питаются кишечнополостными, причем стрекательные клетки последних не переварива­ются, а целиком, со всеми своими белками входят в состав покровов хищника и служат ему в качестве до­полнительного оружия. Ничто не мешает таким взаимо­действиями между паразитом и хозяином. (Кстати, недавно доказано, что одна паразитическая красная водо­росль вводит в клетки хозяина, тоже красной водо­росли, свои ядра и в них синтезируется РНК.)

Нельзя исключить и того, что от организма к орга­низму передаются не сами белки, а их гены. ДНК между организмами может передаваться, например, с помощью вирусов, способных поражать и паразита, и хозяина. Вероятно, так передался фермент, разрушающий переки­си, от одной сребробрюшковой рыбы к ее симбионтной бактерии. Если верно, что митохондрии — потомки сим- биотических бактерий, то вот и еще один пример: мно­гие гены митохондриальных белков находятся в ядре, то есть перешли к хозяину от симбионта.

Перейдем теперь к случаям сходства во втором смыс­ле. Все вышеприведенные объяснения годятся и здесь. Другими словами, белки с общим происхождением мо­гут в череде поколений видоизменяться настолько, что заметное сходство останется только на небольших участ­ках.

Еще один случай сходства — специальные метки в со­ставе белков. Например, чтобы белок, синтезированный в цитоплазме эукариотической клетки, мог попасть в ядро, он должен иметь в своем составе участок из не­скольких положительно заряженных аминокислот подряд. Разные белки, которым следует находиться в ядре, приобрели эти метки иногда от общего предка (те же гистоны), а иногда независимо.

Бывают похожими участки, выполняющие сходные функции. Например, весьма похожи активные центры самых разных протеаз, хотя, возможно, не все они произошли от одного предка.

 

ВОПРОС 5

Активный центр фермента представлен обычно лишь несколькими аминокислотами (до 10—20). Не кажется ли расточительным иметь ферменты разме­рами во многие сотни аминокислот? 

 

Ответ.

На обыденном языке можно сформулиро­вать тот же вопрос так: «Почему ферменты такие боль­шие?» Строго говоря, ферменты не такие уж большие. Примем во внимание, что трехмерная укладка белка может быть вписана в геометрическое тело с линей­ными размерами, примерно равными кубическому корню из числа аминокислот. Иными словами, белок длиной в 1000 аминокислот (молекулярный вес 120 000 — не очень маленький белок!) может быть представлен как кубик с ребром длиной в 10 аминокислот.

В то же время линейные размеры субстрата могут быть во много раз больше. При этом аминокислоты в активном центре должны не просто находиться рядом, а образовывать сложный рельеф из выступов и впадин, располагаться на определенном расстоянии и в опре­деленной ориентации.

Более того, в ходе реакции эти расстояния и эта ориентация специальным образом меняются. Например, ДНК-полимераза — фермент, с помощью которого про­исходит репликация. У него есть два участка, изучающих нуклеотиды. Один из этих участков связывается с нуклеотидом в составе той цепи, которая служит матрицей. Другой участок связывает свободный нуклеотид из окружающего раствора, чтобы присоединить его к концу растущей цепи.

Когда ДНК-полимераза связана, например, с гуаниловым нуклеотидом в матричной цепи, структура второго участка становится такой, что фермент может «выло­вить» из раствора только цитидиловый нуклеотид. Фер­мент переходит на тимидиновый нуклеотид — и струк­тура второго участка меняется так, что фермент свяжет из раствора только адениловый нуклеотид. Это точ­ное соответствие между структурами фермента и субстра­та, а также специальные изменения такой структуры обеспечиваются теми участками молекулы, которые не входят в активный центр.

Что еще делает та часть белка, которая не входит в состав активного центра?

Среди ферментов есть такие, активность которых регулируется какими-либо веществами (например, иона­ми металлов или производными нуклеотидов). Все эти регуляторы связываются не с активным центром, а с другими участками молекулы. Например, РНК-полимераза работает в том случае, если с белком связан ион цинка. Многие белки связываются с конечными продук­тами химических реакций: когда продукта много, он не дает ферменту работать. Некоторые ферменты находятся в тесном взаимодействии с другими белками или, напри­мер, встроены в мембрану. Особые участки в составе фермента отвечают за взаимодействие с липидной частью мембран или с белками-соседями. Последнее важно, если, например, разные ферменты катализируют разные последовательные стадии одного процесса. Тогда полезно, чтобы белки удерживались рядом и передавали продукты реакции «с рук на руки».

Таким образом, для нормальной работы белков ока­зываются необходимыми не только те аминокислоты, ко­торые входят в состав активного центра, но и амино­кислоты из других участков молекулы.

Строго говоря, на этот вопрос можно ответить и по-другому: неизвестно, имеет ли место в природе отбор на «экономию белков», на уменьшение их размеров. Может быть, такого отбора нет, и тогда весь разговор о «расточи­тельстве» (см. формулировку вопроса) теряет смысл.

 

 

ВОПРОС 6

В некоторых книгах содержится утверждение, что пчелы могут путем изменений в диете направ­ленно изменять генотип своего потомства. В качестве довода приводится факт, что в маточном молочке содержатся ДНК и РНК. Как, по-вашему, убедительный ли это аргумент? Ответ обоснуйте.

 

Ответ.

 Обращаем внимание, что, скорее всего, вопрос касается не генетики пчел, а убедительности представ­ленного довода. Итак, анализу подлежит в первую оче­редь само утверждение, взятое из ряда популярных книг 50—60-х годов.

В чем же состоит утверждение? Известно, что превра­щение личинки в особь определенной касты зависит от корма, на котором растет личинка. Похоже, что в корме содержатся вещества, от которых зависит, пойдет ли развитие личинки в сторону матки или в сторону рабочей пчелы.

Прежде всего заметим, что разница между маткой и рабочей пчелой не связана с направленной перестройкой генотипа. Такую разницу можно объяснить тем, что гено­типы у матки и рабочей пчелы одинаковы, только в них по-разному работают одни и те же гены. В ходе индиви­дуального развития какие-либо гены могут функциониро­вать у будущей рабочей пчелы, но «молчать» у буду­щей матки и наоборот. Но переключение генов зависит от гормонального воздействия, а это последнее — от диеты. Наследственные изменения генотипа тут ни при чем — иначе матка рожала бы только маток, но не рабо­чих пчел.

Существуют и биохимические доводы против измене­ний генотипа. В самом деле, какие ДНК и какие РНК содержатся в маточном молочке — длинные или корот­кие? Целые гены и их РНК или части их? Это неизвестно, а не зная этого, ничего утверждать нельзя.

Пчелиное потомство усваивает маточное молочко. У всех животных полимеры в ходе усвоения пищи рас­щепляются: белки — до аминокислот или коротких пеп­тидов, полисахариды — до моносахаридов, нуклеиновые кислоты — до нуклеотидов. То же происходит и у пчел (по крайней мере обратное пока не доказано). Но отдельные нуклеотиды не могут изменить генотип — они ничем не отличаются от нуклеотидов, образуемых в са­мом организме. Кроме того, ни ДНК, ни РНК, ни какое- либо другое воздействие не могут изменить генотип всего организма, если только изменение не произошло в генотипе родительских половых клеток или в оплодотво­ренной яйцеклетке. Если клетки зачаткового пути не затронуты, то клетки пищеварительного тракта могут мутировать сколько угодно — направленной эволюции это не обеспечит. Наконец, простым возражением авто­рам обсуждаемого утверждения может быть то, что ДНК и РНК содержатся в самой разной пище, но ни хищники, питающиеся свежеубитой добычей, ни киты, за­глатывающие мириады живых обитателей планктона, не претерпевают от этого особых генетических перестроек.

Конечно, есть особые случаи передачи генетической информации от родителей к потомству. Например, че­рез разные физиологические жидкости могут переда­ваться некоторые вирусы. Но отсюда очень далеко до на­правленного влияния родителей на генотип потомства.

В отечественной и зарубежной литературе время от времени можно встретить сенсационные заявления об открытии новых форм направленной изменчивости. Но такие данные имеют тенденцию не подтверждаться.

 

 

ВОПРОС 7

В клетках различных организмов обнаружи­ваются ферменты, способные делать разрывы в цепях ДНК. Зачем клеткам такие ферменты и почему они не разрушают всю клеточную ДНК?

 

Ответ.

С химической точки зрения все разрывы, о которых пойдет речь,— это разрушения фосфодиэфирной связи (ее структура схематично приведена в школь­ном учебнике). Разрывы и последующие воссоединения ДНК происходят во время многих процессов.

Разрывы в цепях ДНК неизбежны при репликации ДНК. Ведь две цепи ДНК многократно закручены одна вокруг другой. В вилке репликации они расходятся.

Но поскольку цепи спирализованы, а их концы не сво­бодны, то на самом деле при их расхождении нижняя часть молекулы будет скручиваться.

Чтобы ликвидировать эти лишние витки, а в конечном счете и расцепить две образующие молекулы ДНК, необ­ходимо разорвать цепи ДНК и воссоединить их. Один из способов этого — расплетать ДНК непосредственно пе­ред вилкой репликации (для этого тоже надо разрезать одну цепь ДНК). Наглядно представить это можно, например, с помощью моделирования на обычной белье­вой веревке.

Вообще спирализация и деспирализация ДНК очень важны. Это следует из вышеприведенной схемы. Из нее ясно, что степень спирализации связана с возможностью расхождения двух цепей в ДНК. А такое расхождение (хотя бы на небольшом участке) нужно и для транскрип­ции, и для рекомбинации, поэтому можно сказать, что и эти процессы будут угнетены, если в клетке не будет ферментов, вносящих в ДНК разрывы.

Во всех клетках идет репарация — замена непра­вильно спаренных нуклеотидов (или таких нуклеоти­дов, которые приняли неправильную структуру из-за внешних физико-химических воздействий). При репа­рации испорченный участок цепи ДНК вырезается и Удаляется. Для этого нужны ферменты, разрезающие клеточную ДНК.

Без разрывов в ДНК не будет происходить половой процесс у бактерий, при котором ДНК бактерии перехо­дит в другую клетку в линейной форме (ген за геном).

В последние годы изучено много случаев, когда виру­сы и похожие на них гены нормальных клеток поки­дают свое место в ДНК и встраиваются в новые места в этой же или (у эукариот) в других хромосомах.

Наконец, в каждой клетке есть ферменты, разрушаю­щие бесполезные обрывки ДНК, ДНК вирусов и бакте­риофагов.

Способы разрушения ДНК, позволяющие клетке убе­речь собственные хромосомы, разнообразны. Например, если ДНКаза (так называются ферменты, разрушаю­щие ДНК) расположена в цитоплазме, то от нее будут страдать только попавшие в цитоплазму вирусные ДНК, а клеточная ДНК, находящаяся в ядре и органеллах, просто не встретится с ферментом (осталось принять меры, чтобы ДНК не была разрушена во время митоза, когда ядерная оболочка исчезает). У бактерий некоторые ДНКазы расположены на плазматической мембране и встречают бактериофаговую ДНК, когда она начинает проникать в клетку.

Таким образом, один из способов регулировать про­цесс в клетке состоит в создании отсеков с разными свой­ствами.

Другой способ защиты ДНК — взаимодействие ДНК с белками. В хромосомах эукариот ДНК просто не встречается в свободном виде — любой сколько-нибудь длинный участок ДНК стремится к взаимодействию с целым рядом белков, и эти белки могут перекрывать доступ ДНКазам. Сейчас выясняется, что и у прокариот бедки весьма часто связываются с ДНК.

Следующий способ защиты от ДНКазы — химиче­ские изменения структуры ДНК. Например, цитозин в составе ДНК может метилироваться, то есть присое­динять СНз-группу. Это и другие химические изменения меняют чувствительность ДНК к ДНКазам.

Еще один способ — специфичность действий этих ДНКаз, то есть способность узнавать последователь­ность нуклеотидов в ДНК. Например, ДНКаза может «сесть» на молекулу ДНК только там, где находится последовательность, скажем, ГААТТЦ. Если ДНК не со­держит такой последовательности, то ДНКаза «пройдет мимо», вовсе не связавшись и, следовательно, не разре­зав ДНК.

Разберем этот случай подробнее. У всякой бактерии есть некоторое количество разных рестриктаз — фермен­тов, расщепляющих ДНК в строго определенных точ­ках. Но бактерия имеет также метилазы — ферменты, которые метилируют ДНК в этих же точках. Для каж­дой рестриктазы есть парная метилаза. Как же рабо­тает эта система?

ДНК в клетке может быть метилирована по обеим це­пям, только по одной цепи или не метилирована вовсе. Рестриктазы и метилазы время от времени «встречают» свой участок в ДНК. Если обе цепи метилированы, ферменты не «трогают» ДНК. Если метилирована одна цепь, то это значит, что фермент имеет дело с недавно удвоившейся клеточной ДНК: одна цепь — материн­ская, метилированная, а другая — свежесинтезированная. С такой молекулой рестриктаза ничего не делает, а метилаза метилирует вторую цепь. Наконец, если цепь не метилирована вовсе — это сигнал, что она чужая (например, принадлежит бактериофагу). Тогда рестрик­таза ее разрушает. Как видно, здесь ДНКазы участвуют в своеобразном иммунитете бактерий.

Наконец, содержание самих ДНКаз в клетке может регулироваться: при одних условиях синтез ДНКаз мо­жет возрастать, а при других — уменьшаться.

В реальных условиях разные способы комбинируют­ся. Например, специфическое место узнавания ДНКазы может маскироваться белком, а когда надо внести раз­рыв, белок каким-нибудь способом удаляется. Другой пример: при слиянии клеток, происходящем в половом процессе хламидомонады, ДНК одной из клеток мети­лируется, после чего начинает работать ДНКаза, раз­рушающая большую часть ДНК другой клетки.

 

 

ВОПРОС 8

Среди различных мутаций выделяют делеции — утраты разного количества нуклеотидов из ДНК. Есть ли случаи, когда делеции не вредны, а безразличны или даже полезны для их обладателя?

 

Ответ.

Прежде всего, необходимо различать делеции, происходящие в генеративных клетках (т. е. половых и их предшественницах), и делеции в соматических (всех остальных) клетках. Первые практически всегда безвред­ны для организма, но могут влиять на приспособлен­ность его потомков. Вторые влияют на приспособлен­ность самого организма.

Некоторые белки могут выполнять свои функции даже в том случае, если удалить небольшую часть моле­кулы. Делеции в генах таких белков будут практически безразличны. Если белок синтезируется и работает не при любых, а лишь при определенных условиях (напри­мер, только у одного пола), то делеция по гену этого белка будет безразлична в других условиях (у друго­го пола).

У эукариот большинство генов имеется не в единст­венном экземпляре, а во многих копиях. Некоторые из них могут утрачиваться без ущерба.

Существуют большие зоны ДНК, которые ничего не кодируют. Внутри многих генов эукариот располагают­ся некодирующие области — интроны.

Некоторые интроны могут быть утрачены из ДНК без большого вреда для организма, поскольку их наличие или отсутствие не влияет на работу белка (правда, не­которые интроны имеют особые функции и их удаление вредно).

Ничего не кодирует так называемая сателлитная ДНК, сосредоточенная на концах хромосом и вблизи перетяжки. Существенная часть сателлитной ДНК может быть утрачена. Например, у многих высших растений ДНК содержит миллиарды нуклеотидных пар, а у люби­мого генетиками крестоцветного арабидопсиса их всего  50 млн. Одна из причин этого та, что у арабидопсиса очень мало сателлитной ДНК.

Полезной для организма будет делеция вредной до­минантной мутации, если она произойдет на ранней стадии индивидуального развития и, следовательно, попа­дет во много клеток. (Еще лучше, если эта делеция про­изойдет в родительских половых клетках.) Полезной будет делеция, если она расстроит работу генов какого- либо вируса, встроенного в ДНК клетки.

Полезной может оказаться делеция, захватывающая конец одного гена и начало соседнего с ним. В резуль­тате может получиться ген, кодирующий составной белок с двумя функциями.

Если выпадают нуклеотиды в числе, не кратном трем, то происходит так называемая мутация со сдвигом рамки (или фазы считывания).

Такая мутация коренным образом меняет структуру белка. Иногда такой белок может сразу выполнять но­вые функции. Например, у одной бактерии из-за точеч­ной мутации произошел сдвиг рамки считывания, а полу­чившийся белок оказался способен расщеплять нейлон — большое преимущество и для бактерии, и для борьбы с загрязнениями.

Наконец, если делеции не затронули жизненно важ­ных генов, но заметно изменили размер генетического аппарата (у того же арабидопсиса или у некоторых вирусов), то возникает еще одно преимущество — боль­шая скорость удвоения нуклеиновых кислот.

Особый и очень важный случай полезных для орга­низма делеций — перестройка генов иммуноглобулинов у высших позвоночных. В крови птиц и млекопитающих содержатся иммуноглобулины (антитела) — белки, от­ветственные за иммунитет. У взрослого организма име­ется примерно 10⁶ разных видов иммуноглобулинов. Но в ДНК всего 10³ иммуноглобулиновых генов. Как же получается миллион разных иммуноглобулинов?

Оказывается, каждая молекула иммуноглобулина со­стоит из четырех белковых цепей: двух легких и двух тяжелых. Разберем механизм образования одного из ти­пов таких цепей — легкой цепи иммуноглобулина С.

Легкая цепь (молекулярная масса 25 тыс.) состоит из двух примерно одинаковых по величине частей: постоянной, одинаковой у всех иммуноглобулинов С (обозначается С), и переменной, разной у разных иммуноглобулинов (обозначается V). Имеется несколь­ко генов, кодирующих разные V-части. Изобразим расположение этих генов в хромосоме.

При созревании лимфоцитов, образующих антитела, в разных клетках происходят делеции разных участков ДНК.

В итоге получаются разные линии клеток. Такие же перестройки происходят в тех же клетках с генами, кодирующими тяжелые цепи антител. Поскольку гены легких и тяжелых цепей подвергаются делециям неза­висимо, то в каждой клетке может образоваться свое сочетание цепей и, следовательно, свой, особый тип иммуноглобулинов.

 

 

ВОПРОС 9

Как может возникнуть повторение идентич­ных участков ДНК и какое биологическое значе­ние может быть у такого повторения? 

 

Ответ. 

Разберем возможные способы возникновения повторов в ДНК. Сначала рассмотрим случай, когда у какого-то организма в ДНК некий участок присутству­ет в удвоенном виде. Или такое строение данный участок имел всегда (тогда вопрос о его происхож­дении теряет смысл), или он возник из единичной копии. Понятно, что, придумав способ удвоения участка ДНК, мы открываем дорогу к дальнейшему увеличе­нию числа сегментов.

Логично предположить, что вторая копия нашего сег­мента не возникла из ничего, а сначала была в составе другой молекулы ДНК. Обмен участками ДНК между двумя молекулами называется рекомбинацией. Как из­вестно, у эукариот это «событие» происходит в мейозе. Вспомним известные из учебника схемы перекреста хромосом.

Изобразим рекомбинирующий участок подробнее.

Обычно хромосомы рекомбинируют точно, и в составе получившихся хромосом сохраняется порядок и число ге­нов. Но не так уж редко перекрест бывает неравным.

В результате в одной из получившихся хромосом данного гена нет вовсе, а в другой хромосоме этот ген удвоен. Если точка перекреста будет не между генами, а внутри гена, то удвоится не весь ген, а учас­ток ДНК в составе этого гена. Хромосома, из которой ген утрачен, скорее всего, не будет воспроизводиться в череде поколений (если ген важный, то ближайшие потомки, получившие такую хромосому, погибнут или не оставят потомства). Хромосома же с удвоенным участ­ком может и не оказывать отрицательного влияния на своего обладателя. Такие же обмены участками между хромосомами могут происходить и во время митоза и даже между митозами, когда клетка не делится.

Другой путь умножения генов — повторное начало репликации. В ДНК содержатся участки, в которых на­чинается репликация. Здесь две нити ДНК в опреде­ленных условиях расходятся, и специальные ферменты начинают синтез дочерних цепей. Структуру удваиваю­щейся ДНК представляют следующей схемой.

Итак, молекула ДНК еще не завершила репликацию, а точка начала репликации уже удвоилась. В таких точ­ках репликация может начаться снова.

Так, имеют шанс умножиться те участки ДНК, кото­рые находятся недалеко от точки начала репликации. В хромосомах бактерий такая точка одна. У эукариот их много, и соответственно большее количество ДНК может таким «местным образом» умножиться. Если После данного умножения произойдет вышеописанный неравный перекрест, то в потомстве увидим умножение одинаковых участков ДНК.

Теперь легко представить себе, как из двух сегментов в результате тех же процессов получатся три, четыре или более.

До сих пор обсуждались пути умножения сегментов ДНК, при которых получаются повторы, расположен­ные рядом друг с другом. Но есть случаи, когда одина­ковые или очень похожие сегменты ДНК находятся в разных местах хромосомы или даже в разных хро­мосомах. Как правило, это связано с процессами выре­зания сегментов ДНК, их независимой репликации и последующего встраивания назад в ДНК.

Если начать со стадии 2, то схема будет описывать и инфекцию клетки некоторыми вирусами. В клетках животных находят множественные копии некоторых ви­русов и множественные копии сегментов клеточной ДНК. Некоторые из этих сегментов напоминают вирусную ДНК; возможно, одно дает начало другому.

Особый путь синтеза новых копий генов — обратная транскрипция. В ходе транскрипции на ДНК синте­зируется РНК — это обычный, широко распространен­ный во всех клетках процесс. Гораздо реже возникают (и хуже изучены) условия, при которых в клетке на матрице РНК синтезируется ДНК.

До сих пор речь не шла о функциях той ДНК, кото­рая умножается, встраивается и перестраивается. Более того, не было большой разницы, что умножается — целые гены, их части или же участки ДНК, ничего не кодирующие. Но биологическое значение метамерии ДНК зависит от того, что записано в умножаемом сегменте.

Пусть в качестве сегментов выступают целые гены. Представим себе, что продукт данного гена необходим клетке, причем в больших количествах. Например, в клет­ке непрерывно разрушаются старые и синтезируются но­вые рибосомы — значит, нужно очень много рибосомных РНК и белков. Как увеличить число копий рРНК на клетку? Основные пути: либо усилить транскрип­цию генов рибосомных РНК, либо увеличить число копий самих генов, либо и то и другое. Итак, увеличение числа копий жизненно важных генов непременно оказы­вается полезно для организма. Те же закономерности известны из опытов с культурами клеток: если добавлять к клеткам сильные яды в больших дозах, то выживают только те клетки, у которых умножается число генов, кодирующих ферменты, способные разрушать молекулы яда.

Здесь полезный эффект умножения генов проявляет­ся через небольшое число поколений. Есть и отдаленный, но не менее важный эффект — превращение копий ста­рого гена в гены с новыми функциями. Во всех генах возникают мутации. Если данный ген отвечает за важную функцию, то большинство мутаций будет ухудшать свой­ства белка — продукта этого гена. В результате большин­ство мутаций будет отбраковываться отбором.

Если же ген представлен несколькими копиями, то картина меняется. Отбор бдительно «следит» за тем, что­бы белок — продукт гена нормально работал. Если на одной копии синтезируется достаточное количество необ­ходимого клетке белка, то с остальными копиями может происходить что угодно — отбору «нет до этого дела» (если, конечно, испорченный белок не мешает нормаль­ному выполнять его функцию). Таким образом, в одной из копий гена могут накапливаться замены, которые малочувствительны к действию отбора. Через большое число поколений копии гена могут уже сильно различать­ся (по аналогии с эволюционным расхождением форм это называется дивергенцией ДНК). В итоге со временем будем иметь дело не с ухудшенным вариантом старого гена, а с новым геном, кодирующим белок с новыми функциями. Вероятно, так эволюционировали глобиновые гены позвоночных, давшие начало гемоглобину крови и миоглобину мышц. Похоже, что дальнейшие исследования дадут великое множество примеров дивер­генции и образования генов с новыми функциями. Умно­жаться могут также участки внутри гена.

Наконец, умножаются и регуляторные участки. На­пример, определенная структура в составе ДНК являет­ся сигналом конца транскрипции (терминатором). РНК-полимераза на этом месте обрывает синтез РНК с большой, хотя и не стопроцентной эффективностью. Удвоение терминаторного участка еще повысит эффек­тивность терминации.

В ДНК эукариот имеется много участков, полученных метамеризацией совсем коротких сегментов. Функции та­ких зон неясны.

 

 

ВОПРОС 10

В литературе встречается утверждение, что все клетки многоклеточного организма генетически идентичны. Как это можно проверить? Какие встре­чаются отклонения от этого правила? 

Ответ. Разные клетки многоклеточного организма ес­ли и не идентичны, то крайне похожи генетически. Перечислим некоторые опыты, которыми это предполо­жение можно подкрепить. Известны опыты Дж. Гердона по пересадке ядер. Из оплодотворенной яйцеклетки лягушки извлекалось ее ядро, а вместо него вводилось ядро из эпителиальной или другой клетки лягушки. Яйцеклетка развивалась и делилась, в итоге получалась нормальная лягушка. Это показывает, что ядерные гене­тические аппараты яйцеклетки и клетки эпителия взаимо­заменяемы. На аналогичные соображения наводят мно­гочисленные случаи вегетативного размножения у живот­ных и растений: дочерние особи, неотличимые от роди­тельских, возникают из соматических клеток послед­них.

Современные методы молекулярной биологии и ген­ной инженерии позволяют применить другой подход. Прямо сравнить первичную структуру всей ДНК из двух клеток в настоящее время невозможно, но любой отдельный ген можно выделить и охарактеризовать его положение в хромосоме, количество копий этого гена на клетку, его первичную структуру. Затем можно выяснить, во всех ли клетках имеется этот ген и одинаково ли он расположен.

Вернемся теперь к отклонениям от правила генети­ческой идентичности клеток. Начнем с наиболее демон­стративных. Так, в некоторых клетках многоклеточных организмов нет ядра (эритроциты млекопитающих, зре­лые ситовидные трубки флоэмы). У этих же клеток нет митохондрий. Во многих растительных клетках нет плас­тид или варьируется их общее количество (и, соответ­ственно, количество пластидной ДНК). В ряде расти­тельных и животных клеток может меняться число ми­тохондрий и митохондриальной ДНК.

В генетический материал, содержащийся в клетке, можно включить плазмиды бактерий и грибов, а также размножающиеся внутри клетки вирусы. Понятно, что количество и состав этих генетических элементов не одинаковы в разных клетках (например, РНК-содержащий вирус полиомиелита поражает клетки слизистой оболочки кишечника, а ДНК-содержащий вирус гепа­тита В — клетки печени).

Клетки могут отличаться по количеству наборов хро­мосом. Как известно, высшие эукариоты в основном диплоидны. Однако в составе в основном диплоидных организмов обязательно встречаются гаплоидные клетки (прошедшие мейоз предшественницы половых клеток; сами половые клетки; эндосперм у голосеменных).

Эндосперм покрытосеменных триплоиден. В организме животных повышена плоидность клеток ряда органов (в печени, например, клетки могут быть октаплоидны; сильно умножается число хромосомных наборов в слюн­ных железах насекомых). У споровых растений есть самостоятельное гаплоидное поколение, формирующее гаметы, но при этом у мхов диплоидное поколение формируется прямо на гаплоидном. В жизненных циклах грибов встречаются разнообразные сочетания клеток раз­ной плоидности.

Умножаться или утрачиваться могут не полные на­боры, а отдельные хромосомы. (Если такое происходит в зиготе, то это обычно ведет к наследственным болез­ням. Правда, тогда все клетки организма хоть и аномаль­ны, но одинаковы, и данный случай не является отве­том на вопрос.)

Далее, имеется великое множество примеров, когда отдельные гены меняют свое положение внутри одной хромосомы или даже переходят в другую. В разных клет­ках это может происходить по-разному. Иног­да направленные перестройки ДНК происходят в ходе индивидуального развития организма. Например, в ран­нем развитии яиц некоторых пресноводных рачков имеет­ся особая стадия, когда все клетки, кроме одной, одно­временно утрачивают большое количество ДНК. Эта ДНК ничего не кодирует (так называемая сателлитная ДНК). У взрослого организма большинство клеток со­держит мало сателлитной ДНК, и только клетки зароды­шевого пути, чья предковая клетка оставалась без изме­нений, содержат всю сателлитную ДНК.

Наконец, многие клетки организмов время от времени делятся, и во всех клетках без исключения идет репара­ция — «залечивание» случайных повреждений в цепях ДНК. И тот, и другой процессы идут хоть и с высокой, но не со стопроцентной точностью. Ошибки репарации и репликации — важнейший источник мутаций. В раз­ных соматических клетках организма набор этих мута­ций обязательно оказывается разным. Кстати, на этом основан один из способов получения новых сортов растений. Так как из одной клетки, например, листа растения можно вырастить целое растение, то поступают следующим образом: выделяют много клеток из многих листьев, из них выращивают целые растения, а поскольку в исходных клетках были разные мутации, то и среди полученных растений в изобилии находят мутантов, в том числе иногда с нужными свойствами.

 

 

ВОПРОС 11

На питательную среду посеян материал, содер­жащий бактерии. Их количество нарастает со време­нем так, как показано на графике. Объясните такой ход графика. 

 

Ответ.

Отметим, что в вопросе дается общий ход кривой, но не указываются крутизна графика и численные значения точек перегиба. Не указано также, строго ли горизонтален средний участок или на этом участке число клеток хоть и слабо, но меняется (возрастает или убывает). В зависимости от этих и других особен­ностей графика приходится подбирать особые объясне­ния. Мы не будем обсуждать эти детали, а приведем разные версии, предложив читателю додумать осталь­ное.

Различные молекулы (белки и углеводы) на поверхности клеток обладают высокой видовой спе­цифичностью. Мы можем проиммунизировать, например, кролика суспензией клеток мыши или крысы и получить специфические антитела, направленные против белков, расположенных на поверхности мышиных или крысиных клеток. Если затем эти антитела мы свяжем с каким-либо красителем, то, обработав исследуемые клетки эти­ми антителами, получим специфическое окрашивание «на мышь» или «на крысу». Конечно, данный метод требует значительного числа контрольных опытов, по­скольку мышь и крыса — достаточно близкие виды и антитела к крысиным клеткам могут в принципе взаимо­действовать и с мышиными клетками. Мы должны снача­ла убедиться, что наши «антикрысиные» антитела не мо­гут взаимодействовать с клетками, взятыми от нормаль­ной мыши. Мы должны также быть твердо уверены, что никакие клетки не связывают «антикрысиные» антитела неспецифически и что никакие клетки не свя­зывают оба типа антител — и «антикрысиные», и «анти­мышиные».

В-третьих, мы можем воспользоваться тем, что клетки даже одного типа, но от разных животных могут иметь различный набор ферментов или разную активность ка­ких-либо ферментов. Можно провести электрофоретический анализ какой-либо фракции белков клеток крысы и аналогичных белков клеток мыши, а затем сравнить их с белками исследуемых клеток. Например, в нашем кон­кретном случае лейкоциты крысы обладают значительно более высокой активностью фермента щелочной фосфатазы, чем лейкоциты мыши, и их можно найти в пре­паратах клеток крови или костного мозга с помощью реакции на щелочную фосфатазу.

В-четвертых, клетки разных животных могут иметь и морфологические отличия. Например, в ядрах мышиных клеток всегда есть несколько десятков плотных глыбок хроматина, расположенных возле ядерной оболочки. Эти глыбки соответствуют прицентромерному хроматину, содержащемуся в каждой хромосоме мыши. В хромосо­мах крысы прицентромерного хроматина содержится го­раздо меньше, и в ядрах крысиных клеток таких харак­терных глыбок хроматина, как в ядрах мышиных кле­ток, мы не найдем.

Можно привести и другой пример морфологического различия клеток. В клетках японского перепела имеется одно очень крупное округлое ядрышко, тогда как в клет­ках курицы ядрышки мелкие и их несколько. Поэтому клетки перепела легко можно обнаружить среди клеток курицы по различию ядрышек. Наконец, в принципе можно проанализировать ДНК, содержащуюся в клет­ках. Состав и свойства ДНК, взятой от разных живот­ных, также могут отличаться. Например, в ДНК мыши имеется много сателлитной ДНК, обогащенной АТ-парами, а в ДНК крысы такой ДНК очень мало. Однако на практике анализ ДНК для различения видовой принад­лежности клеток применяют редко, поскольку этот ана­лиз - весьма трудоемок и, кроме того, ДНК близких видов животных, как правило, имеет очень незначитель­ные отличия.

 

 

ВОПРОС 12

Предложите эксперименты, которыми можно было бы проверить, происходят ли клетки регенери­рующих частей тела из перестроившихся дифферен­цированных клеток или же из неспециализированных клеток-предшественников.

Ответ.

В регенерации утраченной части тела должны участвовать различные ткани, из которых состояла эта часть тела. Сначала нужно точно определить, какие именно это ткани. Для этого лучше всего исследовать под световым микроскопом гистологические срезы образ­цов, взятых на разных стадиях регенерации. При этом можно увидеть, что различные ткани регенерируют сильно отличающимися друг от друга способами. Так, кожный эпидермис наползает на раневую поверхность пластом, почти не изменяя своей многослойной струк­туры. Если дефект образовался в соединительной тка­ни, то по краям его собираются определенные клетки этой ткани и начинают синтезировать большие коли­чества межклеточного вещества, заполняющего этот де­фект. В обоих случаях клетки если и начинают делиться интенсивнее, то ненамного. Напротив, при удалении значительного фрагмента печени в оставшейся ее части наблюдается большое число делящихся клеток. Также и при повреждении эндотелия сосудов вблизи места повреждения начинается пролиферация (размножение) клеток.

Не во всякой ткани можно четко выделить неспециа­лизированные клетки-предшественницы и дифференци­рованные клетки. Те же фибробласты (соединительно­тканные клетки), эндотелиальные клетки или гепатоциты представляют собой по всем морфологическим призна­кам очень однородные популяции. Этим они отличаются от клеток других тканей, где существуют сильно отли­чающиеся друг от друга клетки — многослойные эпите­лии, кровь и т. п. В последнем случае уже на морфоло­гическом уровне удается выявить ряды дифференци- ровки, то есть определить наименее дифференцирован­ные, способные к размножению клетки и проследить их последовательную дифференцировку и превращение в высокоспециализированные, но неспособные к делению клетки, такие как эритроциты, гранулоциты или роговые чешуйки кожи.

 

ВОПРОСЫ ПО МОЛЕКУЛЯРНОЙ БИОЛОГИИ, БИОХИМИИ И ЦИТОЛОГИИ ДЛЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Почему нельзя питаться одним сахаром? 

2. Почему живые аскариды не перевариваются в кишечнике млекопитающего, а погибшие перевари­ваются?

Каковы общие и различные функции пигмен­тов у животных и растений?

Почему глубоководные водоросли имеют, как правило, не зеленую, а иную окраску? 

3. В древности и в средние века люди применяли различные средства борьбы с инфекционными болез­нями. Какие из этих средств сейчас не применяются, а какие сохранились? Появились новые? 

4.Представьте себе, что Вы — врач экспедиции, высадившейся на незнакомую планету. Среди экипа­жа обнаружилось неизвестное заболевание. Что Вы будете делать? 

5. Как известно, в желудке человека расщепляют­ся белки. Яд бактерии — возбудителя ботулизма по своей химической природе представляет собой белок. Чем же объяснить то, что он опасен именно при попадании в пищеварительный тракт?

6.Ферменты, как и любые катализаторы, одина­ково ускоряют и прямую, и обратную реакции. Су­ществуют ферменты, расщепляющие белок,— протеазы. Если в растворе такого фермента создать высо­кую концентрацию аминокислот, то фермент будет катализировать обратную реакцию, то есть синтезиро­вать белки. Правильно ли такое рассуждение и реа­листичен ли такой путь получения белков? 

Для молекулярно-генетических экспериментов часто бывает необходимо получить мутантов, у кото­рых нарушен синтез какого-либо белка. Как получить мутантов по жизненно важным белкам?

7. Может ли участок ДНК не кодировать белок? В каких случаях? Может ли один и тот же участок ДНК кодировать два белка? Каким образом? 

8. ДНК клетки периодически удваивается (про­цесс репликации), на что расходуются нуклеотиды. Полимеризация нуклеотидов происходит также при залечивании разрывов и брешей в цепях ДНК (про­цесс репарации). Как экспериментально опреде­лить, для чего в данный момент полимеризуются нуклеотиды — для репликации или для репарации? 

9.Вирус табачной мозаики (ВТМ) состоит из РНК и белка. Можно выделить РНК ВТМ, в пробир­ке «одеть» ее белком другого вируса и такими «гиб­ридными» частицами заразить растение. Какому из двух «родительских» вирусов будут принадлежать РНК и белок потомства? 

10. Ряд организмов обладает системой ферментов, способных превращать азот воздуха в минеральные ионы. Эта система не может работать в присутствии атомов кислорода. Как организмы избегают отравле­ния катализатора кислородом?